孫萬臣,杜家坤，郭 亮, 肖森林, 范魯艷, 李國良, 譚滿志

(吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室,長春 130025)

?

2015191

汽油/柴油混合燃料對壓燃式發(fā)動機燃燒及超細微粒排放的影響*

孫萬臣,杜家坤，郭 亮, 肖森林, 范魯艷, 李國良, 譚滿志

(吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室,長春 130025)

對一臺高壓共軌增壓中冷壓燃式發(fā)動機燃用汽油/柴油混合燃料的燃燒和排放特性進行試驗研究，分析不同汽油摻入比例對發(fā)動機的燃燒過程和微粒排放粒度分布的影響規(guī)律。結果表明，燃用汽油/柴油混合燃料改善了燃料的揮發(fā)性，有助于加快油氣混合，增大預混合燃燒量，顯著降低排氣煙度，但會導致NOx排放增加，在較大負荷工況下更為明顯。引入適當?shù)膹U氣再循環(huán)，可同時降低NOx和微粒排放。隨汽油摻入比例的增加，燃燒持續(xù)期縮短，有利于改善燃燒定容性，配合EGR、噴油參數(shù)等燃燒邊界條件的控制，合理匹配燃燒相位，有利于提高發(fā)動機熱效率。但過大的汽油摻入比例易導致燃料著火性變差，滯燃期延長，燃燒相位過于推遲，熱效率有所降低。燃用汽油/柴油混合燃料時，微粒數(shù)量濃度分布曲線中核態(tài)微粒與積聚態(tài)微粒數(shù)量濃度峰值均向小粒徑方向移動。隨著負荷的增加，預混合燃燒量減少，汽油摻入比例對微粒排放濃度的影響加大。在中等負荷工況下，汽油摻入比例在40%以上的混合燃料能夠有效降低積聚態(tài)微粒數(shù)量濃度。

壓燃式發(fā)動機；汽油/柴油混合燃料；燃燒；微粒排放粒度分布

前言

隨著全球范圍內(nèi)對節(jié)能減排和低碳經(jīng)濟的不斷重視，提高內(nèi)燃機的燃燒熱效率、降低燃油消耗和減少溫室氣體CO2排放受到普遍重視。以柴油機為代表的壓燃式發(fā)動機由于熱效率高、經(jīng)濟性好、功率范圍寬廣等優(yōu)點獲得廣泛應用。但由于柴油機混合氣形成時間短，缸內(nèi)混合氣均質性較差，不可避免地存在局部過濃區(qū)和高溫區(qū)，導致NOx和微粒排放較高。針對傳統(tǒng)柴油機上述問題，積極導入預混合化的燃燒模式將是實現(xiàn)高效清潔燃燒的有效手段[1]。

為促進油氣混合氣形成，提高燃料揮發(fā)性是促進油氣混合的有效手段[2]。文獻[3]中研究了燃料著火性、揮發(fā)性和芳烴含量對燃燒及排放的影響規(guī)律。結果表明，通過改善燃料揮發(fā)性，降低著火性，能夠有效降低微粒排放，可實現(xiàn)發(fā)動機在更寬廣負荷范圍內(nèi)實現(xiàn)高效清潔燃燒并有助于拓展實現(xiàn)高效清潔燃燒的工況范圍。英國伯明翰大學通過將汽油與柴油進行混合制取了著火性與揮發(fā)性介于二者之間的燃料，命名為“dieseline”，研究發(fā)現(xiàn)采用汽油改善燃料揮發(fā)性并延長滯燃期，有助于實現(xiàn)高效清潔的部分預混壓燃模式[4]。近年來，國內(nèi)研究者也針對汽/柴油混合燃料開展了相關研究工作，取得了一些有意義的研究成果[5-9]。

現(xiàn)有研究主要針對汽油/柴油混合燃料燃燒和微粒質量排放特性開展工作，對于微粒數(shù)量排放的研究仍鮮見報道。已有研究表明柴油機排氣微粒絕大多數(shù)為超細微粒(粒徑小于100nm)[10]，這種細顆粒物體積小，質量輕，能長時間懸浮在大氣中，燃燒過程產(chǎn)生的苯并芘等致癌物質易附著在其表面而深入人體肺泡，對環(huán)境及人類的健康造成極大危害[11]。因此，有必要開展進一步的研究。本文中針對壓燃式發(fā)動機燃燒優(yōu)化及降低排放污染物的需求，試驗研究了汽油/柴油混合燃料及EGR對燃燒及超細微粒排放特性的影響規(guī)律，為內(nèi)燃機實現(xiàn)高效清潔燃燒模式提供了新的思路。

