1 引言(Introduction)

柴油机因具有高热效率、工作可靠等优点, 在长时工作和重载条件下的动力装置中占据主导地位.但柴油机采用油束喷进气缸与热空气混合燃烧的方式, 致使其排气中含有大量的氮氧化物(NO_x)及颗粒物(PM).为降低柴油机污染物的大量排放, 我国将于2021年7月1日对所有重型柴油车辆实施更加严格的国Ⅵ排放法规(中华人民共和国生态环境部, 2018).另外, 柴油机也是消耗石油燃料的主要动力装置.作为可再生能源, 甲醇在助力柴油机实现节能减排方面具有明显的优势, 近年来在国内外引起了广泛关注(Kumar et al., 2013；Imran et al., 2013；Yao et al., 2017；向守智等, 2017；Verhelst et al., 2019).根据甲醇的物化性质, 采用进气喷醇, 实现柴油/甲醇组合燃烧(Diesel/Methanol Compound Combustion, DMCC)是甲醇在柴油机上的典型应用, 即用纯柴油启动和热机, 然后甲醇从进气管喷入, 与柴油组合燃烧(Yao et al., 2008；Jia et al., 2018).

之前的大量研究表明, 柴油机进气预喷甲醇可延长柴油滞燃期(Xu et al., 2012；Yin et al., 2016), 提高预混燃烧比例, 缩短燃烧持续期, 提高爆发压力(P_max), 减少散热损失(Han et al., 2016；Wang et al., 2019)；可以同时降低NO_x和PM比排放(Liu et al., 2014；Wei et al., 2016), 简化废气后处理的要求, 特别是可以弃用尿素辅助的SCR技术(Wei et al., 2017).而这些研究大多是在柴油单次喷射下进行的, 无法兼顾高的有效热效率(BTE)和严格的国Ⅵ排放法规要求.随着内燃机电控技术和高压共轨系统的普及, 燃油预喷射和多次喷射技术成为机内净化的主要手段(Mohan et al., 2013；王军等, 2020).传统柴油机采用预喷策略可以改善缸内混合气的形成, 缩短滞燃期, 降低主喷柴油燃烧时的压力升高率和燃烧噪声(郑尊清等, 2018；杜宏飞等, 2018；王辉等, 2020；曹佳斌等, 2020).对于进气喷醇柴油机而言, 采用柴油预喷策略不仅能提高甲醇空气混合气的活性, 改善燃烧的稳定性, 还可以控制预混燃烧比例和燃烧相位, 调节可燃混合气的浓度, 改善排放特性(魏立江, 2014；姚春德等, 2020).

研究表明, 柴油机进气预喷甲醇并结合简单后处理—柴油氧化催化器耦合柴油微粒氧化催化器(DPOC), 不需要尿素辅助即可满足国Ⅴ排放法规的要求(Wei et al., 2017).如今要实现无尿素辅助满足NO_x限值仅为0.4 g · kWh^-1的国Ⅵ标准, 不仅需要进气喷甲醇而且要结合废气再循环(EGR)技术.此外, 大负荷工况进气喷醇是柴油机的高效运行区, 可以实现较高的进气甲醇喷射量, 但其运行边界会受到甲醇自燃、爆压和最大压升率过高的限制(王全刚等, 2014；Wang et al., 2018；Wang et al., 2019).危红媛等(2018)研究了小负荷工况且无EGR下不同预喷油量对进气喷醇柴油机燃烧和排放的影响.在此基础上, 本研究采用进气喷射甲醇的方式同时结合采用较高比例的EGR, 在确保发动机稳定燃烧的基础上, 以实现无尿素辅助满足国Ⅵ排放标准, 探究大负荷下不同预喷油量和预喷时刻对燃烧和排放的影响.

2 试验设备及方案(Experiment and methods) 2.1 试验设备

本试验采用的发动机为全柴Q28-130E60车用国Ⅵ发动机, 该发动机是一台直列四缸、增压中冷高压共轨直喷柴油机, 其最高喷油压力可达180 MPa, 主要参数详见表 1.

