張龍龍，陳?韜，謝?輝，牛?健，趙?華

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輔助火花點(diǎn)火對(duì)DME微引燃汽油稀釋復(fù)合燃燒的影響

張龍龍，陳?韜，謝?輝，牛?健，趙?華

(天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

DME(dimethyl ether，二甲醚)微引燃汽油稀釋復(fù)合燃燒模式，可以實(shí)現(xiàn)汽油機(jī)高效低溫燃燒．但是在DME總熱值比受限條件下，廢氣稀釋存在極限條件，限制了經(jīng)濟(jì)性的進(jìn)一步提升．為提高稀釋燃燒經(jīng)濟(jì)性，采用火花點(diǎn)火可以提升集聚型DME微引燃相對(duì)燃燒速度，可以提高離散型DME微引燃絕對(duì)燃燒速度．研究結(jié)果表明：火花點(diǎn)火對(duì)兩種微火源引燃都具有促進(jìn)作用，在離散型微火源策略中采用火花點(diǎn)火對(duì)經(jīng)濟(jì)性提升更明顯，相對(duì)于火花點(diǎn)火輔助集聚型微引燃可提高3.88%．

汽油機(jī)；火花點(diǎn)火；DME微引燃；復(fù)合燃燒；廢氣稀釋

在汽油機(jī)上采用火花點(diǎn)火引燃-可控自燃(spark ignition-controlled auto-ignition，SI-CAI)的稀釋低溫混合燃燒技術(shù)，同時(shí)具有高熱效率和低NO排放的優(yōu)點(diǎn)．美國(guó)西南研究院[1]引入10%～20% EGR可以降低汽油機(jī)部分負(fù)荷油耗，但是繼續(xù)提高EGR率會(huì)使燃燒循環(huán)波動(dòng)升高．文獻(xiàn)[2-4]對(duì)SI-CAI混合燃燒循環(huán)波動(dòng)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：SI-CAI混合燃燒的前期火焰?zhèn)鞑ヅc后期自燃之間存在強(qiáng)烈的耦合，前期火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程的波動(dòng)會(huì)影響后期自燃燃燒過(guò)程．

為了解決前期火焰?zhèn)鞑ゲ环€(wěn)定問(wèn)題，Sevik等[5]通過(guò)增加點(diǎn)火系統(tǒng)的能量來(lái)提高燃燒過(guò)程初期的著火穩(wěn)定性，EGR率上限最高拓展到27.1%，燃燒循環(huán)變動(dòng)小于3%，指示熱效率改善5.5%．Shi等[6]通過(guò)進(jìn)氣道噴射汽油和DME進(jìn)行預(yù)混，利用DME提高整缸混合氣活性，實(shí)現(xiàn)汽油機(jī)空氣稀釋低溫燃燒，研究點(diǎn)火時(shí)刻(spark timing，ST)對(duì)燃燒調(diào)控作用．本課題組提出DME微引燃汽油稀釋混合燃燒技術(shù)[7]，通過(guò)缸內(nèi)直噴微量DME引燃?xì)獾绹娚淦停岣咔捌谥鹉芰?，?shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒．DME為含氧燃料，十六烷值高，自燃溫度低且滯燃期短，不含C—C鍵，燃燒過(guò)程無(wú)碳煙生成[8]，有利于火核形成和提高整缸活性.

DME噴射策略不同，對(duì)汽油機(jī)稀釋混合燃燒作用不同，當(dāng)DME噴射時(shí)刻靠近燃燒上止點(diǎn)時(shí)，缸內(nèi)DME濃區(qū)形成集聚型DME微火源，可以提高稀釋混合燃燒的著火能力；DME噴射時(shí)刻遠(yuǎn)離燃燒上止點(diǎn)時(shí)，擴(kuò)散分布的DME形成離散型DME微火源，有利于火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊奶嵘齕9]．但是，考慮到DME在實(shí)際乘車(chē)中的填充與使用情況的非便利性，設(shè)定DME在試驗(yàn)工況中比例不超過(guò)總熱值(汽油＋DME熱值)的15%，即采用缸內(nèi)直噴微量的DME實(shí)現(xiàn)著火和燃燒控制．Fu等[10]進(jìn)行了稀釋條件下DME微引燃混合燃燒試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)直噴DME類(lèi)似于多點(diǎn)點(diǎn)火，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定著火并提高火焰?zhèn)鞑ニ俣群推蜋C(jī)熱效率．雖然空氣稀釋具有較高的熱效率，但是非當(dāng)量比燃燒給排放后處理帶來(lái)較大挑戰(zhàn)，因此，廢氣稀釋下的汽油機(jī)低溫燃燒具有更好的實(shí)用價(jià)值．但是在稀釋度進(jìn)一步提升，DME總熱值比不超過(guò)15%的條件下，DME早噴可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定著火，而DME晚噴可能導(dǎo)致周?chē)旌蠚膺^(guò)于稀釋影響火焰?zhèn)鞑ニ俣?

