DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2018.02.030

乙醇汽油双燃料双喷射系统发动机经济性和排放特性

赵乐文，裴毅强，李翔

(天津大学 内燃机燃烧学国家重点实验室，天津，300072)

摘要：在1台汽油缸内直喷(GDI)发动机上添加进气道乙醇喷射(EPI)系统，将其改装为燃料混合比例实时可调的双燃料双喷射系统发动机。将改进的发动机应用于典型城市工况，重点对燃油经济性、微粒数量和质量排放特性进行研究，同时分析燃烧特性和气态常规排放物。研究结果表明：随着进气道乙醇喷射比(质量分数)R_ethanol增加，当量比油耗b_ESFC降低，摩尔乘数效应增强，更多燃烧产物在膨胀行程做功，从而提高有效热效率。碳氢化合物(HC)排放随着R_ethanol增加而逐渐降低，不依赖于发动机负荷的变化。各负荷下微粒数量和质量排放均随R_ethanol增加而降低。乙醇良好的蒸发特性和较高的含氧量能够抑制碳烟前驱物的生成，增强微粒氧化特性。乙醇与汽油混合形成的共沸点混合物能够增强汽油的挥发性，改善混合气质量，进而降低微粒排放。

关键词：双喷射系统；乙醇汽油双燃料；燃油经济性；微粒排放；气态常规排放

中图分类号：TK46⁺4             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2018)02-0485-08

Investigation on dual-fuel dual-injection system engine fuelled with ethanol and gasoline for fuel economy and emissions

ZHAO Lewen, PEI Yiqiang, LI Xiang

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

Abstract: An ethanol port injection (EPI) system was installed on a gasoline direct injection (GDI) engine and a dual-fuel dual-injection system was assembled so that the blended ratio of fuel could be timely adjusted. By employing the innovative EPI and GDI dual-fuel dual-injection system at typical urban operating conditions, the fuel economy, particle number and mass emissions were studied, and the combustion characteristics and gaseous regulated emissions were also analyzed. The results show that b_ESFC (equivalent specific fuel consumption) decreases with the increase of R_ethanol (ethanol port injection ratio), and mole multiplier effect is enhanced by adding ethanol. More combustion products are available to do more work during the expansion process, and thereby improves the brake thermal efficiency. Hydrocarbon (HC) emission decreases with the increase of R_ethanol and is independent of engine loads. Particles number and mass under various conditions decrease with the increase of R_ethanol. Favorable evaporation characteristics as well as higher oxygen content of ethanol leads to less soot precursors formation and enhanced particle oxidation. Ethanol forms an azeotropes with gasoline, which enhances the volatility of gasoline and improves the mixture quality, and further reduces particle emission.

Key words: dual-injection system; dual-fuel of ethanol gasoline; fuel economy; particle emission; gaseous regulated emission

