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预喷策略对双燃料发动机燃烧特性的影响
2020-02-14 00:21:43· 来源：内燃机学报
天然气因为储量丰富、价格便宜和燃烧清洁被认为是一种极富有发展前景的可替代燃料，其燃烧能同时降低颗粒和氮氧化合物，解决柴油排放问题。天然气/柴油双燃料(DF
天然气因为储量丰富、价格便宜和燃烧清洁被认为是一种极富有发展前景的可替代燃料，其燃烧能同时降低颗粒和氮氧化合物，解决柴油排放问题。天然气/柴油双燃料(DF)发动机是天然气的典型应用。DF发动机同时可以降低NOx和PM，但中、低负荷时有效热效率(BTE)低、HC 和CO 排放高及燃烧稳定性差等问题限制了DF 发动机的应用。引燃柴油两次喷射是一种优化DF 发动机中、低负荷时燃烧和排放特性的有效方法，但是预喷柴油喷射参数对燃烧和排放的影响规律及优化预喷柴油喷射参数方法的研究较少。因此，本次推文探究预喷柴油喷射参数对DF 发动机在中、低负荷时燃烧和排放特性的影响。
01、试验设备及方案
试验在一台由直列6缸、四冲程高压共轨柴油机改装而成的DF发动机上开展，发动机主要技术参数见表1，试验台架示意如图1所示。
表1 发动机主要技术参数
图1 试验台架示意
柴油机共轨燃油喷射系统最小喷油量为2mg/cyc，最大柴油喷射压力为160 MPa，柴油ECU和天然气ECU 分别控制柴油和天然气的驱动喷射。天然气喷射阀将天然气喷入装在进气总管的混合器。下面，将分析预喷正时对发动机燃烧特性的影响。
02、预喷正时对DF发动机燃烧特性的影响
图2为不同预喷正时DF发动机缸内压力曲线。当预喷正时位于15～30°CA BTDC时，提前预喷正时放热率曲线呈现双峰，第一放热率峰值不断降低，第二放热率峰值不断升高，着火和燃烧相位提前并接近上止点，缸内峰值压力升高，最高压力升高率不断降低，当预喷正时位于33～60°CA BTDC时，随着预喷正时的提前，放热率曲线呈现单峰，同时放热率峰值先增大后减小，着火和燃烧相位不断推迟并远离上止点，缸内峰值压力先维持不变后逐渐降低，最高压力升高率先升高后降低。
图2 不同预喷正时对DF发动机燃烧特性的影响
DF发动机燃烧过程分为柴油的着火延迟期、预混柴油的燃烧并点燃周围天然气混合气、可燃混合气的预混燃烧和后燃。由于两种燃料的燃烧在时间上有着明显的先后顺序，导致燃烧放热率出现双峰。同时第一峰值放热率以预混合柴油的燃烧为主导，第二放热率峰值以可燃混合气的预混燃烧为主导。
从图2b可以看出，随着预喷正时的提前，预喷柴油的着火延迟期（IDpilot）不断增大，而主喷柴油的着火延迟期（IDmain）先减小后逐渐增大。这是由于随着预喷正时的提前，缸内的温度和压力不断降低，减弱预喷柴油的雾化和蒸发过程，使得IDpilot增大；而预喷正时在15-30°CABTDC 时，由于预、主喷柴油喷射间隔较近，使得主喷柴油油束接近由预喷柴油形成的局部高温区域，因而主喷柴油与预喷柴油形成的初始化着火核心相互反应，缩短了IDmain的着火延迟期，使得着火相位不断提前．当预喷正时位于33～60°CA BTDC时，主喷柴油油束逐渐远离由预喷柴油形成的局部高温区域，预喷对主喷柴油的影响被削弱，着火过程逐渐由主喷柴油所控制，导致IDmain逐渐增大并接近于单次喷射，使得着火相位不断被推迟。
随着预喷正时的提前(15～30°CA BTDC)，一方面IDmain的减小使得缸内柴油/空气的预混合气减少，柴油的预混合燃烧速率降低，降低了缸内的压力升高率和以预混柴油为主导第一放热率峰值，同时CA5和CA50的提前使得更多的混合气在上止点前参与燃烧，使得缸内峰值压力不断增大；另一方面IDpilot的增大使得预喷柴油与天然气混合气混合时间更加充裕，有利于改善了混合气的活性，促进天然气混合气中易燃产物和活化基的生成，可燃混合气燃烧速率加快，使得以可燃混合气预混燃烧为主导的第二放热率峰值的增大；随着预喷正时的进一步提前(33～60°CA BTDC)，预喷对于主喷柴油的影响逐渐被削弱，混合气的着火逐渐由主喷柴油喷射所控制，因而混合气的着火相位和燃烧相位不断被推迟并远离上止点，导致更多的燃料在上止点后参与燃烧，造成了缸内压力的降低。