在原发动机的进气总管上加装一套低压甲醇喷射装置, 以实现向进气喷射甲醇.加装喷醇装置的发动机试验台架示意图见图 1.甲醇喷射系统的喷射压力为0.4 MPa, 喷射时刻和喷射脉宽由天津大学自行开发的甲醇ECU单独控制, 发动机的其它结构和系统不作任何改动.试验中柴油喷射参数(包括喷射时刻、喷射油量及喷油压力等)和高压EGR阀开度均由上位机INCA7.1软件进行在线标定, 该软件通过ETAS硬件接口模块与柴油ECU通讯连接.试验选用的主要设备见表 2.

2.2 试验方案

本试验所用柴油为-10#国Ⅵ超低硫柴油, 使用的甲醇燃料纯度为99.99%的分析纯.试验按照《重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》中规定的稳态测试循环(WHSC)选取45~70(转速规范值%-扭矩规范值%)的工况点.试验过程中发动机实际转速和负荷分别为1690 r · min^-1和280 N · m(BMEP为1.25 MPa), 燃油温度保持在30 ℃左右.本次试验均采用两次柴油喷射(预喷+主喷), 具体试验工况参数如表 3所示.

本文把进气喷射的甲醇燃料热值占燃料总热值的比例称为甲醇能量比(Methanol Energy Ratio, MER), 其计算公式见式(1).

(1)

式中, m_M和m_D分别为甲醇和柴油的质量消耗率(kg · h^-1)；LHV_M和LHV_D分别为甲醇和柴油的低热值, 取值分别为19.7 MJ · kg^-1和42.5 MJ · kg^-1.

燃烧效率(η)为缸内燃料燃烧实际释放的总热量占进入气缸燃料总热值的比例, 计算公式见式(2).

(2)

式中, x_i为排气中未燃组分i(主要包括CO、HC、未燃甲醇和甲醛)的质量流量(kg · h^-1)；LHV_i为未燃组分i的低热值(MJ · kg^-1), 其余参数同式(1).

循环变动率(COV)是表征发动机燃烧稳定性的重要参数, 本文以500个循环的缸内平均有效压力作为计算COV的依据, 其计算公式见式(3).

(3)

式中, σ_IMEP为500个循环的指示平均有效压力(IMEP)的标准差, IMEP为500个循环的IMEP平均值.

3 结果与分析(Results and discussion) 3.1 燃烧特性 3.1.1 柴油预喷油量对燃烧特性的影响

图 2为柴油预喷油量对燃烧特性影响的试验结果.从图中可以看出, 不同柴油预喷油量对燃烧影响很大, 随着预喷油量的增多, 最大缸压和峰值放热率均大幅增加, 滞燃期不断缩短, 燃烧速率明显加快, CA50明显提前.增加预喷油量后, 一方面预喷引燃预混合甲醇的能力增大, 更多的柴油、甲醇和空气的混合气在压缩行程被压缩, 参与放热的燃料量增加, 使缸内温度升高, 从而改善主喷柴油的蒸发雾化效果(危红媛等, 2018)；另一方面, 高EGR率下预喷柴油的滞燃期较长, 与甲醇混合气混合效果较好, 极大地提高了甲醇预混合气的活性, 且主喷燃油减少, 所以缸内燃料的化学反应动力学对燃烧控制的作用明显加强, 促进了预混合气在主喷喷油之前的压燃燃烧.二者都使主喷燃油滞燃期明显缩短, 燃烧速率加快, CA50更加接近上止点, 燃烧的定容度增加, 这有利于提高有效热效率.可以看出预喷油量对燃烧特性的影响主要是通过影响主喷柴油和缸内燃料化学反应动力学对控制燃烧相位的比重实现的.由于大负荷工况下缸内温度和甲醇当量比较高, 为避免爆发压力和压力升高率超限, 本试验采用的主喷时刻较晚(0℃A BTDC).

值得注意的一个现象是, 在放热率曲线上并没有看到明显的预喷柴油的先导放热峰, 这是由于在高EGR率和高甲醇能量比下, 滞燃期延长, 预喷柴油与甲醇混合气经过充分混合, 明显提高了甲醇混合气的活性.随着预喷油量的增加, 在主喷喷油之前, 预喷柴油已经开始预混合压燃燃烧, 并引燃部分甲醇混合气.当主喷柴油喷入时, 缸内发生扩散燃烧, 其火焰锋面快速引燃未燃的甲醇混合气, 由于燃烧速度很快, 所以放热率呈现出单峰放热过程.

