乙醇汽油雙燃料雙噴射系統(tǒng)發(fā)動機經(jīng)濟性和排放特性

趙樂文，裴毅強，李翔

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乙醇汽油雙燃料雙噴射系統(tǒng)發(fā)動機經(jīng)濟性和排放特性

趙樂文，裴毅強，李翔

(天津大學 內燃機燃燒學國家重點實驗室，天津，300072)

在1臺汽油缸內直噴(GDI)發(fā)動機上添加進氣道乙醇噴射(EPI)系統(tǒng)，將其改裝為燃料混合比例實時可調的雙燃料雙噴射系統(tǒng)發(fā)動機。將改進的發(fā)動機應用于典型城市工況，重點對燃油經(jīng)濟性、微粒數(shù)量和質量排放特性進行研究，同時分析燃燒特性和氣態(tài)常規(guī)排放物。研究結果表明：隨著進氣道乙醇噴射比(質量分數(shù))ethanol增加，當量比油耗ESFC降低，摩爾乘數(shù)效應增強，更多燃燒產(chǎn)物在膨脹行程做功，從而提高有效熱效率。碳氫化合物(HC)排放隨著ethanol增加而逐漸降低，不依賴于發(fā)動機負荷的變化。各負荷下微粒數(shù)量和質量排放均隨ethanol增加而降低。乙醇良好的蒸發(fā)特性和較高的含氧量能夠抑制碳煙前驅物的生成，增強微粒氧化特性。乙醇與汽油混合形成的共沸點混合物能夠增強汽油的揮發(fā)性，改善混合氣質量，進而降低微粒排放。

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

日益嚴峻的能源安全危機促使世界各國出臺了更加嚴格的燃油經(jīng)濟性法規(guī)。歐盟和中國均要求乘用車CO2排放量在2020年之后降低到95 g/km。相比于傳統(tǒng)的進氣道燃料噴射(PFI)汽油機，GDI汽油機具有動力性強、經(jīng)濟性好、變工況響應快等優(yōu)點，但由于其將燃油直接噴到缸內，導致油氣混合不均和嚴重的燃油濕壁現(xiàn)象，進而產(chǎn)生大量微粒排放。GDI發(fā)動機排放的微粒具有較強的吸附和沉積作用，能夠穿透人體肺泡進入血液，會引起呼吸系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)等病變，因此，國內外法規(guī)[1?2]對GDI汽油機的微粒質量(限值為0.004 5 g/km)和數(shù)量(限值為6.00×1011個/km)都進行了嚴格的限制。乙醇作為一種常用的含氧燃料和替代燃料已經(jīng)成為發(fā)動機研究和應用的熱點。與汽油相比，乙醇具有較高的含氧量，能夠促進燃料完全燃燒，有利于降低微粒排放。乙醇的辛烷值約為汽油的1.1倍，可以提高壓縮比改善燃油經(jīng)濟性；層流火焰速度約為汽油的1.3倍，有利于提高燃燒速率；汽化潛熱約為汽油的2.3倍，可降低缸內溫度，抑制爆震。目前，國內外對火花點火式發(fā)動機燃用乙醇或乙醇汽油混合燃料進行了研究。PARK等[3?4]指出由于乙醇具有較高的層流火焰速度，將其添加到汽油中可以縮短燃燒初始期，提高熱效率。白代彤等[5?6]發(fā)現(xiàn)與汽油相比，乙醇較高的氧含量能夠促進氧化，減少微粒排放。同時，PAPK[3?4, 6]等的研究表明乙醇分子中的氧對降低HC和CO排放也有積極作用。燃用混合燃料的發(fā)動機不能根據(jù)運行工況實時改變燃料混合比例，而乙醇較高的汽化潛熱和沸點導致發(fā)動機的冷啟動性能較 差[7]。為更好發(fā)揮乙醇等含氧燃料的優(yōu)勢，需要一種能夠實時改變乙醇汽油混合比例的新型燃油噴射系統(tǒng)。雙噴射系統(tǒng)就是把PFI和GDI這2種噴射方式結合起來，實現(xiàn)2種燃料任意比例的混合，有利于充分發(fā)揮2種燃料的優(yōu)勢，優(yōu)化燃燒過程并降低微粒排放。STIEN等[8]研究了雙噴射系統(tǒng)中GDI發(fā)動機上缸內直噴乙醇、進氣道噴射汽油對抑制爆震的影響，其結果表明高辛烷值的乙醇有效抑制了爆震傾向。ZHUANG等[9]研究了缸內直噴正時對抑制爆震效果的影響，其結果表明進氣門關閉后噴射乙醇可以有效抑制爆震，而進氣門關閉之前噴射乙醇可以提高熱效率。CATAPANO等[10]對比分析了乙醇汽油雙噴射系統(tǒng)與同比例的混合燃料對發(fā)動機性能和排放的影響。與混合燃料相比，雙噴射系統(tǒng)中的熱效率更高，HC和CO排放更低。綜上所述，國內外對于乙醇汽油雙燃料雙噴射發(fā)動機的研究較少，多集中于抑制爆震方向，對乙醇汽油雙燃料雙噴射系統(tǒng)發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性、燃燒和排放特性缺乏系統(tǒng)而深入的研究。為此，本文作者將EPI+GDI雙燃料雙噴射系統(tǒng)發(fā)動機應用于典型城市工況中，重點研究該燃燒模式下的微粒數(shù)量和質量排放特性和燃油經(jīng)濟性，并分析燃燒特性和氣態(tài)常規(guī)排放物。本文充分利用EPI+GDI的雙燃料雙噴射系統(tǒng)并進一步發(fā)揮汽油機在節(jié)能減排方面的潛力，為解決GDI發(fā)動機微粒排放的難題提供參考依據(jù)。