本文在內(nèi)部殘余廢氣28%、外部殘余廢氣27%的高稀釋下，DME總熱值固定，保證缸內(nèi)當(dāng)量比燃燒便于尾氣后處理，試圖通過(guò)引入火花點(diǎn)火強(qiáng)化DME微引燃著火和燃燒的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)部分負(fù)荷高稀釋條件下汽油機(jī)混合燃燒經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)化和排放改善．

1?試驗(yàn)系統(tǒng)

研究工作基于1臺(tái)Ricardo Hydra 140型雙頂置凸輪軸四沖程單缸汽油機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)如表1?所示．

表1?發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

Tab.1?Engine specifications

圖1為臺(tái)架試驗(yàn)裝置示意．試驗(yàn)燃料為92號(hào)汽油和二甲醚，通過(guò)進(jìn)氣道噴油器噴射汽油，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣端側(cè)置直噴噴油器噴DME．直噴DME在活塞頂部凹坑的引導(dǎo)下，可以在火花塞附近形成DME濃區(qū)．試驗(yàn)中混合氣濃度測(cè)量根據(jù)ETAS公司LA4線(xiàn)性空燃比分析儀．其中，根據(jù)DME熱值和汽油熱值，將DME換算成等效熱值的汽油量，從而對(duì)空燃比分析儀中H/C等進(jìn)行標(biāo)定．排放數(shù)據(jù)測(cè)量根據(jù)HORIBA公司的MEXA-7100DEGR廢氣分析儀．試驗(yàn)中缸壓測(cè)量是通過(guò)Kistler公司的6225b型缸內(nèi)壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量．

圖1?試驗(yàn)臺(tái)架裝置示意

圖2所示為直噴DME供給系統(tǒng)示意，該供給系統(tǒng)采用氮?dú)庾鳛轵?qū)動(dòng)源，通過(guò)改變DME瓶中氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)，從而調(diào)節(jié)DME的直噴噴射壓力．試驗(yàn)中DME直噴壓力固定在4MPa左右，DME流量測(cè)量采用Max213型高精度活塞流量計(jì)，其測(cè)量范圍為0.5～1800mL/min，測(cè)量精度為±0.2%，滿(mǎn)足試驗(yàn)需求．

1—氮?dú)馄浚?—氮?dú)鉁p壓閥；3—球閥1；4—DME氣瓶；5—球閥2；6—球閥3；7—單向閥；8—DME觀(guān)察室；9—球閥4；10—DME過(guò)濾器(2.5mm)；11—DME流量計(jì)；12—球閥5；13—DME直噴油軌；14—壓力表(0～10MPa)；15—DME直噴噴油器；16—泄壓閥；17—球閥7；18—球閥8

試驗(yàn)過(guò)程中采用負(fù)氣門(mén)重疊角策略，進(jìn)氣門(mén)升程為5mm，持續(xù)期108°CA，進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻為180°CA ATDC；排氣門(mén)升程為4.9mm，持續(xù)期107°CA，排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻為180°CA BTDC．發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速維持在1500r/min，總噴油量為14.0mg/cycle，DME熱值比占總噴油量熱值比的14%．DME早噴時(shí)刻100°CA，晚噴時(shí)刻60°CA．調(diào)節(jié)EGR閥開(kāi)度保持過(guò)量空氣系數(shù)為1．

2?試驗(yàn)結(jié)果分析及討論

2.1?高廢氣稀釋下DME微引燃燃燒問(wèn)題分析

DME噴射時(shí)刻靠近燃燒上止點(diǎn)時(shí)，會(huì)形成活塞凹坑DME濃區(qū)、外圍DME稀少的集聚型分布狀態(tài)，此時(shí)燃燒初期DME消耗量占比較高，高度集聚的DME發(fā)揮高能點(diǎn)火源作用，定義為集聚型微火源．相應(yīng)的，當(dāng)DME噴射時(shí)刻遠(yuǎn)離上止點(diǎn)時(shí)，會(huì)在燃燒室中心形成DME相對(duì)較濃，外圍區(qū)域分散均勻的離散型分布狀態(tài)，離散分布的DME提高了整缸混合氣活性，定義為離散型微火源[9]．