1 試驗裝置和試驗方案

1.1 試驗用發(fā)動機和燃料

研究中采用一臺高壓共軌增壓中冷柴油機，噴油時刻和噴油量采用開放式電控燃油噴射系統(tǒng)進行實時在線控制。試驗用發(fā)動機主要技術參數(shù)如表1所示。試驗中選取國IV-10#柴油與97#汽油作為基礎燃料，試驗燃料理化特性如表2所示。按不同體積比進行配比，獲取了不同理化特性的試驗燃料。文中將純柴油記為G0，汽油含量為20%，30%，40%和50%的混合燃料分別記為G20，G30，G40和G50。

表1 發(fā)動機主要技術參數(shù)

表2 試驗燃料理化特性

1.2 發(fā)動機測試與稀釋取樣系統(tǒng)

試驗中采用的發(fā)動機測控系統(tǒng)主要由南峰機電設備公司生產(chǎn)的CW160程控式電渦流測功機、HORIBA 7100DEGR排氣分析儀、AVL439消光煙度計、日本小野DS-9100燃燒分析儀和日本小野數(shù)字油耗儀等組成。缸壓測量采用Kistler 6052C型缸壓傳感器，轉角信號由Kistler 6124B型編碼器輸出，采樣分辨率為0.25°CA，每個工況點示功圖均采集100個循環(huán)進行平均以消除測量誤差。為使排氣在引入粒度儀前得到充分稀釋，研究中采用排氣二級稀釋系統(tǒng)對發(fā)動機尾氣進行稀釋與降溫。圖1為試驗臺架示意圖。

1.3 試驗方案

選取典型的發(fā)動機最大轉矩轉速(1 800r/min)工況，燃油噴射模式采用單段噴射，噴油時刻(Tinj)為11°CA BTDC。本文中定義累積放熱量為總放熱量的10%和90%時所對應的曲軸轉角為燃燒始點和燃燒終點，分別以CA10和CA90表示。滯燃期定義為燃燒始點與噴油始點之差。燃燒持續(xù)期定義為燃燒終點與燃燒始點之差。粒徑小于50nm為核態(tài)微粒，50nm以上為積聚態(tài)微粒，粒徑小于100nm的為超細微粒，核態(tài)微粒比例定義為核態(tài)微粒數(shù)量占總微粒數(shù)量的百分比。

2 試驗結果與分析

2.1 汽油/柴油混合燃料排放特性分析

為探究不同混合氣濃度條件下汽油摻入比例對排放的影響規(guī)律，試驗中通過調(diào)整噴油脈寬來調(diào)整發(fā)動機負荷，不同負荷下平均指示壓力分別為0.32，0.51，0.72，0.91，1.09和1.31MPa，對應的負荷率分別為15%，30%，47%，60%，75%和85%。圖2為不同負荷工況下燃用汽油/柴油混合燃料排放特性對比。由圖可見，燃用汽油/柴油混合燃料可顯著降低排氣煙度，在大負荷工況下更為明顯。隨汽油摻入比例增大，CO及HC排放增加，但增幅隨負荷增大而減小，主要原因在于，汽油具有較好的揮發(fā)性，隨摻入比例增大，燃料揮發(fā)性得到改善，有利于在著火前形成更為均勻的混合氣。負荷較小時，由于缸內(nèi)燃燒過程主要以預混合燃燒為主，改善燃料揮發(fā)性不僅對提升混合氣均質性的作用有限，反而揮發(fā)性過強易導致局部混合氣過稀，HC及CO等未完全燃燒產(chǎn)物增加。大負荷時擴散燃燒過程比例增加，改善燃料揮發(fā)性能夠有效減少局部過濃區(qū)，有利于降低微粒排放。同時，預混合燃燒量增加使得燃燒溫度升高，有助于HC及CO等物質在循環(huán)后期的高溫氧化，但對NOx排放會產(chǎn)生不利影響，導致NOx排放增加。

