1 引言(Introduction)

随着汽车尾气污染的日益严重，世界各国政府相继推出更为严苛的排放法规.据有关研究报告，柴油机对环境的污染占机动车污染的主要部分，具体是NO_x和PM的排放.柴油机经济性也越来越受重视，因此，实现内燃机清洁高效的燃烧成为了重要的研究课题.为了满足越来越严格的排放法规的要求，克服柴油机氮氧化物(NO_x)与微粒(PM)排放之间的trade-off关系(Johson et al., 2009)，实现柴油机的清洁燃烧，各大柴油机企业主要采用了两条排放控制技术路线.优化燃烧+SCR的技术路线，简称SCR路线(宋国富等，2013).EGR+DOC/POC/DPF的技术路线，简称EGR路线，在EGR路线中以EGR+DPF路线应用得最为广泛(姚春德等，2012)，该路线依靠废气再循环技术在机内实现NOx生成的抑制，在机外后处理过程中使用相应的催化器对颗粒进行氧化或过滤(许建昌等，2006).上述技术路线对柴油机的燃油喷射系统、增压等系统以及后处理装置都提出了很高的要求，造成发动机的制造成本增加.因此，采用低碳链碳氢燃料替代柴油，以实现低排放的目标的方法得到高度关注.由天津大学提出的采用甲醇高比例替代柴油的组合燃烧方式(DMCC)，该方式的特点启动是纯柴油，充分暖机后转为柴油甲醇二元燃料燃烧(DMDF)，为从燃料角度减少柴油机的有害物排放提供了新的解决途径.为了满足越来越严格的发动机排放法规，柴油机已经从机械式燃油喷射泵升级为具有多次喷射功能的高压共轨燃油喷射系统.随着具有灵活供油特点的共轨燃油系统应用逐步成为燃油供应系统的主流，柴油/甲醇组合燃烧系统也对燃油的喷射提出了新的要求，特别是主喷射时刻如何与甲醇相配合成为优化柴油甲醇双燃料燃烧的关键.

国内外学者积极探索通过改变传统柴油机主喷射时刻以实现对柴油机排放控制的方法.苏石川在一台增压直喷式柴油机上研究了主喷射时刻对柴油机碳烟排放的影响，达到了降低碳烟排放的效果(苏石川等，2007)；谭丕强在一台四缸直喷柴油机上开展了主喷射时刻变化对柴油机常规污染物排放影响的研究(谭丕强等，2004)；BAK F等在一台自然吸气直喷式柴油机上研究了主喷射时刻对NOx和颗粒物排放的影响(BAK et al., 1998).虽然上述研究表明改变主喷射时刻能够一定程度地改善柴油机的排放状况，但是柴油机主喷射时刻对于采用高压共轨技术的柴油/甲醇二元燃料发动机排放影响的研究尚不明确，特别是主喷射时刻对不同甲醇替代率下排放的影响规律尚不清楚.因此，笔者基于柴油/甲醇组合燃烧技术(姚春德等，2015)，在一台增压中冷的高压共轨柴油机上开展试验，采用总管喷射无水甲醇的方式，形成甲醇与空气的准均质混合气，通过缸内喷射柴油引燃甲醇空气混合气，然后进行柴油/甲醇二元燃料燃烧(DMDF)实验，探究主喷射时刻对DMDF发动机燃烧及排放的影响.

2 试验装置与内容(Experimental equipment and method)

试验装置示意图如图 1所示.发动机是由一台增压中冷的6缸柴油机改造而成.在柴油机进气管上加装甲醇喷射装置，并由自主研发的电控系统控制甲醇的喷射量和喷射时刻.在试验过程中主要通过发动机冷却水温、转速以及负荷之间的协同配合实现台架的控制.柴油/甲醇双燃料系统ECU通过判断冷却水温度，发动机转速和油门开度等一系列传感器信号来判断发动机的工作状态，在柴油机冷启动和热机时使用纯柴油模式，当冷却水温度达到65 ℃时采用DMDF燃烧模式，减少柴油的喷射量，利用甲醇喷射控制脉谱调节甲醇喷射量，维持柴油机转速和负荷不变的情况下，进行各甲醇替代率下不同主喷射时刻的燃烧和排放特性研究.

