DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2018.07.031

柴油射流控制柴油基燃料预混合气压缩着火相位的试验研究

隆武强^{1, 2}，礼博¹，李达¹，田江平^{1, 2}，田华¹，臧广辉³，戴宏伟³

(1. 大连理工大学 内燃机研究所，辽宁 大连，116024；

2. 大连理工大学 船舶制造国家工程研究中心，辽宁 大连，116024；

3. 辽阳新风科技有限公司，辽宁 辽阳，111200)

摘要：为了实现对柴油机预混合压缩着火相位的主动控制，提出柴油射流控制柴油基燃料压缩着火方案，并在1台改造的单缸自然吸气186FA柴油机上进行可行性试验研究。研究结果表明：在50%负荷试验条件下，柴油射流可以有效控制预混合气的着火相位；随着柴油射流正时的推迟，10%和50%累积放热对应曲轴转角CA10和CA50均呈线性规律变化，氮氧化物排放明显降低，碳烟排放几乎为零；随着预喷正时的推迟，放热率呈现由单峰较慢放热至双峰放热至最后的单峰快速放热的变化规律，且碳氢化合物和一氧化碳排放逐渐降低；在单峰快速放热情况下，压力升高率最大；增加柴油射流量，燃烧过程减缓，且会扩大柴油的扩散燃烧比例，导致碳烟排放增加。

关键词：预混合；着火相位；双直喷；射流控制压缩着火；柴油基燃料

中图分类号：TK421⁺.2        文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2018)07-1815-08

Experimental study on diesel jet controlled compression ignition phase of premixed diesel-based fuels

LONG Wuqiang^{1, 2}, LI Bo¹, LI Da¹, TIAN Jiangping^{1, 2}, TIAN Hua¹, ZANG Guanghui³, DAI Hongwei³

(1. Institute of Internal Combustion Engine, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China;

2. National Engineering Research Center of Shipbuilding, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China;

3. Liaoyang Xinfeng Technology Co., Ltd., Liaoyang 111200, China)

Abstract: A jet controlled compression ignition(JCCI) combustion mode was proposed to actively control the combustion phase of premixed charge. In this mode, diesel was used as jet fuel to ignite the premixed diesel-based fuels. Experiments of JCCI were conducted on a modified single-cylinder naturally aspirated 186FA diesel engine. The results indicate that jet-injection of diesel can give a robust control on the combustion phase of premixed charge. Both CA10 and CA50 are in line with diesel jet-injection timings, NO_x emissions are reduced with the retarding of jet-injection timing, almost zero soot emissions are measured under these 50% load operating conditions. Heat release rate(HRR) changes from slow with single peak value to double peak values, and finally to fast with single peak value, and both total hydrocarbon(THC) and CO emissions decrease with the retarding of pre-injection timing. The highest maximum pressure rise rate is observed in the cases of fast HRR with single peak value. More diesel jet-injection fuels slow down the rate of combustion process and enlarge the part of combustion controlled by fuel mixing process, resulting in the increase of soot emissions of JCCI combustion.

Key words: premixed charge; combustion phase; dual-direct injectors; jet controlled compression ignition; diesel- based fuels

