常進才李旭聰康志強史曉剛王超魯志遠張昊高定偉（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

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高預(yù)混發(fā)動機排放性能試驗研究

常進才1，2李旭聰1，2康志強1，2史曉剛1，2王超1，2魯志遠1，2張昊1，2高定偉1，2（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

以一臺柴油機為原型機，增加一套進氣道噴射的汽油供油系統(tǒng)，實現(xiàn)高預(yù)混模式在改裝發(fā)動機上高效應(yīng)用，并且進行了高預(yù)混發(fā)動機性能深入研究。研究表明：在1 700 r/min，60 N·m工況點下，高預(yù)混技術(shù)在發(fā)動機上應(yīng)用的經(jīng)濟性并沒有優(yōu)勢；但是其有效解決了NOx排放和PM排放難以解決的trade-off關(guān)系，壓縮比15的雙燃料發(fā)動機較之原機NOx和PM分別下降了76.89%和98.41%。

高預(yù)混壓縮比排放性能經(jīng)濟性能

引言

隨著全球經(jīng)濟的高速發(fā)展，全世界能源消費量逐年遞增，石油、天然氣、煤炭、核能、水電以及用于發(fā)電的可再生能源增速均高于歷年平均值，這其中，內(nèi)燃機消耗占用很大比例。另一方面，內(nèi)燃機也引起噪聲、大氣污染及危害人類身體健康等一系列尖銳的問題。內(nèi)燃機排氣中有害成分諸如碳氫化合物（HC）、一氧化碳（CO）、醛類化合物、顆粒物（PM）、氮氧化物（NOx）以及硫化物等，這些有害排放物不僅會影響大氣環(huán)境，如形成光化學(xué)煙霧、酸雨和臭氧濃度過高等，同時還會對人類身體健康造成直接危害。在我國，汽車保有量的急劇增加，使環(huán)境污染問題更加嚴峻。

為了有效緩解發(fā)動機給環(huán)境帶來的污染問題，國內(nèi)外內(nèi)燃機專家和學(xué)者進行了發(fā)動機新燃燒模式的研究。低溫燃燒（Low Temperature Combustion，LTC）模式因其較高的經(jīng)濟性，同時較低的NOx和PM排放而得到廣泛的研究?？v觀國內(nèi)外的研究可以發(fā)現(xiàn)，廣義的LTC燃燒模式范疇按照發(fā)展有三個里程碑：

1）均質(zhì)充量燃燒（Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI）概念發(fā)展［1-2］；

2）尋找方法降低壓力升高率和拓展負荷范圍，例如部分預(yù)混燃燒模式（Partial Premix Charge，PCCI）［3-6］；

3）利用具有汽油類似性質(zhì)的燃燒與柴油混合來進一步提高燃燒的穩(wěn)定性燃燒方式，例如汽柴油雙燃料RCCI（Reactivity Controlled Compression Ignition）［7］。

威斯康星大學(xué)Retiz教授等對RCCI燃燒進行了深入的研究。研究表明：發(fā)動機在1 300 r/min，0.93 MPa平均指示壓力工況點下，其最高的指示熱效率能夠達到56%。美國西南研究院采用柴油作為點火能量引燃汽油進行了研究，并與傳統(tǒng)汽油機的高能火花塞點火方式做出了對比。其研究結(jié)果顯示，柴油引燃汽油預(yù)混模式大幅度提高了EGR的容忍度（EGR率可高達50%），并且大大降低了指示油耗到185 g/（kW·h），與柴油機的油耗水平十分接近。日本的豐田研究中心、荷蘭的愛因霍芬科技大學(xué)、清華大學(xué)等對這種燃燒方式的研究均取得了較好的效果。但是，目前的雙燃料發(fā)動機技術(shù)針對噴油、EGR 和VGT等策略研究較多，而從發(fā)動機燃燒結(jié)構(gòu)和壓縮比角度出發(fā)的研究較少。

本文主要是針對不同壓縮比雙燃料高預(yù)混發(fā)動機與原柴油機的發(fā)動機性能進行對比研究，以1 700 r/min，60 N·m為基準工況點，對兩種壓縮比的雙燃料高預(yù)混發(fā)動機和原柴油機進行了經(jīng)濟性、缸內(nèi)燃燒特性和排放性進行了深入的研究，為開發(fā)汽/柴油雙燃料高預(yù)混發(fā)動機的開發(fā)研究提供技術(shù)支持。