2.2 汽油/柴油混合燃料對燃燒特性的影響

先前的研究表明，EGR與噴油參數(shù)的合理選擇可有效控制燃燒過程，調(diào)整燃燒相位，通過燃料特性與EGR協(xié)同控制，有助于調(diào)節(jié)預混合燃燒量，優(yōu)化缸內(nèi)活化氛圍和熱氛圍，配合燃料特性的改變，可同時降低NOx和微粒排放[8]。為深入研究汽油/柴油混合燃料及燃燒邊界條件對燃燒及排放的影響規(guī)律，本文中選取兩種典型的負荷工況(IMEP為0.43和0.72MPa，分別代表發(fā)動機以預混合燃燒過程為主的小負荷工況及以擴散燃燒過程主導的中等負荷工況)。試驗中通過引入冷卻廢氣，調(diào)節(jié)缸內(nèi)活化氛圍及熱氛圍，同時配合燃油噴射參數(shù)的調(diào)整，進而優(yōu)化燃燒相位。本文中選定EGR率為30%，噴油定時選為11°CA BTDC，研究EGR條件下汽油摻入比例對燃燒特性的影響。圖3為燃用不同摻入比例汽油/柴油混合燃料時燃燒特性的對比。從圖中可以看出，混合燃料中汽油摻入比例對燃燒過程存在顯著影響，且不同負荷工況下的變化規(guī)律有所不同。小負荷工況下，由于空燃比較大，燃燒過程呈現(xiàn)單一的預混合燃燒模式。此時隨摻入比例增加，滯燃期明顯延長，當摻入比例達到50%時，由于燃燒過分推遲，燃燒過程處于活塞下行階段，做功能力下降，導致放熱率峰值降低。當負荷增大時，缸內(nèi)混合氣濃度增大，由于柴油揮發(fā)性相對較差，燃燒過程以擴散燃燒占主導。隨汽油摻入比例增加，放熱率曲線的擴散燃燒部分逐漸消失，燃燒過程由擴散燃燒向預混合燃燒模式轉變。

圖4為燃用汽油/柴油混合燃料時主要燃燒特征參數(shù)對比。由圖4(a)可見，小負荷工況下平均溫度峰值和最大壓升率均隨汽油摻入比例增加而降低；在中等負荷工況下汽油摻入比例對缸內(nèi)燃燒平均溫度峰值影響不大。由圖4(b)可見，小負荷工況下由于燃燒過程預混合燃燒占主導，同時混合燃料十六烷值較低，滯燃期延長，燃燒相位(CA50)相對推遲，放熱過程主要位于活塞下行膨脹階段，壓力升高率峰值隨摻入比例增大而稍有降低；中等負荷工況下，雖燃燒過程有所推遲，但由于混合氣均質性得到改善，燃燒過程預混合燃燒比例增加，放熱速率加快，壓升率相應升高，汽油摻入比例在40%以內(nèi)時，壓升率峰值以每10%摻入比例0.06MPa/(°CA)的幅度升高。但不論負荷大小，當摻入比例從40%繼續(xù)升高時，壓升率峰值都將反而下降。由圖4(d)可見，小負荷工況下汽油摻入比例對燃燒持續(xù)期影響不大；中等負荷工況下，隨著汽油摻入比例的增加，燃燒持續(xù)期明顯縮短。當汽油摻入比例達到40%時，燃燒持續(xù)期較柴油縮短約4.5°CA，可明顯提高燃燒定容度，有助于改善燃燒熱效率。但從圖4(f)中發(fā)現(xiàn)，當汽油摻入比例提高至30%時，熱效率開始下降。主要原因在于熱效率受定容性與燃燒相位兩方面制約，雖然采用較高汽油摻入比例混合燃料燃燒定容性有所改善，但燃燒相位過分推遲導致放熱過程做功能力下降，使得熱效率降低。

