趙樂(lè)文，裴毅強(qiáng)，李翔

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乙醇汽油雙燃料雙噴射系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油互換的對(duì)比研究

趙樂(lè)文，裴毅強(qiáng)，李翔

(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)

將1臺(tái)GDI(gasoline direct injection)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)改裝成乙醇汽油的雙燃料雙噴射系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)，系統(tǒng)地對(duì)比研究EPI+GDI(進(jìn)氣道噴射乙醇+缸內(nèi)直噴汽油)和EDI+GPI(缸內(nèi)直噴乙醇+進(jìn)氣道噴射汽油) 2種燃燒模式對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性、降低氣態(tài)常規(guī)排放和微粒排放的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：當(dāng)量比油耗ESFC隨乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)ethanol的增加逐漸降低；由于乙醇較高的汽化潛熱對(duì)缸內(nèi)直噴的充量冷卻效果更好，EDI+GPI燃燒模式的燃油經(jīng)濟(jì)性比EPI+GDI的好；2種燃燒模式的HC排放量均隨ethanol增加而減??；CO排放量隨著ethanol增加先減小后增大，但在轉(zhuǎn)折點(diǎn)(ethanol=40%)前，EDI+GPI燃燒模式的CO排放量大；在轉(zhuǎn)折點(diǎn)后，EPI+GDI的CO排放量大；EPI+GDI燃燒模式的NO排放量隨ethanol的增加而增大，而EDI+GPI的NO排放量呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)；微粒粒徑均隨著ethanol的增加逐漸降低，乙醇良好的蒸發(fā)特性和較高的氧摩爾分?jǐn)?shù)不僅抑制了微粒的生成，而且促進(jìn)了微粒的氧化；EDI+GPI燃燒模式的微粒排放量明顯比EPI+GDI的大。