从图 2c中可以看出, 爆发压力随预喷油量的增加逐渐增大, 这与前述结果一致, 而压力升高率在初始阶段(1.5~3 mg · cyc^-1)随预喷油量的增加略微减小, 这是由于在此阶段内随预喷油量的增加, 起引燃作用的柴油/空气预混合气的总量减少, 以预混柴油为主导的放热率和压力升高率减小(赵国锋等, 2020).另一方面, 预喷的柴油更多的分布在甲醇空气混合气中, 提高了混合气的活性, 使主喷燃油滞燃期缩短, 燃烧速率提高, 因此, 以甲醇预混燃烧为主导的放热率和压力升高率增大.二者的综合作用使最大压升率略微减小.当每循环预喷油量超过3 mg · cyc^-1后, 压力升高率开始随预喷油量的增加迅速增大, 这时预混合气的温度和活性均大幅提高, 且随着滞燃期的进一步缩短, 主喷柴油预混合燃烧和甲醇预混合气的燃烧间隔更接近于零, 并且峰值放热率以甲醇多点预混燃烧为主导, 燃烧速率加快, 因此, 最大压力升高率明显增大.

3.1.2 柴油预喷时刻对燃烧特性的影响

图 3为柴油预喷时刻对燃烧特性的影响.由图可知, 预喷时刻对燃烧特性的影响不如预喷油量明显.总体来看, 当预喷时刻在35~59℃A BTDC范围时, 提前预喷会使滞燃期和燃烧持续期略有延长, CA50略有推迟.这是因为随着预喷时刻的提前, 燃油与空气混合更加充分, 主喷油束周围的当量比降低, 导致着火时刻推迟, 燃烧速率变慢.如果喷油时刻提前到59~69℃A BTDC范围时, 着火时刻将略有提前, 燃烧速率略有增加.这是因为此时预喷柴油与甲醇空气混合气已经充分混合, 进一步提前预喷时刻对缸内混合气的混合程度影响不大, 反而可能会产生湿壁效应(马帅营, 2013), 预喷的部分燃油进入发动机机油中, 未能参与燃烧, 导致扭矩降低, 而测功系统PID调节作用使发动机主喷油量增加, 着火时刻略微提前, 燃烧速率有所加快.

图 3a中的放热率曲线仍为单峰放热形式.这是由于采用高EGR率和高甲醇能量比时, 预喷燃油的燃烧放热反应被抑制, 并且主喷时刻较早(14℃A BTDC), 柴油滞燃期较长, 柴油与预混甲醇空气混合气有充分时间混合, 局部当量比降低, 当柴油开始着火时, 预混柴油周围的甲醇均质混合气也开始着火, 因此, 放热率曲线呈现单峰快速放热形态, 该种燃烧模式接近于RCCI燃烧模式(Reitz et al., 2015).从图 3b中可以看出该模式燃烧持续期较短, 可以有效减少散热损失, 提高热效率.

从图 3c中可以看出, 爆发压力P_max随预喷时刻的提前先减小后增大, 这与图 3a中的结果一致, 最大压力升高率R_max的变化趋势与爆发压力也相同.当预喷时刻在35~59℃A BTDC范围时, P_max和R_max对预喷时刻非常敏感, 因为随着预喷时刻的提前, 预喷燃油与甲醇空气混合气的混合时间更加充分, 局部浓混合气的浓度有所降低, 燃烧速率减小, CA50逐渐推迟, 因此P_max与R_max降低.当预喷时刻提前到59~69℃A BTDC时, P_max和R_max随预喷时刻提前又有所上升, 说明这时预喷燃油与混合气的混合已经非常充分, 预喷时刻过于提前可能会造成一定程度的“湿壁效应”, 这时测控系统控制主喷油量增加, P_max和R_max升高.

