韓偉強(qiáng)，盧 耀，黃澤遠(yuǎn)，劉興文，張 鵬，潘鎖柱※

（1.流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西華大學(xué)），成都 610039； 2. 汽車測(cè)控與安全四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西華大學(xué)），成都610039； 3. 交通新能源開發(fā)、應(yīng)用與汽車節(jié)能陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（長(zhǎng)安大學(xué)），西安 710061）

0 引 言

近些年來，由于環(huán)境污染和能源消耗的問題，學(xué)者們從燃燒策略和燃料的角度出發(fā)研究了許多先進(jìn)的燃燒模式和清潔的替代燃料。目前，先進(jìn)的燃燒模式主要包括均質(zhì)充量壓燃（homogeneous charge compression ignition，HCCI）、預(yù)混合充量壓燃（premixed charge compression ignition，PCCI）和活性控制壓燃（reactivity controlled compression ignition，RCCI）等。這些燃燒模式由于具有更低的排放和更高的經(jīng)濟(jì)性而得到廣泛研究。然而，HCCI和PCCI 2種模式很難在高負(fù)荷下實(shí)現(xiàn)，并且由于放熱率（heat release rate，HRR）受到化學(xué)動(dòng)力學(xué)的驅(qū)動(dòng)，因此燃燒難以控制，可能導(dǎo)致較高的壓力升高率和難以接受的噪音[1]。然而這些問題可以通過RCCI得到解決。RCCI是一種基于雙燃料策略的預(yù)混燃燒模型，通過缸內(nèi)直接噴射（direct injection, DI）供應(yīng)高活性燃料，而通過進(jìn)氣道噴射（port injection，PI）供應(yīng)低活性燃料[2-3]。這種活性主要由燃料的十六烷值決定。RCCI模式的供油策略高度靈活，在燃料方面不限于傳統(tǒng)化石燃油。并且，燃料性質(zhì)在RCCI燃燒模式中比在傳統(tǒng)的柴油機(jī)燃燒中更加重要[4]。其次，RCCI燃燒是分層的[5]，并從局部高活性燃料區(qū)域引發(fā)到低活性燃料區(qū)域。燃料活性分層可延長(zhǎng)預(yù)混燃燒時(shí)間，實(shí)現(xiàn)分階段燃燒，方便向高負(fù)荷拓展。在燃燒室中，混合氣的濃度分層會(huì)導(dǎo)致預(yù)混合燃燒持續(xù)時(shí)間的顯著延長(zhǎng)，并因此產(chǎn)生更高的熱效率和更低的壓力升高率，有利于對(duì)燃燒進(jìn)程的控制[6]。RCCI模式的諸多優(yōu)點(diǎn)使其在未來發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用中具有較大的潛力[7]。

在替代燃料的研究方面，含氧生物燃料目前已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)之一。這是因?yàn)槿剂系暮跣允顾鼈兙邆涓纳迫紵团欧诺哪芰?，同時(shí)可再生性又能夠減少對(duì)化石能源的消耗和依賴。生物醇燃料（甲醇、乙醇、丁醇等）已被證明是理想的替代燃料，原因是它們具有與汽油相似的理化性質(zhì)和燃燒性能[8-9]，此外具有更高的辛烷值和氧含量，可以使發(fā)動(dòng)機(jī)具有更高的壓縮比，從而提高熱效率[10]。最近，丁醇被認(rèn)為是一種有潛力的生物醇燃料[11]，不僅可以與食物一起生產(chǎn)，而且還可以通過發(fā)酵有機(jī)農(nóng)作物材料如玉米和甘蔗來獲得[12-13]，近年來在柴油機(jī)上獲得了較多研究[14-16]。其中，Gu等[17]研究了丁醇異構(gòu)體中正丁醇和異丁醇分別與柴油摻混對(duì)柴油機(jī)性能的影響。他們發(fā)現(xiàn)，丁醇能夠有效地降低碳煙排放。并且，相比正丁醇，異丁醇與柴油的混合燃料燃燒具有更長(zhǎng)的點(diǎn)火延遲（ignition delay，ID）和燃燒持續(xù)時(shí)間（combustion duration，CD），以及更高的氣缸壓力和HRR。另外，Zheng等[18]在具有高廢氣循環(huán)率直噴柴油機(jī)中對(duì)4種丁醇異構(gòu)體（正丁醇、仲丁醇、異丁醇和叔丁醇）與柴油的混合物所進(jìn)行的影響研究中，也得到了異丁醇/柴油混合燃料的ID最長(zhǎng)和碳煙排放量最低的結(jié)果。

