王　超李旭聰趙中芹史曉剛康志強鄭德生趙從姣軒大勇高定偉（1-長城汽車股份有限公司技術中心河北保定071000 2-河北省汽車工程技術研究中心）

?

柴油主噴正時對汽柴油雙燃料發(fā)動機性能影響的研究

王超1，2李旭聰1，2趙中芹1，2史曉剛1，2康志強1，2
鄭德生1，2趙從姣1，2軒大勇1，2高定偉1，2
（1-長城汽車股份有限公司技術中心河北保定071000 2-河北省汽車工程技術研究中心）

摘要：以一臺柴油機為原型機，增加進氣道汽油噴射系統(tǒng)，實現進氣道預混噴射汽油缸內直接噴射柴油引燃的燃燒模式，對汽柴油雙燃料發(fā)動機性能進行深入的研究。研究顯示：汽柴油雙燃料發(fā)動機缸內燃燒壓力峰值隨著主噴正時的推后而升高；油耗水平隨著主噴正時的推后而惡化；柴油主噴油量對NOx排放影響不明顯，NOx排放隨著主噴正時推后呈現單調降低趨勢；Soot排放隨著主噴正時推后呈現降低趨勢。同時在相同主噴正時條件下，主噴油量越低，Soot排放越低。汽柴油雙燃料發(fā)動機THC排放和CO排放均較高。

關鍵詞：汽柴油雙燃料經濟性能燃燒特性排放性能

引言

隨著社會和經濟的高速發(fā)展，汽車成為人們日常生活中不可或缺的一部分，柴油機因其高熱效率，低油耗廣受汽車愛好者的青睞。但是，隨著汽車排放法規(guī)的日益嚴格和對燃油經濟性要求的提高，越來越多的新技術被提出并投入應用。

自上世紀90年代以來，以均質充量壓燃（HCCI）、低溫燃燒（LTC）為代表的新一代內燃機燃燒理論和燃燒新技術，由于其具有高熱效率、且可同時降低NOx和Soot排放而成為研究熱點[1～4]。但這些新燃燒技術主要受化學反應動力學控制，燃燒時刻與燃燒速率控制困難，且其運行工況范圍狹窄。因此，尋找其燃燒時刻及速率的控制方法，進而擴大高效清潔運行工況范圍成為新一代內燃機燃燒理論和技術研究的重點[5-6]。燃料低溫燃燒研究發(fā)現，燃料化學特性對燃燒時刻及燃燒速率有著決定性的影響，即在發(fā)動機運行的寬廣工況范圍內，燃料特性的控制是實現燃燒時刻與燃燒速率控制、擴大運行工況范圍的重要技術途徑。采用雙燃料方式，可通過調節(jié)兩種不同特性燃料的比例得到特定工況所需的最佳理化特性燃料。鑒于此，雙燃料燃燒模式采用進氣道噴射汽油缸內噴射柴油兩種不同性質燃料在發(fā)動機缸內進行混合燃燒，實現不同工況應用不同理化性質燃料的目的。

本研究在原柴油機進氣道上增加汽油供油系統(tǒng)實現汽柴油雙燃料共同燃燒進行汽柴油雙燃料發(fā)動機性能研究。本文以2050 r/min@125N·m工況點為例，進行不同柴油主噴正時對發(fā)動機性能影響的研究。

1試驗設備和方法

試驗原型機為長城汽車公司生產的4D20型柴油機，其主要技術參數見表1。試驗裝置系統(tǒng)如圖1所示。

表1　發(fā)動機主要技術參數

如圖1所示，在原柴油機的基礎上增加了一套進氣道汽油噴射的供油系統(tǒng)，來形成進氣道噴射汽油燃料，缸內噴射柴油燃料的雙燃料燃燒模式。雙燃料發(fā)動機兩種燃料的噴射軌壓、噴射正時、噴射持續(xù)期以及兩種燃料的供給比例均可以靈活調節(jié)。

圖1　發(fā)動機臺架示意圖

在試驗研究中，發(fā)動機與AVL公司生產的電渦流測功機相連，采用AVL公司生產的AVL GH13P壓電式傳感器連接AVL 4P3G電荷放大器進行缸內燃燒壓力數據的測?。徊捎肁VL燃燒分析儀對測取的燃燒數據進行整理分析；采用HORIBA 7500DEGR排放設備對NOx、THC和CO常規(guī)排放物進行檢測；采用AVL 415S煙度計對尾氣中的PM進行檢測；試驗中所用汽油牌號為93#，柴油牌號為0#歐五。