日益严峻的能源安全危机促使世界各国出台了更加严格的燃油经济性法规。欧盟和中国均要求乘用车CO₂排放量在2020年之后降低到95 g/km。相比于传统的进气道燃料喷射(PFI)汽油机，GDI汽油机具有动力性强、经济性好、变工况响应快等优点，但由于其将燃油直接喷到缸内，导致油气混合不均和严重的燃油湿壁现象，进而产生大量微粒排放。GDI发动机排放的微粒具有较强的吸附和沉积作用，能够穿透人体肺泡进入血液，会引起呼吸系统、心血管系统等病变，因此，国内外法规^[1-2]对GDI汽油机的微粒质量(限值为0.004 5 g/km)和数量(限值为6.00×10¹¹ 个/km)都进行了严格的限制。乙醇作为一种常用的含氧燃料和替代燃料已经成为发动机研究和应用的热点。与汽油相比，乙醇具有较高的含氧量，能够促进燃料完全燃烧，有利于降低微粒排放。乙醇的辛烷值约为汽油的1.1倍，可以提高压缩比改善燃油经济性；层流火焰速度约为汽油的1.3倍，有利于提高燃烧速率；汽化潜热约为汽油的2.3倍，可降低缸内温度，抑制爆震。目前，国内外对火花点火式发动机燃用乙醇或乙醇汽油混合燃料进行了研究。PARK等^[3-4]指出由于乙醇具有较高的层流火焰速度，将其添加到汽油中可以缩短燃烧初始期，提高热效率。白代彤等^[5-6]发现与汽油相比，乙醇较高的氧含量能够促进氧化，减少微粒排放。同时，PAPK^{[3-4, 6]}等的研究表明乙醇分子中的氧对降低HC和CO排放也有积极作用。燃用混合燃料的发动机不能根据运行工况实时改变燃料混合比例，而乙醇较高的汽化潜热和沸点导致发动机的冷启动性能较差^[7]。为更好发挥乙醇等含氧燃料的优势，需要一种能够实时改变乙醇汽油混合比例的新型燃油喷射系统。双喷射系统就是把PFI和GDI这2种喷射方式结合起来，实现2种燃料任意比例的混合，有利于充分发挥2种燃料的优势，优化燃烧过程并降低微粒排放。STIEN等^[8]研究了双喷射系统中GDI发动机上缸内直喷乙醇、进气道喷射汽油对抑制爆震的影响，其结果表明高辛烷值的乙醇有效抑制了爆震倾向。ZHUANG等^[9]研究了缸内直喷正时对抑制爆震效果的影响，其结果表明进气门关闭后喷射乙醇可以有效抑制爆震，而进气门关闭之前喷射乙醇可以提高热效率。CATAPANO等^[10]对比分析了乙醇汽油双喷射系统与同比例的混合燃料对发动机性能和排放的影响。与混合燃料相比，双喷射系统中的热效率更高，HC和CO排放更低。综上所述，国内外对于乙醇汽油双燃料双喷射发动机的研究较少，多集中于抑制爆震方向，对乙醇汽油双燃料双喷射系统发动机的燃油经济性、燃烧和排放特性缺乏系统而深入的研究。为此，本文作者将EPI+GDI双燃料双喷射系统发动机应用于典型城市工况中，重点研究该燃烧模式下的微粒数量和质量排放特性和燃油经济性，并分析燃烧特性和气态常规排放物。本文充分利用EPI+GDI的双燃料双喷射系统并进一步发挥汽油机在节能减排方面的潜力，为解决GDI发动机微粒排放的难题提供参考依据。

1  试验系统与流程

1.1  试验系统和设备

试验采用2.0 L增压GDI汽油机，喷油方式采用缸内直喷+进气道喷射，具体技术参数如表1所示。在原机基础上加装进气道多点喷射系统，采用开放式ECU控制进气道喷油器的喷油脉宽、喷油时刻等参数。采用ETAS公司的INCA软件与原机开放式ECU实时通讯并控制缸内喷油器。喷油比例可以通过2个ECU实现在线精确调节。试验台架系统如图1所示。

采用Kistler 2614CK1角标测量发动机曲轴角度；采用AVL 641燃烧分析仪采集分析缸内燃烧压力曲线；采用ETAS LA4型λ分析仪测量过量空气系数；通过2台AVL 731油耗仪分别测量进气道和缸内直喷的燃油流量；采用Horiba MEXA-7100DEGR测量气态常规排放。采用Cambustion公司的DMS500快速颗粒取样分析仪测量微粒的粒径分布，其响应频率为100 ms，测量粒径范围为5~1 000 nm，一级稀释比为1:4，二级稀释比为1:100，采样管温度为100 ℃。试验所用汽油和乙醇的物理化学属性如表2所示。

表1  发动机技术参数

Table 1  Engine technical parameter

1.2  试验流程

在典型的城市工况下进行试验，其中汽油机转速为2 000 r/min，平均有效压力BMEP分别为0.2，0.6和1.0 MPa。进气道乙醇喷射比R_ethanol的变化范围为0~100%(间隔20%)，R_ethanol计算公式如下：

图1  试验台架系统示意图

Fig. 1  Schematic diagram of test bench system

表2  试验所用燃料属性

Table 2  Properties of test fuel

(1)

式中：m_gasoline和m_ethanol分别为油耗仪测的汽油和乙醇的燃油流量，kg/h；H_gasoline和H_ethanol分别为汽油和乙醇的低热值，kJ/g；R_ethanol为进气道喷射乙醇的质量分数，%。

EPI喷油压力稳定在0.36 MPa，3种负荷下的GDI喷油压力分别为5.00，5.50和8.00 MPa。为保证油气有充足时间混合且稳定燃烧，EPI和GDI的喷油时刻分别设置为305.00θ_ATDC(θ_ATDC为压缩上止点后的曲轴转角)和300.00θ_BTDC(θ_BTDC为压缩上止点前的曲轴转角)。

本试验所有工况均在化学计量空燃比条件下运行，点火提前角调节到最大扭矩对应的最小点火提前角(minimal advance of best torque，MBT)。为最大限度地发挥EPI+GDI的优势，MBT定义为调节点火提前角至轻微爆震，判断标准为爆震值≤1.5；若未发生爆震，则按照文献[11]中的方式调节点火提前角使θ_CA50(即已燃燃料质量分数达到50%时对应的曲轴转角)保持在(8~10)θ_ATDC范围内。