值得注意的是，異丁醇是一種支鏈醇，在丁醇異構(gòu)體中具有最高的辛烷值[19]，還具備可以通過乙醇工廠來生產(chǎn)，獲得降低成本的優(yōu)勢(shì)[20]。另外，異丁醇能夠與汽油和柴油較好的混合[21]，這種性質(zhì)也促進(jìn)了異丁醇與柴油和汽油的摻混試驗(yàn)研究[22-25]。Ozsezen等[22]通過在一臺(tái)六缸柴油機(jī)對(duì)不同異丁醇/柴油混合燃料比例的影響研究中發(fā)現(xiàn)，隨著混合燃料中異丁醇的增加，CO與NOx的排放量顯著降低。有關(guān)火花點(diǎn)火（spark ignition，SI）發(fā)動(dòng)機(jī)中異丁醇與汽油的摻混研究也發(fā)現(xiàn)，添加異丁醇使得HC和NOx的排放大幅度下降，但同時(shí)也導(dǎo)致了燃料消耗增加[25]。

在查找和閱讀相關(guān)文獻(xiàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，鮮有文章研究異丁醇在RCCI中的應(yīng)用。值得注意的是，RCCI模式不同于摻混，具備更高的靈活性和可控性。而異丁醇具有更高的辛烷值，這種性質(zhì)被證明在RCCI中能夠通過增大分層降低的壓力升高率，從而改善燃燒和排放特性[7]。因此，異丁醇在RCCI模式中的應(yīng)用是具有較大潛力的。此外，RCCI模式作為一種新的燃燒策略，也存在著HC和CO排放嚴(yán)重的問題。研究發(fā)現(xiàn)，可以通過優(yōu)化供油策略如柴油噴射定時(shí)（start of injection，SOI）、預(yù)混比（premixing ratio，Rp）等來降低CO和HC排放[26-27]。

綜上所述，異丁醇是一種有應(yīng)用前景的生物醇燃料，并且在RCCI燃燒模式中的應(yīng)用極具潛力。然而，異丁醇在柴油機(jī)上的應(yīng)用與研究較少，并且都主要集中在摻混燃燒，有關(guān)于異丁醇/柴油雙燃料 RCCI策略下的研究微乎其微。鑒于此，本文通過在一臺(tái)改裝的六缸重型柴油機(jī)上進(jìn)行了小負(fù)荷中低轉(zhuǎn)速工況下的異丁醇/柴油雙燃料RCCI的試驗(yàn)研究，探究了在RCCI燃燒模式下，高活性燃料（柴油）的不同 SOI和低活性燃料（異丁醇）的不同Rp對(duì)燃燒以及CO、THC、NOx和顆粒物（particle matter,PM）等排放物的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方案

1.1 試驗(yàn)方案

本文研究基于一臺(tái)六缸四沖程渦輪增壓柴油機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)見表1。

1.2 試驗(yàn)燃料與供給

試驗(yàn)提供 2種活性不同的燃料，包括高活性燃料柴油和低活性燃料異丁醇，因此有 2套供油系統(tǒng)。異丁醇通過PI提供，而柴油則通過DI的方式進(jìn)入氣缸。2種燃料的理化特性如表2所示。為實(shí)現(xiàn)RCCI燃燒，在原發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣管上增加了一套燃料供給系統(tǒng)，使得異丁醇可以通過進(jìn)氣道噴射進(jìn)入氣缸參與燃燒，其噴射壓力和噴射時(shí)刻分別為0.5 MPa和-360°CA ATDC。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)Table 1 Engine specifications

表2 燃料性質(zhì)Table 2 Fuel properties

1.3 數(shù)據(jù)采集與分析

本研究試驗(yàn)平臺(tái)如圖 1所示，平臺(tái)主要包括試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)、試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和燃燒分析系統(tǒng)。試驗(yàn)中的缸壓數(shù)據(jù)是由 Kistler 6125C缸壓傳感器和Kistler 5011B電荷放大器進(jìn)行測(cè)量并由NI-USB6353采集卡進(jìn)行采集的，然后經(jīng)過由LabVIEW編寫的燃燒分析系統(tǒng)計(jì)算出放熱率和缸內(nèi)平均溫度。瞬時(shí)放熱率根據(jù)熱力學(xué)第一定律計(jì)算。氣缸內(nèi)能量守恒由公式（1）表示[28-29]

圖1 試驗(yàn)平臺(tái)示意圖Fig.1 Schematic of test platform

式中γ為比熱容，J/(kg?K)，由公式（3）表示[30]；p為缸壓，MPa；V為氣缸容積，L。

式中cp為定壓比熱容，cv為定容比熱容，J/(kg?K)。

式中 Aht為燃燒室表面積，m2；hc為對(duì)流熱系數(shù)，W/(m3?K)，由 Woschni模型估算；T為缸內(nèi)平均溫度，Tw為燃燒室溫度，K；n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。其中，缸內(nèi)平均溫度T由式（5）表示[28]：

