掺混比例和预喷定时对二甲醚-乙醇发动机燃烧和排放的影响

陈明澍，乔信起，李鹏飞

（上海交通大学 动力机械及工程教育部重点实验室，上海200240）

掺混比例和预喷定时对二甲醚-乙醇发动机燃烧和排放的影响

陈明澍，乔信起，李鹏飞

（上海交通大学 动力机械及工程教育部重点实验室，上海200240）

针对一台电控共轨二甲醚发动机，研究了乙醇掺混比例和预喷定时对发动机燃烧及排放的影响。结果表明，采用预喷策略后，混合气放热模式由单阶段放热转变为两阶段放热，主喷定时对缸内燃烧规律影响明显变弱。随着预喷定时的提前，放热模式由两阶段转变为三阶段，NOx排放显著降低，CO和HC排放逐渐升高。最大压力升高率在预主喷间隔角为20 °CA时，由预喷燃料燃烧引起，而预喷定时提前后主要由主喷燃料燃烧引起。相同预喷定时工况下，随着乙醇掺混比例的增加，预喷燃料的放热峰值降低，放热始点延后；NOx排放降低，CO和HC排放增大。

二甲醚发动机；乙醇；掺混比例；预喷定时；燃烧；排放

二甲醚因其具有来源广、成本低、自含氧、十六烷值高、无烟燃烧等特点，作为适用于压燃式内燃机的清洁替代燃料受到国内外关注［1-3］。二甲醚发动机控制排放时，如采用燃料多段喷射和废气再循环，就无需考虑NOx和碳烟的权衡关系［4-5］。国内外已开发了电控共轨二甲醚发动机，考虑到二甲醚密度和低热值都低，需在柴油喷嘴的基础上大幅增大喷嘴流通面积，这增加了喷嘴设计和加工的难度［6］。此外，因蒸气压高，为避免气阻，二甲醚进入高压泵前需将低压泵增压至约1.4 MPa。乙醇十六烷值低，适合在点燃式内燃机上应用，但热效率远低于压燃式内燃机［7-8］。若将乙醇掺混到二甲醚中形成混合燃料，则既可因乙醇密度和气化潜热高、蒸气压低而降低燃料的蒸气压和体积喷射量，又可高效利用乙醇。

CIPOLAT等［9］在压燃式发动机上研究进气道喷射的二甲醚、缸内喷射的乙醇形成的混合燃料的燃烧和排放，包括燃料喷射参数的影响，实现了重心接近上止点的燃烧和高热效率，而HC和NOx排放均低于同一柴油机，但这需要两套燃料系统。SHIBATA等［10］探究了水、甲醇、乙醇等着火抑制剂对二甲醚均质充量压缩着火（Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI）的影响及功率拓展的效果，结果表明，乙醇对着火控制效果最为显著；采用着火抑制剂，二甲醚HCCI发动机可在较宽的工作范围实现超低NOx排放和无烟燃烧，但其HC和CO排放过高。

总之，二甲醚与乙醇混合，可取长补短。有关喷射策略特别是预喷定时对二甲醚-乙醇混合燃料发动机影响的研究很少。因此，在一台由柴油机改造而成的适合液化气类燃料特性的电控共轨、增压中冷车用发动机上，在不同主喷定时工况下，研究乙醇掺混比例和预喷定时对二甲醚-乙醇混合燃料燃烧和排放的影响。

1 二甲醚-乙醇发动机燃烧和排放试验装置与试验方法

二甲醚-乙醇发动机燃烧和排放试验台架如图1所示。试验用电控增压二甲醚发动机为直列、六缸、增压、中冷式，缸径105 mm，行程120 mm，总排量6.32 L，压缩比18，喷油器喷孔数7，孔径0.28 mm。缸压通过Kistler 6052C压电式压力传感器、Kistler 5015A电荷放大器和燃烧分析仪以0.5 °CA曲轴转角的分辨率连续采集200个循环并存贮，将测量的缸压数据取平均值，然后利用零维燃烧模型来计算放热率（Heat Release Rate，HRR）。用AVL CEBII排气分析仪测试CO、HC和NOx等气体排放。进气流量由ABB Sensyf l ow FMT700-P空气流量传感器测得。