乙醇汽油雙燃料；雙噴射系統(tǒng)；燃油互換；燃油經(jīng)濟(jì)性；微粒排放；氣態(tài)常規(guī)排放

近年來(lái)，節(jié)能減排的全球性問(wèn)題促使各國(guó)出臺(tái)了更嚴(yán)格的油耗和排放法規(guī)。歐盟要求2020年乘用車(chē)CO2排放量控制在95 g/km；中國(guó)規(guī)定乘用車(chē)平均燃料消耗量在2020年下降至5 L/100 km，到2025年，CO2排放量達(dá)到95 g/km的標(biāo)準(zhǔn)，而且歐Ⅵ[1]和國(guó)Ⅴ[2]排放法規(guī)也對(duì)氣態(tài)常規(guī)排放物(HC，CO，NO)、微粒數(shù)量(≤6.00×1011個(gè)/km)和質(zhì)量(≤4.5 g/km)進(jìn)行了嚴(yán)格的限制。GDI(缸內(nèi)直噴，gasoline direct injection)發(fā)動(dòng)機(jī)因具有動(dòng)力性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好、變工況響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)已成為現(xiàn)階段乘用車(chē)的主流，但其普遍存在嚴(yán)重的燃油撞壁現(xiàn)象導(dǎo)致微粒排放較高。傳統(tǒng)PFI(進(jìn)氣道噴射，port fuel injection)發(fā)動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、碳煙排放少的優(yōu)勢(shì)。因此，有必要采用1種新型的燃油噴射方式——雙噴射系統(tǒng)，即將進(jìn)氣道噴射(PFI)和缸內(nèi)直噴(GDI) 結(jié)合，并能夠根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況實(shí)時(shí)改變2種噴射方式的燃油噴射比例，為優(yōu)化燃燒過(guò)程、降低排放提供可能。面對(duì)能源危機(jī)和環(huán)境污染的加劇，替代燃料能夠降低有害排放物和對(duì)石油燃料的依賴(lài)。乙醇作為1種常用的替代燃料，其較高的氧摩爾分?jǐn)?shù)、較高的H與C物質(zhì)的量比和低硫摩爾分?jǐn)?shù)能夠促進(jìn)燃料完全燃燒，減小有害排放物；其較高的汽化潛熱(約為汽油的2.25倍)能夠增強(qiáng)進(jìn)氣和壓縮沖程的充量冷卻作用，提高充氣效率；其較高的層流火焰速度(約為汽油的1.32倍)能夠加速燃燒過(guò)程，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率；其較大的辛烷值(約為汽油的1.10倍)可增加發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比，提高抗爆性。由于乙醇的黏度較低，能夠更好地與空氣混合，改善混合氣霧化質(zhì)量，且乙醇的自燃點(diǎn)高，比汽油更安全，方便運(yùn)輸。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外對(duì)燃用乙醇或乙醇汽油混合燃料的火花點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒、節(jié)能、凈化等方面有一定的研究。但由于不能根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況實(shí)時(shí)改變?nèi)剂系幕旌媳壤?，而且乙醇較高的汽化潛熱和沸點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)困難[3]，致使乙醇的優(yōu)勢(shì)無(wú)法充分發(fā)揮。與混合燃料相比，雙噴射系統(tǒng)能夠更充分地發(fā)揮乙醇的優(yōu)勢(shì)。因此，有必要采用乙醇汽油的雙燃料雙噴射系統(tǒng)，在充分發(fā)揮乙醇優(yōu)勢(shì)、提高燃油經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，利用雙噴射系統(tǒng)優(yōu)化燃燒過(guò)程，進(jìn)一步減少有害排放物。STEIN 等[4]在1臺(tái)3.5 L增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)上加裝進(jìn)氣道噴射系統(tǒng)，并將發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比提高至12:1，研究發(fā)現(xiàn)缸內(nèi)直噴E85燃料可以有效抑制爆震，拓展負(fù)荷。DANIEL等[5]進(jìn)行了缸內(nèi)噴射甲醇或乙醇、進(jìn)氣道噴射汽油的雙噴射系統(tǒng)的抗爆性研究，結(jié)果表明高辛烷值的乙醇和甲醇減緩了爆震傾向，同時(shí)降低了HC和CO的排放量。ZHUANG等[6]還分析了缸內(nèi)直噴乙醇的噴射正時(shí)對(duì)抑制爆震效果的影響，在進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉后，噴射乙醇可以提高抗爆性，但是混合氣質(zhì)量下降，導(dǎo)致燃燒效率較低和排放量較高；而在進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉之前，噴射乙醇能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率，進(jìn)而提高熱效率。CATAPANO等[7?8]對(duì)比研究了燃用乙醇汽油的雙噴射系統(tǒng)與缸內(nèi)直噴同比例混合燃料對(duì)性能和有害物排放的影響，結(jié)果表明與混合燃料相比，雙噴射系統(tǒng)能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，降低能量消耗率。DANIEL 等[9]還發(fā)現(xiàn)與缸內(nèi)直噴相比，雙噴射系統(tǒng)能夠減小微粒的質(zhì)量和平均直徑，但核態(tài)微粒數(shù)量增多。ZHUANG等[10]在1臺(tái)改裝為雙噴射系統(tǒng)的單缸機(jī)上研究了缸內(nèi)噴乙醇進(jìn)氣道噴射汽油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，結(jié)果表明隨著乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，發(fā)動(dòng)機(jī)具有更高的平均有效壓力和更低的燃油消耗。綜上所述，國(guó)內(nèi)外對(duì)乙醇汽油雙燃料雙噴射系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的研究多趨向于利用乙醇特性抑制爆震、雙燃料雙噴射系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)與混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的性能對(duì)比等，而對(duì)乙醇汽油雙燃料雙噴射系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油互換的對(duì)比研究仍較少。因此，本文作者系統(tǒng)而深入地對(duì)比研究EPI+GDI(進(jìn)氣道噴射乙醇+缸內(nèi)直噴汽油)和EDI+GPI(缸內(nèi)直噴乙醇+進(jìn)氣道噴射汽油)這2種燃燒模式的雙燃料雙噴射系統(tǒng)；著重對(duì)比2種燃燒模式發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和氣態(tài)常規(guī)排放物，并對(duì)燃燒特性和微粒數(shù)量的粒徑分布進(jìn)行比較；充分利用2種燃燒模式進(jìn)一步發(fā)掘汽油機(jī)在節(jié)能減排方面的潛力，以便為解決GDI發(fā)動(dòng)機(jī)微粒排放的難題提供科學(xué)而有價(jià)值的理論和工程應(yīng)用參考。

1 試驗(yàn)設(shè)備與流程

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)與設(shè)備

試驗(yàn)采用的雙燃料雙噴射系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)是由1臺(tái)2.0 L增壓缸內(nèi)直噴汽油機(jī)改裝而來(lái)的，原GDI發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。在原機(jī)基礎(chǔ)上加裝進(jìn)氣道多點(diǎn)噴射系統(tǒng)，由獨(dú)立的油箱、油泵、燃油分配管和4個(gè)噴油器供油；采用開(kāi)放式ECU和進(jìn)氣道噴射系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，并與原機(jī)的噴射次序、曲軸信號(hào)和凸輪軸信號(hào)等實(shí)時(shí)同步；由標(biāo)定軟件控制進(jìn)氣道噴油器的噴射脈寬、噴射時(shí)刻等參數(shù)。原GDI噴射系統(tǒng)通過(guò)ETAS公司的INCA在線(xiàn)標(biāo)定系統(tǒng)與原機(jī)開(kāi)放式ECU實(shí)時(shí)通信并控制缸內(nèi)噴油器。進(jìn)氣道噴射和缸內(nèi)直噴的噴油比例可實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)精確調(diào)節(jié)。試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)如圖1所示。