1 試驗系統(tǒng)與流程

1.1 試驗系統(tǒng)和設備

試驗采用2.0 L增壓GDI汽油機，噴油方式采用缸內直噴+進氣道噴射，具體技術參數(shù)如表1所示。在原機基礎上加裝進氣道多點噴射系統(tǒng)，采用開放式ECU控制進氣道噴油器的噴油脈寬、噴油時刻等參數(shù)。采用ETAS公司的INCA軟件與原機開放式ECU實時通訊并控制缸內噴油器。噴油比例可以通過2個ECU實現(xiàn)在線精確調節(jié)。試驗臺架系統(tǒng)如圖1 所示。

采用Kistler 2614CK1角標測量發(fā)動機曲軸角度；采用AVL 641燃燒分析儀采集分析缸內燃燒壓力曲線；采用ETAS LA4型λ分析儀測量過量空氣系數(shù)；通過2臺AVL 731油耗儀分別測量進氣道和缸內直噴的燃油流量；采用Horiba MEXA?7100DEGR測量氣態(tài)常規(guī)排放。采用Cambustion公司的DMS500快速顆粒取樣分析儀測量微粒的粒徑分布，其響應頻率為 100 ms，測量粒徑范圍為5~1 000 nm，一級稀釋比為1:4，二級稀釋比為1:100，采樣管溫度為100 ℃。試驗所用汽油和乙醇的物理化學屬性如表2所示。

1.2 試驗流程

在典型的城市工況下進行試驗，其中汽油機轉速為2 000 r/min，平均有效壓力BMEP分別為0.2，0.6和1.0 MPa。進氣道乙醇噴射比ethanol的變化范圍為0~100%(間隔20%)，ethanol計算公式如下：

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

表2 試驗所用燃料屬性

式中gasoline和ethanol分別為油耗儀測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；ethanol為進氣道噴射乙醇的質量分數(shù)，%。