式中 m為氣缸內(nèi)氣體質(zhì)量，kg/h；R為理想氣體常數(shù)，J/(kg?K)。

試驗(yàn)結(jié)果所得到的排放數(shù)據(jù)主要通過 2臺(tái)設(shè)備測(cè)量與分析，其中Horiba-MEXA7100DEGR主要測(cè)量分析常規(guī)氣體排放，包括THC、CO、NOx等，精度為(±1.0%) FS；Cambustion DMS 500 Mk II主要測(cè)量分析顆粒物的粒徑分布，測(cè)量范圍為5～1000 nm，精度為(±3.0%) FS。這2臺(tái)設(shè)備都安裝在靠近排氣口處附近取樣，如圖1 所示。

Horiba-MEXA7100DEGR檢測(cè)結(jié)果為氣體排放的質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，THC、CO、NOx的質(zhì)量排放量分別由公式（6）、（7）、（8）求得[32]

式中[THC]e、[NOX]e、[CO]e分別表示 THC、NOX、CO的校正排放濃度，g/kW?h；[THC]wet、[NOX]wet、[CO]wet分別表示THC、NOx、CO的濕基排放濃度， 10-6；GEXHW表示發(fā)動(dòng)機(jī)排出廢氣的平均分子質(zhì)量流量，g/h；P表示發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率，kW。

1.4 試驗(yàn)方案

本研究的試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速1 500 r/min下運(yùn)行，其中平均有效壓力（break mean effective pressure，BMEP）保持在0.3 MPa，每循環(huán)輸入氣缸的總能量為1 280 J。試驗(yàn)過程中，冷卻水溫與機(jī)油溫度分別保持在（80±1）和（85±1）℃。

為研究不同柴油SOI以及異丁醇的Rp對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響規(guī)律，試驗(yàn)控制參數(shù)如表 3所示。其中，對(duì)進(jìn)氣道噴射低活性燃料異丁醇選擇了4種Rp進(jìn)行分析對(duì)比，分別為30%、40%、50%和60%。Rp定義為每循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)輸入的能量中，替代燃料即異丁醇所含的能量占每循環(huán)總輸入能量的比例，如下公式（9）所示

式中m1為進(jìn)氣道噴射燃料異丁醇的質(zhì)量流量，kg/h；Q1為異丁醇的低熱值，MJ/kg；m2為缸內(nèi)直噴燃料柴油的質(zhì)量流量，kg/h；Q2為柴油的低熱值，MJ/kg。

表3 柴油機(jī)控制參數(shù)Table 3 Control parameters of engine

2 結(jié)果與分析

2.1 不同SOI和Rp對(duì)燃燒特性的影響

不同異丁醇Rp和不同柴油 SOI對(duì)ID的影響如圖2所示。ID定義為從柴油噴射時(shí)刻開始到缸內(nèi)燃料燃燒累積放熱量達(dá)到總放熱量的10%時(shí)（即CA10）曲軸所走過的角度。

圖2 不同預(yù)混比（Rp）和噴油定時(shí)（SOI）對(duì)點(diǎn)火延遲（ID）的影響Fig.2 Effect of different premixing ratio (Rp) and start of injection(SOI) on ignition delay (ID)

從圖2中可以看出，隨著異丁醇Rp的增大，ID整體規(guī)律趨向于增長(zhǎng)；另外，隨著柴油 SOI的提前，也使得ID增長(zhǎng)。

首先，異丁醇Rp的增大導(dǎo)致點(diǎn)火延遲增長(zhǎng)，考慮到的原因主要是，異丁醇的十六烷值低于柴油，因此隨著異丁醇噴射量增加而柴油噴射量減少，缸內(nèi)整體活性降低，高活性區(qū)域也減少，使得燃燒初期符合燃燒的混合氣減少；此外，異丁醇具有較高的汽化潛熱，因此汽化蒸發(fā)的過程中吸收了大量的熱量，降低了缸內(nèi)的整體平均溫度，使得燃燒相位推遲，增長(zhǎng)了ID。

其次，隨著柴油SOI的提前，ID增長(zhǎng)。其中的原因主要在于，隨著柴油 SOI提前，活塞位置逐漸遠(yuǎn)離上止點(diǎn)，達(dá)到著火點(diǎn)狀態(tài)所需的時(shí)間逐漸增加。此外，提前注入柴油使得柴油與空氣的混合時(shí)間增長(zhǎng)，缸內(nèi)的活性梯度大幅度下降，柴油局部當(dāng)量比降低，初始燃燒所需的溫度增大，同樣使得ID增長(zhǎng)。

不同異丁醇Rp和不同柴油SOI對(duì)CD的影響如圖3所示。CD定義為從累積放熱量達(dá)到總放熱量的10%時(shí)的曲軸轉(zhuǎn)角與累積放熱量達(dá)到總放熱量的 90%時(shí)的曲軸轉(zhuǎn)角之間的差值（即CA10-CA90之間的曲軸轉(zhuǎn)角）。