本試驗(yàn)測(cè)量缸壓的設(shè)備是由Kistler 2614CK1光電編碼器、AVL GH13Z型火花塞式缸壓傳感器、Kistler 5018電荷放大器和AVL 641燃燒分析儀等組成，用于采集和處理缸內(nèi)燃燒數(shù)據(jù)；過(guò)量空氣系數(shù)測(cè)量采用ETAS LA4型λ分析儀；采用2臺(tái)AVL 731油耗儀分別測(cè)量進(jìn)氣道噴射和缸內(nèi)直噴的燃油流量；氣態(tài)常規(guī)排放測(cè)量采用Horiba MEXA?7100DEGR排放分析儀；采用Cambustion公司的DMS500快速顆粒取樣分析儀對(duì)微粒數(shù)量的粒徑分布實(shí)時(shí)在線(xiàn)測(cè)量，其粒徑測(cè)量范圍為5~1 000 nm，響應(yīng)頻率為10 Hz，通過(guò)干燥空氣對(duì)采集的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣進(jìn)行2級(jí)稀釋?zhuān)渲幸弧⒍?jí)稀釋比分別為1:4和1:100，采樣管溫度為100 ℃。試驗(yàn)所用燃料(汽油、乙醇)的物理化學(xué)屬性見(jiàn)表2。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

1—進(jìn)氣；2—空氣流量計(jì)；3—中冷器；4—節(jié)氣門(mén)；5—進(jìn)氣道噴射油軌；6—缸內(nèi)直噴油軌；7—渦輪增壓器；8—排氣；9—缸壓傳感器；10—角標(biāo)；11—電荷放大器；12—燃燒分析儀；13—計(jì)算機(jī)1；14—油門(mén)踏板；15—原機(jī)開(kāi)放式ECU；16—INCA軟件；17—計(jì)算機(jī)2；18—進(jìn)氣道油耗儀；19—進(jìn)氣道油箱；20—缸內(nèi)直噴油耗儀；21—缸內(nèi)直噴油箱；22—進(jìn)氣道控制ECU；23—計(jì)算機(jī)3；24—測(cè)功機(jī)；25—氧傳感器；26—λ分析儀；27—Horiba排放儀；28—DMS500。

表2 試驗(yàn)所用燃料屬性

1.2 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)選取汽油機(jī)典型城市工況的3個(gè)常用轉(zhuǎn)速 (1 500，2 000和2 500 r/min)以及具有代表性的中低負(fù)荷(平均有效壓力為0.6 MPa)。由于乙醇較高的汽化潛熱易導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)困難，所以，發(fā)動(dòng)機(jī)先以汽油缸內(nèi)直噴的方式熱機(jī)，待冷卻液溫度和中冷后進(jìn)氣溫度分別穩(wěn)定在(88±2) ℃和(25±2) ℃之后，再進(jìn)行EPI+GDI和EDI+GPI 2種燃燒模式的對(duì)比試驗(yàn)。無(wú)論進(jìn)氣道噴射乙醇還是缸內(nèi)直噴乙醇，乙醇噴射質(zhì)量分?jǐn)?shù)ethanol的變化范圍均為0~100%(間隔20%)，ethanol計(jì)算公式如下：

式中：gasoline和ethanol分別為油耗儀測(cè)得的汽油和乙醇的燃油流量，kg/h；gasoline和ethanol分別為汽油和乙醇的低熱值，kJ/g。

所有試驗(yàn)工況均在化學(xué)計(jì)量空燃比條件下運(yùn)行，將點(diǎn)火提前角調(diào)節(jié)到最大扭矩對(duì)應(yīng)的最小點(diǎn)火提前角，即MBT(minimal advance of best torque)。為最大限度發(fā)揮雙燃料雙噴射的優(yōu)勢(shì)，MBT定義為調(diào)節(jié)點(diǎn)火提前角至輕微爆震，判斷標(biāo)準(zhǔn)為爆震值小于或等于1.5；若未發(fā)生爆震，則按照文獻(xiàn)[11]中的方式調(diào)節(jié)點(diǎn)火提前角使CA50(即已燃燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到50%時(shí)對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角)保持在壓縮上止點(diǎn)后8°~10°。