EPI噴油壓力穩(wěn)定在0.36 MPa，3種負荷下的GDI噴油壓力分別為5.00，5.50和8.00 MPa。為保證油氣有充足時間混合且穩(wěn)定燃燒，EPI和GDI的噴油時刻分別設置為305.00ATDC(ATDC為壓縮上止點后的曲軸轉角)和300.00BTDC(BTDC為壓縮上止點前的曲軸 轉角)。

本試驗所有工況均在化學計量空燃比條件下運行，點火提前角調節(jié)到最大扭矩對應的最小點火提前角(minimal advance of best torque，MBT)。為最大限度地發(fā)揮EPI+GDI的優(yōu)勢，MBT定義為調節(jié)點火提前角至輕微爆震，判斷標準為爆震值≤1.5；若未發(fā)生爆震，則按照文獻[11]中的方式調節(jié)點火提前角使CA50(即已燃燃料質量分數(shù)達到50%時對應的曲軸轉角)保持在(8~10)ATDC范圍內。

首先，發(fā)動機以汽油缸內直噴的方式熱機，待冷卻液溫度和中冷后進氣溫度分別穩(wěn)定在(88±2) ℃和(25±2) ℃之后開始試驗。為保證試驗測量精度，所有工況的數(shù)據(jù)采集均在發(fā)動機穩(wěn)定運行5 min之后進行，連續(xù)采集3次油耗、燃燒(200個循環(huán))、氣態(tài)常規(guī)排放和微粒排放(每次數(shù)據(jù)記錄時間為1 min)數(shù)據(jù)，并計算平均值。

由于乙醇和汽油具有不同的低熱值，為更全面地評價乙醇汽油雙燃料雙噴射系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟性，引入比油耗BSFC(即有效燃油消耗率)、當量比油耗ESFC。ESFC是基于燃油能量來評價燃油經(jīng)濟性的，即將不同ethanol時乙醇的熱量轉化為等熱量的汽油換算而來的有效燃油消耗率。ESFC表達式如下：

式中：gasoline和ethanol分別為油耗儀測得的汽油和乙醇的燃油流量，kg/h；e為發(fā)動機的有效功率，kW；gasoline和ethanol分別為汽油和乙醇燃料的低熱值，kJ/g。

2 結果與討論

2.1 燃油經(jīng)濟性

圖2所示為發(fā)動機轉速為2 000 r/min，平均有效壓力BEMP分別為0.2，0.6和1.0 MPa時，BSFC和ESFC隨ethanol的變化。

從圖2可以看出：BSFC和ESFC變化趨勢相反，且二者基本呈線性變化。BSFC隨著ethanol的增加而增加。乙醇的低熱值比汽油的小，需要噴入更多乙醇來獲得相同的功率。ESFC隨著ethanol的增加而減少，實現(xiàn)相同發(fā)動機功率輸出所需要的能量逐漸降低。當ethanol=100%時，平均有效壓力BMEP為0.2，0.6和1.0 MPa工況下，ESFC均最低，分別為376.52，249.85和229.19 g/(kW?h)；與燃用純汽油相比，燃油經(jīng)濟性分別提高8.91%，5.04%和7.58%。

1—0.2 MPa，bBSFC；2—0.2 MPa，bESFC；3—0.6 MPa，bESFC；4—1.0 MPa，bESFC。

ESFC的降低還與摩爾乘數(shù)效應[12]有關。摩爾乘數(shù)效應表達式如下：

式中：為燃燒物質的摩爾數(shù)；為通用氣體常數(shù)；1為膨脹行程中初始溫度；為比定壓熱容與比定容熱容的比值；1和2分別為膨脹行程中初始和最終的體積，即發(fā)動機的余隙容積和排量；為發(fā)動機每循環(huán)燃油混合物在膨脹行程做的功。越高，摩爾乘數(shù)效應越強。

