预喷油量对甲醇-柴油双燃料发动机燃烧特性影响试验

Impact of pre-Injection quantity on combustion characteristics of methanol-diesel dual fuel engine

摘要

目的 通过一台高压共轨直列四缸柴油发动机改造的甲醇-柴油双燃料发动机进行试验，研究预喷油量对甲醇-柴油发动机燃烧特性的影响。 方法 选取1 800 r/min，30%和70%负荷，20%~40%掺烧比工况，调节不同预喷油量，采集各个仪器的实时数据，分析缸内平均压力、压力升高率、瞬时放热率、滞燃期和平均温度随预喷油量的变化。 结果 30%负荷，CCR超过30%，预喷量增大，主喷滞燃期延长，主喷燃烧阶段前期受柴油雾场燃烧主导，此负荷下引入预喷能有效改善发动机工作噪声，但预喷量的影响不高；70%负荷，CCR超过30%，预喷量的增大，主喷滞燃期明显缩短，主喷燃烧阶段前期受甲醇-空气均质压燃主导。 结论 30%和70%负荷，大掺烧比的工况尽量不采用预喷或采用较小的预喷柴油量来降低NO_x的排放。

Abstract

Objective This study aimed to investigate the impact of pre-injection quantity on the combustion characteristics of a methanol-diesel dual fuel engine，which was modified from a high-pressure common-rail four-cylinder diesel engine. Method The engine was tested at 1 800 r/min with 30% and 70% loads，and varying compression ratios （CCR） ranging from 20% to 40%.The pre-injection quantities were adjusted，and real-time data from each instrument were recorded.The average pressure，pressure rise rate，instantaneous heat release rate，ignition delay period，and average temperature change in the cylinder were analyzed in relation to the pre-injection volume. Result The results indicated that when the CCR exceeded 30%，increasing the pre-injection quantity prolonged the delay period of the main injection.During the early stage of main injection combustion，diesel mist field combustion was the dominant factor.Under this load condition，the application of pre-injection effectively improved engine noise，although the influence of pre-injection quantity was not significant.At 70% load and CCR above 30%，increasing the pre-injection quantity significantly shortened the delay period of the main injection，and the main injection combustion stage was dominated by methanol-air homogeneous compression combustion. Conclusion For 30% and 70% loads，utilizing little or no pre-injection quantity of diesel fuel can effectively reduce NOx emissions under high CCR conditions.

Graphical abstract

关键词

甲醇-柴油双燃料 / 预喷油量 / 燃烧特性

Key words

methanol-diesel dual fuel / pre-injection quantity / combustion characteristics

柴油机因其热效率高、输出转矩大、经济性好等优点被广泛应用在各个领域。长期以来，柴油机在应用过程中产生的排放污染问题受到人们的关注^［1］。据统计，柴油车产生的NO_x占汽车总排放量的70%，颗粒物占95.9%^［2］。甲醇含氧量高，气化潜热大，对降低NO_x和颗粒物的排放具有明显的作用^［3-4］。我国有非常成熟的合成甲醇技术和产业，使用甲醇作为替代燃料不仅可以有效降低柴油车排放污染物，还有利于缓解我国石油短缺问题^［5-6］。

早在1980年，Houser K R等^［7］就利用甲醇蒸发器在一台柴油车上实现了甲醇-柴油双燃料燃烧。随着技术的进步，甲醇-柴油双燃料技术逐渐实现电控、高压、高精度控制化，天津大学^［8-13］、长安大学^［14-15］、江苏大学^［16-17］等多个研究团队对此种燃烧方式上开展了长期的研究。研究结果表明，单次喷射柴油引燃的甲醇-柴油双燃料发动机的NO_x和颗粒物排放出现明显下降，但因有大量甲醇-空气预混气充在缸中，燃烧过程更加剧烈进而导致柴油机的运行更加粗暴^［18-19］，对发动机的可靠性产生了一定的影响。为减小柴油机的噪声和振动，传统柴油机会提前喷入少量燃料引发小规模预燃以改善缸内燃烧氛围，随后喷入大量燃料燃烧以实现做功，称为主喷+预喷的控制策略。李阳阳等^［20-22］将预喷策略应用到甲醇-柴油双燃料发动机中，通过控制预喷参数，研究其燃烧和排放特性；但相关研究主要集中在预喷正时参数调整试验研究，对于预喷量的研究，也只针对低负荷（25%）、低转速（1 340 r/min）开展了相关试验。