本文中所提到的汽柴油比例和油耗消耗率均指以下定義：

圖1　發(fā)動機臺架示意圖

汽柴油雙燃料發(fā)動機采用進氣道噴射汽油和缸內噴射柴油兩種供油方式，形成汽油預混柴油引燃的燃燒模式。其中進氣道噴入的汽油，在進氣行程中與空氣充分混合形成均質混合氣；缸內直噴柴油采用預噴和主噴兩次噴射，預噴柴油引燃預混汽油做功，主噴柴油彌補汽油燃燒不足的一部分功率。本試驗主要研究不同主噴油量工況下，主噴正時對發(fā)動機經濟性能、燃燒特性和排放性能的影響。

2試驗結果與分析

本文以2050 r/min@125 N·m工況為例來說明主噴正時對汽柴油雙燃料發(fā)動機性能的影響，具體試驗參數如表2所示。在試驗過程中，汽柴油雙燃料發(fā)動機不引入EGR；柴油噴射軌壓固定為70 MPa；柴油預噴油量為2.5 mg/cyc。

表2　汽柴油雙燃料發(fā)動機試驗運行參數

2.1汽柴油雙燃料發(fā)動機燃燒特性

為了研究不同柴油主噴正時對雙燃料發(fā)動機缸內燃燒壓力和放熱率的影響，選取主噴油量2.5 mg/cyc和不同主噴正時10°CA ATDC、20°CA ATDC和40° CA ATDC（其他運行參數參考表2）三工況點進行試驗。

本研究中汽柴油雙燃料發(fā)動機采用進氣道噴入汽油預混缸內噴入柴油擴散結合的燃燒模式。汽油在發(fā)動機進氣行程中噴入進氣道，其與新鮮空氣共同進入發(fā)動機氣缸充分混合形成預混混合氣。柴油采用缸內直噴的方式進入發(fā)動機氣缸，并分為預噴和主噴兩次噴射。預混汽油由缸內直噴的預噴柴油引燃，其燃燒模式可以視為預混燃燒方式。主噴柴油與傳統(tǒng)柴油燃燒方式一致，為依靠燃燒蒸汽和氧氣的擴散產生熱化學反應的擴散燃燒。圖2和3分別為雙燃料發(fā)動機不同柴油主噴正時工況下缸內燃燒壓力和放熱率曲線圖。

圖2　雙燃料發(fā)動機不同主噴正時缸內燃燒壓力曲線

圖3　雙燃料發(fā)動機不同主噴正時燃燒放熱率曲線

由圖可知，主噴正時為40°CA ATDC時缸內燃燒壓力峰值最高，主噴正時20°CA ATDC次之，主噴正時10°CA ATDC最低。3種不同主噴正時缸內燃燒放熱率有低溫放熱峰值、汽油和預噴柴油放熱峰值和主噴柴油放熱峰值三個峰值。其中，低溫放熱峰值在三者之間沒有太大區(qū)別；汽油放熱峰值與缸內燃燒壓力峰值高低次序一致，這證明了缸內燃燒壓力最大值主要取決于汽油和預噴柴油放熱；而主噴柴油放熱因為其噴射正時不同，故峰值所對應的曲軸轉角依次推后。

2.2汽柴油雙燃料發(fā)動機經濟性能

圖4為3種不同主噴油量工況下，主噴正時對汽柴油雙燃料發(fā)動機油耗的影響。由圖中可知，3種不同主噴油量工況均隨著主噴正時推后而呈現單調升高的趨勢；同時，在相同主噴正時情況下，主噴油量越大其油耗越高，如在主噴正時20°CA ATDC時油耗水平由高到低順序為3 mg/cyc>2.5 mg/cyc>2 mg/cyc。