在發(fā)動機的膨脹行程中，假定1，1和2均保持不變，ethanol增加會增強摩爾乘數(shù)效應。一方面，ethanol增加需要噴入更多的乙醇來維持相同的功率輸出和化學計量空燃比，乙醇燃燒產(chǎn)生的氣體摩爾數(shù)增加量比汽油燃燒產(chǎn)生的氣體摩爾數(shù)增加量多[13]，即燃燒物質的摩爾數(shù)隨ethanol增加而增加，更多燃燒產(chǎn)物在膨脹行程中轉化為更多能量用于做功，隨著ethanol增加而增加；另一方面，摩爾乘數(shù)效應也與相關，越大，每循環(huán)燃油混合物在膨脹行程中的越大。在標準狀態(tài)下，乙醇的比汽油的大，ethanol增加可提高發(fā)動機的有效熱效率。因此，EPI+GDI的雙燃料雙噴射系統(tǒng)有助于改善發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性。

2.2 燃燒特性

圖3所示為各燃燒相位隨ethanol的變化，壓縮上止點為0°，其中IMEP為平均指示壓力變動系數(shù)。所有試驗工況的點火提前角均調節(jié)到MBT，CA50保持在(8.50~9.00)ATDC的范圍內能夠實現(xiàn)較優(yōu)的燃燒相位(BMEP為1.0 MPa，ethanol=0的工況點除外)。在BMEP為1.0 MPa，ethanol=0工況下容易發(fā)生爆震，故推遲點火提前角抑制爆震，CA50限制在14.92ATDC，但隨著ethanol從0增加至40%，乙醇較高的辛烷值和汽化潛熱可以降低進氣充量溫度，進而降低壓縮上止點附近的缸內溫度，有效抑制爆震，故可以提前點火提前角。

平均有效壓力/MPa：(a) 0.2；(b) 0.6；(c) 1.0

由圖3可知：當BMEP為1.0 MPa，ethanol≥40%時，點火提前角均隨ethanol增加而逐漸推遲。與汽油相比，乙醇較高的層流火焰速度和較低的點火能量使其更容易點燃，加速缸內燃燒過程，這與圖3中火焰發(fā)展期(定義為火花塞點火到已燃燃料質量分數(shù)達到5%曲軸轉過的角度)隨ethanol增加而減小的趨勢相對應。隨著ethanol增加，平均指示壓力變動系數(shù)IMEP逐漸減小最后趨于穩(wěn)定，說明EPI+GDI的燃燒模式有助于提高燃燒的穩(wěn)定性。

2.3 氣態(tài)常規(guī)排放

圖4~6所示分別為EPI+GDI雙燃料雙噴射系統(tǒng)的HC，CO和NO等氣態(tài)常規(guī)排放隨ethanol的變化。

由圖4可知：各工況的HC排放量均隨ethanol增加而降低，不依賴于發(fā)動機負荷的變化。乙醇較高的層流火焰速度能夠加速缸內燃燒過程，較高的含氧量能夠增加燃油局部濃區(qū)的氧含量，而且其良好的蒸發(fā)特性有利于均質混合氣的形成，使燃燒更加充分，從而減少HC排放量。

平均有效壓力/MPa：1—0.2；2—0.6；3—1.0。

由圖5可知：在BMEP分別為0.2，0.6和1.0 MPa時CO排放量均隨ethanol增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，相應的ethanol轉折點分別為80%，40%和60%。CO是不完全燃燒的產(chǎn)物，CO排放量隨ethanol增加先降低，是由于乙醇較高的層流火焰速度和含氧量以及較低的碳含量能夠加速燃燒過程，使燃燒更加充分。隨著ethanol進一步增加，雖然混合氣中的氧含量隨之增加，但也會導致進氣門附近的池火現(xiàn)象，大量燃油聚集在進氣門附近形成了燃油局部濃區(qū)，不利于充分燃燒，從而導致CO排放量增加。