综上可知，现阶段对甲醇-柴油双燃料发动机上应用主喷+预喷策略研究较少，对于预喷量对甲醇-柴油双燃料发动机燃烧特性的影响研究有所欠缺。本文选取典型转速（1 800r/min）下，低（30%）、高（70%）两个负荷，通过控制预喷量的变化，探索甲醇-柴油双燃料发动机缸内不同燃烧参数的变化规律，以及能对今后甲醇-柴油双燃料发动机上对于主喷+预喷策略的应用提供一点理论支持。

1 试验装置及数据处理

1.1 试验装置

本文试验所用的发动机由潍柴WP4G154E330电控高压共轨直列四缸柴油发动机改造而来，原型机主要参数如表1所示。在此发动机基础上，在其进气总管加装甲醇喷射器，通过自主开发的甲醇喷射控制器控制甲醇喷射（喷射脉宽、正时）以实现双燃料燃烧。柴油喷射参数（喷射次数、脉宽、正时、轨压等）由德国ETAS公司的柴油控制系统实现系统（INCA，V7.0）控制。

试验系统如图1所示。发动机与电涡流测功机（凯迈机电，CW150）连接，给发动机提供负载并测试发动机输出的转速、转矩等动力性指标。发动机缸顶安装有缸压传感器（Kistler，6052A），用来测试缸压数据，经电荷放大器（Kistler，5019B）处理后，传输至燃烧分析仪（Kistler，Ki-box 2893A）记录分析；同时，曲轴转角适配器（Kistler，6291）处理输出的曲轴转角信号，与缸压信号同步后，可用于计算得出瞬时放热率、压力升高率等数据。高压柴油喷射信号经过电流钳（Tetronix，A622）转换成电压信号后，也采集至燃烧分析仪中，用于判断喷射始点。此外，柴油和甲醇的消耗量分别用2台质量流量计（Emerson，CMFS010M）测得。

1.2 数据处理

1.2.1 负荷率

负荷率指在同一转速下，发动机实际输出转矩与最大转矩的比值，即

LR=\frac{Me}{Me\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（1）

式中：Me为发动机实际输出转矩，N·m；Me_max 为该转速下的最大转矩，N·m。

1.2.2 掺烧比

掺烧比指在双燃料模式下，甲醇燃烧释放的能量在甲醇和柴油燃烧释放总能量中所占的比例。即为：

CCR=\frac{G_M\times H_M}{G_M\times H_M+G_D\times H_D}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（2）

式中：CCR为双燃料甲醇的掺烧比；G_M 为甲醇-柴油双燃料模式下在单位时间内甲醇的消耗量，kg/h；G_D 为甲醇-柴油双燃料模式下单位时间内柴油的消耗量，kg/h；H_M 为甲醇的单位质量低热值，取19.66 MJ/kg；H_D 为柴油的单位质量低热值，取42.50 MJ/kg。

1.2.3 滞燃期

滞燃期是指从喷油始点到燃烧始点之间的间隔，其是反映燃料反应活性、反应环境的重要指标。由于本文涉及主喷和预喷两次喷射，因此存在两段滞燃期。喷油开始的时刻可由喷油器的驱动电流信号确定^［23］，而燃烧始点明显不适合采用通用的CA10（10%累计放热角度）来确定，本文采用气缸压力的二阶导数峰值确定燃烧始点^［24］，图2中的SOC₁和SOC₂分别表示预喷燃烧开始时刻和主喷燃烧开始时刻。

1.2.4 放热率

放热率（dQ/dφ，J/°CA）是以示功图为基础，基于热力学第一定律的零维模型计算而来，其比示功图能更直接反映燃烧过程的特征。计算公式为：

\frac{dQ}{d\phi }=\frac{dW}{d\phi }+\frac{d{Q}_{\omega }}{d\phi }+\frac{dU}{d\phi }（3）

式中：Q为瞬时放热率；W为工质对外做功；Q_ω 为气缸壁瞬时传热量；U为气缸内瞬时内能。

1.3 试验方法

本文选用最大扭矩转速1 800 r/min，30%负荷和70%负荷工况开展试验，其中30%负荷代表小负荷工况，70%负荷代表大负荷工况。

试验首先在CCR为0%（纯柴油）单次喷模式下运行，随后引入预喷策略，在保证柴油喷油总量不变的前提下，预喷量分别设为1、2、3、4、5 mg/循环。此后，分别设定CCR为20%、30%、40%进行同样的预喷量调整试验。试验工况如表2所示。