圖4　主噴正時對雙燃料發(fā)動機油耗的影響

如2.1中所述汽柴油雙燃料燃燒分為預混和擴散兩種燃燒模式。其中，預混燃燒可保證缸內混合氣在上止點附近完成燃燒，進而能夠保證發(fā)動機有較好的功率和經濟指標。同時，預混合氣的燃燒量決定了燃燒過程中缸內最高燃燒壓力、最大壓力升高率、最大放熱率和燃燒噪聲。為了有效控制發(fā)動機的壓力升高率等，試驗中主噴柴油采用上止點后噴入氣缸內的擴散燃燒模式。主噴柴油因活塞下行在較低的膨脹比下放熱，放出的熱量不能有效利用，增加了冷卻水和排氣能量損失，使發(fā)動機經濟性下降。故汽柴油雙燃料發(fā)動機油耗隨著柴油主噴正時推遲而升高。再者，在相同柴油主噴正時條件下，柴油主噴油量小的工況油耗水平低。因為柴油主噴油量小的工況汽油比例高，使得發(fā)動機預混燃燒比例高，進而獲得較好的經濟性。

2.3汽柴油雙燃料發(fā)動機排放性能

為了有效探究柴油主噴正時對汽柴油雙燃料發(fā)動機排放性能的影響，本次試驗中分別測試了NOx、PM、HC和CO常規(guī)排放物。試驗中發(fā)動機具體運行參數可參見表2。

圖5為柴油主噴正時對汽柴油雙燃料發(fā)動機NOx排放的影響。3種不同主噴油量工況下，汽柴油雙燃料發(fā)動機NOx排放均隨著柴油主噴正時推后而呈現單調下降趨勢。同時，相同柴油主噴正時下，不同主噴油量工況NOx排放并沒有太大區(qū)別。即柴油主噴油量的改變對汽柴油雙燃料發(fā)動機NOx排放并沒有太大的影響。

圖5　主噴正時對雙燃料發(fā)動機NOx排放的影響

在發(fā)動機排放的NOx中占壓倒多數的是NO，其主要來源是參與燃燒的空氣中的氮。空氣中的氮生成NO的化學機理是擴展的澤爾多維奇機理。NO的生成隨溫度的提高而呈指數函數急劇增加。當溫度低于1800 K時，NO的生成速率極低；到2000 K就達到很高的速率。故發(fā)動機氣缸內所達到的最高燃燒溫度為影響NOx生成量的最重要因素。汽柴油雙燃料發(fā)動機隨著主噴正時的推后，其缸內燃燒溫度降低，進而NOx排放降低。

汽柴油雙燃料發(fā)動機SOOT排放隨著柴油主噴正時的推后整體呈現遞減趨勢，如圖6所示。同時，在主噴正時5°CA ATDC到30°CA ATDC之間，相同主噴正時工況下主噴油量越大，汽柴油雙燃料發(fā)動機Soot排放值越高。

發(fā)動機排氣中的Soot主要是由燃料中含有的碳產生，其生成的條件為高溫和缺氧。由于汽柴油雙燃料發(fā)動機混合氣成分不均勻，盡管總體是富氧燃燒，但局部缺氧還是會導致Soot的生成。因為汽柴油雙燃料發(fā)動機采用預混燃燒和擴散燃燒兩種燃燒模式運行，其中進氣道噴入的汽油進入氣缸內與空氣混合時間長形成均質的混合氣，基本上不會產生Soot排放。Soot排放主要產生于作為點燃作用的預噴柴油和提升功率的主噴柴油。其中，主噴柴油噴入發(fā)動機缸內時，缸內溫度較高并且局部過濃而生成較多Soot，如5°CA ATDC到10°CA ATDC。隨著主噴正時繼續(xù)推后，噴入缸內的柴油增加缸內擾動，使得缸內混合氣進一步混合均勻，進而有效降低Soot排放；同時，推后的主噴柴油可以提升燃料后燃的溫度，氧化掉前期產生的Soot。故在主噴正時10°CA ATDC 到40°CA ATDC區(qū)間，Soot排放呈現下降趨勢。

圖6　主噴正時對雙燃料發(fā)動機Soot排放的影響

圖7為柴油主噴正時對汽柴油雙燃料發(fā)動機CO排放的影響。由圖可知，不同柴油主噴油量工況均隨著主噴正時推后而呈現先增加后降低的趨勢。在相同柴油主噴正時條件下，柴油主噴油量越大，其對應的CO排放數值越高。