为了提高柴油机热效率，降低传统柴油燃烧产生的碳烟和NO_x，胡国栋^[1-2]提出了“柴油热预混合燃烧(hot premix of diesel combustion，HPDC)”思想，即在燃烧之前将柴油全部喷入气缸内，形成预混合气，控制着火相位发生在上止点附近，实现柴油机的高效低排放燃烧，并指出“柴油机燃烧汽油机化”。目前，普遍把这种模式称为预混合压燃(premixed charge compression ignition，PCCI)。丰田汽车公司^[3]和新ACE^[4]先后采用伞状喷雾开展高速柴油机预混合压燃研究，再现了胡国栋^[1]得到的结果。另一方面，ONISHI等^[5]以汽油机为基础提出吸气行程进气道喷射预混合压燃路线(汽油机变火花点火为压缩着火)，这种方式后来被人们称为均质充量压燃(homogeneous charge compression ignition，HCCI)。将柴油机的压燃和汽油机的预混合相结合，即柴油机与汽油机合二为一，可以大幅提高内燃机的热效率，减少排放污染物的生成。这也意味着内燃机的燃料可以包含从柴油到汽油之间的所有成分，甚至范围更广。人们对柴油机预混合压燃进行了长期研究，但一直未能实用化，其原因是着火相位控制没有得到解决^[6]。为了控制着火相位、提高低负荷燃烧稳定性，研究者先后提出了点火室高温活性基或火焰射流控制压缩着火相位^[7-8]、高压气体射流控制压缩着火相位^[9-10]和高十六烷值燃料射流控制柴油基燃料压缩着火相位^[11] 3种模式，统称为射流控制压缩着火(jet controlled compression ignition，JCCI)。在此基础上，提出柴油射流控制柴油基燃料预混合气压缩着火相位，本文中柴油基燃料为柴油与乙醇汽油的混合物，该模式有望成为柴油机和汽油机从燃料到燃烧方式均合二为一的最可行途径。目前，国内外有不少研究者在开展柴、汽油燃料预混合压燃的研究，包括缸内混合和缸外混合两类。如YU等的HCII (homogeneous charge induced ignition)^[12]和威斯康辛大学发动机研究中心的RCCI (reactivity controlled compression ignition)^[13]均属于缸内混合。而ZHONG等^[14]通过使用柴油与汽油混合燃料，结合负气门重叠技术，扩展了HCCI的运行范围，随后将混合燃料应用到部分预混合压燃(partially premixed combustion，PPC)模式。结果表明相比于柴油，混合燃料可以有效降低总颗粒排放数目^[15]；WEALL等^[16-17]分别将柴油与汽油混合燃料应用到PPC和PCCI模式，结果表明：混合燃料挥发性更好，滞燃期更长，可以实现较低的碳烟排放。韩东等^[18-20]通过调制柴油与汽油混合物，探究混合燃料在压燃发动机上的应用潜力。本文作者对柴油射流控制柴油基燃料预混合气压缩着火相位燃烧模式的可行性及燃烧与排放特性进行研究。

1  试验设备及方法

将1台单缸风冷、自然吸气式186FA柴油机的喷油系统更换成2套高压共轨装置，构成双直喷型柴油射流控制柴油基燃料预混合气压缩着火相位系统。发动机主要技术参数见表1。

表1  发动机技术参数

Table 1  Engine specifications

试验使用新风科技有限公司第二代JCRT共轨系统，2套共轨系统的高压油泵均由外置电机控制。喷油器布置如图1所示。侧置喷油器1用于柴油基燃料的预喷射，采用较小的喷雾锥角，改善由缸内早喷而造成的湿壁现象；中置喷油器2用于柴油的射流喷射。在进气冲程或者压缩冲程早期，通过预喷射直喷系统将柴油基燃料喷入气缸内形成预混合气，由于燃料活性相对较低，并且通过控制缸内条件使其不能单纯依靠压缩直接自燃着火。在压缩上止点附近由射流喷射系统向缸内喷射柴油，在给定压缩比条件下，柴油迅速被压燃，并引燃缸内预混合气，从而有效控制预混合气的着火相位。

图1  双直喷布置示意图

Fig. 1  Schematic layout of dual-direct injectors

发动机的控制与数据采集程序均基于NI CompactRIO平台，采用LabVIEW图形化语言编写。试验使用AVL GH14DK缸压传感器搭配Kistler 5018A电荷放大器测量缸内压力，每个稳定工况点采集100个循环的缸压，通过Matlab进行数据处理与燃烧分析。使用Horiba MEXA-7100DEGR尾气分析仪测量稳定工况下尾气中的CO，CO₂，O₂，THC和NO_x浓度，使用佛分FBY-1滤纸式烟度计测量碳烟排放。试验装置示意图如图2所示。