圖3 不同Rp和SOI對(duì)燃燒持續(xù)期（CD）的影響Fig.3 Effect of different Rp and SOI on combustion duration (CD)

從圖3中可以看出，隨著雙燃料中異丁醇Rp的增大，CD增長(zhǎng)，而造成這種現(xiàn)象的原因主要在于異丁醇的理化特性。異丁醇與一般醇類燃料類似，具有較柴油更低的十六烷值和更高的汽化潛熱，更低的十六烷值使得缸內(nèi)混合氣的整體活性降低，更高的汽化潛熱降低了缸內(nèi)平均溫度，并且異丁醇是丁醇異構(gòu)體中具有最高辛烷值的燃料，較高的辛烷值抑制了混合氣的燃燒速率，這樣就導(dǎo)致了更長(zhǎng)的 CD。因此，在隨著雙燃料中異丁醇 Rp增大，CD相對(duì)延長(zhǎng)。

不同 Rp下的 HRR和缸壓變化規(guī)律具有一定的相似性，當(dāng)Rp=30%時(shí)表現(xiàn)出了較好的雙燃料RCCI放熱特性，因此下面根據(jù)Rp=30%時(shí)的HRR和缸壓變化規(guī)律進(jìn)行分析。不同柴油SOI對(duì)Rp=30%時(shí)HRR和缸壓的影響規(guī)律如圖4所示。從圖4中可以看出，在異丁醇Rp=30%時(shí)，雙燃料的燃燒呈現(xiàn)雙峰放熱，并且不同 SOI下的放熱率峰值（maximum heat release rate，HRRm）都出現(xiàn)在第1階段預(yù)混燃燒放熱過程中。根據(jù) Zheng等[33]對(duì)正丁醇和柴油的雙燃料燃燒研究表明，RCCI的燃燒基本都呈現(xiàn)出2級(jí)放熱，即圖4中類似的雙峰放熱曲線。其中，第1階段放熱主要是直噴柴油和部分進(jìn)氣道噴射的異丁醇之間的預(yù)混燃燒；第 2階段放熱主要是柴油的擴(kuò)散燃燒和剩余異丁醇的燃燒結(jié)合。此外，隨著柴油 SOI的提前，燃燒放熱的相位提前，HRRm先增大后減小，HRRm所對(duì)應(yīng)相位提前，最大缸內(nèi)壓力增加。當(dāng)柴油SOI提前到-24°CA ATDC和-30°CA ATDC時(shí)，放熱曲線還出現(xiàn)了明顯了冷焰反應(yīng)放熱。

圖4 不同SOI對(duì)Rp=30%時(shí)放熱率（HRR）和缸壓的影響Fig.4 Effect of different SOI on heat release rate (HRR) and cylinder pressure at Rp= 30%

根據(jù)前文ID的變化規(guī)律可知，ID隨著SOI的提前而增加，但是燃燒放熱的相位卻并不因ID的增長(zhǎng)而延遲，只隨著SOI的提前而提前。這主要是因?yàn)镾OI對(duì)燃燒放熱的影響起主導(dǎo)作用，隨著SOI的提前，雖然ID相對(duì)延長(zhǎng)，但是仍舊無法彌補(bǔ) SOI帶來的影響。此外，隨著柴油 SOI的提前，缸內(nèi)柴油與空氣的混合時(shí)間增長(zhǎng)，使得柴油的局部當(dāng)量比降低，活性梯度也減小，而形成的可燃混合氣區(qū)域卻有所增加，同時(shí)也增加了預(yù)混燃燒比例，因此獲得了HRRm和Pm的增加。然而，當(dāng)柴油SOI持續(xù)提前，缸內(nèi)柴油與空氣的混合時(shí)間過長(zhǎng)，使得柴油的局部當(dāng)量比和活性梯度進(jìn)一步減小，可燃混合氣區(qū)域也相應(yīng)減少，帶來第一階段放熱的減少，HRRm隨之降低。

柴油 SOI的推遲增大了不同 Rp之間雙峰放熱的差異，在 SOI=-30°CA ATDC下最為明顯，因此下面將從SOI=-30°CA ATDC處對(duì)HRR和缸壓進(jìn)行分析。如圖5所示，圖5中顯示了不同異丁醇Rp對(duì)SOI=-30°CA ATDC時(shí)HRR和缸壓的影響規(guī)律。

圖5 不同Rp對(duì)SOI=-30°CA ATDC時(shí)放熱率（HRR）和缸壓的影響Fig.5 Effect of different Rp on heat release rate (HRR) and cylinder pressure at SOI = -30°CA ATDC