1　試驗設(shè)備及試驗方法

試驗原型機為長城汽車公司生產(chǎn)的4D20型柴油機，其主要技術(shù)參數(shù)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(shù)參數(shù)

圖1　發(fā)動機臺架示意圖

如圖1所示，在原柴油機的基礎(chǔ)上增加了一套進氣道噴射的汽油供油系統(tǒng)，來形成進氣道噴射汽油燃料，缸內(nèi)噴射柴油燃料的雙燃料高預(yù)混燃燒模式。雙燃料高預(yù)混發(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(diào)節(jié)。

在此試驗研究中，采用AVL公司生產(chǎn)的AVL GH13P壓電式傳感器連接AVL 4P3G電荷放大器進行缸內(nèi)燃燒壓力數(shù)據(jù)的測?。徊捎肁VL燃燒分析儀對測取的燃燒數(shù)據(jù)進行整理分析；采用HORIBA 7500DEGR排放設(shè)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；PM數(shù)據(jù)的單位為FSN，mg/m3和g/（kW·h）。FSN單位可以通過以下公式1轉(zhuǎn)換成干碳煙，單位g/（kW·h）。

2　試驗結(jié)果與分析

2.1發(fā)動機排放特性

圖2為壓縮比16.7、15雙燃料高預(yù)混發(fā)動機與原柴油機的排氣溫度對比結(jié)果。

圖2　不同壓縮比雙燃料高預(yù)混發(fā)動機與原機排氣溫度

圖3為壓縮比16.7、15雙燃料高預(yù)混發(fā)動機與原柴油機的NOx排放。從圖中可以看出，在此工況點下無論是壓縮比15還是壓縮比16.7的雙燃料高預(yù)混發(fā)動機與原柴油機相比，NOx排放均有大幅下降，分別降低了76.9%和71.9%。

圖3　不同壓縮比雙燃料高預(yù)混發(fā)動機與原機NOx排放

發(fā)動機的NOx排放中主要為NO，其主要來源是參與燃燒的空氣中的氮。NO的生成機理為擴展的澤耳多維奇機理，主要受燃燒溫度影響。NO的生成隨溫度的升高而呈指數(shù)函數(shù)急劇增加。從圖2排放溫度中可以看出，雙燃料高預(yù)混發(fā)動機的排氣溫度與原柴油機相比降低許多。排氣溫度趨勢在一定程度上反映缸內(nèi)燃燒溫度趨勢。故，雙燃料高預(yù)混發(fā)動機的NOx排放低于原柴油機，CR15雙燃料高預(yù)混的NOx排放低于CR16雙燃料高預(yù)混發(fā)動機。

圖4為兩種不同壓縮比雙燃料高預(yù)混發(fā)動機和原柴油機的HC排放柱形圖。從圖中可知，雙燃料高預(yù)混發(fā)動機CR15和CR16.7兩種不同壓縮比的排放較之原柴油機HC排放上升幅度分別高達3982.2%和3362.3%。

圖4　不同壓縮比雙燃料高預(yù)混發(fā)動機與原機HC排放

發(fā)動機尾氣中的HC排放主要是在燃燒過程中未來得及燃燒或未完全燃燒的燃料或潤滑油。雙燃料高預(yù)混發(fā)動機是在進氣道噴射汽油，形成均質(zhì)混合氣，當其到達燃燒室邊緣和狹縫中時，在這些溫度較低區(qū)域，產(chǎn)生強烈的淬熄效應(yīng)和狹縫效應(yīng)，導(dǎo)致部分汽油未燃，產(chǎn)生大量未燃HC排放，所以雙燃料高預(yù)混發(fā)動機CR15和CR16.7的HC排放遠遠高于原柴油機。關(guān)于兩種不同壓縮比雙燃料高預(yù)混發(fā)動機HC排放，雙燃料高預(yù)混發(fā)動機CR15比CR16.7的缸內(nèi)溫度低，缸內(nèi)溫度對HC排放具有較大的影響，高溫利于HC的氧化。故，CR15雙燃料高預(yù)混發(fā)動機的HC排放高于CR16.7雙燃料高預(yù)混發(fā)動機。

圖5為壓縮比16.7和15雙燃料高預(yù)混發(fā)動機與原柴油機的PM排放柱形圖。從圖中可知，雙燃料高預(yù)混發(fā)動機CR15和CR16.7兩種不同壓縮比的排放較之原柴油機PM排放下降幅度分別高達98.4%和73.2%。雙燃料高預(yù)混技術(shù)能夠高效地降低發(fā)動機尾氣中的PM排放。