首先，发动机以汽油缸内直喷的方式热机，待冷却液温度和中冷后进气温度分别稳定在(88±2) ℃和(25±2) ℃之后开始试验。为保证试验测量精度，所有工况的数据采集均在发动机稳定运行5 min之后进行，连续采集3次油耗、燃烧(200个循环)、气态常规排放和微粒排放(每次数据记录时间为1 min)数据，并计算平均值。

由于乙醇和汽油具有不同的低热值，为更全面地评价乙醇汽油双燃料双喷射系统的燃油经济性，引入比油耗b_BSFC(即有效燃油消耗率)、当量比油耗b_ESFC。b_ESFC是基于燃油能量来评价燃油经济性的，即将不同R_ethanol时乙醇的热量转化为等热量的汽油换算而来的有效燃油消耗率。b_ESFC表达式如下：

    (2)

式中：m_gasoline和m_ethanol分别为油耗仪测得的汽油和乙醇的燃油流量，kg/h；P_e为发动机的有效功率，kW； H_gasoline和H_ethanol分别为汽油和乙醇燃料的低热值，kJ/g。

2  结果与讨论

2.1  燃油经济性

图2所示为发动机转速为2 000 r/min，平均有效压力BEMP分别为0.2，0.6和1.0 MPa时，b_BSFC和b_ESFC随R_ethanol的变化。

从图2可以看出：b_BSFC和b_ESFC变化趋势相反，且二者基本呈线性变化。b_BSFC随着R_ethanol的增加而增加。乙醇的低热值比汽油的小，需要喷入更多乙醇来获得相同的功率。b_ESFC随着R_ethanol的增加而减少，实现相同发动机功率输出所需要的能量逐渐降低。当R_ethanol=100%时，平均有效压力BMEP为0.2，0.6和1.0 MPa工况下，b_ESFC均最低，分别为376.52，249.85和229.19 g/(kW·h)；与燃用纯汽油相比，燃油经济性分别提高8.91%，5.04%和7.58%。

图2  各负荷条件下b_BSFC和b_ESFC随R_ethanol的变化

Fig. 2  Change of b_BSFC and b_ESFC with R_ethanol under different loading conditions

b_ESFC的降低还与摩尔乘数效应^[12]有关。摩尔乘数效应表达式如下：

         (3)

式中：n为燃烧物质的摩尔数；R为通用气体常数；t₁为膨胀行程中初始温度；γ为比定压热容与比定容热容的比值；V₁和V₂分别为膨胀行程中初始和最终的体积，即发动机的余隙容积和排量；W为发动机每循环燃油混合物在膨胀行程做的功。W越高，摩尔乘数效应越强。

在发动机的膨胀行程中，假定t₁，V₁和V₂均保持不变，R_ethanol增加会增强摩尔乘数效应。一方面，R_ethanol增加需要喷入更多的乙醇来维持相同的功率输出和化学计量空燃比，乙醇燃烧产生的气体摩尔数增加量比汽油燃烧产生的气体摩尔数增加量多^[13]，即燃烧物质的摩尔数n随R_ethanol增加而增加，更多燃烧产物在膨胀行程中转化为更多能量用于做功，W随着R_ethanol增加而增加；另一方面，摩尔乘数效应也与γ相关，γ越大，每循环燃油混合物在膨胀行程中的W越大。在标准状态下，乙醇的γ比汽油的大，R_ethanol增加可提高发动机的有效热效率。因此，EPI+GDI的双燃料双喷射系统有助于改善发动机的燃油经济性。

2.2  燃烧特性

图3所示为各燃烧相位随R_ethanol的变化，压缩上止点为0°，其中V_IMEP为平均指示压力变动系数。所有试验工况的点火提前角均调节到MBT，θ_CA50保持在(8.50~9.00)θ_ATDC的范围内能够实现较优的燃烧相位(BMEP为1.0 MPa，R_ethanol=0的工况点除外)。在BMEP为1.0 MPa，R_ethanol=0工况下容易发生爆震，故推迟点火提前角抑制爆震，θ_CA50限制在14.92θ_ATDC，但随着R_ethanol从0增加至40%，乙醇较高的辛烷值和汽化潜热可以降低进气充量温度，进而降低压缩上止点附近的缸内温度，有效抑制爆震，故可以提前点火提前角。

