汽油柴油双燃料高比例预混燃烧模式燃烧特性试验研究

汽油柴油双燃料高比例预混燃烧模式燃烧特性试验研究

随着国际能源形势的日益严峻和排放规则的日益严格，提出以均质压燃（hcti）和低温燃烧（ltc）为代表的下一代汽油焦燃烧理论和技术的提出，由于它们具有高生产率，可以同时减少nox和碳烟排放，因此被认为是未来的汽油焦燃烧模式。但HCCI和LTC的燃烧主要受化学动力学控制,因此着火时刻和燃烧反应速度控制以及由此导致的运行工况范围小等始终是这些新型燃烧模式迫切需要解决的难题.大量研究表明:在这些由化学动力学所控制的燃烧中,燃料化学特性对燃烧及燃烧反应速度控制有着决定性的影响,要实现高效清洁燃烧,燃烧边界条件的控制需要与燃料化学特性相适应,其实质就是燃烧过程的化学时间尺度与物理时间尺度相适应,具体表现为在某一特定工况存在一种最佳的理化特性燃料,如小负荷工况更适合燃用高十六烷值燃料,而高辛烷值燃料更适合于中高负荷工况.文献采用高十六烷值燃料二甲基醚和高辛烷值燃料甲醇实现了HCCI燃烧,在自然吸气发动机上其最大平均指示压力(IMEP)达到0.74,MPa.文献采用正庚烷和异辛烷进行实时的燃料设计同样可以实现HCCI燃烧的控制及运行工况范围的扩展.日本丰田Inagaki等人采用预混iso-octane燃料和直喷柴油进行了PCCI试验,IMEP达到了1.2,MPa,并指出双燃料的使用可以减小PCCI模式所需要的EGR率;Caterpillar和ExxoMobil公司合作研究了包括汽油、柴油等多种不同特性燃料对HCCI发动机运行范围和排放的影响,指出着火性能界于柴油和汽油之间的燃料可提供最大的高负荷运转能力.这些研究结果表明,采用双燃料方式,根据运行工况和边界条件调整两种不同特性燃料的比例使其与特定工况相适应,是实现HCCI燃烧控制、扩展运行工况范围的重要技术途径.美国Wisconsin大学Reitz及日本丰田Inagaki等人最近提出了汽油/柴油双燃料高效清洁燃烧模式,研究结果也都显示了这一燃烧方式对提高发动机热效率和降低排放的巨大潜力.但其研究主要集中在某一转速、负荷工况下进行,尚未形成比较完整的全负荷燃烧控制策略.基于此,笔者提出一种由进气道喷射汽油、缸内直喷柴油的双燃料高比例预混合燃烧模式.其基本思路是:根据发动机的运行工况调整汽油/柴油比例、柴油喷射时刻和喷油策略,再通过进气增压、废气再循环(EGR)和可变气门定时等措施控制.在小负荷工况,采用纯柴油适当早喷及大EGR率的HCCI模式;在中小负荷工况,采用柴油早喷使汽油与柴油在滞燃期内形成均质混合气,实现汽油/柴油双燃料的HCCI模式;而大负荷、满负荷工况实现以缸内柴油喷雾压燃形成的多点点燃汽油均质混合气为特征的高比例汽油预混合多点点燃与部分柴油扩散燃烧相结合的燃烧模式.这一方式可在发动机全负荷工况范围内实现不同的燃烧模式,而这些燃烧模式的共同特征是高比例预合气燃烧(即高度预混合),因此将其统一称为汽油/柴油双燃料高比例预混合压燃燃烧(HighPremixedChargeCombustion,HPCC).其目标是在轻型车常用工况范围内使发动机原始NOx和微粒排放满足未来欧V及以上排放法规的要求,发动机只需采用简单氧化后处理器即可达到排放法规的要求.笔者报道这一燃烧方式的一些初步研究结果,重点研究了无EGR条件下缸内柴油喷射时刻、进气压力和汽油比例对燃烧和排放的影响,为进一步的研究奠定基础.1试验装置及方案试验用发动机及柴油喷油器参数如表1所示.