2.3 汽油/柴油混合燃料對超細微粒排放特性的影響

為進一步探究汽油/柴油混合燃料對超細微粒排放的影響規(guī)律，選取IMEP 為0.43和0.72MPa兩種負荷工況下，分析不同摻入比例混合燃料對微粒排放粒度分布的影響，結果如圖5所示。由圖可見，不同負荷工況下微粒排放粒度分布特征存在明顯差異，小負荷時核態(tài)微粒峰值主要位于30～50nm之間，積聚態(tài)微粒峰值位于150nm附近，絕大多數(shù)微粒均處于300nm以下；隨著負荷的增大，微粒粒徑分布范圍向大粒徑方向擴展，粒徑大于300nm的微粒數(shù)量有所增加。微粒排放粒度分布特征與預混合燃燒量之間存在一定對應關系，小負荷工況下空燃比較大，汽油摻入比例對預混合燃燒量影響不大，因此對微粒排放粒度分布的影響不明顯。隨負荷增大，缸內(nèi)空燃比降低，預混合燃燒量減少，汽油摻入比例對微粒排放濃度的影響加大。隨汽油摻入比例增加，核態(tài)及積聚態(tài)微粒數(shù)量濃度、表面積濃度和體積濃度峰值升高并向小粒徑方向移動，且積聚態(tài)微粒濃度峰值顯著降低。對于不同燃料，表面積濃度和體積濃度峰值所對應的粒徑范圍相對于微粒數(shù)量濃度峰值均向大粒徑方向移動，核態(tài)微粒表面積濃度和體積濃度峰值均位于50nm附近。

圖6為燃用混合燃料時不同模態(tài)微粒數(shù)量濃度及所占比例。從圖中可以看出，小負荷工況下，排氣中絕大多數(shù)微粒為核態(tài)微粒，積聚態(tài)微粒數(shù)量所占比例較小。與柴油相比燃用汽油/柴油混合燃料核態(tài)微粒與總微粒數(shù)量均有所減少，其大部分為核態(tài)微粒，其中核態(tài)微粒和超細微粒比例均保持在99%和97%以上。中等負荷工況下，隨汽油摻入比例增加，積聚態(tài)微粒數(shù)量明顯降低，汽油添加比例超過40%時積聚態(tài)微粒數(shù)量降低達50%以上，主要原因在于燃用汽油/柴油混合燃料有助于降低缸內(nèi)局部濃混合氣區(qū)當量比，增大預混合燃燒量，抑制高溫區(qū)顆粒物生成，降低排氣顆粒物初始載體數(shù)量，進而使積聚態(tài)微粒數(shù)量降低。對于核態(tài)微粒，由于燃用混合燃料時HC及CO排放增加，在排氣冷卻過程中部分大分子的HC成分易于達到飽和狀態(tài)冷凝形成核態(tài)微粒，尤其是當汽油摻入比例達到40%以上時，燃燒過程主要發(fā)生在膨脹沖程，不完全燃燒損失增大，HC排放對核態(tài)微粒數(shù)量的影響更為明顯。同時，積聚態(tài)微粒數(shù)量顯著降低使具有較強吸附作用的大粒徑微粒對小粒徑核態(tài)微粒的吸附效果減弱，進而導致核態(tài)微粒比例由柴油的58.7%升高到燃用G40時的75.74%。

3 結論

(1) 燃料特性對燃燒及排放均有顯著影響，通過向柴油中摻入一定比例汽油，能夠改善燃料揮發(fā)性，有助于加快缸內(nèi)油氣混合過程，增大預混合燃燒量，顯著降低排氣煙度，但會導致NOx排放增加，在大負荷工況下影響更為明顯。隨汽油摻入比例增大CO及HC排放增加，但增幅隨負荷增大而減小。

(2) 隨汽油摻入比例增加，燃燒持續(xù)期縮短，定容度提升，配合EGR等燃燒邊界條件的控制，并合理匹配燃燒相位，有利于提高發(fā)動機熱效率。當汽油摻入比例大于40%時，由于燃料十六烷值過低，滯燃期較長，燃燒相位過于推遲，熱效率有所降低。

(3) 微粒排放粒度分布特征與預混合燃燒量之間存在一定的對應關系，小負荷工況下空燃比較大，汽油摻入比例對預混合燃燒量影響不大。隨負荷增大，缸內(nèi)空燃比降低，預混合燃燒量減少，微粒排放粒度分布特征對汽油摻入比例的敏感性提升。

(4)燃用汽油/柴油混合燃料時，核態(tài)微粒與積聚態(tài)微粒數(shù)量濃度峰值均向小粒徑方向移動，發(fā)動機排氣微粒超細化程度更高。隨汽油摻入比例增加積聚態(tài)微粒數(shù)量明顯降低，汽油添加比例超過40%時積聚態(tài)微粒數(shù)量降低達50%以上。

[1] Reitz R D,Duraisamy G. Review of High Efficiency and Clean Reactivity Controlled Compression Ignition (RCCI) Combustion in Internal Combustion Engines[J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2015,46: 12-71.