图3  各负荷条件下的燃烧相位随R_ethanol的变化

Fig. 3  Change of combustion phase with R_ethanol under different loading conditions

由图3可知：当BMEP为1.0 MPa，R_ethanol≥40%时，点火提前角均随R_ethanol增加而逐渐推迟。与汽油相比，乙醇较高的层流火焰速度和较低的点火能量使其更容易点燃，加速缸内燃烧过程，这与图3中火焰发展期(定义为火花塞点火到已燃燃料质量分数达到5%曲轴转过的角度)随R_ethanol增加而减小的趋势相对应。随着R_ethanol增加，平均指示压力变动系数V_IMEP逐渐减小最后趋于稳定，说明EPI+GDI的燃烧模式有助于提高燃烧的稳定性。

2.3  气态常规排放

图4~6所示分别为EPI+GDI双燃料双喷射系统的HC，CO和NO_x等气态常规排放随R_ethanol的变化。

由图4可知：各工况的HC排放量均随R_ethanol增加而降低，不依赖于发动机负荷的变化。乙醇较高的层流火焰速度能够加速缸内燃烧过程，较高的含氧量能够增加燃油局部浓区的氧含量，而且其良好的蒸发特性有利于均质混合气的形成，使燃烧更加充分，从而减少HC排放量。

图4  各负荷条件下HC排放量随R_ethanol的变化

Fig. 4  Change of HC emission with R_ethanol under different loading conditions

由图5可知：在BMEP分别为0.2，0.6和1.0 MPa时CO排放量均随R_ethanol增加呈现先降低后增加的趋势，相应的R_ethanol转折点分别为80%，40%和60%。CO是不完全燃烧的产物，CO排放量随R_ethanol增加先降低，是由于乙醇较高的层流火焰速度和含氧量以及较低的碳含量能够加速燃烧过程，使燃烧更加充分。随着R_ethanol进一步增加，虽然混合气中的氧含量随之增加，但也会导致进气门附近的池火现象，大量燃油聚集在进气门附近形成了燃油局部浓区，不利于充分燃烧，从而导致CO排放量增加。

图5  各负荷条件下CO排放量随R_ethanol的变化

Fig. 5  Change of CO emission with R_ethanol under different loading conditions

图6~7所示分别为各负荷条件下NO_x排放及缸内最高温度随R_ethanol的变化。由图6可知：当BMEP为0.2 MPa时，NO_x排放量和缸内最高温度均随R_ethanol的增加先升高后降低，且在R_ethanol=20%时达到最高。当R_ethanol≤20%时，NO_x排放量升高主要是因为乙醇改善了发动机的燃烧状况，较高的缸内温度和乙醇较高的含氧量促进NO_x的生成。随着R_ethanol进一步增加，NO_x逐渐降低，主要是缸内温度降低造成的。缸内温度降低，一方面，是由于乙醇燃烧产物中的三原子分子比汽油的多^[14]，使燃烧气体的比热容增大，导致乙醇燃烧气体的温度比汽油的低；另一方面，是由于乙醇较高的汽化潜热引起的充量冷却作用超过了乙醇高氧含量的作用。

图6  各负荷条件下NO_x排放量随R_ethanol的变化

Fig. 6  Change of NO_x emission with R_ethanol under different loading conditions

图7  各负荷条件下缸内最高温度随R_ethanol的变化

Fig. 7  Change of maximal in-cylinder temperature with R_ethanol under different loading conditions

由图6~7还可知：在BMEP为0.6 MPa的条件下，当R_ethanol≤40%时，较低的缸内温度能够抑制NO_x排放；当R_ethanol＞40%时，急剧升高的缸内温度和混合气中较高的含氧量导致NO_x排放急剧增加；当BMEP为1.0 MPa时，缸内最高温度随R_ethanol的变化不大，NO_x排放量也基本不变。

2.4  微粒排放特性

图8~10所示分别为EPI+GDI双燃料双喷射系统的微粒排放特性，其中图8和图10的横坐标用对数坐标表示，d_P表示微粒的直径(nm)。

由图8可知：各负荷条件下的微粒粒径分布曲线均呈单峰分布，且微粒数量随R_ethanol增加而逐渐减小。乙醇良好的蒸发特性有助于形成均质混合气，进气道喷射乙醇比缸内直喷汽油有更充足的油气混合时间，同时可减少因缸内直喷汽油撞击活塞和缸壁造成燃油湿壁现象的发生，而且乙醇较高的氧含量可提高局部浓区的含氧量，燃烧更加充分。乙醇作为一种含氧分子和含氧化合物已被证明可以通过抑制芳香烃前驱体形成碳烟来降低微粒的生成^[15]，而且乙醇燃烧生成的微粒比汽油燃烧生成的微粒更容易被氧化^[16]。乙醇的这些优良特性能够抑制碳烟前驱物的生成，并增强微粒氧化特性。