试验在一台排量为6.5,L的6缸增压中冷、电控高压共轨柴油机上进行.第6缸经过改造作为测试缸有其独立的供油及进、排气系统,其它5缸保持不变.柴油供给采用自行开发的高压燃油喷射系统,开放式ECU可以灵活调整喷油时刻、压力、喷油量和喷油策略(单次或多次喷射)等参数.汽油由安装在进气管上的汽油喷油器供给,由可调ECU控制,可以改变汽油喷射时刻及喷射量.缸压采集通过自行开发的缸压采集及放热率实时处理系统完成.尾气测量采用HoribaMEXA-7100DEGR排气分析仪,烟度测量采用AVL415S烟度计.图1为试验装置示意.所有试验均在发动机转速为1,500,r/min下完成,汽油喷射时刻固定为进气上止点前80,°CA,进气温度控制在25,℃左右.首先进行了柴油喷射时刻对HPCC燃烧和排放影响的试验研究,在此基础上,为避免早喷燃油的“湿壁”,针对IMEP为0.5,MPa工况,将柴油喷油时刻固定在-34,°CAATDC研究了进气压力和汽油比例的影响.不同的进气压力由外界压气机进行模拟增压实现,为消除增压做功的影响,调节排气背压使其与进气压力相等,平均指示压力由压缩和膨胀两行程做功算出.2试验结果及分析2.1燃烧放热速率随时间的变化在汽油/柴油双燃料HPCC燃烧方式中,柴油喷油时刻SOI(下文提到的喷油时刻均指柴油喷油时刻)是极为重要的控制变量,在某种程度上决定着缸内的燃烧模式,从而对发动机性能和排放产生极大的影响.图2~图6的试验工况:汽油/柴油总循环油量按热值折算相当于纯柴油喷油量为32.3,mg/cycle(文中的油耗均指折算后的总当量柴油耗),汽油按热值比计为50%(Rg=50%),进气压力为0.15,MPa,总过量空气系数φa为3.9,缸内柴油的喷射压力为80,MPa.汽油比例Rg为喷入的汽油燃料的热值占汽油/柴油燃料的总热值之比.图2、图3分别是喷油时刻对缸压、燃烧放热规律、滞燃期(喷油时刻与5%放热之间隔)和着火时刻的影响.喷油时刻在-26,°CAATDC时缸内最大爆发压力最高,在这一时刻之前,随着喷油时刻提前,及在这时刻之后,随着喷油推迟,最大爆发压力均降低;喷油时刻在-26,°CAATDC时着火最早,在这一时刻之前,随着喷油时刻提前,着火时刻推迟,滞燃期延长,燃烧放热速率降低;而在这一时刻之后,随着喷油时刻推迟,着火时刻推迟,滞燃期是先缩短然后稍有延长,燃烧放热速率则是先降低后升高,-16,°CAATDC、4,°CAATDC喷油时刻的放热率峰值均比-1,°CAATDC喷油时刻要高.此外,喷油时刻在-26,°CAATDC及之前,燃烧表现出双峰放热特性,说明预混合汽油/柴油出现了明显的低温反应,且随着喷射时刻的提前,主放热峰值降低.缸压及燃烧放热速率呈现出上述变化规律的原因:1)汽油的十六烷值较低且由进气道喷入后和空气形成稀薄的均质混合气,只有当喷入缸内的柴油着火后才能燃烧;2)缸内喷入的柴油所形成的混合气必须达到一定的温度和当量比条件时才能着火.过早喷入的柴油由于缸内温度较低,混合时间长,混合气均匀且较稀,着火需要更高的温度,所以早喷的燃油着火反而推迟.