圖3為關(guān)閉火花點(diǎn)火，DME在早噴100°CA和晚噴60°CA下兩種放熱率特征．在早噴100°CA工況下，DME在缸內(nèi)整體呈現(xiàn)離散型分布特征，此時(shí)較高的廢氣稀釋導(dǎo)致離散型DME微火源無(wú)法自燃引發(fā)著火燃燒過(guò)程，同時(shí)DME熱值比基本已經(jīng)達(dá)到上限15%．在晚噴60°CA工況下，燃燒呈現(xiàn)3階段放熱特征，采用放熱率二階導(dǎo)數(shù)判斷燃燒速度變化快慢，從而劃分燃燒階段[11-12]．第1階段特征點(diǎn)為放熱率二階導(dǎo)數(shù)一個(gè)波峰位置，表征主燃燒過(guò)程進(jìn)入快速放熱階段；第2階段特征點(diǎn)為放熱率二階導(dǎo)數(shù)一個(gè)波谷位置，表征由前面快速放熱到后面放熱速度下降的轉(zhuǎn)折點(diǎn)；第3階段特征點(diǎn)為另一個(gè)波峰位置，表征由較慢的放熱速度轉(zhuǎn)入后續(xù)快速放熱的轉(zhuǎn)折點(diǎn)．其中，段為活塞凹坑中心DME集聚型分布導(dǎo)致的快速自燃；段為DME自燃引燃周?chē)偷幕鹧鎮(zhèn)鞑ィ?CA90為燃燒室周?chē)旌蠚獾目焖?燃燒．

圖3?DME不同分布形態(tài)下燃燒階段劃分

集聚型DME具有較強(qiáng)的著火引燃能力，離散型DME可以提高整缸混合氣活性，理論上同時(shí)增加集聚型和離散型DME的噴射量，可以實(shí)現(xiàn)前期的穩(wěn)定著火和后期的快速放熱．但是在廢氣稀釋極限下，同時(shí)采用集聚型和離散型噴射策略，DME噴射量將超過(guò)總熱值比15%的界限，因此，在同一個(gè)循環(huán)里不能同時(shí)使用集聚型和離散型微火源．為進(jìn)一步提高放熱速度，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，采取火花點(diǎn)火輔助集聚型微引燃燃燒策略，實(shí)現(xiàn)雙火源，提高前期相對(duì)燃燒放熱速度；采取火花點(diǎn)火輔助離散型微引燃燃燒策略，實(shí)現(xiàn)前期穩(wěn)定著火和快速放熱．分析輔助火花點(diǎn)火對(duì)不同DME微火源的作用及效果．