[2] Leif Hildingsson, Bengt Johansson, Gautam T Kalghatgi, et al. Some Effects of Fuel Autoignition Quality and Volatility in Premixed Compression Ignition Engines[C]. SAE Paper 2010-01-0607.

[3] Tsujimura T, Goto S. Study on Improvement of Combustion and Effect of Fuel Property in Advanced Diesel Engine[C]. SAE Paper 2010-01-1117.

[4] Rezaei S Z, Zhang F, Xu H, et al. Investigation of Two-stage Split-injection Strategies for A Dieseline Fuelled PPCI Engine[J]. Fuel, 2013,107: 299-308.

[5] Han Dong，Ickes Andrew M，Assanis Dennis N，et al. Attainment and Load Extension of High-Efficiency Premixed Low-temperature Combustion with Dieseline in a Compression Ignition Engine[J]. Energy Fuels，2010，24(6)：3517-3525.

[6] 于超，王建昕，王志，等. 汽/柴油混合燃料對柴油機燃燒與排放特性影響的試驗研究[J]. 內(nèi)燃機工程，2013，34(5)：1-6.

[7] Liu Haoye，Wang Zhi，Wang Jianxin，et al. Effects of Gasoline Research Octane Number on Premixed Lowtemperature Combustion of Wide Distillation Fuel by Gasoline/Diesel Blend[J]. Fuel，2014，134：381-388.

[8] 杜家坤，孫萬臣，肖森林，等. 燃燒相位與EGR協(xié)同控制對寬餾程燃料預混壓燃燃燒和排放的影響[J]. 內(nèi)燃機學報，2015，33(2)：110-115.

[9] 張小玉，劉福水，何旭，等. 噴油定時對汽/柴油混合燃料燃燒影響的可視化研究[J].內(nèi)燃機學報，2014，32(5)：393-398.

[10] 杜家坤，孫萬臣，王曉丹，等. GTL 添加比例對高壓共軌柴油機微粒排放粒度分布的影響[J]. 內(nèi)燃機學報, 2013,31(3):241-247.

[11] Jun Kagawa. Health Effects of Diesel Exhaust Emissions-a Mixture of Air Pollutants of Worldwide Concern[J].Toxicol,2002,181-182:349-353.

The Effects of Gasoline/diesel Blend Fuels on the Combustion and Ultra-fine Particulate Emission of a Compression Ignition Engine

Sun Wanchen, Du Jiakun，Guo Liang, Xiao Senlin, Fan Luyan, Li Guoliang & Tan Manzhi

JilinUniversity，StateKeyLaboratoryofAutomotiveSimulationandControl,Changchun130025

An experimental study on the combustion and emission characteristics of a high-pressure common-rail turbocharged intercooled compression ignition engine fueled with gasoline/diesel blend fuel is conducted to analyze the law of influence of different gasoline proportions on the combustion process and emitted particulate size distribution of engine. The results indicate that the blending of gasoline and diesel fuel improves the volatility of fuel, being conducive to quick mixing of fuel and air, increases the proportion of premixed combustion and hence greatly reduces the opacity of exhaust gas, but may increase the emission of NOx, especially in larger load conditions, and the introduction of reasonable exhaust gas recirculation (EGR) can reduce both NOxand particulate emissions. With the increase of gasoline proportion, the combustion duration shortens, conducive to enhancing the extent of constant-volume combustion. Combined with the control of combustion boundary conditions including EGR and fuel injection parameters and proper combustion phase, the thermal efficiency of engine can be improved. However, too large a gasoline proportion may result in the deterioration of fuel flammability, and hence the extension of delayed burning period, the delay of combustion phase and the drop of thermal efficiency. When gasoline/diesel blend fuel is used, the peaks of number concentration distribution curves for both nucleation and accumulation mode particulates move towards small size direction. With the increase of load, the proportion of premixed combustion reduces and the effects of gasoline proportion on the concentration of particulate emission become apparent. In medium loading condition, the blend fuel with a gasoline proportion larger than 40% can effectively reduce the number concentration of accumulation mode particulates.

compression ignition engine; gasoline/diesel blend fuel; combustion; emitted particulate size distribution

*國家自然科學基金(51176064)和吉林省科技發(fā)展計劃項目(20140204012GX)資助。

原稿收到日期為2015年7月2日，修改稿收到日期為2015年8月20日。