在EPI+GDI双燃料双喷射系统中，汽油中非极性烃类分子与极性乙醇分子的氢键进行分子间的相互作用使各自的分子更容易摆脱液体成为蒸气^[17]，形成由乙醇和汽油成分组成的共沸点混合物^[18]。蒸气压升高，沸点降低，液态更容易挥发成为蒸气。与汽油(汽油重质馏分沸点为225 ℃，见表2)相比，乙醇具有较高的蒸气压和较低的沸点(78 ℃)，与汽油混合后形成共沸点混合物，能够增强汽油的挥发性，改善混合气质量，进而降低微粒排放。

图9所示为微粒数量(核态、积聚态微粒)和几何平均直径d_GMD随R_ethanol的变化趋势，其中，d_GMD是通过图中气泡的直径来表征的。由图9可知：3种负荷下的微粒总数量均随R_ethanol增加而急剧减少。与R_ethanol=0时相比，R_ethanol=100%时的微粒数量分别降低99.8%，99.7%和96.8%，且当R_ethanol达到60%~80%时，微粒数量逐渐接近DMS500微粒数量的最小测量极限。核态微粒数量比积聚态微粒的多，且二者均随R_ethanol增加而急剧降低。d_GMD随R_ethanol的增加呈非线性变化，说明EPI+GDI的双燃料双喷射系统对微粒d_GMD的影响不明显。

图8  各负荷条件下微粒数量及粒径分布随R_ethanol的变化

Fig. 8  Change of particle number and size with R_ethanol under different loading conditions

图9  各负荷条件下微粒总数量和d_GMD随R_ethanol的变化

Fig. 9  Change of total particle number and d_GMD with R_ethanol under different loading conditions

为将微粒数量转化为微粒质量浓度，引入各粒径下的微粒质量计算公式^[19]：

       (4)

式中：d_p为微粒直径；为微粒直径为d_p时的微粒数量；为微粒直径为d_p时微粒的总质量。

图10所示为各负荷下微粒质量及粒径随R_ethanol的变化。由图10可知：EPI+GDI的微粒质量分布主要集中于积聚态微粒，与微粒数量分布不同。尽管核态微粒的数量比积聚态微粒的数量多，但是大粒径的积聚态微粒质量占主导地位。微粒质量与数量排放均随R_ethanol增加逐渐减少。

图10  各负荷条件下微粒质量及粒径分布随R_ethanol的变化

Fig. 10  Change of particle mass and size with R_ethanol under different loading conditions

3  结论

1) 比油耗b_BSFC随R_ethanol增加而增加，当量比油耗b_ESFC随着R_ethanol增加而减少；当平均指示压力分别为0.2，0.6和1.0 MPa时，b_ESFC均在R_ethanol=100%时达到最低。与燃用纯汽油相比，燃油经济性分别提高8.91%，5.04%和7.58%。进气道喷射乙醇能够增强摩尔乘数效应，进而提高发动机的有效热效率。

2) 随着R_ethanol增加，火焰发展期缩短，加速缸内燃烧过程。V_IMEP随R_ethanol增加逐渐减小并趋于稳定，燃烧稳定性提高。

3) 各工况下的HC排放均随R_ethanol增加而降低，不依赖于发动机负荷的变化。CO排放量随R_ethanol增加先增加后降低。

4) 各负荷条件下的微粒数量和质量排放均随R_ethanol增加而降低；乙醇良好的蒸发特性和较高的含氧量能够抑制碳烟前驱物的生成，增强微粒氧化特性。乙醇与汽油混合后形成的共沸点混合物能够增加汽油的挥发性，改善混合气质量，降低微粒排放。

5) EPI+GDI的双喷射系统能够有效提高燃油经济性，并大幅度降低微粒数量和质量排放。

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(编辑  伍锦花)

收稿日期：2017-03-27；修回日期：2017-05-27

基金项目(Foundation item)：国家科技支撑计划项目(2014BAG10B01)(Project(2014BAG10B01) supported by the National Key Technologies R&D Program)

通信作者：裴毅强，博士，副教授，从事GDI发动机燃烧与排放控制研究；E-mail：peiyq@tju.edu.cn