發(fā)動機尾氣中的PM排放主要由柴油中含有的碳產(chǎn)生，高溫和缺氧是其生成的主要條件。即使發(fā)動機在富氧條件下燃燒，但是由于燃料與空氣混合不均勻，燃燒室內(nèi)局部缺氧的混合氣燃燒同樣會生成大量的PM排放。故，原柴油機尾氣中的PM排放較高。汽/柴油雙燃料供油方式采用進氣道噴射汽油形成預(yù)混汽油混合氣，缸內(nèi)直噴柴油引燃混合氣。燃燒方式兼顧汽油預(yù)混燃燒和柴油擴散燃燒的特點。此工況點下的汽柴油比例為75%，混合氣中的預(yù)混汽油混合氣占據(jù)大比例。因此，雙燃料高預(yù)混發(fā)動機燃燒室內(nèi)的混合氣比較均勻，進而其生成的PM排放較低。關(guān)于兩種不同壓縮比雙燃料高預(yù)混發(fā)動機PM排放，缸內(nèi)溫度具有較大的影響。故，CR16.7雙燃料高預(yù)混發(fā)動機的PM排放高于CR15雙燃料高預(yù)混發(fā)動機。

圖6為兩種不同壓縮比雙燃料高預(yù)混發(fā)動機和原柴油機的CO排放柱形圖。從圖中可知，雙燃料高預(yù)混發(fā)動機CR15和CR16.7兩種不同壓縮比的排放較之原柴油機CO排放上升幅度分別高達786.2% 和430.5%。

圖5　不同壓縮比雙燃料高預(yù)混發(fā)動機與原機PM排放

圖6　不同壓縮比雙燃料高預(yù)混發(fā)動機與原機CO排放

圖7　不同壓縮比雙燃料高預(yù)混發(fā)動機與原機缸內(nèi)燃燒壓力

圖8　不同壓縮比雙燃料高預(yù)混發(fā)動機與原機缸內(nèi)放熱率

發(fā)動機尾氣中的CO排放主要是過量空氣系數(shù)小于1，造成燃料在燃燒過程中產(chǎn)生CO。如果反應(yīng)氣的氧濃度、溫度足夠高，化學(xué)反應(yīng)所占有的時間足夠長，CO會氧化成CO2。燃燒時，缸內(nèi)溫度分布不均勻，柴油燃燒區(qū)域溫度較高，而汽油均質(zhì)混合氣燃燒區(qū)域溫度則較低，產(chǎn)生大量CO。另外，末端較稀的汽油混合氣不完全燃燒，也會導(dǎo)致CO排放升高，所以原柴油發(fā)動機的CO排放量遠遠低于雙燃料高預(yù)混發(fā)動機。

關(guān)于兩種不同壓縮比雙燃料高預(yù)混發(fā)動機CO排放，雙燃料高預(yù)混發(fā)動機CR15比CR16.7的缸內(nèi)溫度低，缸內(nèi)溫度對CO排放具有較大的影響，高溫利于CO的氧化。故，CR15雙燃料高預(yù)混發(fā)動機的CO排放高于CR16.7雙燃料高預(yù)混發(fā)動機。

2.2缸內(nèi)燃燒特性

汽柴油雙燃料高預(yù)混在發(fā)動機缸內(nèi)的燃燒同時具有汽油預(yù)混燃燒和柴油擴散燃燒的特點，為此本研究對發(fā)動機的缸內(nèi)燃燒壓力和燃燒放熱率做了深入的研究與對比。根據(jù)缸內(nèi)燃燒特性來分析汽/柴油雙燃料高預(yù)混不同壓縮比性能。

圖7和圖8分別為缸內(nèi)燃燒壓力和燃燒放熱率。從兩圖可以看出，原柴油機的缸內(nèi)燃燒壓力曲線呈現(xiàn)明顯的兩個峰值壓力，其對應(yīng)于燃燒放熱率曲線也出現(xiàn)兩個明顯的放熱峰值，并且兩個峰值具有明顯的距離；而對于雙燃料高預(yù)混混合氣燃燒特性，缸壓曲線僅為單個峰值壓力。雙燃料高預(yù)混放熱率曲線則表現(xiàn)出兩個不太明顯的峰值，并且放熱率峰值相對于柴油較低，則說明雙燃料高預(yù)混放熱較為平和。平和的放熱能夠有效降低缸內(nèi)爆燃傾向，并且抑制燃燒噪聲，降低燃燒對發(fā)動機本體造成的破壞。