图1 二甲醚-乙醇发动机燃烧和排放试验台架

试验燃料包括纯二甲醚和不同掺混比例的二甲醚-乙醇混合燃料。将掺混0%、5%、10%和15%（按质量计）乙醇的混合燃料分别命名为E0、E5、E10和E15。二甲醚和乙醇的理化特性见表1。为抑制二甲醚粘度低造成的燃料系统磨损，向燃料中加入千分之一体积比的润滑添加剂HIRI783。发动机试验工况：转速为1 570 r/min，平均有效压力BMEP为0.4 MPa，轨压为55 MPa。通过电脑控制燃料喷射策略并由电子控制单元（Electronic Control Unit，ECU）实现，主喷时刻SOImain为7 °CA BTDC和-2 °CA BTDC，每循环预喷量为10 mm3/cyc，预主喷间隔角Intervalpilot-main为0～60 °CA，间隔为10 °CA。

表1 二甲醚和乙醇主要物理化学特性

2 试验结果与分析

2.1 掺混比例和预喷定时对燃烧特性的影响

预主喷间隔角Intervalpilot-main为0 °CA（无预喷）、20 °CA、40 °CA、60 °CA时，掺混比例对缸压和放热率的影响如图2所示。由图可知，当Intervalpilot-main= 0 °CA时，混合气燃烧表现为单峰放热。当Intervalpilot-main=20 °CA时，混合气燃烧表现为明显的两阶段双峰放热，第一阶段由预喷燃料引起，第二阶段由主喷燃料引起。当Intervalpilot-main增大至40 °CA时，混合气燃烧表现为三阶段三峰放热，前两阶段分别由预喷燃料低温反应和高温反应引起，第三阶段为主喷燃料的扩散燃烧。当Intervalpilot-main进一步增大至60 °CA时，缸内燃烧仍呈三阶段三峰放热。可见，在主喷定时不变的条件下，随着Intervalpilot-main的增大，缸内燃烧规律发生改变，即预喷燃料的放热峰值降低，相应的持续期变长，因为缸内温度降低，滞燃期变长，混合气变稀，导致低温氧化反应变慢；预喷燃料放热始点提前，但提前幅度远小于Intervalpilot-main的增大幅度；主喷燃料的放热峰值稍微增加，但相位基本维持在6.5 °CA ATDC（SOImain为7 °CA BTDC）或15.5°CA ATDC（SOImain为-2 °CA BTDC）不变；缸压曲线型式不变，但峰值和相位改变。随着乙醇掺混比例的增加，预喷燃料的放热峰值升高，放热始点延后，而主喷燃料放热规律的变化与主喷时刻SOImain有关。当SOImain为7 °CA BTDC时，主喷燃料的放热峰值和放热始点不随乙醇掺混比例而变化；当SOImain为-2 °CA BTDC时，主喷燃料的放热峰值随乙醇掺混比例而增加，放热始点则延后。 当主喷时刻SOImain由7 °CA BTDC推迟到-2 °CA BTDC时，在没有预喷（Intervalpilot-main= 0 °CA）的情况下，缸内燃烧规律变化明显，即缸压曲线由单峰变为双峰，且峰值降低，其中第一个峰值为活塞至上止点引起，第二个峰值为缸内燃烧引起；放热峰值增大，且不同燃料放热峰值相位有明显差异。此外，不同乙醇掺混比例下缸内燃烧规律差异较大。采用预喷策略后，即Intervalpilot-main=20 °CA、40 °CA、60 °CA时，缸内燃烧规律变化较小：缸压曲线都为单峰，且峰值降低；预喷燃料与主喷燃料的放热始点延后，且主喷燃料的放热峰值降低。由此说明，采用预喷策略后能扩展主喷时刻范围。

图2 掺混比例和预喷定时对缸压和放热率的影响

图3 乙醇掺混比例和喷油正时对滞燃期、CA50和燃烧持续期的影响

为作比较，图3给出无预喷时，掺混比例和喷射定时对滞燃期、CA50和燃烧持续期的影响。由图3a可知，随着乙醇掺混比例的增大，混合燃料滞燃期依次增大，且随着主喷时刻的推迟，滞燃期的增加幅度越大。这是因为乙醇十六烷值低，滞燃期较长；缸内温度随着主喷时刻的推迟而降低，促进了乙醇延长滞燃期的作用。滞燃期的增加使空气和燃料有更多的时间混合，导致预混燃烧比例增大。因此，随着乙醇掺混比例的增大和主喷时刻的推迟，燃烧将向预混燃烧模式发展。由图3b可知，乙醇掺混比例对CA50影响较小，而主喷时刻推迟也使CA50推迟，两者推迟角度相近。比较图3a和b可知，乙醇对燃烧相位的影响小于滞燃期，这意味着随着乙醇掺混比例的增大，燃烧持续期变短，且随着主喷时刻的推迟减小幅度越大。