進(jìn)氣道燃油分配管上的油壓調(diào)節(jié)裝置噴油壓力能夠穩(wěn)定在0.36 MPa；缸內(nèi)直噴噴油壓力均采用原機(jī)的噴油壓力(分別為5.5，5.5和6.0 MPa)。為保證油氣混合時(shí)間充足和燃燒穩(wěn)定，進(jìn)氣道噴射和缸內(nèi)直噴的噴油定時(shí)分別固定在壓縮上止點(diǎn)后305°和壓縮上止點(diǎn)前300°。為保證試驗(yàn)測(cè)量精度，所有工況的數(shù)據(jù)采集均在發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行5 min后進(jìn)行，連續(xù)采集3次油耗、燃燒(200個(gè)循環(huán))、氣態(tài)常規(guī)排放和微粒排放(每次數(shù)據(jù)記錄時(shí)間為1 min)數(shù)據(jù)，并求取平均值。

由于乙醇和汽油的低熱值不同，為更全面地評(píng)價(jià)乙醇汽油雙燃料雙噴射系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)性，引入比油耗BSFC(brake specific fuel consumption)和當(dāng)量比油耗ESFC。ESFC基于燃油能量評(píng)價(jià)燃油經(jīng)濟(jì)性，即將乙醇的熱量轉(zhuǎn)化為由等熱量汽油換算而來(lái)的有效燃油消耗率，

式中：e為發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率，kW；ESFC為當(dāng)量比油耗，g/(kW·h)。

2 結(jié)果與討論

2.1 燃油經(jīng)濟(jì)性

圖2所示為基于燃油質(zhì)量消耗的油耗BSFC和基于燃油能量消耗的當(dāng)量比油耗ESFC的變化，圖3所示為燃燒特性分析結(jié)果。

由圖2可知：2種燃燒模式的BSFC均隨ethanol的增加呈現(xiàn)線(xiàn)性增加的趨勢(shì)。這是因?yàn)橐掖嫉牡蜔嶂祪H為汽油的60.72%(表2)，需要噴入更多乙醇來(lái)保持相同的發(fā)動(dòng)機(jī)功率。而ESFC隨ethanol的增加而降低，實(shí)現(xiàn)相同發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出需要的能量逐漸減少，進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的有效熱效率。

隨著ethanol增加，ESFC逐漸降低。一方面是因?yàn)橐掖驾^高的氧摩爾分?jǐn)?shù)能夠促進(jìn)燃料的完全燃燒。與純汽油相比，在2種燃燒模式下，當(dāng)只燃燒乙醇時(shí)，火焰發(fā)展期和燃燒持續(xù)期均明顯縮短，活塞和缸壁的傳熱損失減少[12]，乙醇的層流火焰速度約為汽油的1.3倍，有利于提高燃燒速率[13]，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。另一方面，所有工況的點(diǎn)火提前角均調(diào)節(jié)到MBT，CA50保持在壓縮上止點(diǎn)后8°~10°，優(yōu)化了燃燒相位，且平均指示壓力變動(dòng)系數(shù)IMEP(coefficient of variation of IMEP)均在3%以下，燃燒比較穩(wěn)定。

轉(zhuǎn)速/(r?min?1)：(a) 1 500；(b) 2 000；(c) 2 500

ESFC的降低可以用摩爾乘數(shù)效應(yīng)(mole multiplier effect)[14]來(lái)解釋。每循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)中燃油混合物在膨脹行程作的功越多，摩爾乘數(shù)效應(yīng)越強(qiáng)，摩爾乘數(shù)效應(yīng)表示為

式中：為燃燒物質(zhì)的量；為通用氣體常數(shù)；1為膨脹行程中初始溫度；為定壓比熱容與定容比熱容的比值；1和2分別為膨脹行程中初始和最終的體積，即發(fā)動(dòng)機(jī)的余隙容積和排量。

在發(fā)動(dòng)機(jī)的膨脹行程中，假定1，1和2均保持不變，ethanol增加會(huì)增強(qiáng)摩爾乘數(shù)效應(yīng)。一方面，ethanol增加需要噴入更多質(zhì)量的乙醇來(lái)維持相同的功率輸出和化學(xué)計(jì)量空燃比，而乙醇燃燒產(chǎn)生的氣體物質(zhì)的量的增量比汽油燃燒產(chǎn)生的增量多[15]，即燃燒產(chǎn)物的物質(zhì)的量隨ethanol增加而增加，更多燃燒產(chǎn)物在膨脹行程中轉(zhuǎn)化為更多能量作功，則隨著ethanol增加而增加。另一方面，摩爾乘數(shù)效應(yīng)表達(dá)式也是關(guān)于的公式，越大，越大。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下乙醇的比汽油的大，因此，ethanol增加提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的有效熱效率。由此可見(jiàn)，EPI+GDI的雙燃料雙噴射系統(tǒng)有助于改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。