2.3發(fā)動機經(jīng)濟性

圖9為兩種不同壓縮比雙燃料高預(yù)混發(fā)動機和原柴油機的燃油消耗率柱形圖。從圖中可知，雙燃料高預(yù)混發(fā)動機CR15和CR16.7兩種不同壓縮比的排放較之原柴油機燃油消耗率上升幅度分別是1.44%和4.03%。

圖9　雙燃料高預(yù)混發(fā)動機與原柴油機燃油消耗率對比

燃燒效率是指燃燒實際釋放出的總熱量與燃料所能釋放的總熱量之比。通過未燃CO、THC的總質(zhì)量來計算燃油的燃燒效率，計算公式如下所示。

其中：mCO為排氣中CO的質(zhì)量，HuCO為CO的低熱值；mTHC為排氣中未燃THC質(zhì)量，HuTHC為THC低熱值；mG為燃油消耗質(zhì)量，Hu為燃油低熱值。

按照上述公式計算，得出原柴油機燃燒效率為99.86%，雙燃料高預(yù)混發(fā)動機CR15燃燒效率為94.56%，雙燃料高預(yù)混發(fā)動機CR16.7燃燒效率為95.42%。雙燃料高預(yù)混發(fā)動機CR15和CR16.7與原柴油機相比，HC排放上升3 982.2%和3 362.3%，CO排放上升786.2%和430.5%。故，雙燃料高預(yù)混發(fā)動機燃油消耗率會增加。但是從排氣溫度可以看出，雙燃料高預(yù)混發(fā)動機的缸內(nèi)燃燒溫度低于原柴油機的燃燒溫度，進而雙燃料高預(yù)混發(fā)動機的傳熱損失會降低。

綜合考慮雙燃料高預(yù)混發(fā)動機的燃燒效率和傳熱損失，可得雙燃料高預(yù)混發(fā)動機CR15和CR16.7與原柴油機油耗基本持平。

3　結(jié)論

1）從缸內(nèi)燃燒特性來看，雙燃料高預(yù)混發(fā)動機平和的放熱能夠有效降低缸內(nèi)爆燃傾向，并且抑制燃燒噪聲，降低燃燒對發(fā)動機本體造成的破壞。從缸壓、放熱率來看，雙燃料高預(yù)混有優(yōu)勢。

2）從發(fā)動機排放特性來看，此工況點下雙燃料發(fā)動機CR15和CR16.7與原柴油機相比，NOx排放分別降低了76.9%和71.9%，PM排放下降98.4%和73.2%。雙燃料高預(yù)混發(fā)動機CR15和CR16.7與原柴油機相比，HC排放上升3 982.2%和3 362.3%。，CO排放上升786.2%和430.5%。

可見雙燃料高預(yù)混發(fā)動機有效解決了NOx排放和PM排放難以解決的trade-off關(guān)系，但是HC、CO排放較高。

3）從發(fā)動機經(jīng)濟特性來看，雙燃料高預(yù)混發(fā)動機CR15和CR16.7與原柴油機相比，燃油消耗率上升幅度分別是1.44%和4.03%。綜合傳熱損失，可基本認為原柴油機與雙燃料高預(yù)混發(fā)動機CR15和CR16.7的燃油消耗率持平，經(jīng)濟性相當。

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An Experimental Study on the Performances of HPCC Engine

Chang Jincai1，2，Li Xucong1，2，kang Zhiqiang1，2，Shi Xiaogang1，2，Wang Chao1，2，Lu Zhiyuan1，2，Zhang Hao1，2，Gao Dingwei1，2
1-Technical Center，Great Wall Motor Company Limited（Baoding，Hebei，071000，China）2-Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center

Taking a diesel engine as prototype engine，the performance of a dual-fuel engine on which a gasoline injection system was added was studied deeply.HPCC runs efficiently on the refitted engine.The research indicated：at the operation of 1700rpm，60N·m，the economy of dual-fuel engine has no advantage；however，the dual-fuel technology can solve the problem of trade-off relationship of PM and NOx，NOxand PM emissions of the dual-fuel engine with CR15 have reduced by 76.89%and 98.41% respectively，compared to the prototype engine.

HPCC，Compress ratio，Emission performance，Economic performance

TK421+.5

A

2095-8234（2015）06-0013-05

常進才（1981-），男，工程師，主要研究方向為發(fā)動機開發(fā)。

（2015-04-17）