從圖5中可以看出，當(dāng)柴油SOI=-30°CA ATDC時(shí)，隨著異丁醇 Rp的增加，放熱相位推遲，HRRm降低，缸壓變化不明顯。如前所述，造成這種情況的原因主要在于異丁醇的理化特性。Rp的增加使得異丁醇的性質(zhì)逐漸起主導(dǎo)作用，不僅推遲了放熱相位，還造成第 1階段預(yù)混燃燒放熱減少而第 2階段放熱增加。到 Rp=60%時(shí)，RCCI燃燒具有最長(zhǎng)的CD和最小的HRRm，燃燒速度大大降低。

2.2 不同SOI和Rp對(duì)排放特性的影響

2.2.1 對(duì)總碳?xì)浠衔铮═HC）排放的影響

不同異丁醇Rp和不同的柴油SOI對(duì)THC排放的影響如圖6所示，從圖6中可以清楚的得出變化規(guī)律，即隨著異丁醇Rp的增大，THC排放增加，并且最大增加了61.3 g/(kW?h)，增加幅度達(dá)到488%；隨著SOI的提前，THC排放降低，最大降低了 60.1 g/(kW?h)，降低幅度達(dá)到88%。

圖6 不同Rp和SOI對(duì)總碳?xì)浠衔铮═HC）排放的影響Fig.6 Effect of different Rp and SOI on total hydrocarbons (THC)

在 RCCI燃燒模式下，由于狹隙效應(yīng)等因素，THC主要生成于溫度較低和活性較低的區(qū)域，包括氣缸壁面和縫隙區(qū)域。THC排放隨著異丁醇Rp增加而增大的原因是多方面的，其中主要的因素在于異丁醇具有較高的汽化潛熱和較低的十六烷值。因此，隨著Rp的增大，異丁醇蒸發(fā)吸熱量增加，氣缸內(nèi)的平均溫度降低，而柴油噴油量卻隨之減少，這造成缸內(nèi)高活性區(qū)域減少，燃燒不充分，因此導(dǎo)致THC排放的增大。

此外，隨著 SOI的提前，柴油混合時(shí)間增加，因此缸內(nèi)可燃混合氣的區(qū)域增多而低活性區(qū)域減少，預(yù)混燃燒比例增加，火焰?zhèn)鞑プ枇π?，燃燒更充分，使?THC的排放降低。

2.2.2 對(duì)CO排放的影響

圖7為異丁醇Rp和柴油SOI對(duì)CO排放的影響。從圖7中可以看出，隨著異丁醇Rp的增大，CO排放增加，最大增加了67.9 g/(kW?h)，增加幅度達(dá)到344%；隨著柴油 SOI的提前，CO排放呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，最大降低了38.8 g/(kW?h)，降低幅度達(dá)到了40%。

CO排放主要是因燃燒缺氧、低溫和氧化時(shí)間過短導(dǎo)致的燃料不完全燃燒而產(chǎn)生的，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的CO排放來源于引燃柴油和異丁醇的不完全氧化反應(yīng)。隨著異丁醇Rp的增大，高汽化潛熱使得燃燒溫度和排氣溫度不斷降低，抑制了后期CO的氧化，并且柴油量不斷減少，柴油-空氣混合氣著火點(diǎn)和著火能量減少，不完全氧化反應(yīng)增加，進(jìn)而導(dǎo)致CO排放增加。隨著柴油SOI的提前，CO排放的整體趨勢(shì)是降低的，主要原因是滯燃期增加，缸內(nèi)柴油的混合時(shí)間增長(zhǎng)，可燃混合氣增多，局部貧氧區(qū)域減少，燃燒更充分。

圖7 不同Rp和SOI對(duì)CO排放的影響Fig.7 Effect of different Rp and SOI on CO

然而，隨著SOI的進(jìn)一步提前到-30°CA ATDC時(shí)，可以看出在Rp=30%和Rp=40%時(shí)，CO排放有所回升。根據(jù)之前對(duì)醇類燃料的研究[34]，以及結(jié)合圖6的THC排放可以看出，隨著SOI的提前，大量HC在后期被燃燒氧化，導(dǎo)致出現(xiàn)局部缺氧狀態(tài)，而更小的異丁醇 Rp（包括Rp=30%和Rp=40%）無法向缸內(nèi)提供更多的氧，因此導(dǎo)致CO排放有所增加。

2.2.3 對(duì)NOx排放的影響

不同異丁醇Rp和不同的柴油SOI對(duì)NOx排放的影響如圖8所示。從圖8中可以總結(jié)出，隨著異丁醇Rp的增大，NOx排放不斷降低，最大降低了26.3 g/(kW?h)，降低幅度達(dá)到了61%；隨著柴油SOI的提前，NOx排放趨勢(shì)先增大后減小。

NOx的生成主要受到氧氣含量、燃燒溫度以及燃燒產(chǎn)物在高溫中停留時(shí)間的影響。隨著異丁醇Rp的增大，蒸發(fā)過程中吸收的熱量增加，導(dǎo)致缸內(nèi)整體平均溫度降低，抑制了NOx的生成。此外，柴油噴射量的減少也使得高活性區(qū)域大幅減少，缸內(nèi)燃燒速率變緩，燃燒不充分等，這些因素也間接導(dǎo)致缸內(nèi)的絕熱火焰溫度降低，抑制了NOx的生成。