平均有效壓力/MPa：1—0.2；2—0.6；3—1.0。

圖6~7所示分別為各負荷條件下NO排放及缸內最高溫度隨ethanol的變化。由圖6可知：當BMEP為0.2 MPa時，NO排放量和缸內最高溫度均隨ethanol的增加先升高后降低，且在ethanol=20%時達到最高。當ethanol≤20%時，NO排放量升高主要是因為乙醇改善了發(fā)動機的燃燒狀況，較高的缸內溫度和乙醇較高的含氧量促進NO的生成。隨著ethanol進一步增加，NO逐漸降低，主要是缸內溫度降低造成的。缸內溫度降低，一方面，是由于乙醇燃燒產(chǎn)物中的三原子分子比汽油的多[14]，使燃燒氣體的比熱容增大，導致乙醇燃燒氣體的溫度比汽油的低；另一方面，是由于乙醇較高的汽化潛熱引起的充量冷卻作用超過了乙醇高氧含量的作用。

平均有效壓力/MPa：1—0.2；2—0.6；3—1.0。

平均有效壓力/MPa：1—0.2；2—0.6；3—1.0。

由圖6~7還可知：在BMEP為0.6 MPa的條件下，當ethanol≤40%時，較低的缸內溫度能夠抑制NO排放；當ethanol＞40%時，急劇升高的缸內溫度和混合氣中較高的含氧量導致NO排放急劇增加；當BMEP為1.0 MPa時，缸內最高溫度隨ethanol的變化不大，NO排放量也基本不變。

2.4 微粒排放特性

圖8~10所示分別為EPI+GDI雙燃料雙噴射系統(tǒng)的微粒排放特性，其中圖8和圖10的橫坐標用對數(shù)坐標表示，P表示微粒的直徑(nm)。

由圖8可知：各負荷條件下的微粒粒徑分布曲線均呈單峰分布，且微粒數(shù)量隨ethanol增加而逐漸減小。乙醇良好的蒸發(fā)特性有助于形成均質混合氣，進氣道噴射乙醇比缸內直噴汽油有更充足的油氣混合時間，同時可減少因缸內直噴汽油撞擊活塞和缸壁造成燃油濕壁現(xiàn)象的發(fā)生，而且乙醇較高的氧含量可提高局部濃區(qū)的含氧量，燃燒更加充分。乙醇作為一種含氧分子和含氧化合物已被證明可以通過抑制芳香烴前驅體形成碳煙來降低微粒的生成[15]，而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[16]。乙醇的這些優(yōu)良特性能夠抑制碳煙前驅物的生成，并增強微粒氧化特性。

在EPI+GDI雙燃料雙噴射系統(tǒng)中，汽油中非極性烴類分子與極性乙醇分子的氫鍵進行分子間的相互作用使各自的分子更容易擺脫液體成為蒸氣[17]，形成由乙醇和汽油成分組成的共沸點混合物[18]。蒸氣壓升高，沸點降低，液態(tài)更容易揮發(fā)成為蒸氣。與汽油(汽油重質餾分沸點為225 ℃，見表2)相比，乙醇具有較高的蒸氣壓和較低的沸點(78 ℃)，與汽油混合后形成共沸點混合物，能夠增強汽油的揮發(fā)性，改善混合氣質量，進而降低微粒排放。

圖9所示為微粒數(shù)量(核態(tài)、積聚態(tài)微粒)和幾何平均直徑GMD隨ethanol的變化趨勢，其中，GMD是通過圖中氣泡的直徑來表征的。由圖9可知：3種負荷下的微粒總數(shù)量均隨ethanol增加而急劇減少。與ethanol=0時相比，ethanol=100%時的微粒數(shù)量分別降低99.8%，99.7%和96.8%，且當ethanol達到60%~80%時，微粒數(shù)量逐漸接近DMS500微粒數(shù)量的最小測量極限。核態(tài)微粒數(shù)量比積聚態(tài)微粒的多，且二者均隨ethanol增加而急劇降低。GMD隨ethanol的增加呈非線性變化，說明EPI+GDI的雙燃料雙噴射系統(tǒng)對微粒GMD的影響不明顯。