乙醇掺混比例和Intervalpilot-main对峰值压力、压力升高率及其对应曲轴相位的影响如图4所示。由图可知，当SOImain=7 °CA BTDC时，随着Intervalpilot-main的增大，峰值压力变化规律较不明显；当Intervalpilot-main为40 °CA时，峰值压力最低，与无预喷时基本相当，最大压力升高率也处于最低值。无论是否加预喷，峰值压力所处曲轴转角都在主喷燃料燃烧之后，这说明在预喷和主喷相叠加的作用下，峰值压力达到峰值。由最大压力升高率所处曲轴相位可知，最大压力升高率在Intervalpilot-main为20 °CA时，由预喷燃料燃烧引起，在其它Intervalpilot-main下，主喷燃料燃烧为主要影响因素。这是因为当Intervalpilot-main为20 °CA时，一方面预喷燃料燃烧接近上止点，活塞上行导致缸压迅速累积，而主喷燃料放热却主要发生在上止点后，此时活塞下行导致缸压有所降低，所以预喷燃料燃烧更容易引起压力的快速上升；另一方面，预喷燃料放热导致缸内温度升高，从而缩短了主喷燃料的滞燃期，增加了扩散燃烧的比例，扩散燃烧由于边扩散边燃烧，导致燃烧速率降低，从而主喷对压力升高率的影响被减弱。随着Intervalpilot-main的增大，预喷燃料燃烧远离上止点，对压力升高率和主喷燃料燃烧的影响渐渐减弱。Intervalpilot-main从0 °CA增至20 °CA（即从无预喷到有预喷），E0、E5、E10的最大压力升高率增大，而E15减小。增大 Intervalpilot-main，所有燃料的最大压力升高率先迅速下降后小幅变化。这可能是因为，无预喷时，乙醇的低十六烷值和高汽化潜热导致E15的预混燃烧比例最高，压力升高率最大，所以Intervalpilot-main为20 °CA时预喷对其的影响最为显著。

图4 掺混比例和预喷定时对峰值压力、压力升高率及对应曲轴相位的影响

2.2 掺混比例和预喷定时对排放特性的影响

图5、图6、图7分别为掺混比例和Intervalpilot-main对NOx、CO和HC排放的影响。由图可知，相较于无预喷工况，Intervalpilot-main为20 °CA时，预喷对NOx排放并无改善，对CO和HC排放影响也不大。当Intervalpilot-main从20 °CA增至40 °CA时，即发动机从两阶段燃烧放热模式向三阶段燃烧模式转变时，NOx排放急剧下降，CO排放显著上升，HC排放小幅上升。当Intervalpilot-main从40 °CA增至60 °CA时，NOx排放几乎不变，HC排放显著上升，CO排放升高幅度相对较小。这是因为随着Intervalpilot-main的增大，由于缸内温度较低，预喷燃料滞燃期长，预喷燃料可以形成良好的均匀稀薄混合气，此时其燃烧属于低温预混合燃烧，所以NOx排放会显著降低。又由于低温预混合燃烧反应速率主要受化学反应动力学速率控制，导致预喷定时过早并不会使预混合气的组分、浓度、温度和压力等参数显著变小，所以预喷定时进一步提前对改善NOx排放效果有限。此外，由于预喷定时提前，预喷燃料有更长的时间与空气混合，可形成更多的稀薄预混合气。这些稀薄预混合气扩散到活塞环缝隙、气缸壁等低温处，无法完全燃烧，同时喷射较早，缸压较低，喷雾的贯穿距较短，喷雾锥角较大，容易出现湿壁现象。这些都会造成CO和HC排放的上升。在主喷时刻为-2 °CA BTDC时，采用预喷，E15的HC和CO排放先出现大幅下降。这是因为无预喷时，E15后燃严重造成HC和CO排放大幅上升，而此处的下降则表明，采用预喷，使E15的燃烧提前，燃烧更稳定，即预喷可用于拓展推迟主喷策略的适用范围。