圖8 不同Rp和SOI對(duì)NOx排放的影響Fig.8 Effect of different Rp and SOI on NOx

隨著柴油 SOI的提前，滯燃期增加，柴油與空氣的混合時(shí)間增長(zhǎng)，這使得缸內(nèi)可燃混合氣增加。這就使得缸內(nèi)著火點(diǎn)和燃燒速度增加，溫度迅速升高，加速了NOx的生成。但是隨著柴油 SOI的持續(xù)提前，柴油與空氣的混合時(shí)間過長(zhǎng)，柴油-空氣混合氣濃度變稀，可燃混合氣不斷減少。帶來的結(jié)果是火焰的傳播阻力增大，燃燒速度變緩，造成缸內(nèi)局部高溫區(qū)域減少，抑制了NOx的生成。

2.2.4 對(duì)顆粒物排放的影響

圖9為不同異丁醇Rp和柴油SOI對(duì)PM排放的影響。從圖9中可以看出，PM排放變化規(guī)律比其他排放更加復(fù)雜。

圖9 不同Rp和SOI對(duì)顆粒物（PM）排放的影響Fig.9 Effect of different Rp and SOI on particle matter (PM)

PM排放的成分復(fù)雜多樣，主要是由干碳煙、可溶性有機(jī)物、硝酸鹽、硫酸鹽和灰燼等組成，其中占主導(dǎo)的成分是干碳煙[35]。產(chǎn)生干碳煙的原因是燃料在高溫缺氧的條件下發(fā)生部分氧化和熱裂解生成各種不飽和烴類，而這些烴類不斷脫氫進(jìn)而聚合成碳為主的碳煙顆粒，這種碳煙顆粒直徑在2 nm左右，烴類化合物等其他物質(zhì)在顆粒表面凝聚，而不同顆粒之間也發(fā)生聚集堆積最后形成碳煙聚集體。

在發(fā)動(dòng)機(jī)中影響碳煙生成的主要參數(shù)包括溫度、壓力、當(dāng)量比以及燃料的結(jié)構(gòu)和成分等[36]。這些參數(shù)之間彼此耦合，共同對(duì)碳煙排放產(chǎn)生影響。從圖 9觀察到，異丁醇 Rp=30%的 PM 排放水平在每個(gè) SOI下都是最高的。這里考慮到的主要原因包括以下幾個(gè)方面：①溫度：由于異丁醇具有較高的汽化潛熱，使得缸內(nèi)整體溫度有所降低，因此增加了ID的同時(shí)減少了燃料的裂解和氧化，導(dǎo)致最高的Rp具有最小的PM排放；②燃料的結(jié)構(gòu)和成分：異丁醇碳鏈短且為含氧燃料，在燃燒的過程中相比柴油是不易產(chǎn)生碳煙的，異丁醇Rp的增大減少了柴油噴射量，降低了芳香烴的含量[37]，使得總的碳煙含量降低，PM濃度降低；③當(dāng)量比：異丁醇Rp=30%時(shí)，柴油具有最大的噴射量，這使得在著火時(shí)刻形成的柴油-空氣混合氣具有較大的當(dāng)量比，同時(shí)還增加了柴油擴(kuò)散燃燒的比例，因此導(dǎo)致了大量碳煙的生成。

其次，異丁醇的Rp從40%增加到60%的過程中可以明顯觀察到更加復(fù)雜的變化。當(dāng)Rp=40%和Rp=50%時(shí)，PM排放具有微小的差異，并且都隨著SOI的提前呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢(shì)，造成這種結(jié)果的主要因素在于當(dāng)量比。在SOI靠近上止點(diǎn)處，ID和CD都相對(duì)較短，混合氣當(dāng)量比較大，因此形成較多的碳煙。隨著 SOI的提前，增長(zhǎng)的ID帶來了混合氣當(dāng)量比的降低，預(yù)混燃燒比例增加，結(jié)合前文可以看出，HRRm也隨之增大，并在SOI=-24°CA ATDC處達(dá)到最大值，有效地降低了碳煙的排放。當(dāng)SOI=-30°CA ATDC時(shí)，混合氣當(dāng)量比稀釋的程度進(jìn)一步增大，減少了著火點(diǎn)，形成了更加緩慢的燃燒和放熱，導(dǎo)致碳煙的氧化速率降低，因此帶來PM排放的小程度回升。