2.2?火花點(diǎn)火輔助DME微引燃燃燒特征分析

圖4為DME噴射時(shí)刻(start of injection，SOI)60°CA下，火花點(diǎn)火輔助集聚型微火源混合燃燒的放熱特征．圖4(a)為缸壓和放熱率曲線(xiàn)；圖4(b)為3階段燃燒轉(zhuǎn)折點(diǎn)變化趨勢(shì)；圖4(c)為DME自燃、火焰?zhèn)鞑ズ湍┒嘶旌蠚庾匀嫉?個(gè)階段燃燒放熱加速度，其計(jì)算方法為求取每階段的相位和放熱率大小，以?xún)牲c(diǎn)斜率表征該階段的燃燒放熱加速度．圖4(a)中：隨點(diǎn)火時(shí)刻提前，放熱率和缸壓整體向前，其中最大爆壓提高0.41MPa，最大爆壓對(duì)應(yīng)相位提前3°CA，表明火花點(diǎn)火可以部分提升集聚型微引燃下燃燒過(guò)程的調(diào)控能力．當(dāng)關(guān)閉點(diǎn)火和點(diǎn)火時(shí)刻在0～10°CA時(shí)，缸壓和放熱率無(wú)明顯變化，點(diǎn)火時(shí)刻進(jìn)一步提前，缸壓和放熱率發(fā)生偏移．主要是由于集聚型DME微火源類(lèi)似于多點(diǎn)點(diǎn)火，其著火引燃能力強(qiáng)于火花點(diǎn)火，當(dāng)點(diǎn)火時(shí)刻過(guò)于靠近上止點(diǎn)，此時(shí)缸內(nèi)已經(jīng)發(fā)生穩(wěn)定著火燃燒，因此點(diǎn)火沒(méi)有產(chǎn)生較明顯影響．圖4(b)中：火花點(diǎn)火對(duì)一階段轉(zhuǎn)折點(diǎn)幾乎沒(méi)有影響，基本維持在上止點(diǎn)前4.5°CA，表明燃燒過(guò)程始點(diǎn)由集聚型微火源起主導(dǎo)作用．二階段轉(zhuǎn)折點(diǎn)隨點(diǎn)火時(shí)刻提前，整體相位提前約1.5°CA．在圖4(c)中顯示出一階段DME自燃放熱速度增加1.13倍，二階段火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾?.35倍．表明由火花點(diǎn)火與集聚型微火源形成的雙點(diǎn)火系統(tǒng)，由于火花點(diǎn)火能量要低于集聚型微火源的多點(diǎn)自燃，所以火花點(diǎn)火對(duì)一階段DME自燃相對(duì)放熱速度提升較少，主要對(duì)二階段相對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣染哂休^大促進(jìn)作用．火花點(diǎn)火對(duì)一二階段相對(duì)燃燒放熱速度的量變積累，使缸內(nèi)溫度和壓力得到進(jìn)一步升高，導(dǎo)致后期末端混合氣自燃放熱速度提升1.37倍，燃燒終點(diǎn)提前．

圖4 SOI為60°CA BTDC下火花點(diǎn)火對(duì)放熱特征的影響

圖5為DME在早噴100°CA下，火花點(diǎn)火輔助對(duì)離散型DME微引燃放熱過(guò)程的影響．圖5(a)為不同點(diǎn)火時(shí)刻下的缸壓和放熱率曲線(xiàn)；圖5(b)為火花點(diǎn)火對(duì)單階段燃燒放熱加速度影響．計(jì)算依據(jù)為：選取燃燒始點(diǎn)和放熱率極大值點(diǎn)，計(jì)算出斜率用于表征前期燃燒放熱加速度變化．從圖5(a)中可看出：由于缸內(nèi)廢氣稀釋度比較高，單純離散型微火源無(wú)法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒，此時(shí)需要將點(diǎn)火時(shí)刻提前至25°CA之前．隨點(diǎn)火時(shí)刻提前，燃燒放熱加速度顯著增加，ST為50°CA BTDC的放熱加速度是ST為25°CA BTDC的1.64倍．主要是點(diǎn)火時(shí)刻提前，燃燒始點(diǎn)提前，缸內(nèi)溫度和壓力升高，促進(jìn)了離散型DME多點(diǎn)自燃的快速發(fā)生，從而進(jìn)一步提升缸內(nèi)壓力和溫度，實(shí)現(xiàn)周?chē)旌蠚饪焖俜艧?火花點(diǎn)火輔助離散型微引燃的燃燒放熱加速度更高，相對(duì)于火花點(diǎn)火輔助的集聚型微引燃的一階段DME自燃放熱加速度，最大加速度可以提升1.75倍.

圖5 SOI為100°CA BTDC的下火花點(diǎn)火對(duì)放熱特征影響

圖6為火花點(diǎn)火對(duì)集聚型和離散型DME微引燃燃燒特征參數(shù)的調(diào)控規(guī)律．對(duì)于集聚型DME微引燃，其燃燒相位隨點(diǎn)火時(shí)刻的提前逐漸提前，且燃燒持續(xù)期縮短．從圖4中可以看出，主要是火花點(diǎn)火提升了一、二階段的相對(duì)燃燒放熱速度，從而燃燒相位提前，末端混合氣自燃速度增加，燃燒終點(diǎn)提前，所以持續(xù)期縮短．這表明，在高廢氣稀釋條件下，輔助火花點(diǎn)火可以提升集聚型DME微引燃相對(duì)燃燒放熱加速度，彌補(bǔ)廢氣稀釋對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊种菩Ч畬?duì)于離散型DME微引燃，其燃燒相位大幅度提前，持續(xù)期顯著縮短，火花點(diǎn)火對(duì)其CA10、CA50和燃燒持續(xù)期都具有較強(qiáng)的近似線(xiàn)性調(diào)控能力．從圖6中可以看出早噴DME的CA10要明顯遲于晚噴DME的CA10，只有當(dāng)點(diǎn)火時(shí)刻提前至50°CA時(shí)，才能與晚噴DME的CA10相當(dāng)．主要原因是SOI為60°CA時(shí)缸內(nèi)集聚型DME容易發(fā)生多點(diǎn)自燃，而在SOI為100°CA時(shí)，離散型DME分布無(wú)法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定自燃，火花點(diǎn)火引燃混合氣受缸內(nèi)殘余廢氣稀釋影響滯燃期較長(zhǎng)，因此其CA10要明顯靠后．由于早噴DME提高了廢氣稀釋下缸內(nèi)的混合氣活性，因此在火花點(diǎn)火實(shí)現(xiàn)引燃后，其火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，缸壓和溫度上升明顯，導(dǎo)致末端混合氣自燃發(fā)生時(shí)刻提前，從而CA50從12°CA提前至7°CA，燃燒持續(xù)期從19°CA縮短至14°CA．