2 预喷油量对燃烧特性的影响

2.1 30% 负荷燃烧特性

2.1.1 缸内平均压力

图3为1 800 r/min，30%负荷，不同掺烧比下缸内压力随预喷油量变化的变化情况。在此工况下，无论是纯柴油还是双燃料模式，单次喷射模式下峰值压力最小。同样掺烧比时，预喷柴油量越多，缸内峰值压力越大，在最大预喷量（5 mg/循环）时，峰值压力达到最大。

2.1.2 压力升高率

图4为1 800 r/min，30%负荷，压力升高率随柴油预喷油量改变的变化情况。可以看出，引入预喷策略后，压升率分别在预喷阶段和主喷阶段出现了两个峰，虽然预喷燃烧引发的压升率峰值较大，且其随CCR上升而明显上升，但由于燃烧强度很低，其对发动机噪声影响不大；主喷引发的燃烧为发动机主要工作动力来源，可以看出，引入预喷后，此阶段压力升高值都明显低于单次喷射模式，且基本不受CCR影响。还可以看出，随着预喷油量的增大，预喷燃烧的压升率峰值增大，但对主燃阶段的压力升高率峰值影响不大。这说明，小负荷下引入预喷策略能有效降低发动机的燃烧噪声，预喷油量的调整对主燃阶段的燃烧噪声影响不大。

2.1.3 瞬时放热率

图5为1 800 r/min，30%负荷工况，瞬时放热率变化的情况。可以看出，引入预喷后，预喷和主喷出现两阶段燃烧，且第二阶段主喷引发的燃烧形状与单次喷射的双峰形状也有明显的不同，呈现平缓的单峰状态。较缓和的主燃阶段有效降低了压力升高率，有利于提高发动机的平顺性；此外，提前的预喷燃烧使得整体燃烧相位前移，燃烧型心更接近上止点，提高了燃烧过程的等容度，这会提高发动机的效率，且使得缸内压力出现上升，此现象在前文中可以看出。随着预喷量的增大，预喷引发的燃烧放热峰值越来越大，但主喷燃烧除相位有所提前外，放热峰值和峰型没有明显变化。

图6是30%负荷下滞燃期的变化，图6-A、图6-B分别为预喷引发燃烧的滞燃期和主喷引发的燃烧的滞燃期。从图6-A可以看出，30%负荷下，预喷引发燃烧的滞燃期随CCR增大明显增大，这是由于甲醇较低的活性及较高的汽化潜热，使得整体混合气的活性降低，环境温度下降，从而延长了预喷滞燃期；但在同样的CCR下，预喷滞燃期基本没有变化，这是因为预喷柴油量非常少，其雾化吸热对滞燃期造成的影响非常小。从图6-B可以看出，30%负荷下，引入预喷后，主喷滞燃期出现明显下降，且随CCR增大，下降趋势更为明显（20%CCR从9.10°CA下降到6.40°CA，下降2.70°CA；40%CCR从10.40°CA下降到7.00°CA，下降3.4°CA）；此外还可以看出，预喷油量增大到4~5mg/循环时，主喷滞燃期出现上升；这是由于预喷量的增大相应减少了主喷柴油量，这造成主喷雾场的浓度下降，影响了燃料着火的几率，这从另一个侧面说明，此时主喷引起的燃烧的着火主要受柴油雾场着火影响。

2.1.4 缸内平均温度

图7是1 800 r/min，30%负荷工况，缸内平均温度的变化曲线。可以看出，30%负荷工况下，纯柴油模式下，随预喷油量的增大，缸内最高温度逐渐上升，但与双燃料模式相比，上升幅度较低。在双燃料模式下，引入预喷策略后，缸内的峰值温度均高于单次喷射模式；尤其在大掺烧比30%和40%下，这种趋势更明显。较高的缸内温度很可能会造成NO_X生成量上升；这说明如果考虑NO_X排放，在小负荷时，较高甲醇掺烧比情况下，不适合使用较大的预喷柴油供给策略。

2.2 70%负荷燃烧特性

2.2.1 缸内平均压力

图8为1 800 r/min，70%负荷工况，不同掺烧比下缸内平均压力随预喷油量的变化曲线。70%负荷下缸内平均压力变化规律与30%负荷下的缸内平均压力变化规律相似：预喷量为0 mg/循环（单次喷射模式）时，缸内峰值压力最小；预喷油量越大，缸内平均压力曲线的峰值也越大；且随着预喷油量的增大，缸压曲线逐渐前移。

2.2.2 压力升高率

图9是1 800 r/min，70%负荷，不同掺烧比下缸内压力升高率随预喷油量变化情况。可以看出，单喷模式和引入预喷后，压力升高率均存在两个峰。单次喷射的两个压力升高率峰值来自于一次燃烧中的两阶段，预混燃烧和扩散燃烧。而引入预喷后的两个压力升高率峰值来自于预喷和主喷分别引发的两次燃烧。