图2  试验装置示意图

Fig. 2  Schematic layout of experimental setup

定义每循环柴油射流质量与全部燃油质量的比值为射流质量比，记作R_J。

                  (1)

式中：m_J为每循环柴油射流质量，mg；m_T为每循环全部燃油质量，mg。

试验以市售0号商业柴油和95号商业乙醇汽油(E10)为基础燃料，乙醇汽油中含有体积分数为10%的乙醇。按照柴油与乙醇汽油质量比为2:8和3:7混合，得到2种预喷射柴油基燃料，分别记作D20和D30。

在原机压缩比条件下，结合预混合燃烧模式，随着负荷增加，缸内温度升高，燃油反应速率加快，导致压力升高率过大，因此，作为研究的第一步，本文试验均在额定转速50%负荷进行，探究柴油射流控制柴油基燃料压缩着火相位燃烧模式的可行性。

2  试验结果与分析

2.1  柴油射流正时对于JCCI燃烧模式的影响

2.1.1  柴油射流正时对燃烧的影响

固定每循环柴油射流的喷油量约为4.7 mg，在不同柴油射流正时(燃油喷射时刻所对应的曲轴转角)条件下，通过调整预喷燃油量保证发动机有效输出功率不变，试验条件如表2所示。图3所示为分别以D20和D30作为预喷燃料，缸内压力和放热率曲线随柴油射流正时的变化规律。

表2  试验条件 (1)

Table 2  Experimental conditions (1)

图3  缸压和放热率曲线随柴油射流正时的变化对比

Fig. 3  Comparisons of in-cylinder pressure and HRR at different diesel jet-injection timings

从图3可以看出：随着柴油射流正时的推迟，燃烧压力和放热率曲线向右推移，且缸内最高燃烧压力减小。从放热率曲线可以看出：本组试验均呈现明显的两阶段燃烧规律。本文将这种放热规律划分为2部分，其中，第一阶段定义为射流压燃阶段，主要由柴油射流被压燃引起，同时周围的部分预喷射燃料被引燃，从而释放一部分热量；随着射流压燃释放能量逐渐增加，缸内的温度和压力同时升高，缸内的预混合气被压燃，放热率再一次升高，因此，定义第二阶段的燃烧为预混合气燃烧阶段。

随着柴油射流正时的推迟，射流压燃阶段和预混合气燃烧阶段的放热率均逐渐降低，且预混合气燃烧阶段放热持续期逐渐增长。这是因为燃烧发生在膨胀冲程，随着燃烧的推迟，温度和压力减小，导致混合气反应速率降低。并且当预喷正时固定时，随着射流正时推迟，预喷燃油在缸内分布范围更广，因此，参与到射流压燃阶段的预混合气减少，导致射流压燃阶段的放热率峰值逐渐降低。随着射流压燃阶段放热量减少，缸内压力和温度相对降低，因此，预混合气燃烧速率减缓，预混合气燃烧阶段的放热峰值也随着射流正时的推迟逐渐降低。

图4所示为柴油射流正时对JCCI燃烧模式有效热效率的影响。从图4可知：随着柴油射流正时的推迟，燃烧也相继推迟，且射流压燃阶段放热速率减小，预混合气燃烧阶段变缓，导致整体燃烧等容度下降，做功能力减弱。因此，随着射流正时的推迟，发动机有效热效率逐渐降低。

图4  有效热效率随柴油射流正时的变化对比

Fig. 4  Comparisons of break thermal efficiency at different diesel jet-injection timings

图5所示为使用D20和D30作为预喷射燃料各自的10%和50%累积放热对应曲轴转角(记作CA10和CA50)随射流正时改变的变化规律。随着柴油射流正时的推迟，使用2种预喷燃料的CA10和CA50均呈现较好的线性变化规律，说明柴油射流喷射对于预混合压缩着火相位起到有效的主动控制作用，并且也说明D20和D30在该工况点下均可以采用柴油射流控制的方式来控制其预混合气的着火相位。