圖6 火花點(diǎn)火對(duì)不同DME噴射時(shí)刻下的燃燒相位和持續(xù)期影響

由于火花點(diǎn)火對(duì)集聚型和離散型DME微引燃都具有近似線(xiàn)性調(diào)控作用，因此，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線(xiàn)性擬合，計(jì)算點(diǎn)火時(shí)刻對(duì)燃燒參數(shù)調(diào)控的斜率大小，計(jì)算結(jié)果如圖6標(biāo)注所示．在離散型DME微引燃下，火花點(diǎn)火對(duì)CA10、CA50和燃燒持續(xù)期的調(diào)控能力分別是晚噴工況的6.3倍、3.8倍和3.4倍左右．隨噴射時(shí)刻推遲DME由離散型分布向集聚型分布轉(zhuǎn)變，火花點(diǎn)火對(duì)DME微引燃燃燒過(guò)程的調(diào)控能力和重要性由強(qiáng)變?nèi)酰?/p>

圖7為火花點(diǎn)火對(duì)燃燒效率、熱功轉(zhuǎn)換效率、換氣效率和指示熱效率的影響規(guī)律．不同DME噴射時(shí)刻下，缸內(nèi)背壓和DME擴(kuò)散時(shí)長(zhǎng)不同，從而決定DME在缸內(nèi)不同的分布、分層狀態(tài)．通過(guò)比較火花點(diǎn)火輔助對(duì)DME微引燃效率的影響，可以更加明確點(diǎn)火對(duì)DME微引燃混合燃燒的促進(jìn)效果，從而決定在高廢氣稀釋部分負(fù)荷下選取何種著火策略．

由圖7可知：

(1) 在晚噴SOI為60°CA時(shí)，DME在缸內(nèi)呈現(xiàn)集聚型分布狀態(tài)，集聚型微火源可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒，但是燃燒室周?chē)旌蠚庠诟邚U氣稀釋下活性低，導(dǎo)致燃燒不完全，因此其燃燒效率基本不隨點(diǎn)火時(shí)刻改變而改變．但是由于點(diǎn)火時(shí)刻可以提高一階段DME自燃放熱速度和二階段火焰?zhèn)鞑ニ俣?，使得燃燒持續(xù)期縮短，燃燒等容度提高，從而提高熱功轉(zhuǎn)換效率和指示熱效率．在ST為40°CA時(shí)，有最高指示熱效率為35.03%，相比無(wú)火花輔助的34.02%，熱效率提升1.01%，提升率2.97%．當(dāng)點(diǎn)火時(shí)刻過(guò)于提前至50°CA，可能導(dǎo)致壓縮負(fù)功增加，從而熱功轉(zhuǎn)換效率開(kāi)始降低，指示熱效率也隨之降低．