CO是HC燃料在燃燒過程中生成的主要中間產物。如果反應氣的氧濃度、溫度足夠高，化學反應所占有的時間足夠長，CO會氧化成CO2。汽柴油雙燃料發(fā)動機雖然平均表觀的總過量系統(tǒng)在大多數情況下呈現富氧燃燒狀態(tài)，但是，由于柴油擴散燃燒方式會造成局部缺氧地區(qū)的存在，局部缺氧燃燒為造成CO生成的主要因素。主噴正時在5°CA ATDC到10°CA ATDC區(qū)間內，缸內燃燒溫度較低，此時柴油噴入缸內會導致CO排放增加。但是，在主噴正時10°CA ATDC到40°CA ATDC區(qū)間，主噴柴油會提升后燃溫度，氧化掉前期生成的CO，因此CO排放呈現先升高后降低趨勢。在相同柴油主噴正時條件下，主噴柴油量越小，汽油比例越高，較高的汽油比例增加預混燃燒比例，提升缸內燃燒溫度，進而降低CO排放。因此，在相同柴油主噴正時條件下，柴油主噴油量小的工況CO排放低。

柴油主噴正時對汽柴油雙燃料發(fā)動機THC排放的影響，如圖8所示。由圖可知，3種不同柴油主噴油量工況下的THC排放隨著主噴正時推遲呈現先升高后降低再升高的趨勢；同時，在相同柴油主噴正時條件下，柴油主噴油量越小，其THC排放數值越低。

圖8　主噴正時對雙燃料發(fā)動機THC排放的影響

汽柴油雙燃料發(fā)動機采用進氣道噴入汽油預混和缸內噴入柴油引燃新型燃燒模式。故汽柴油雙燃料發(fā)動機THC排放兼有傳統(tǒng)汽油機和傳統(tǒng)柴油機的特點。由于進氣道噴入的汽油在發(fā)動機進氣行程噴入，在缸內有足夠的時間擴散混合。隨著缸內壓力升高，可燃混合氣會被擠入活塞與氣缸壁、活塞環(huán)與環(huán)槽等之間的間隙。因為狹隙具有很大的面容比，擠入的氣體通過與溫度較低的壁面的熱交換很快被冷卻，故不能燃燒。當缸內壓力降低時，未被燃燒會流回氣缸內隨著尾氣排放至缸外。鑒于上述因素，汽油比例越高，THC排放越高。故在相同柴油主噴正時條件下，主噴油量小的工況，THC排放高。主噴正時在5°CA ATDC到10°CA ATDC區(qū)間內會在一定程度上降低缸內燃燒最高溫度，導致THC排放升高；但是，主噴正時在10°CA ATDC到25°CA ATDC區(qū)間內，主噴柴油會提升后燃溫度而氧化一部分THC；主噴正時進一步推后，缸內后燃溫度進一步降低至不足以氧化前期生成的THC排放，所以THC排放再次上升。

3結論

通過改變3種不同柴油主噴油量主噴正時研究其對汽柴油雙燃料發(fā)動機經濟特性、缸內燃燒特性和排放特性的影響，得出以下結論：

1）在相同主噴油量條件下，為了能夠維持發(fā)動機在固定功率，隨著主噴正時的推后，汽油比例增加。汽油比例越大，其對應的峰值壓力和第一放熱率峰值均越高；

2）3種不同柴油主噴油量工況下，汽柴油雙燃料發(fā)動機油耗均隨著柴油主噴正時的推后而呈現單調升高趨勢；同時，主噴油量數值越高，油耗越差；

3）汽柴油雙燃料發(fā)動機NOx和Soot排放隨著柴油主噴正時推后呈現單調下降趨勢；柴油主噴油量對汽柴油雙燃料發(fā)動機NOx排放影響不大；然而，主噴油量越大，Soot排放越差；

4）汽柴油雙燃料發(fā)動機THC和CO排放均較高。CO排放呈現先升高后降低趨勢；THC排放呈現先升高后降低再升高的趨勢。

參考文獻

1 Bression，G.，Soleri，D.，Savy，S.，et al. A study of methods to lower HC and CO emissions in diesel HCCI [J]. SAE Int. J. Fuels Lubr. 2009，1（1）：37-49

2 Hardy，W. and Reitz，R. A study of the effects of high EGR，high equivalence ratio，and mixing time on emissions levels in a heavy-duty diesel engine for PCCI combustion[C]. SAE Paper 2006-01-0026