從圖2還可見(jiàn)：各轉(zhuǎn)速(1 500，2 000和2 500 r/min)最低ESFC均出現(xiàn)在ethanol=100%時(shí)，EPI+GDI燃燒模式最低ESFC分別為253.01，249.85和259.39 g/(kW?h)，與燃用純汽油相比，燃油經(jīng)濟(jì)性分別提高了2.18%，5.04%和3.14%。EDI+GPI燃燒模式的最低ESFC分別為239.98，239.16和248.90 g/(kW?h)，與燃用純汽油相比，燃油經(jīng)濟(jì)性分別提高了10.21%，11.53%和8.51%。

隨乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，EDI+GPI比EPI+GDI的節(jié)油效果更加明顯。這是因?yàn)橐掖驾^高的汽化潛熱可以降低進(jìn)氣溫度，增大缸內(nèi)充量密度，與進(jìn)氣道噴射乙醇相比，乙醇直噴到缸內(nèi)的充量冷卻作用更明顯。從圖3可以看出：EDI+GPI燃用純乙醇的火焰發(fā)展期和燃燒持續(xù)期均比EPI+GDI燃用純乙醇的短，更高的燃燒速率能夠減少活塞和缸壁的熱損失，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的有效熱效率。另外，進(jìn)氣道噴油器較低的噴油壓力使EPI+GDI燃用純乙醇的噴射脈寬較長(zhǎng)，油氣混合時(shí)間縮短，混合氣霧化質(zhì)量惡化，導(dǎo)致進(jìn)氣門(mén)附近出現(xiàn)池火現(xiàn)象[16]，大量燃油聚集在進(jìn)氣門(mén)附近形成了燃油局部濃區(qū)，不利于充分燃燒。

2.2 氣態(tài)常規(guī)排放物

圖4所示為各工況HC排放量隨ethanol的變化。由圖4可知：2種燃燒模式的HC排放量不受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速影響，均隨ethanol增加而逐漸減少。乙醇較高的層流火焰速度加速了缸內(nèi)燃燒過(guò)程，較高的氧摩爾分?jǐn)?shù)也增大了包括燃油局部濃區(qū)在內(nèi)的混合氣的氧摩爾分?jǐn)?shù)，而且其良好的蒸發(fā)特性有利于均質(zhì)混合氣的形成，使燃燒更加充分，從而減少HC排放量。

當(dāng)ethanol=0%時(shí)，EDI+GPI燃燒模式的HC排放量比EPI+GDI燃燒模式的大，即進(jìn)氣道噴射純汽油的HC排放量比缸內(nèi)噴射純汽油大；當(dāng)ethanol=100%時(shí)，EPI+GDI燃燒模式的HC排放量比EDI+GPI燃燒模式的大，即進(jìn)氣道噴射純乙醇的HC排放量比缸內(nèi)直噴純乙醇的HC排放量大。

進(jìn)氣道噴油器將液態(tài)燃油直接噴射到進(jìn)氣門(mén)背面和進(jìn)氣口附近，而且噴射壓力低。當(dāng)進(jìn)氣道噴射比例較大時(shí)，噴射脈寬較長(zhǎng)。表3所示為進(jìn)氣道噴射持續(xù)期相對(duì)進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)的噴射角度。由表3可知：進(jìn)氣道的燃油噴射一部分發(fā)生于進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)，當(dāng)進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)，缸內(nèi)燃燒氣體的快速回流加速了燃油蒸發(fā)過(guò)程，進(jìn)氣門(mén)和進(jìn)氣口表面的液態(tài)燃油以氣態(tài)的形式進(jìn)入缸內(nèi)[17]；另一部分燃油在進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟后以液滴的形式跟隨進(jìn)氣氣流進(jìn)入氣缸，其中大部分液態(tài)燃油與缸內(nèi)的空氣、燃油蒸汽和殘余廢氣進(jìn)行蒸發(fā)、混合，在進(jìn)氣行程和圧縮行程中形成可燃混合氣。但是，剩余的液態(tài)燃油特別是揮發(fā)性較差的重質(zhì)化合物會(huì)殘留在燃燒室中的淬熄層、縫隙區(qū)、潤(rùn)滑油膜和沉積物中，然后在膨脹行程和排氣行程中釋放，此時(shí)，缸內(nèi)溫度、壓力和氧摩爾分?jǐn)?shù)均較低，燃油難以完全被氧化，從而增加了HC排放量[18]。

轉(zhuǎn)速/(r?min?1)：(a) 1 500；(b) 2 000；(c) 2 5001—EPI+GDI；2—EDI+GPI。

表3 進(jìn)氣道噴射持續(xù)期相對(duì)進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)的噴射角度