(2) DME噴射時(shí)刻提前至100°CA BTDC，DME在缸內(nèi)為離散型分布形態(tài)．由于缺乏DME濃區(qū)，缸內(nèi)的熱氛圍無(wú)法實(shí)現(xiàn)DME的穩(wěn)定自燃，當(dāng)點(diǎn)火時(shí)刻提前至25°CA BTDC時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)較為穩(wěn)定的MFI燃燒．由于離散型DME分布改善了高廢氣稀釋下汽油機(jī)的整缸活性，從而降低了不完全燃燒現(xiàn)象，其燃燒效率要高于SOI為60°CA工況．同時(shí)，隨點(diǎn)火時(shí)刻的提前，放熱速度增加，燃燒持續(xù)期變短，缸內(nèi)溫度升高，利于混合氣的燃燒和氧化，從而燃燒效率進(jìn)一步提高．離散型DME微引燃的換氣效率高于集聚型DME微引燃換氣效率，主要是此時(shí)熱功轉(zhuǎn)換效率較高，膨脹沖程缸壓曲線(xiàn)下降較快，泵氣損失降低，因此換氣效率高出1%左右．但是，過(guò)早的點(diǎn)火時(shí)刻導(dǎo)致壓縮沖程中缸壓升高，從而壓縮負(fù)功增加，熱工轉(zhuǎn)換效率降低，指示熱效率下降．在ST為35°CA時(shí)存在最佳的點(diǎn)火時(shí)刻，指示熱效率達(dá)到36.39%，相對(duì)于火花點(diǎn)火輔助集聚型DME微引燃提高3.88%，相對(duì)于無(wú)火花輔助集聚型DME微引燃熱效率，可以提高6.93%．

圖7?火花點(diǎn)火對(duì)DME微引燃效率的影響

綜上可知：集聚型DME微引燃可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定著火燃燒，但由于高廢氣稀釋導(dǎo)致后期放熱速度較慢，影響熱效率，通過(guò)輔助火花點(diǎn)火可以促進(jìn)相對(duì)燃燒放熱速度的提升，從而達(dá)到進(jìn)一步優(yōu)化燃燒熱效率的目的．離散型DME微引燃無(wú)法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定壓燃著火，此時(shí)火花點(diǎn)火對(duì)于穩(wěn)定燃燒至關(guān)重要，并且火花點(diǎn)火輔助離散型DME微引燃前期放熱加速度要高于集聚型DME微引燃，因此其熱效率更高．

2.3?火花點(diǎn)火輔助DME微引燃排放特性分析

圖8為火花點(diǎn)火對(duì)DME微引燃混合燃燒HC排放的影響．首先隨DME噴射時(shí)刻的提前，HC排放逐漸降低，主要原因是在內(nèi)外部殘余廢氣稀釋作用下，燃燒室周?chē)旌蠚饣钚院蜏囟鹊?，難以完全燃燒，噴射時(shí)刻提前可使DME在缸內(nèi)混合越均勻，提高了燃燒室周?chē)♂尰旌蠚獾幕钚裕紵^(guò)程更加完全，HC排放降低．隨點(diǎn)火時(shí)刻逐漸提前，兩種噴射時(shí)刻下的HC排放也均降低．對(duì)于早噴SOI為100°CA時(shí)，點(diǎn)火時(shí)刻提前，燃燒始點(diǎn)提前，放熱速度加快，缸內(nèi)溫度和壓力上升明顯，燃燒持續(xù)期變短，自燃比例增加，燃燒溫度較高，從而使混合燃燒完全，燃燒效率也越高，HC排放也就越低．對(duì)于晚噴SOI為60°CA工況，從圖4和圖7中可以看出，火花點(diǎn)火可以提高廢氣稀釋下的相對(duì)燃燒放熱加速度，使得燃燒持續(xù)期縮短，自燃比例增加，改善了燃燒過(guò)程，從而HC排放降低．

圖8?火花點(diǎn)火對(duì)HC排放的影響

圖9為火花點(diǎn)火對(duì)DME微引燃混合燃燒CO排放的影響．對(duì)于離散型DME微引燃，火花點(diǎn)火對(duì)燃燒過(guò)程調(diào)控起主導(dǎo)作用，隨點(diǎn)火時(shí)刻提前，CA50提前，燃燒持續(xù)期縮短，燃燒溫度升高，CO被部分氧化，從圖7中燃燒效率顯著提升也證實(shí)了這點(diǎn)，所以隨點(diǎn)火時(shí)刻提前CO排放降低．對(duì)于集聚型DME微引燃，點(diǎn)火時(shí)刻的提前，CO的排放略有增加．主要是燃燒后溫度降低，CO氧化能力下降，從圖10的NO可以看出，集聚型微火源NO排放比較少，也間接表明了缸內(nèi)燃燒溫度低，從而CO氧化能力下降．