本试验在一台四冲程六缸增压中冷柴油机上采用进气总管喷射无水甲醇的方式进行各替代率下不同主喷射时刻对柴油/甲醇组合燃烧发动机排放影响的试验研究.发动机主要参数如表 1所示.

试验中使用京五柴油，其含硫质量低于10 mg·kg^-1，所使用的甲醇为市售试验用高纯度无水甲醇，通过安装在进气总管上的甲醇喷嘴进行喷射.试验中使用杭州博皓测控公司生产的水力测功机，并采用博皓发动机测控系统监控发动机工作状态，分别使用两台杭州奕科机电公司生产的瞬态油耗测量仪记录试验中柴油和甲醇的消耗量，使用HORIBA MEXA-7100测量常规气体排放，使用AVL415S滤纸式烟度计对烟度排放进行测量，使用kistler 6125C压力传感器测量燃烧室压力，并用AVL 612Indismart燃烧分析仪处理压力传感器电荷信号获得其他燃烧数据.

甲醇替代率(SP)表示相同工况下DMCC模式与原机模式相比柴油消耗量减少的百分比，计算公式为：

(1)

式中，q_d在原机模式下柴油消耗率(kg·h^-1)；q_{m, d}在DMDF模式下柴油消耗率(kg·h^-1)；

根据ESC测试循环，实验工况选择转速为1340 r·min^-1，50%负荷.该工况为ESC测试循环的常用工况，对ESC测试循环中排放的数值贡献很大，也是柴油机作为动力装置最常用的工作区域.研究该工况的燃烧与排放特性有利于为常用工况下实现柴油机燃烧和排放的优化提供理论指导，从而达到节能减排保护生态环境的目的.目前车用柴油机为了减少NOx排放，采用推迟供油的方式已是常规技术，所以试验中分别设定主喷射时刻对应的曲轴转角为-3、-1、1、3、5、7、9(BTDC/℃A)，在纯柴油模式下将发动机转速调为1340 r·min^-1，负荷达到50%，观察冷却水温度，当温度达到65℃时减少柴油的喷入量，通过进气道喷射甲醇使发动机的转速和扭矩恢复至预设工况.试验通过调整甲醇喷射量使甲醇替代柴油的比率分别为10%、20%、30%、40%，研究各替代率下主喷射时刻对DMDF发动机燃烧和气体污染物(氮氧化物NOx、碳氢HC、一氧化碳CO、碳烟Soot)排放特性的影响.

3 实验结果分析(Results and discussion) 3.1 主喷射时刻对燃烧特性的影响

试验对燃烧数据分析后发现，甲醇替代率较低时燃烧特性与原机模式相似，当甲醇替代率进一步增大，燃烧特性表现出与原机模式部分不同, 因此本文选择纯柴油工况和甲醇替代率30%的工况对不同主喷射时刻下的燃烧特性进行分析.

图 2为纯柴油模式下不同主喷射时刻所对应的柴油机缸内压力和放热率.从图中可以看出，压缩冲程缸压随着主喷射时刻的推迟而增大，这是因为随着主喷射时刻的推迟，燃料与空气的混合时间缩短，预混燃烧比例减少，后燃期延长，最终导致排气温度升高，排气压力增大，压气机获得的能量相应增加.从放热率曲线可以看出，放热率峰值随着喷油时刻的变化几乎不发生改变，随着主喷射时刻的提前，燃烧始点向上止点靠近，燃油预混量增加，预混峰峰值逐渐增大.