3 Opat，R.，Ra，Y.，Gonzalez，D.，et al. Investigation of mixing and temperature effects on HC/CO emissions for highly dilute low temperature combustion in a light duty diesel engine[C]. SAE Paper 2007-01-0193

4 Yokota，H.，Kudo，Y.，Nakajima，H.，et al. A new concept for low emission diesel combustion[C]. SAE Paper 970891

5 Neely，G.，Sasaki，S.，Huang，Y.，et al. New diesel emission control strategy to meet US Tier 2 emissions regulations[C]. SAE Paper 2005-01-1091

6 Kalghatgi，G.，Risberg，P.，魡ngstr觟m，H. Partially pre-mixed auto-ignition of gasoline to attain low smoke and low NOxat high load in a compression ignition engine and comparison with a diesel fuel[C]. SAE Paper 2007-01-0006

刊物更名啟事

經國家新聞出版廣電總局及天津市新聞出版局批準《小型內燃機與摩托》正式更名為《小型內燃機與車輛技術》。

《小型內燃機與車輛技術》（雙月刊）是由教育部主管，天津大學主辦，天津內燃機研究所、天津摩托車技術中心承辦的專業(yè)性學術期刊。主要刊發(fā)：小型內燃機技術研究與工程應用；小型內燃機應用車輛技術研究與工程應用；摩托車技術研究與應用；小型內燃機及應用車輛領域、摩托車及相關領域科學研究和生產實踐中的新成果、新技術、新工藝、新材料，以及內燃機、地面車輛行業(yè)產品質量檢測、檢測儀器設備研制等。在欄目安排上，既有相關領域專家學者高水平的學術論文，又有來自行業(yè)科研生產一線科技工作者最新的實踐應用和經驗總結。

本刊為中國科技論文統(tǒng)計源期刊，中國學術期刊綜合評價數據庫統(tǒng)計源期刊，萬方數據———數字化期刊群收錄期刊，中國期刊全文數據庫全文收錄期刊，《中國核心期刊（遴選）數據庫》收錄期刊，中文電子期刊服務數據庫收錄期刊，中國報刊訂閱指南信息庫收錄期刊。

本刊讀者對象：相關領域的專業(yè)技術人員，高等院校師生，科研院所、企事業(yè)單位的專業(yè)管理人員等。歡迎投稿、訂閱、刊登廣告。

《小型內燃機與車輛技術》國內統(tǒng)一連續(xù)出版物號為CN12-1440/TK，A4（大16K）開本，96頁，每冊定價10.00元，全年6期60.00元。本刊郵發(fā)代號：6-56，全國各地郵局均可訂閱。

《小型內燃機與車輛技術》編輯部

The Study on Effect of Diesel Main Injection Timing on
Performance of Gasoline/Diesel Dual-Fuel Engine

Wang Chao1，2，Li Xucong1，2，Zhao Zhongqin1，2，Shi Xiaogang1，2，Kang Zhiqiang1，2，Zheng
Desheng1，2，Zhao Congjiao1，2，Xuan Dayong1，2，Gao Dingwei1，2
1- Technical Center，Great Wall Motor Co.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）
2- Hebei Automobile Engineering Technology & Research Center

Abstract：A prototype diesel engine was modified into dual -fuel engine which was added gasoline injection system for realizing the premixed combustion model. The performance of gasoline/diesel dual-fuel engine was studied deeply，depending on gasoline injected into intake manifold and ignited by diesel directly injected into cylinders. The results indicated: the peak valve of combustion pressure will rise as diesel main injection timing retards; diesel main injection timing delayed will results in deterioration of fuel consumption; NOxemission is not sensitive in change of the quantity of diesel main injection，while it will reduce as diesel main injection timing is postponed; Soot emission will drop as diesel main injection timing is postponed; the THC and CO emission of gasoline/diesel dual-fuel engine is usually very high.

Keywords：Gasoline/diesel dual -fuel，Economic characteristic，Combustion characteristic，Emission characteristic

收稿日期：（2015-02-01）

通訊作者：李旭聰（1984-），男，博士，主要研究方向為前沿技術開發(fā)。

文章編號：2095-8234（2015）03-0011-06

文獻標識碼：A

中圖分類號：TK421+.28

作者簡介：王超（1989-），男，學士，主要研究方向為前沿技術開發(fā)。