圖5所示為各工況CO排放量隨ethanol的變化。由圖5可知：不同轉(zhuǎn)速下CO排放量的變化趨勢(shì)基本一致，均隨著ethanol增加先減小后增大，在轉(zhuǎn)折點(diǎn)(ethanol=40%)時(shí)的CO排放量最小。CO是缸內(nèi)不完全燃燒的產(chǎn)物。轉(zhuǎn)折點(diǎn)前CO排放量隨ethanol增加而減小，是因?yàn)橐掖驾^高的氧摩爾分?jǐn)?shù)和較低的碳摩爾分?jǐn)?shù)增加了混合氣中的氧摩爾分?jǐn)?shù)，較高的層流火焰速度加速了燃燒過(guò)程，使燃燒更充分，抑制了CO的生成。但是，轉(zhuǎn)折點(diǎn)后進(jìn)一步增加ethanol雖然會(huì)增加混合氣中的氧摩爾分?jǐn)?shù)，但也會(huì)導(dǎo)致池火現(xiàn)象[16]，即EDI+GPI模式中燃油撞擊到活塞和燃燒室壁面形成的局部過(guò)濃區(qū)和EPI+GDI模式中燃油聚集在進(jìn)氣門(mén)附近形成的燃油局部濃區(qū)，導(dǎo)致CO排放量增大。同時(shí)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)后的缸內(nèi)最高溫度(如圖6所示)隨ethanol的增大而增大，已成為燃燒產(chǎn)物的CO2在高溫時(shí)產(chǎn)生熱離解反應(yīng)，也會(huì)導(dǎo)致CO排放量增加。

從圖5還可以看出：轉(zhuǎn)折點(diǎn)前，EDI+GPI燃燒模式的CO排放量比EPI+GDI的大；轉(zhuǎn)折點(diǎn)后，EPI+GDI的CO排放量比EDI+GPI的大。無(wú)論進(jìn)氣道噴射乙醇還是汽油，當(dāng)進(jìn)氣道噴射燃料所占的比例較大時(shí)，較低的噴射壓力使噴射脈寬較長(zhǎng)，燃油撞擊到進(jìn)氣門(mén)或進(jìn)氣口附近的壁面上，且部分燃油在進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟后直接進(jìn)入氣缸，油氣蒸發(fā)霧化質(zhì)量惡化，導(dǎo)致CO生成量增加。

圖7所示為各工況NO排放量隨ethanol的變化。由圖7可知：EPI+GDI和EDI+GPI燃燒模式下NO排放量的變化趨勢(shì)相反，但是各個(gè)轉(zhuǎn)速的NO排放量呈現(xiàn)相近的變化趨勢(shì)。NO在稀混合氣區(qū)的生成主要是溫度起支配作用，在濃混合氣區(qū)主要是氧摩爾分?jǐn)?shù)起支配作用[8]。

EPI+GDI燃燒模式的NO排放量隨ethanol的增加呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。原因是隨著ethanol增加，乙醇較高的氧摩爾分?jǐn)?shù)增加了包括燃油濃區(qū)在內(nèi)的混合氣的氧摩爾分?jǐn)?shù)，從圖6(a)中可以看出較高的缸內(nèi)溫度和乙醇較高的氧摩爾分?jǐn)?shù)增加了NO的生成量。

圖8所示為各工況排氣溫度隨ethanol的變化。由圖8可知：EDI+GPI燃燒模式的NO排放量隨ethanol的增加呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。因?yàn)殡S著ethanol的增加，燃燒溫度逐漸下降，各轉(zhuǎn)速的排氣溫度均隨ethanol增大而降低。其原因有2個(gè)：一是乙醇較高的汽化潛熱降低了燃燒初期的充量溫度，且乙醇的低熱值較小，為維持發(fā)動(dòng)機(jī)功率需要往氣缸內(nèi)噴入更多質(zhì)量的乙 醇，進(jìn)一步加強(qiáng)了缸內(nèi)充量冷卻作用；二是乙醇燃燒產(chǎn)物中的3原子分子比汽油中的多[19]，導(dǎo)致燃燒氣體比熱容增加，進(jìn)而降低了燃燒溫度。另外，由圖3可知：乙醇較高的層流火焰速度加速了燃燒過(guò)程，縮短了燃燒持續(xù)期，降低了高溫持續(xù)時(shí)間，進(jìn)而抑制了NO的生成。

轉(zhuǎn)速/(r?min?1)：(a) 1 500；(b) 2 000；(c) 2 5001—EPI+GDI；2—EDI+GPI。

(a) EPI+GDI，2 500 r/min；(b) EDI+GPI，2 500 r/min；(c) EPI+GDI，2 000 r/min；(d) EDI+GPI，2 000 r/min；(e) EPI+GDI，1 500 r/min；(f) EDI+GPI，1 500 r/min