平均有效壓力/MPa：(a) 0.2；(b) 0.6；(c) 1.0

平均有效壓力/MPa：(a) 0.2；(b) 0.6；(c) 1.0

為將微粒數(shù)量轉化為微粒質量濃度，引入各粒徑下的微粒質量計算公式[19]：

圖10所示為各負荷下微粒質量及粒徑隨ethanol的變化。由圖10可知：EPI+GDI的微粒質量分布主要集中于積聚態(tài)微粒，與微粒數(shù)量分布不同。盡管核態(tài)微粒的數(shù)量比積聚態(tài)微粒的數(shù)量多，但是大粒徑的積聚態(tài)微粒質量占主導地位。微粒質量與數(shù)量排放均隨ethanol增加逐漸減少。

平均有效壓力/MPa：(a) 0.2；(b) 0.6；(c) 1.0

3 結論

1) 比油耗BSFC隨ethanol增加而增加，當量比油耗ESFC隨著ethanol增加而減少；當平均指示壓力分別為0.2，0.6和1.0 MPa時，ESFC均在ethanol=100%時達到最低。與燃用純汽油相比，燃油經(jīng)濟性分別提高8.91%，5.04%和7.58%。進氣道噴射乙醇能夠增強摩爾乘數(shù)效應，進而提高發(fā)動機的有效熱效率。

2) 隨著ethanol增加，火焰發(fā)展期縮短，加速缸內燃燒過程。IMEP隨ethanol增加逐漸減小并趨于穩(wěn)定，燃燒穩(wěn)定性提高。

3) 各工況下的HC排放均隨ethanol增加而降低，不依賴于發(fā)動機負荷的變化。CO排放量隨ethanol增加先增加后降低。

4) 各負荷條件下的微粒數(shù)量和質量排放均隨ethanol增加而降低；乙醇良好的蒸發(fā)特性和較高的含氧量能夠抑制碳煙前驅物的生成，增強微粒氧化特性。乙醇與汽油混合后形成的共沸點混合物能夠增加汽油的揮發(fā)性，改善混合氣質量，降低微粒排放。

5) EPI+GDI的雙噴射系統(tǒng)能夠有效提高燃油經(jīng)濟性，并大幅度降低微粒數(shù)量和質量排放。

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(編輯 伍錦花)

Investigation on dual-fuel dual-injection system engine fuelled with ethanol and gasoline for fuel economy and emissions

ZHAO Lewen, PEI Yiqiang, LI Xiang

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

An ethanol port injection (EPI) system was installed on a gasoline direct injection (GDI) engine and a dual-fuel dual-injection system was assembled so that the blended ratio of fuel could be timely adjusted. By employing the innovative EPI and GDI dual-fuel dual-injection system at typical urban operating conditions, the fuel economy, particle number and mass emissions were studied, and the combustion characteristics and gaseous regulated emissions were also analyzed. The results show thatESFC(equivalent specific fuel consumption) decreases with the increase ofethanol(ethanol port injection ratio), and mole multiplier effect is enhanced by adding ethanol. More combustion products are available to do more work during the expansion process, and thereby improves the brake thermal efficiency. Hydrocarbon (HC) emission decreases with the increase ofethanoland is independent of engine loads. Particles number and mass under various conditions decrease with the increase ofethanol. Favorable evaporation characteristics as well as higher oxygen content of ethanol leads to less soot precursors formation and enhanced particle oxidation. Ethanol forms an azeotropes with gasoline, which enhances the volatility of gasoline and improves the mixture quality, and further reduces particle emission.

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

10.11817/j.issn.1672?7207.2018.02.030

TK46+4

A

1672?7207(2018)02?0485?08

2017?03?27；

2017?05?27

國家科技支撐計劃項目(2014BAG10B01)(Project(2014BAG10B01) supported by the National Key Technologies R&D Program)

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