与30%负荷相比，引入预喷后对主喷燃烧过程的压力升高率的峰值下降影响不大，甚至在大掺烧比（40%）下，主喷燃烧过程的压力升高率相比单次喷射有大幅度升高；且随着预喷油量的增大，主喷引起的压力升高率峰值不断的增大，压力升高率曲线越发向上止点偏移。这说明在大负荷下，采用预喷策略不利于降低甲醇-柴油双燃料发动机的工作噪声；在较大的掺烧比条件下，增大预喷量还会增大发动机的工作噪声。

2.2.3 瞬时放热率

图10是1 800 r/min，70%负荷，预喷油量对瞬时放热率的影响。可以看出，与30%负荷相比，70%负荷双燃料模式预混燃烧峰所占的比重明显减少，主喷燃烧阶段以扩散燃烧为主。这主要是因为在70%负荷下，混合气更浓，缸内的热氛围更强烈，滞燃期更短，使得在滞燃期内形成的预混合气量少，降低了着火后预混燃烧的强度。引入预喷后，CCR较小时，放热率形状与单次喷射相仿，但随着CCR增大（30%、40%），预喷模式的主燃阶段的放热率曲线出现较明显的预混燃烧特征。CCR较小时，预喷量的增大会明显提高预喷引发的第一阶段燃烧放热，但对主喷燃烧的放热率曲线影响不大；随着CCR增大（30%、40%），预喷量增大后，主喷燃烧放热率曲线逐渐前移。

图11是70%负荷下的滞燃期随预喷油量变化曲线，A图、B图分别为预喷引发燃烧的滞燃期和主喷引发的燃烧的滞燃期。从图11-A可以看出，与30%负荷的情况相似，预喷滞燃期随CCR增大而增大，且在同样的CCR下，预喷滞燃期基本没有变化；而图11-B中主喷滞燃期的变化与30%负荷明显不同：主喷滞燃期在小掺烧比下，随预喷油量的变化略呈上升趋势；其变化趋势及原因与30%负荷主喷滞燃期的变化原因相似，是因为预喷量的增大，减少了主喷柴油量，造成主喷浓度下降，从而降低了着火几率。但随掺烧比的提高，当CCR达到30%时，可以看出，随着预喷量的增大，主喷滞燃期出现明显下降；但结合放热率曲线和压升率曲线可以看出，此时虽然滞燃期明显下降，但是主喷后并没有出现较低的预混燃烧，反而预混燃烧强度更为剧烈，压升率明显升高；这很有可能是由于70%负荷下，发动机缸内的热氛围好，而预喷量的增大进一步提高了缸内的温度和活性基的浓度，再次燃料的喷射直接造成缸内大范围的甲醇提前着火，形成类似均质压燃的燃烧过程，不仅缩短了滞燃期，而且形成了剧烈的预混放热过程。

2.2.4 缸内平均温度

图12是1 800 r/min，70%负荷工况，预喷油量对缸内平均温度影响。与30%负荷下缸内温度变化相似：在纯柴油模式以及小掺烧比（20%）下，引入预喷后，缸内温度随预喷油量的增大略有提高，但变化不明显；而在大掺烧比（30%、40%）时，随着预喷油量的增大，缸内平均温度的曲线峰值明显增大。这表明，在大负荷下，尤其是大掺烧比的工况，引入预喷且提高预喷柴油量可能会引起NO_x排放的提高。

3 结论

1） 30%负荷下，引入预喷后，主喷引发的燃烧阶段的压力升高率明显降低。70%负荷下，在CCR较大的工况下（40%），压力升高率相比单次喷射出现大幅度升高。这表明小负荷下，引入预喷能有效改善发动机工作噪声，但预喷量的影响不高，大负荷下为降低工作噪声，尽量不采用或使用较小的预喷量。

2） 30%负荷下，随预喷量增大主喷预混燃烧强度上升，主喷滞燃期延长。这表明，这一工况下主喷燃烧阶段前期受柴油雾场燃烧主导。70%负荷CCR超过30%后，预喷会提高主喷燃烧过程的预混燃烧强度，且随着预喷量的增大，主喷预混燃烧强度增强，主喷滞燃期明显缩短。这表明，这一工况下主喷燃烧阶段前期受甲醇-空气均质压燃主导。

3） CCR超过30%后，随着预喷量增大，缸内平均温度峰值不断增大。在考虑NO_x排放时，大掺烧比的工况尽量不采用或采用较小的预喷柴油量。

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基金资助

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