轉(zhuǎn)速/(r?min?1)：(a) 1 500；(b) 2 000；(c) 2 500

轉(zhuǎn)速/(r?min?1)：(a) 1 500；(b) 2 000；(c) 2 500

2.3 微粒排放特性

為了探究EDI+GPI和EPI+GDI雙燃料雙噴射系統(tǒng)的微粒排放特性，研究微粒總數(shù)量和微粒粒徑隨乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的影響，分別如圖9和圖10所示。

由圖9可知：各工況的微?？倲?shù)量均隨ethanol的增加而逐漸降低。與燃用純汽油(ethanol=0%)相比，EDI+GPI燃燒模式下燃燒純乙醇(ethanol=100%)時(shí)的微?？倲?shù)量分別降低了94.7%，96.5%和95.1%；EPI+GDI燃燒模式下燃燒純乙醇(ethanol=100%)時(shí)的微?？倲?shù)量分別降低了97.6%，99.7%和97.2%。在ethanol達(dá)到60%~80%時(shí)，逐漸接近DMS500微粒數(shù)量的最小測(cè)量極限。

微粒按照粒徑分布主要分為核態(tài)微粒和積聚態(tài)微粒[20?21]。核態(tài)微粒數(shù)量比積聚態(tài)微粒數(shù)量多且占主導(dǎo)地位，當(dāng)EDI+GPI燃燒模式下ethanol=0%時(shí)，3個(gè)工況(1 500，2 000，2 500 r/min)的核態(tài)微粒分別占微?？倲?shù)量的56.67%，62.21%和62.47%；當(dāng)EPI+GDI燃燒模式下ethanol=0%時(shí)，各工況的核態(tài)微粒數(shù)量分別約占微?？倲?shù)量的69.84%，67.10%和78.44%，但是兩者均隨乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而逐漸降低。

轉(zhuǎn)速/(r?min?1)：(a) 1 500；(b) 2 000；(c) 2 500

從圖9還可以看出：EDI+GPI模式的微粒排放量明顯比EPI+GDI模式的大。當(dāng)乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)，EDI+GPI燃燒模式主要采用噴油壓力低、流量小的進(jìn)氣道噴射汽油(GPI)的方式，導(dǎo)致噴射脈寬較長(zhǎng)。部分燃油在進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟后直接進(jìn)入氣缸，進(jìn)氣門(mén)附近形成了燃油局部濃區(qū)且液態(tài)燃油容易在進(jìn)氣門(mén)座上形成液態(tài)油膜，油氣混合質(zhì)量惡化，而且此時(shí)的HC排放量較大(圖4)，促進(jìn)了HC等物質(zhì)經(jīng)成核現(xiàn)象形成核態(tài)微粒，初級(jí)碳煙粒子通過(guò)團(tuán)聚、吸附HC等物質(zhì)形成積聚態(tài)微粒[22]。因此，當(dāng)乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小時(shí)，EDI+GPI的微粒排放量比EPI+GDI的大。

當(dāng)乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大時(shí)，EDI+GPI燃燒模式主要采用噴射壓力高、流量大的缸內(nèi)直噴乙醇(EDI)的方式。相比缸內(nèi)直噴汽油，由于乙醇比汽油的熱值低，缸內(nèi)的噴射脈寬增加，油氣混合時(shí)間縮短，增加了燃油撞擊活塞頂和燃燒室壁面的概率，燃油霧化質(zhì)量下降，燃料燃燒不完全。因此，當(dāng)乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大時(shí)，EDI+GPI的微粒排放量比EPI+GDI的大。

圖10所示為各工況微粒粒徑隨ethanol的變化。由圖10可知：各工況的微粒粒徑均呈單峰分布，粒徑主要集中于10~50 nm，且各粒徑的微粒數(shù)量均隨ethanol的增加而逐漸減少。

乙醇良好的蒸發(fā)特性能夠改善燃油蒸發(fā)，促進(jìn)均質(zhì)混合氣的形成，使燃燒更加充分。ethanol增加能夠降低EPI+GDI燃燒模式汽油撞擊到活塞和缸壁造成燃油濕壁的概率，可減小EDI+GPI大量汽油聚集在進(jìn)氣門(mén)附近形成池火現(xiàn)象[16]的可能性。