而局部浓混合气区的减少使燃烧温度降低,以至于燃烧效率降低使部分燃料不能完全燃烧,导致放热速率降低;相反,过晚喷入的柴油,如-1,°CAATDC和4,°CAATDC时刻喷入柴油,由于活塞下行,在滞燃期内缸内温度降低,滞燃期延长,使柴油与空气混合更充分,导致放热速率升高;而在-26,°CAATDC附近喷入柴油,更容易满足着火条件,所以滞燃期相对较短,着火时刻最早,并导致最高的燃烧压力;3)汽油/柴油双燃料HPCC方式是由预混合压燃、部分扩散燃烧和预混合多点点燃燃烧共同组成的一种复合燃烧模式,其预混合燃烧比例与汽油比例和柴油的缸内喷射时刻有关,当喷油时刻较早,柴油的着火滞燃期较长,以预混合压燃燃烧方式为主;当喷油时刻较晚,滞燃期较短,柴油以扩散燃烧为主,其扩散燃烧比例与汽油比例有关,当柴油量很小时,则同时存在汽油燃料预混合多点着火的燃烧方式.图2所表现出的燃烧规律也是由这一燃烧特性决定的.图4是喷油时刻对燃烧效率(由排放仪测量的排放产物计算得出)与最大压升率的影响.喷油时刻在-31,°CAATDC时燃烧效率最高,在这一时刻之前,随着喷油提前,及在这一时刻之后,随着喷油推迟,燃烧效率均降低.由于缸内温度不均匀,在燃烧室周边区域存在一个温度梯度较大的边界层区域以及缸内其它有害容积区域.在这些区域的预混合气很难充分燃烧,温度边界层区域所占混合气的比例与缸内温度有关.因此缸内压力越高,温度也越高,边界层区域所占比例越小,燃烧效率就越高.而对于缸内喷入的柴油,滞燃期越长,混合越充分,形成的混合气进入这些区域的燃油比例就越高,也导致柴油的燃烧效率降低.这些规律对HC和CO排放的影响也得到充分体现.而柴油喷油时刻对缸内最大压升率与燃烧效率有相似的影响,只是最大压升率的峰值出现在喷油时刻为-19,°CAATDC左右,这主要是燃烧放热速率与活塞向上运行共同作用的结果.图5a是柴油喷油时刻对发动机IMEP和指示热效率(ITE)的影响,如果考虑到测量误差的影响,喷油时刻在-58~-6,°CAATDC的热效率较高,但在中间(-50~-20,°CAATDC)相对要低,这是由于热效率是燃烧效率与主放热时刻共同作用的结果,从图4可以看出,这一区域的燃烧效率基本都在90%以上,但在最高燃烧效率区域主放热时刻相对提前,而相对较低燃烧效率区域的主放热时刻都更向上止点推迟,有利于提高热效率.图5b是喷油时刻对循环波动系数(COVIMEP)和主放热时刻CA50的影响,喷油时刻为-26,°CAATDC时的主放热时刻最早,出现在-9,°CAATDC附近,提前或推迟喷油都使CA50向上止点方向推迟;此外,当喷油时刻提前到-58,°CAATDC之前,燃烧效率迅速降低导致了热效率的降低.由图2可知,喷油时刻不同导致不同的燃烧模式,尽管热效率在高热效率区内相差不大,但对排放却有很大的影响.图5b还表明,在高热效率之外的区域喷油也将导致循环波动的增大.因此,缸内最大爆发压力、压力升高率和发动机热效率以及循环波动系数都是喷油时刻控制需要考虑的重要参数.图6a是喷油时刻对NOx和碳烟排放的影响,随着喷油时刻的改变,碳烟和NOx排放分别在-49,°CAATDC和-16,°CAATDC喷油时刻出现一个峰值.在各自峰值之前,随着喷油提前,碳烟和NOx排放降低,而在峰值之后,随着喷油推迟,两者排放也降低.这是缸内喷入的柴油使局部混合气不均匀和燃烧温度不同导致的结果.在NOx峰值之前,随着喷油推迟,滞燃期缩短,扩散燃烧比例增大,缸内燃烧温度升高,导致NOx排放升高;在NOx峰值之后,随着喷油推迟,尽管滞燃期继续缩短或略有延长,但由于放热推迟,缸内温度降低,NOx排放降低;而喷油时刻过早时,由于燃烧效率的下降使燃烧温度较低,所以NOx排放极低.