此外，在上止點(diǎn)附近的SOI處，Rp=60%時(shí)的PM排放水平較Rp=40%和Rp=50%時(shí)更高。推測(cè)產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要在于異丁醇增加的噴射量。由于異丁醇具有較低的低熱值，在Rp增加的過程中為了達(dá)到相同的循環(huán)能量，異丁醇增加的量便遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于柴油減少的量。當(dāng) Rp增加到 60%時(shí)，更低的缸內(nèi)溫度使得缸內(nèi)的燃燒急劇惡化，碳煙的氧化速率大大降低。結(jié)合前文可以看到在Rp=60%時(shí)，THC的排放量急劇增加，帶來的結(jié)果是顆粒物的吸附量增加，質(zhì)量增大。其次，隨著SOI的提前PM排放逐漸降低，并在SOI=-30°CA ATDC處獲得4個(gè)不同Rp下的最低PM排放。而PM排放隨著SOI的提前而降低的原因與 Rp=40%和Rp=50%類似，預(yù)混燃燒比例的增加改善了惡化的燃燒。然而，當(dāng) SOI=-30°CA ATDC時(shí)，Rp=60%卻表現(xiàn)出了最低的PM排放，這主要是由更長(zhǎng)的CD和燃料中更多的含氧量導(dǎo)致。盡管Rp=60%時(shí)不完全燃燒程度增加，但是充足的CD和大大增加的異丁醇噴射量使得更多的碳煙能夠有充足的氧含量和被氧化，因此獲得了最低的PM排放。

排氣中 PM 按其粒子直徑尺寸的大小可分為核態(tài)、積聚態(tài)和粗態(tài) 3種形態(tài)[38]。其中核態(tài)顆粒物（nuclear particle matter，PMN）的粒徑分布在3～30 nm之間，積聚態(tài)顆粒物（accumulated particle matter，PMA）的粒徑分布在30～500 nm之間。

圖10為不同Rp和SOI對(duì)不同粒徑PM數(shù)量分布的影響，從圖中可以看出，所有工況下 PM 的排放成分中，PMN數(shù)量都是最多的；其次，PMA也具有一定的水平，數(shù)量在106階，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于PMN的數(shù)量。此外，不同Rp也具有不同的PM排放，當(dāng)異丁醇Rp=30%時(shí)，PM排放的數(shù)量是最高的，并且在每個(gè) SOI下都得到這個(gè)結(jié)果。當(dāng)Rp=40%和Rp=50%時(shí)，PM排放數(shù)量要小得多，并且二者比較接近。當(dāng)Rp=60%時(shí)，PM排放數(shù)量是最少的，其中PMN排放數(shù)量的差異更加明顯，可見增大異丁醇Rp對(duì)于降低PM排放具有可觀的效果。

圖10 不同Rp和SOI對(duì)不同粒徑PM數(shù)量分布的影響Fig.10 Effect of different Rp and SOI on quantity distribution of PM with different sizes

此外，在每個(gè)Rp下，PMN排放的數(shù)量都隨著SOI的提前而呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。然而，PMA排放的數(shù)量則表現(xiàn)出不同的變化。在Rp=60%時(shí)，PMA排放的數(shù)量表現(xiàn)出降低的趨勢(shì)，但在其他3種Rp下，PMA排放的數(shù)量隨著 SOI的提前先降低后升高。值得注意的是，PMN與PMA的排放數(shù)量隨著SOI的提前而變現(xiàn)出相反的趨勢(shì)是具有一定相關(guān)性的。與前文燃燒放熱對(duì)應(yīng)，在 SOI提前的過程中，缸內(nèi)柴油與空氣的混合時(shí)間增長(zhǎng)，使得柴油與空氣混合氣從過濃范圍降低到適中，因此形成的可燃混合氣區(qū)域增加，預(yù)混燃燒比例增加。這樣就使得在燃燒過程中，生成的大粒徑PMA不斷被氧化成大量小粒徑的 PMN，PMN的生成速率大于氧化速率，因此降低了PMA數(shù)量的同時(shí)增加了PMN的數(shù)量。緊接著，隨著SOI的持續(xù)提前，缸內(nèi)柴油與空氣的混合時(shí)間過長(zhǎng)，柴油與空氣混合氣的過稀區(qū)域增加，導(dǎo)致缸內(nèi)著火點(diǎn)減少，不完全燃燒的程度增加，使得在燃燒過程中生成了大量PMA，這些PMA即使在后期的燃燒中也無法被充分氧化，甚至降低了氧化成更小粒徑 PMN的速率，因此導(dǎo)致了PMA排放數(shù)量增加而 PMN排放數(shù)量減少。此外，當(dāng)Rp=60%時(shí)，由于引燃的柴油量減少，同樣降低了缸內(nèi)著火點(diǎn)，使得燃燒不充分，但推遲 SOI有助于增大 ID和CD，使得PM在放熱第2階段被氧化而降低。