在燃用乙醇汽油的雙燃料雙噴射系統(tǒng)中，汽油中非極性烴類(lèi)分子與極性乙醇分子間的氫鍵產(chǎn)生分子間的相互作用，這些分子間的干擾允許各自的分子更容易擺脫液體成為蒸汽[23]，乙醇與汽油混合后提高了汽油的蒸發(fā)速率。蒸汽壓升高，沸點(diǎn)降低，液態(tài)物質(zhì)更容易揮發(fā)。與汽油(汽油重質(zhì)餾分沸點(diǎn)為225 ℃，見(jiàn)表2)相比，乙醇具有較高的蒸汽壓和較低的沸點(diǎn)，乙醇的添加增強(qiáng)了燃料的蒸發(fā)特性，改善了混合氣質(zhì)量，進(jìn)而使微粒排放量減少。

乙醇較高的氧摩爾分?jǐn)?shù)提高了燃油局部濃區(qū)的氧摩爾分?jǐn)?shù)，研究表明乙醇作為含氧化合物可通過(guò)抑制芳香烴前驅(qū)體的形成來(lái)降低微粒的生成[20]，且乙醇燃燒生成的微粒比汽油燃燒生成的微粒更容易被氧 化[21]，即增強(qiáng)了微粒的氧化特性。乙醇的這些優(yōu)良特性不僅能抑制微粒的生成，而且能促進(jìn)已生成微粒的氧化。因此，微粒數(shù)量會(huì)隨ethanol的增加而逐漸減少。

(a) EPI+GDI，1 500 r/min；(b) EDI+GPI，1 500 r/min；(c) EPI+GDI，2 000 r/min；(d) EDI+GPI，2 000 r/min；(e) EPI+GDI，2 500 r/min；(f) EDI+GPI，2 500 r/min

3 結(jié)論

1)ESFC隨ethanol的增加逐漸降低，實(shí)現(xiàn)相同發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出需要的能量減少。由于乙醇較高的汽化潛熱，對(duì)缸內(nèi)直噴的充量冷卻效果更好，EDI+GPI比EPI+GDI燃燒模式節(jié)油效果更明顯。

2) 2種燃燒模式的HC排放量受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速影響，均隨ethanol增加而減小。CO排放量均隨ethanol增加而先減小后增大。但在轉(zhuǎn)折點(diǎn)前，EDI+GPI燃燒模式的CO排放量較大；在轉(zhuǎn)折點(diǎn)后，EPI+GDI的CO排放量較大。EPI+GDI燃燒模式的NO排放量隨ethanol的增加而增大，而EDI+GPI的NO排放量呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)。

3) 微粒的粒徑均隨著ethanol的增加而逐漸降低，由于乙醇良好的蒸發(fā)特性和較高的氧摩爾分?jǐn)?shù)不僅抑制了微粒的生成，而且促進(jìn)了微粒的氧化。EDI+GPI燃燒模式的微粒排放量明顯比EPI+GDI的微粒排放量大。

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(編輯 劉錦偉)

Comparative study on fuel swap for dual-fuel dual-injection system engine fueled with ethanol and gasoline

ZHAO Lewen, PEI Yiqiang, LI Xiang

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

The dual-fuel dual-injection system engine fueled with ethanol and gasoline was modified by a turbocharged GDI (gasoline direct injection) engine. The two combustion modes of EPI+GDI(ethanol port injection plus gasoline direct injection) and EDI+GPI (ethanol direct injection plus gasoline port injection) for improving engine fuel economy and reducing gaseous regulated emission and particle emissions were compared systematically. The results show that the equivalent specific fuel consumptionESFCreduces with the increase of mass fraction of ethanolethanol. The fuel economy of EDI+GPI combustion mode is better than that of EPI+GDI, indicating a more efficient charge cooling effect attributable to the high latent heat of vaporization of ethanol by directly injecting into the cylinder. HC emission of the two combustion modes decreases with the increase ofethanol. CO emission decreases first and then increases with the increase ofethanol. What’s more, CO emission of EDI+GPI combustion mode is higher than that of EPI+GDI before the turning point (ethanol=40%), but CO emission of EPI+GDI becomes higher after the turning point. NOemission of EPI+GDI combustion mode increases with the increase ofethanol, while that of the EDI+GPI shows the opposite trend. Furthermore, the particle size gradually decreases with the increase ofethanol, because of the favorable evaporation and the high oxygen mole fraction of ethanol, which not only inhibits the formation of particles, but also promotes the oxidation of the particles. The particle emission of EDI+GPI combustion mode is obviously higher than that of EPI+GDI.

ethanol gasoline dual-fuel; dual-injection system; fuel swap; fuel economy; particle emission; gaseous regulated emission

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.05.029

TK46+4

A

1672?7207(2018)05?1254?11

2017?05?23；

2017?06?30

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAG10B01) (Project(2014BAG10B01) supported by the National Key Technology R&D Program)

裴毅強(qiáng)，博士，副教授，從事GDI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放控制研究；E-mail: peiyq@tju.edu.cn