3.2 发动机性能

图 4为柴油预喷油量对发动机性能的影响结果.由图可知, 燃烧效率和有效热效率均随预喷油量的提高显著上升.当预喷油量从1.5 mg · cyc^-1(占循环总喷油量8%)增加到7.5 mg · cyc^-1(占循环总喷油量48%)时, 有效热效率从35.6%增加到41.2%, 所以调整预喷油量对于控制进气喷醇柴油机大负荷的燃烧过程, 进而提高热效率具有重要作用.出现这一现象的主要原因是大负荷下缸内温度较高及引燃油量越来越多, 甲醇空气混合气的活性显著增强, 滞燃期和燃烧持续期明显缩短, 燃烧等容度提高, 散热损失大幅减少, 因此, 燃烧效率和有效热效率升高.随着预喷油量的逐渐增多, 主喷油量不断减少, 缸内燃烧模式逐渐从主喷柴油引燃甲醇混合气向预混合压燃转变, 燃烧控制方式逐渐从柴油浓度分层控制转向缸内燃料的化学反应动力学与混合气分层协同控制, 并且燃料的化学反应动力学逐渐成为控制燃烧的主要因素.

从图 4b中还可以看出, 随预喷油量的变化循环变动率COV_IMEP均低于限值5%, 这是因为大负荷下缸内温度和甲醇当量比非常高, 已经接近其着火条件, 此时预喷油量的增加会进一步提高甲醇空气与混合气的活性, 燃料燃烧速度加快, 燃料化学活性控制燃烧的作用增强, 虽然着火相位大幅提前, 但缸内整体上存在粗暴燃烧和甲醇自燃的倾向, 燃烧较为稳定, 因此COV_IMEP变动不大.

柴油预喷时刻对发动机性能的影响如图 5所示.同样, 预喷时刻对发动机性能的影响不如预喷油量显著.当预喷时刻从35℃A BTDC提前至69℃A BTDC时, 燃烧效率小幅提升, 但有效热效率基本不变.这是因为大负荷下缸内温度高, 预喷柴油的蒸发雾化效果好, 与甲醇混合气的混合速度较快, 有利于改善燃烧, 而在超过某一混合时间后, 进一步提前预喷时刻对混合气的浓度分布影响不大, 反而由于CA50推迟和燃烧速率变慢会使得传热损失增加, BTE略有降低.当预喷时刻过于提前时, 缸内温度和密度低, 预喷燃油的喷雾贯穿距长, 可能撞击到缸套壁面, 同时过长的混合时间使混合气的浓度分层减弱, 降低燃烧效率.整体上预喷时刻的提前几乎没有对COV_IMEP产生明显影响, 原因是柴油预喷时刻的大幅提前虽然会导致局部柴油混合气过稀, 着火点减少, 但大负荷下缸内温度和甲醇当量比较高, 并不会对着火相位产生明显的影响, 也不会使发动机出现失火的可能.

综上可知, 大负荷下柴油的预喷时刻选择应考虑两个问题：①预喷时刻过晚会导致预喷柴油的混合不充分, 局部区域过浓会造成燃烧较差, 效率不高；②预喷时刻过早可能会造成“湿壁效应”, 机油稀释, 油耗升高.就本试验而言, 预喷时刻在55~60℃A BTDC可以获得稳定的燃烧和较高的热效率.

3.3 排放特性

图 6为柴油预喷油量对排放特性的影响.从图中可以看出, 随着预喷油量从1.5 mg · cyc^-1增加到7.5 mg · cyc^-1, NO_x比排放增加95%, PM比排放降低50%.当预喷油量超过6 mg · cyc^-1(占循环总喷油量36%)时, NO_x排放明显升高, 这主要是由于更多的预喷柴油分布在甲醇空气混合气中, 混合气的活性提高, 滞燃期缩短, 燃烧速率加快, CA50提前, 最大爆发压力和峰值放热率均大幅增加, 造成短时间内缸内温度和压力急剧升高, 破坏了氮气中的氮氮键, 并与氧结合而生成了大量的NO_x.此时虽然燃烧持续期较短, 但温度的升高对促进NO_x的生成作用更加显著.在预喷油量增加到6 mg · cyc^-1左右时, PM比排放已经降低到本试验条件下的最低值(50 mg · kWh^-1), 继续增加预喷油量, PM排放不再变化.这是因为随着预喷燃油的增多, 主喷燃油比例降低, 更多的燃油在缸内与甲醇空气形成均匀的预混合气, 预混燃烧比例增加, 此时PM主要来自于主喷柴油喷雾混合控制的燃烧过程, 所以PM排放呈降低的趋势.随着预喷油量的进一步增加, 滞燃期继续缩短, 造成主喷燃油的混合时间减少, 扩散燃烧比例增加, 所以综合来看PM排放基本保持不变.值得注意的是, 本试验条件下PM比排放没有达到法规的要求(10 mg · kWh^-1), 这是因为试验时在保证大负荷R_max满足要求的前提下, 为了在更大范围内调整预喷油量, 采用了较晚的主喷时刻(0℃A BTDC), 从而导致主喷燃油的混合时间较短.这一问题可通过适当提前主喷时刻来解决.