值得注意的是,碳烟排放峰值出现在-49,°CAATDC时刻,而此时滞燃期接近40,°CA,柴油有充分的混合时间,但经过反复试验都表现出相同的规律.其原因是大量的燃油喷射到壁面上,这些燃油在燃烧后期会随着活塞的上行被挤压到高温燃烧区形成局部的浓混合气导致局部缺氧,从而生成大量的碳烟,浓混合气的形成也与燃油着壁的位置有关.图6b是柴油喷射时刻对HC和CO排放的影响,HC排放表现出U字型变化规律.在HC排放最低值之前,随着喷油时刻提前,及在HC排放最低值之后,随着喷油时刻推迟,HC排放均升高.这主要是因为:对于早喷,随着喷油时刻提前,越来越多的柴油喷到活塞顶面或缸套表面上,同时滞燃期长,早喷的柴油容易与空气充分混合,大量均质混合物堆积在温度较低的压缩余隙及活塞、活塞环和气缸壁形成的环形容积区,燃烧温度较低,很难完全燃烧;对于晚喷,尽管不会有“湿壁”现象,但随着喷油推迟,滞燃期缩短幅度降低,主燃烧相位CA50向上止点后推迟,燃烧温度降低使燃烧效率下降,导致HC排放增加.CO排放基本上随喷油时刻的推迟而降低,在喷油时刻为-30,°CAATDC之后,随着喷油推迟而略有升高.与HC排放生成机理不同,CO排放受燃烧化学动力学影响较大,即当温度能够使混合气发生低温和蓝焰反应,但没有热焰反应发生时,会导致CO不能得到继续氧化,因此CO主要来源于燃烧室壁面附近的骤冷区,或出现低温和蓝焰反应的低温区.图6b表明,对于早喷的“湿壁”燃油,有更多的柴油分布于燃烧室外围的低温区域,使燃烧室外围的混合气出现低温和蓝焰反应,导致CO排放很高;相反,喷油时刻在-30°CAATDC后,柴油主要喷入燃烧室中,活塞与缸套之间主要是汽油与空气的混合气,很难发生蓝焰反应,这些区域生成的CO很少,此时CO主要来源于燃烧室壁面附近温度边界层区域,所以相对于早喷,晚喷的CO排放较低.同时,随着喷油时刻的推迟,燃烧相位推迟,缸内温度降低,CO排放有升高的趋势.为避免柴油早喷造成“湿壁”现象,柴油适当早喷,同时引入EGR对燃烧过程进行控制以实现HPCC燃烧.根据所用发动机及喷油器参数计算柴油束喷到气缸壁面所对应的喷油“湿壁角”为-35.5,°CAATDC,而且研究结果表明,在无EGR条件下,缸内柴油喷油时刻为-34,°CAATDC时能获得较好的综合性能.故选定-34,°CAATDC喷油时刻,进一步探讨无EGR条件下进气压力和汽油比例对汽油/柴油双燃料HPCC燃烧及排放的影响.2.2汽油比例对最大压升率的影响把最大压升率高于l,MPa/°CA及平均指示压力变动系数COVIMEP高于10%分别作为判定工作粗暴及失火的临界值.图7是进气压力(过量空气系数φa反映不同的进气压力)对失火与工作粗暴边界之间正常燃烧区域的影响.随着φa的提高,在相同的汽油比例下滞燃期缩短,主放热时刻提前,失火边界允许的汽油比例增大,在大汽油比例下不易失火,工作粗暴边界所需的柴油比例略有减小(汽油比例略有增大).但当φa继续提高到4.5,即进气压力达到0.2,MPa时,混合气过稀,容易导致失火,失火及工作粗暴边界要求的汽油比例均减小.总之,随着φa的提高,即随着增压度的提高,正常燃烧允许的汽油比例范围增大,降低了燃烧控制的难度.