图 3为甲醇替代率为30%时，不同主喷射时刻下的缸压和放热率.从图中可以看出，随着主喷射时刻的提前，缸内最大压力逐渐升高，这是由于喷油时刻的提前，增加了燃料和空气的混合时间，燃烧更加完全，缸内温度升高.从放热率曲线看，预混峰变化情况与纯柴油模式相同，燃烧始点推迟，但预混峰峰值均大幅提高；30%甲醇替代率下不同主喷射时刻对应的峰值放热率均高于纯柴油模式，且随着主喷射时刻的提前而增加.原因主要有以下几方面：① 化学方面.甲醇的脱氢反应将低温下活性高的OH^-转化为活性低的H₂O₂，降低了系统反应的活跃程度，当温度继续升高H₂O₂分解的活化能势垒被打破，甲醇的抑制作用随即消失(许汉君等，2011)；② 物理方面.首先是甲醇高汽化潜热带来的冷却效应降低了缸内气体温度和低十六烷值抑制燃烧延长了滞燃期，同时也增加了燃油预混燃量.其次是柴油在甲醇空气预混合气体中燃烧，甲醇具有自含氧及其高燃烧速率的特性致使燃烧放热集中，导致最大放热率较纯柴油模式高.但是，随着主喷射时刻进一步推迟，燃烧始点过度靠后，后燃期延长，最终导致最大放热率略微下降.

3.2 喷油提前角对排放特性的影响 3.2.1 NOx排放

NOx生成条件是高温、富氧和高温持续时间(Yao et al., 2010).图 4为1340 r·min^-1，775 Nm工况点各甲醇替代率下NOx排放随柴油主喷射时刻的变化趋势.从图 4a中可以看到同一甲醇替代率下的排放量随着主喷射时刻的提前而增加.上止点前NOx排放随主喷射时刻的提前而快速增加，上止点后随主喷射时刻的提前NOx排放增速减缓.分析造成这一情况产生的原因：一是随着主喷射时刻对应的曲轴转角从-3℃A增加到9℃A，着火延迟期增加，燃料与空气的混合时间更加充分，工质扩散燃烧的比例减少，使得燃料混合气燃烧放热速率提升，燃烧定容性增加(许汉君等，2012)，缸内燃烧温度快速升高，燃烧过程高温持续时间增加；与此同时气缸内高温的条件加快甲醇高温氧化，甲醇在燃烧时起到自供氧功能(吕兴才等，2004)，造成缸内氧含量的增加，在高温环境下也将会促进NOx的生成.

另一方面，如图 4b所示主喷射时刻相同时，NOx排放随着甲醇替代率的增加而减少，说明甲醇的加入对NOx的排放控制具有明显的效果.其主要原因有：一是根据甲醇的物理性质可知甲醇的汽化潜热很大，进气道喷入甲醇因其较大的汽化潜热造成的冷却效应，降低了进气温度及最高燃烧温度，破坏了NOx生成的高温条件，抑制了NOx生成；二是甲醇的燃烧速度较纯柴油快，缩短了高温持续时间.因此，缸内的最高燃烧温度和平均燃烧温度也会相应下降，进而使得NOx的生成速率降低.再者，甲醇在进气气化过程中挤占了一部分空气量，减少了N₂的含量.

综合考察主喷射时刻和甲醇替代率对DMDF双燃料发动机NOx排放的影响，不难看出主喷射时刻的变化对于NOx排放影响更为明显.因为主喷射时刻的变化可直接影响到柴油机缸内的燃烧状况和放热情况，这一影响相较于甲醇气化潜热作用造成的缸内燃烧温度降低占有更为主导的地位.

3.2.2 碳烟排放

柴油机尾气碳烟生成的主要原因是高温和缺氧，由于柴油机燃料与空气混合很不均匀，即使柴油机过量空气系数φ_a远大于1，但仍然存在局部缺氧的区域导致碳烟生成(周龙保等，2010).图 5是不同甲醇替代率情况下415烟度排放随主喷射时刻的变化情况.从图中可以看出纯柴油模式下碳烟的排放随着主喷射时刻的提前而明显减少，最大降幅达到49.2%.主要原因是喷油定时的提前增加了燃料与空气的混合时间，提高了预混燃烧的比例，延长了滞燃期，使得缸内燃烧速度提升，局部缺氧的情况得到改善，从而抑制了碳烟的生成.

DMDF模式下碳烟排放量随着主喷射时刻的提前表现出先上升后下降的趋势.与此同时碳烟排放曲线的拐点集中在上止点附近，并且拐点对应的主喷射时刻随着甲醇替代率的增加逐渐向上止点前推移.分析认为柴油机在上止点附近喷油将会导致部分燃油喷雾撞击到活塞燃烧室的表面从而增加碰壁效应引起的碳烟生成的增加(Wang et al., 2015).同时，甲醇替代柴油之后柴油的喷入量减少将会导致参与燃烧反应的柴油减少，最终使得碳烟的生成减少.此外，拐点之后随着主喷射时刻的提前缸内油气混合的时间增加且混合气形成的品质较好，而且甲醇的加入对于柴油的着火具有一定的迟滞作用，这都将改善柴油机缸内局部缺氧的状况使得扩散燃烧比例减小，燃烧更为充分，从而减少碳烟的生成.