CO和THC排放随预喷油量的增加分别下降61%和29%.当柴油机采用进气喷醇时CO的排放机理较为复杂, 几乎涉及到柴油和甲醇的所有燃烧路径, 主要受空燃比和缸内燃烧温度的限制.THC主要由于失火、壁面淬熄、在燃烧室缝隙中的未燃燃料及湿壁效应生成；此外, 气门重叠期间的扫气作用和甲醇的高汽化潜热作用也会增加THC的排放.柴油机进气喷醇使甲醇空气混合气在缸内停留时间较长, 不可避免地进入燃烧室缝隙中, 难以完全燃烧, 造成THC排放偏高.本试验中大负荷缸内温度高, 甲醇的汽化冷却作用减弱.随着预喷油量的增加, 燃烧时刻提前, 峰值放热率和缸内温度不断升高, 促进了部分CO和THC的氧化.

柴油预喷时刻对排放特性的影响如图 7所示.随着预喷时刻的提前, NO_x排放逐渐降低, THC排放略有升高, CO和PM排放均呈现先降低后基本保持不变的趋势.由此可见, 采用进气喷醇可以打破传统柴油机NO_x和PM此消彼长(trade-off)的关系, 实现“双降”, 其数值都达到国Ⅵ排放限值的要求.前面已经提到, 当预喷时刻较晚时, 提前预喷会改善预喷柴油与甲醇空气混合气的混合, 减少缸内局部燃料浓度过大的区域, 这会显著降低CO和PM的排放, 同时NO_x排放也降低.在预喷时刻较早时, 继续提前喷油, CO和PM的排放基本不变, 因为此时预喷柴油的混合已经非常充分, 基本消除了局部过浓区域.如果在本试验边界上进一步提前预喷时刻, 过长的混合时间将导致柴油空气混合气太稀而不易着火, 燃烧恶化, CO和THC的排放将大幅增加.本试验预喷时刻较早, 预喷柴油无法着火, 喷雾碰壁的柴油量增多是THC排放逐渐增加的主要原因.

4 结论(Conclusions)

1) 在大负荷下采用高EGR率和高进气甲醇喷射量时, 柴油预喷参数的变化并没有改变柴油机放热率曲线的单峰放热特征.此时预喷柴油与甲醇空气混合的时间较长, 可有效提高甲醇混合气的活性, 从而有利于提高燃烧效率.

2) 柴油预喷油量对控制燃烧相位的效果显著.增加预喷油量(1.5~7.5 mg · cyc^-1), 柴油滞燃期明显缩短, CA50提前, 燃烧速率增大, BTE可提高6%左右, P_max和R_max明显增大, PM、CO和THC比排放分别降低50%、61%和29%.而预喷油量超过6 mg · cyc^-1时, NO_x比排放恶化, 因此, 预喷油量不宜太大.

3) 当预喷时刻在35~59℃A BTDC范围时, 提前预喷会使滞燃期和燃烧持续期略有增长, CA50略有推迟, P_max和R_max有所减小, NO_x、CO和PM比排放均降低.如果预喷时刻提前到59~69℃A BTDC, 会进一步降低NO_x, 而PM和CO排放基本不变, 表明柴油局部过浓区已基本消除, 但过早预喷会使THC排放明显增加.

4) 采用进气预喷甲醇并合理优化预喷参数, 同时结合高比例EGR可以使发动机的主要排放物(NO_x和PM)在无尿素后处理条件下满足国Ⅵ排放法规要求.