图8是进气压力和汽油比例对滞燃期和主放热时刻的影响,同一汽油比例下随着进气压力的提高,滞燃期缩短,主放热时刻提前.这是因为在同一汽油比例下,提高进气压力增加了缸内的充量密度,促进了燃烧.图9是0.15,MPa进气压力下汽油比例对燃烧特性的影响,随着汽油比例的增加,燃烧相位推迟,缸压及放热速率降低,燃烧持续期延长.其原因是:汽油比例增加,柴油比例相应减少,预混燃油比例提高,减弱了缸内燃料着火性的分层,从而降低了缸内混合气的整体着火性及局部当量比,使放热速度减慢.此原因也可解释图8,即同一进气压力下随着汽油比例的增加,滞燃期延长,主放热时刻推迟.图10是进气压力和汽油比例对最大压升率的影响,同图9反映的规律相一致,同一进气压力下随着汽油比例的增加,燃烧持续期延长,使最大压升率降低;同一汽油比例下随着进气压力的提高,燃烧速度加快,燃烧持续期缩短,最大压升率提高.图11是在最大压升率小于1,MPa/,°CA、不同进气压力下各排放随汽油比例的变化规律,同一进气压力下随着汽油比例的提高,NOx和碳烟排放降低,CO和HC排放升高.各曲线的右端点对应的汽油比例都是能够保证正常燃烧的最大值,汽油比例若继续增大将会导致失火,因此随着增压度的提高,正常燃烧所允许的汽油比例最大值是先增后减,在进气压力为0.18,MPa时达最大值,这与图7所述规律及原因相一致.说明进气增压影响汽油比例的最高值,从而影响NOx和碳烟排放能够达到的最低值.因为随着汽油比例的增加,缸内燃烧温度降低,NOx排放降低,同时汽油比例增加使预混合燃烧比例增加,扩散燃烧比例减少,碳烟排放也大幅度降低.当汽油比例大于50%时,各进气压力下NOx排放均低于0.4,g/(kW·h),碳烟排放均低于0.06,FSN.由于汽油的进气道喷射方式,当汽油比例增加,滞燃期延长,将使更多的均质汽油混合气和柴油与空气的混合物积聚在压缩余隙及活塞、活塞环和气缸壁形成的环形容积区,且燃烧温度随汽油比例的增加而降低,使存在于这些区域的混合气很难完全燃烧,导致HC排放升高.CO排放受燃烧温度的影响较大,汽油比例增加使缸内燃烧温度降低,从而抑制了CO的氧化,故CO排放升高.而CO和HC排放普遍偏高的原因是此燃烧方式属于高度稀薄燃烧,缸内燃烧温度较低.图11也表明,各排放在同一汽油比例下随进气压力的变化有明显不同,特别是0.12,MPa进气压力下,汽油比例对NOx和碳烟排放的影响较其它进气压力更为敏感,这将增加燃烧控制的难度.而在高进气压力下,汽油比例对其影响的敏感性相对要小,这说明提高进气压力一方面可以提高汽油的比例,另一方面也可降低燃烧控制的难度,并可实现极低的NOx和碳烟排放.图12是进气压力和汽油比例对指示油耗率(ISFC)的影响,在相同汽油比例下油耗随进气压力的升高而升高的规律不仅与各点的主放热时刻有关,还与燃烧效率有关.虽然随着进气压力的提高,主放热时刻提前至上止点前,但随着进气压力的提高,φa增大幅度减弱,特别是进气压力由0.18,MPa增加到0.2,MPa时,φa由4.4提高到4.5,试验中保持IMEP为0.5,MPa,因此造成随进气压力的提高,燃烧温度先降低后升高.燃烧效率与燃烧温度有相同的变化趋势,0.12,MPa进气压力下各试验点的燃烧效率较高且主放热时刻基本处于上止点后合适位置(见图8b),相应的油耗较低.在相同的汽油比例下,随着进气压力的提高,CO排放大量增加,大大降低