3.2.3 CO排放

CO是化石燃料在燃烧过程中的主要中间产物，在氧气足够多，温度足够高，时间足够长的条件下进一步氧化成CO₂，因此过量空气系数φ_a是影响CO生成的主要因素.在整个燃烧反应的过程中部分CO将会转化成CO₂，转换的反应式为：

图 6为不同甲醇替代率下主喷射时刻对CO排放的影响.从图中可以看出，同一甲醇替代率下，CO排放均随着主喷射时刻的提前而降低，并且甲醇替代率越高，CO排放降低的趋势越来越明显.分析认为，原因一是主喷射时刻的提前有利于燃料与空气的充分混合，燃烧速率和燃烧温度均能得到提高，燃料氧化更为充分；原因二高替代率下混合气中甲醇含量高.推迟喷油时，发动机的缸内温度较高，高含氧的甲醇在高温下经过充分的低温反应，一旦有喷进的柴油诱导，燃烧起来的速度快，燃烧也完全.而喷油时刻较早时，甲醇因为自身的高汽化潜热造成混合气温度低，虽经柴油引燃，但是也难以燃烧完全，造成CO排放量较高的状况.另外，低的甲醇混合气温度也使靠近壁面的淬冷层厚度增加，促使CO排放有所增加.从试验结果看，采用DMDF燃烧方式，其CO排放量较之纯柴油模式要高出许多，原因是通过进气混合的甲醇在气门重叠期中会有大量逃逸.但是这些CO可以采用增加氧化催化(DOC)后处理方式来消除.前期研究表明，加上DOC之后的DMDF发动机的废气中CO排放可以比纯柴油时还要低(姚春德等，2012).

3.2.4 THC排放

图 7为不同甲醇替代率下主喷射时刻对THC排放的影响.从图中可以看处，THC在DMDF模式下的排放均高于原机；同一甲醇替代率时THC排放随着主喷射时刻的提前而降低，大负荷条件下，甲醇替代率越高THC下降的趋势越明显.分析认为增压柴油机在进排气过程中通常采用较大的气门重叠角度，因此部分甲醇与空气的预混合气将会在扫气过程中排到机外，造成DMDF模式下THC排放增多；喷油定时的推迟可以使燃料的放热过程在上止点后进行，此时燃烧室内温度和压力较高，滞燃期缩短，在滞燃期内形成的预混合气减少，使得燃烧放热速率降低及缸内燃烧温度的下降，最终导致未燃THC排放增加；甲醇燃料停留在燃烧室中的时间比柴油长，因而壁面冷激效应、狭隙效应、油膜吸附和沉积物吸附作用很大，这也造成DMDF模式下THC排放升高.实验研究结果表明，未燃HC排放量明显高于传统柴油机和CO排放增高的原因大致相同.这些增加的HC也是可以通过增加一个DOC加以消除.

4 结论(Conclusions)

1) 随着主喷射时刻的提前，相比于纯柴油模式，DMDF发动机的峰值缸压和峰值放热率均增大.在甲醇替代率为30%时，压缩冲程缸压随着主喷射时刻的推迟而增大，推迟喷油，后燃期延长，排气压力增大.

2) 甲醇在柴油/甲醇双燃料燃烧模式(DMDF)下对减少NOx的排放有较好的作用，同一甲醇替代率情况下NOx的排放量随着主喷射时刻的推迟而减少.

3) 主喷射时刻对碳烟排放的影响较为复杂.相比较纯柴油模式下碳烟排放随主喷射时刻提前逐步减少，甲醇与柴油掺烧时，碳烟排放随着主喷射时刻的提前呈现出先上升后下降的趋势.

4) DMDF模式下主喷射时刻提前CO、HC排放均降低，且替代率越大下降的趋势越明显.