图5  CA10和CA50随射流正时的变化对比

Fig. 5  Comparisons of CA10 and CA50 at different jet-injection timings

2.1.2  柴油射流正时对排放的影响

图6所示为最大压力升高率和NO_x体积分数随柴油射流正时推迟的变化规律。从图6可知：随着射流正时的推迟，CA50远离上止点，燃烧温度和压力均降低，NO_x排放也随之降低。本试验条件下，尾气烟度均为0 BSU(BSU为波许烟度单位)，说明柴油基燃料的预喷射对于降低局部当量比、控制柴油机碳烟排放起到了重要作用。

图7所示为THC和CO随柴油射流正时推迟的变化规律。从图7可知：随着射流正时的推迟，燃烧温度降低，预喷燃料混合时间增长，分布范围更广，浓度更稀，狭缝处的燃料增多，导致THC和CO增加。经对比发现：在本试验条件下，当使用D30作为预喷燃料时，THC排放要低于使用D20作为预喷燃料时的排放，主要是因为D30中柴油含量较高，增加了预喷燃料的反应活性，使得预喷燃料更容易发生氧化反应，从而降低了尾气中的THC排放。而CO主要受温度和氧浓度控制，使用D20和D30的燃烧相位相差不大，因此，燃烧温度和局部氧浓度差别均较小，CO排放相差较小。且CO是THC氧化的中间产物，使用D30时THC的不完全氧化也可能是CO无明显差异的原因。

图6  最大压力升高率和NO_x体积分数随柴油射流正时的变化对比

Fig.6  Comparisons of maximum pressure rise rate and NO_x volume fraction at different diesel jet-injection timings

图7  THC和CO随柴油射流正时的变化对比

Fig. 7  Comparisons of THC and CO at different diesel jet-injection timings

2.2  预喷正时对于JCCI燃烧模式的影响

2.2.1  预喷正时对燃烧的影响

试验条件如表3所示，固定柴油射流正时和喷油量，分别改变D20和D30预喷正时的缸内压力及放热率曲线见图8。随着预喷正时靠近上止点，放热率呈现由单峰较慢放热至双峰放热至最后的单峰快速放热的变化规律。因为预喷正时远离压缩上止点(-70°和-80°)时，预喷油束落点距离燃烧室中心较远，且预喷燃料与空气混合时间长，局部当量比较小，因此，预混合气燃烧阶段反应速率降低；当预喷正时为-60°，-50°(D20)和-60°(D30)时，预喷燃料有较充足的时间混合，柴油射流迅速被压燃，缸内压力和温度升高，随后局部当量比相对较高的预混合气也被迅速压燃；随着预喷正时进一步靠近上止点(-40°(D20)和-50°(D30))，预喷燃油没有充足的时间与周围空气混合，导致大量预喷燃油集中在柴油射流周围，当柴油射流被压燃时，周围大量预喷燃油同时也被引燃，导致放热过程迅速，呈现单峰快速放热规律。

表3  试验条件 (2)

Table 3  Experimental conditions (2)

图8  缸压和放热率曲线随预喷正时的变化对比

Fig. 8  Comparisons of in-cylinder pressure and HRR at different pre-injection timings

值得注意的是：在使用D30作为预喷燃料，预喷正时为-50°时，放热率明显提前，说明在该工况点及试验条件下缸内燃料发生了着火相位提前的现象，且此时缸内最高压力和压力升高率均较高，因此，需要进一步控制预喷射和射流的喷油策略，避免过高的缸内压力及压力升高率。

2.2.2  预喷正时对排放的影响

图9所示为THC和CO随预喷正时的变化规律。从图9可知：随着预喷正时靠近上止点，预喷燃料的油束落点逐渐向燃烧室中心靠近，且预喷燃料与空气的混合时间也越来越短，则分布到燃烧室远端狭缝及缸壁附近的预喷燃料混合气减少。由于远端温度较低，稀薄混合气不易发生氧化反应，较低的温度也导致CO很难被进一步氧化成CO₂，所以在预喷较晚的情况下，THC和CO的排放均相对于预喷较早的情况明显减少。