由图还可知，随着燃料中乙醇掺混比例的增大，NOx排放量减少，这是因为乙醇较高的汽化潜热与低十六烷值导致缸内燃烧温度较低；而CO和HC的排放随乙醇掺混比例的增大而增大，其原因是，相较二甲醚，乙醇的饱和蒸气压较低，粘度较高，导致混合燃料雾化效果较差，燃烧不够充分。

图5 掺混比例和预喷定时对NOx排放的影响

图6 掺混比例和预喷定时对COx排放的影响

图7 掺混比例和预喷定时对HC排放的影响

3 结论

（1）采用预喷策略后，混合气由无预喷时的单阶段放热转变为两阶段放热，主喷定时对缸内燃烧规律影响明显变弱。随着预喷定时的提前，混合气由两阶段燃烧放热模式转变为三阶段燃烧放热模式，预喷燃料的放热峰值降低，相应的持续期变长；NOx排放显著降低，而CO和HC排放逐渐升高。

（2）随着预喷定时的提前，缸压曲线型式不变，但峰值和相位发生改变。最大压力升高率在预主喷间隔角为20°CA时由预喷燃料燃烧引起，而增大预主喷间隔角后主要由主喷燃料燃烧引起。

（3）无预喷时，随着乙醇掺混比例的增大，混合燃料滞燃期依次增大，且随着主喷时刻的推迟，滞燃期的增加幅度越大；CA50变化较小；燃烧持续期变短，且随着主喷时刻的推迟减小幅度越大。

（4）在相同预喷定时工况下，随着乙醇掺混比例的增加，预喷燃料的放热峰值降低，放热始点延后；NOx排放降低，CO和HC排放增大。

（5）研究结果显示，在乙醇掺混比例为5%～10%之间和预喷定时为30～40 °CA之间时，用于本研究的发动机可以获得较好的排放性能。

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［10］SHIBATA G，OGAWA H. HCCI Combustion Control by DME-Ethanol Binary Fuel and EGR［C］// SAE 2012 International Powertrains， Fuels & Lubricants Meeting，2012.

作者介绍

责任作者：陈明澍（1991-），男，福建龙岩人。硕士，主要研究方向为二甲醚发动机燃烧与排放。

Tel：18201829503

E-mail：chmingsh@163.com

Effects of Blend Ratios and Pilot Injection Timing on Combustion and Emissions of a DME-Ethanol Engine

CHEN Mingshu，QIAO Xinqi，LI Pengfei
（Key Laboratory of Power Machinery and Engineering of the Ministry of Education，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China）

Effects of blend ratios and pilot injection timing on the combustion and emission characteristics were investigated in an electronically controlled common-rail DME engine. The results show that after adopting pilot injection strategy, the heat release mode of the mixed gas transforms from single - stage to two - stage heat release, and the effect of injection timing is obviously weakened. With the advance of pilot injection timing, the heat release mode transforms from two stages to three stages and NOxemissions are significantly reduced while CO and HC emissions gradually increased. The maximum pressure rise rate is caused by the combustion of the pilot injection fuel when the pilot-main interval is 20 °CA, or caused mainly by the combustion of the main injection fuel when pilot injection advances. Under the same pilot injection timing, with the increase of ethanol ratio, the peak heat release rate of the pilot injection fuel decreases and the start of heat release retards, NOxemissions decrease and CO and HC emissions increase.

dimethyl ether engine；ethanol；blend ratios；pilot injection timing；combustion；emissions

引用格式：

TK46+4

A

10.3969/j.issn.2095-1469.2017.04.01

乔信起（1963-），男，山东莱阳人。博士，教授，主要从事内燃机喷雾、燃烧与排放控制研究。

2017-02-17 改稿日期：2017-02-20

国家自然科学基金（91441124）；上海浦江计划项目（11PJD014）；浙江省科技计划项目（2014C31033）

陈明澍，乔信起，李鹏飞. 掺混比例和预喷定时对二甲醚-乙醇发动机燃烧和排放的影响［J］. 汽车工程学报，2017，7(4)：235-243.

CHEN Mingshu，QIAO Xinqi，LI Pengfei. Effects of Blend Ratios and Pilot Injection Timing on Combustion and Emissions of a DME-Ethanol Engine［J］. Chinese Journal of Automotive Engineering，2017，7(4)：235-243.(in Chinese)

Tel：021-34206381

E-mail：qiaoxinqi@sjtu.edu.cn