同时更早的预喷柴油喷射使得IDpilot进一步增大，更长的着火延迟期为预喷柴油与天然气混合气的混合提供了足够的时间，更广的着火核心分布在天然气混合气中，天然气混合气燃烧速率加快，使得以天然气多点燃烧为主导的峰值放热率和最高压力升高率增大．然而过早的预喷柴油受缸内较低压力的影响而出现湿壁现象，同时，过长的柴油、天然气混合时间导致部分着火点难以自燃，这都恶化了柴油的燃烧，使得天然气的着火区域变小，天然气利用率降低。因此，峰值放热率和最高压力升高率出现下降的趋势。
03、预喷油量对DF发动机燃烧特性的影响
图3为预喷油量对DF发动机燃烧特性影响的试验结果。预喷油量在3～5mg/cyc 时缸内放热率曲线呈现双峰，第一峰值放热率随着预喷油量的增大而减小，第二放热率峰值不断增大，当预喷油量进一步增大至7mg/cyc，放热率曲线呈现单峰，且峰值放热率随着预喷油量的增加而增大；CA5和CA50随着预喷油量的增大不断提前，缸内峰值压力不断升高，最高压力升高率先降低后增大．在较早的预喷柴油喷射策略下，着火相位的控制主要是由主喷柴油喷射所控制，预喷柴油虽然不直接影响着火相位，但是它影响着缸内混合气在压缩行程中温度升高的快慢，进而影响着主喷柴油的着火延迟期，导致着火相位的变化。正如图3b和图3c所示，随着预喷油量的增大，IDpilot和IDmain减小，着火相位和燃烧相位不断提前，并接近上止点。这是因为随着预喷柴油喷射量的增多，一方面，更多的柴油/空气、天然气/空气混合气在压缩行程混合并被压缩，使得缸内混合气温度升高加快，改善了主喷柴油的雾化和蒸发，因而IDmain减小，着火相位提前；另一方面，预喷柴油的增多，意味着起引燃作用的主喷柴油喷射量越少，相对主喷柴油喷射，着火相位对缸内燃料的化学动力学反应程度更加敏感，这种情况类似于单次喷射模式下早喷的喷射策略。因此，在较早的预喷柴油喷射策略下，对于着火相位的控制是由主喷柴油喷射和缸内燃料的化学动力学反应共同控制的，而预喷油量影响着两者所占的比重。
预喷油量的增多(3～4mg/cyc)使得IDmain 减小，起引燃作用的柴油/空气预混合气减少，预混柴油燃烧为主导第一放热率和最高压力升高率减小。更多的预喷柴油分布在天然气/空气的混合气中，混合气活性提高，加快了混合气中燃烧产物和活化基的生成，天然气混合气燃烧速率提高，因而以天然气预混合燃烧为主导的第二放热率升高．预喷油量的进一步增加至5～7mg/cyc，混合气的温度和活性达到一定程度，柴油的预混合燃烧和天然气的多点预混燃烧时序性减弱，放热率曲线呈现单峰特征，且峰值放热率以天然气的多点预混燃烧为主导，由于更多的着火源分布在天然气混合气中，天然气的引燃面积进一步增大，燃烧速率加快，因此，缸内最高压力升高率和峰值放热率增大。
图3 不同预喷油量对DF发动机燃烧特性的影响
04、结论
较早的预喷正时(15～54°CA BTDC)能够在降低缸内最高压力升高率的同时促进主燃料的稳定燃烧，为预喷柴油与天然气混合气的充分混合提供了足够的时间，主燃料利用率和燃烧的稳定性得到提高；较晚的预喷正时(15～30°CA BTDC)造成更高的缸内压力，CA5 和CA50 的提前，更多的主燃料在上止点前参与燃烧，缸内燃烧压力和温度升高。小预喷油量能够进一步降低缸内压力和最高压力升高率；大预喷油量会造成着火相位不稳定和压力升高率的陡增。
文献来源及推荐阅读
[1]赵国锋,贾崎,姚崇,宋恩哲,卢昌浩,孙军.预喷策略对双燃料发动机燃烧和排放特性的影响[J].内燃机学报,2020,38(01):19-26.
[2]王斌，姚安仁，姚春德，等. 柴油喷射压力对柴油/甲醇二元燃料发动机燃烧和排放影响的试验研究[J]. 内燃机工程，2017，38(3)：23-28.
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