圖11為不同Rp和SOI對(duì)不同粒徑顆粒物質(zhì)量分布的影響。從圖11中可以看出，在所有Rp下，占據(jù)PM排放質(zhì)量的主要粒徑分布范圍在30～500 nm的PMA，已經(jīng)達(dá)到了 10-3階。PMA主要是由發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程中燃料不完全燃燒而生成的碳煙粒子通過團(tuán)聚并吸附 HC等有機(jī)物、金屬灰燼和硫酸鹽等物質(zhì)而形成的。其生成機(jī)理為燃油經(jīng)過裂解反應(yīng)生成顆粒物的前驅(qū)物，前驅(qū)物經(jīng)過成核作用形成初級(jí)顆粒或核，再通過表面生長(zhǎng)成為 20～50 nm的孤立球形顆粒，然后這些孤立的球形顆粒再通過團(tuán)聚、表面生長(zhǎng)和氧化作用最終生成以團(tuán)聚形式存在的成熟顆粒[39]。結(jié)合圖10還發(fā)現(xiàn)，相比PMA，在數(shù)量上占優(yōu)勢(shì)的 PMN卻具有十分小的質(zhì)量分布，排放不到 10-5。然而值得注意的是，據(jù)研究表明PMN對(duì)環(huán)境和健康更具威脅性[40]。這些PMN數(shù)量超過總PM數(shù)量的90%，質(zhì)量卻不到總PM質(zhì)量的 10%，可以被人體吸入甚至積留在支氣管通道和肺泡中，對(duì)人的健康造成相當(dāng)大的危害。

圖11 不同Rp 和SOI對(duì)不同粒徑顆粒物質(zhì)量分布的影響Fig.11 Effect of different Rp and SOI on mass distribution of PM with different sizes

此外，發(fā)現(xiàn)SOI=-8°CA ATDC和SOI=-18°CA ATDC下，雖然PMA在Rp=40%和Rp=50%時(shí)相比Rp=60%具有數(shù)量上的優(yōu)勢(shì)，但卻表現(xiàn)出更少的排放質(zhì)量。結(jié)合圖 10可以發(fā)現(xiàn)，Rp=60%下的PMA排放數(shù)量峰值是低于Rp=40%和Rp=50%的，然而在粒徑更大的區(qū)域（100～200 nm之間），Rp=60%顯示出了更多的PM數(shù)量?？梢姡罅絇MA排放數(shù)量對(duì)PM排放質(zhì)量具有更顯著的影響。

3 結(jié) 論

本文研究了異丁醇作為低活性燃料與柴油一起實(shí)現(xiàn)低負(fù)荷活性控制壓縮著火（RCCI）燃燒，探討了不同異丁醇預(yù)混比（premixing ratio，Rp）和不同柴油噴油定時(shí)（start of injection，SOI）下的燃燒與排放特性，主要結(jié)論如下：

1）隨著異丁醇Rp的增大，點(diǎn)火延遲（ignition delay，ID）增長(zhǎng)，放熱率峰值（maximum heat release rate，HRRm）降低；隨著柴油SOI的提前，ID和燃燒持續(xù)期（combustion duration，CD）都增長(zhǎng)，HRRm先升高后降低，最大缸內(nèi)壓力升高；

2）隨著異丁醇 Rp的增大，THC和CO排放增加，增加幅度分別達(dá)到488%和344%，而NOX則不斷降低，降低幅度達(dá)到了61%；隨著柴油SOI的提前，THC和CO排放降低，降低幅度分別達(dá)到了88%和40%，NOx排放呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)；

3）顆粒物（particle matter，PM）排放規(guī)律比其他排放更復(fù)雜。當(dāng)異丁醇Rp=30%時(shí)，PM整體的排放水平是最高的。Rp=40%和Rp=50%時(shí)的PM整體排放水平都比較低。并且，這3種Rp下的整體PM排放隨著SOI的提前呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢(shì)。只有當(dāng)Rp=60%時(shí)，情況比較特殊。在靠近上止點(diǎn)的SOI顯示出較高水平的PM排放，但隨著SOI的提前，PM排放持續(xù)降低，在-30°CA ATDC處達(dá)到了最低值，并且低于同一SOI下Rp=40%和Rp=50%的排放；

4）關(guān)于PM的粒徑分布顯示，粒徑范圍為3～30 nm的核態(tài)顆粒物（nuclear particle matter，PMN）排放數(shù)量最高，但是占整體的質(zhì)量比例非常小。在 PM 排放的質(zhì)量分布中，居于主導(dǎo)地位的是粒徑范圍為30～500 nm的積聚態(tài)顆粒物（accumulated particle matter，PMA）。此外，Rp的增加對(duì)PM的整體數(shù)量具有降低的作用，而對(duì)PM的質(zhì)量具有更為復(fù)雜的影響規(guī)律。而 SOI的提前使得 PM的整體數(shù)量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，但PMA的數(shù)量與PMA規(guī)律相反，呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢(shì)。至于 PM的質(zhì)量總體上隨著SOI的提前呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。