图9  THC和CO随预喷正时的变化对比

Fig.9  Comparisons of THC and CO at different pre-injection timings

2.3  柴油射流量对于JCCI燃烧模式的影响

2.3.1  柴油射流量对燃烧的影响

试验条件如表4所示，改变柴油射流质量和预喷燃油质量，柴油射流质量与射流质量比R_J的相对关系如图10所示。

表4  试验条件 (3)

Table 4  Experimental conditions (3)

分别使用D20和D30作为预喷射燃料，改变柴油射流量的缸压及放热率曲线见图11。从图11可知：随着柴油射流量的增加，即R_J从0.30增大到0.76，预喷油量相应减少，双峰放热规律逐渐转变为单峰值较慢放热。这是因为预喷燃油量减少，稀薄的预混合气反应速度变慢，因此，预混合气燃烧阶段放热率峰值逐渐下降。在使用D30作为预喷燃料，每循环柴油射流质量为3.95 mg条件下，呈现单峰快速放热过程，说明在该试验条件下，射流压燃阶段与预混合气燃烧阶段同时进行，而在使用D20作为预喷燃料时并未出现单峰快速放热，这是因为D30中柴油的含量较多，在受到射流燃烧激发的同时，预喷燃料中的柴油快速自燃，释放的能量足以使预喷燃料同时着火。

图10  柴油射流质量和R_J的关系

Fig. 10  Relation between R_J and diesel jet-injection masses

图11  缸压和放热率曲线随射流质量的变化对比

Fig. 11  Comparisons of in-cylinder pressure and HRR at different jet-injection masses

2.3.2  柴油射流量对排放的影响

图12所示为NO_x和碳烟随柴油射流量的变化规律。从图12可知：随着R_J增大，预喷燃油量减少，预混合气局部当量比降低，导致预混合气燃烧阶段反应速率减缓，燃烧温度减小，因此，NO_x排放也逐渐降低。且在使用D30作为预喷燃料的情况下，当R_J超过0.67时，尾气中产生了少量的碳烟排放，说明增加柴油射流量，提高了燃烧时的局部当量比，即扩大了扩散燃烧比例。

图12  NO_x和碳烟随柴油射流质量的变化对比

Fig. 12  Comparisons of NO_x and soot at different diesel jet-injection masses

3  结论

1) 利用柴油射流控制柴油基燃料预混合气压缩着火，在50%的负荷下，随着柴油射流正时的推迟，着火相位呈线性变化规律，说明柴油射流对柴油基燃料预混合气压缩着火相位起到了有效的控制作用，即高十六烷值燃料射流可以引燃射流燃料与高辛烷值燃料的混合物，突破了传统意义上的高十六烷值引燃高辛烷值的范围。

2) 随着射流正时向后推迟，燃烧等容度下降，有效热效率降低；缸内燃烧压力和温度降低，NO_x排放减少。使用柴/汽油混合燃料作为预喷燃料，可以有效降低局部当量比，碳烟排放几乎为零。预喷燃料中较高的柴油比例增加了反应活性，减少了THC的排放。

3) 随着预喷正时向后推迟，放热率呈现由单峰较慢放热至双峰放热至最后的单峰快速放热的变化规律。在单峰快速放热情况下，燃烧等容度最高，缸内压力升高率最大。随着预喷正时靠近上止点，分布到燃烧室远端的预喷射燃料减少，THC和CO的排放量降低。

4) 增加柴油射流量，柴油的扩散燃烧比例增加，放热过程减缓，导致尾气中碳烟排放增加。

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(编辑  杨幼平)

收稿日期：2017-07-04；修回日期：2017-10-09

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51379034) (Project(51379034) supported by the National Natural Science Foundation of China)

通信作者：田华，高级工程师，从事内燃机燃烧与排放研究；E-mail: watson_tian@hotmail.com