圖9?火花點(diǎn)火對(duì)CO排放的影響

圖10為火花點(diǎn)火對(duì)DME微引燃NO排放的影響，從圖中可以看出，NO排放整體處于較低的水平．對(duì)于離散型DME微引燃，隨點(diǎn)火時(shí)刻的提前，燃燒相位提前，燃燒持續(xù)期顯著縮短，因此最高燃燒溫度逐漸升高，NO排放逐漸增加．對(duì)于晚噴SOI為60°CA來(lái)說(shuō)，其燃燒持續(xù)期要明顯長(zhǎng)于早噴工況，并且采用較高的外部殘余廢氣稀釋?zhuān)虼似渥罡呷紵郎囟容^低，NO排放幾乎維持在0.16g/(kW·h)．

綜上所述，采用火花點(diǎn)火輔助離散型微火源的引燃方式，可以顯著降低部分負(fù)荷下HC和CO排放，從而提高熱效率，且NO排放也處于極低的水平．

圖10?火花點(diǎn)火對(duì)NOx排放的影響

3?結(jié)?論

在DME總熱值比受限條件下，微引燃汽油復(fù)合燃燒中仍存在廢氣極限，從而限制了經(jīng)濟(jì)性的進(jìn)一步提升．因此，本文基于1臺(tái)高壓縮比單缸熱力學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)，研究了綜合使用火花點(diǎn)火結(jié)合DME微引燃策略對(duì)混合燃燒的影響，得到結(jié)論如下：

(1) 集聚型微火源可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定著火燃燒，具有較好的燃燒穩(wěn)定性，放熱呈現(xiàn)3階段特征．但是高廢氣稀釋導(dǎo)致混合燃燒前期火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆?，限制了?jīng)濟(jì)性的進(jìn)一步提升，采用火花點(diǎn)火使得微引燃第1階段放熱速度提高1.13倍，第2階段火焰?zhèn)鞑ニ俣忍岣?.35倍，經(jīng)濟(jì)性相對(duì)于無(wú)點(diǎn)火集聚型DME微引燃提升2.97%．

(2) 在相同邊界條件下，由于廢氣稀釋的影響離散型微火源無(wú)法穩(wěn)定著火，此時(shí)采用火花點(diǎn)火可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定著火和快速燃燒，燃燒呈現(xiàn)單峰放熱特征．離散型DME分布提高了缸內(nèi)燃料活性，使得其放熱加速度相對(duì)于集聚型微引燃前期放熱加速度提高?1.75倍．

(3) 集聚型DME微引燃策略輔助火花點(diǎn)火可以?xún)?yōu)化HC排放，但是CO排放增加3.07g/ (kW·h)；離散型DME微引燃策略輔助火花點(diǎn)火，HC和CO排放均降低，NO上升0.11g/(kW·h)．

(4) 在兩種DME微引燃策略下采用火花點(diǎn)火相對(duì)于無(wú)火花輔助均可以提高經(jīng)濟(jì)性，火花點(diǎn)火輔助離散型DME微引燃策略在ST為35°CA BTDC時(shí)獲得最高經(jīng)濟(jì)性，相對(duì)于無(wú)火花輔助集聚型DME微引燃熱效率提高6.93%．

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Effect of Assisted Spark Ignition on DME Micro-Flame Ignited Gasoline Diluted Hybrid Combustion

Zhang Longlong，Chen Tao，Xie Hui，Niu Jian，Zhao Hua

(State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

The dimethyl ether(DME)micro-flame ignited gasoline diluted hybrid combustion mode can realize the high efficiency and low temperature combustion of a gasoline engine．However，under the condition of limited total calorific value of DME，the exhaust gas dilution has a limit，which restrains the further improvement of economical efficiency．To enhance the economical efficiency of diluted combustion，spark ignition can be used to improve the relative combustion speed of the congregate DME micro-flame ignition and the absolute combustion speed of the discrete DME micro-flame ignition．Research results show that spark ignition can promote both kinds of micro-flame ignition. Under the discrete micro-flame ignition strategy，spark ignition can lead to a more obvious improvement of economical efficiency，which is 3.88% higher than that under the assisted congregate micro-flame ignition strategy．

gasoline engine；spark ignition；dimethyl ether(DME)micro-flame ignition；hybrid combustion；exhaust gas dilution

TK411

A

1006-8740(2019)03-0229-08

2018-09-05.

重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2017YFB0103402).

張龍龍（1992—??），男，碩士，zhanglonglong@tju.edu.cn.

陳?韜，男，博士，講師，tao.chen@tju.edu.cn.

10.11715/rskxjs.R201809003