陳明澍，喬信起，李鵬飛

（上海交通大學 動力機械及工程教育部重點實驗室，上海200240）

摻混比例和預噴定時對二甲醚-乙醇發(fā)動機燃燒和排放的影響

陳明澍，喬信起，李鵬飛

（上海交通大學 動力機械及工程教育部重點實驗室，上海200240）

針對一臺電控共軌二甲醚發(fā)動機，研究了乙醇摻混比例和預噴定時對發(fā)動機燃燒及排放的影響。結(jié)果表明，采用預噴策略后，混合氣放熱模式由單階段放熱轉(zhuǎn)變?yōu)閮呻A段放熱，主噴定時對缸內(nèi)燃燒規(guī)律影響明顯變?nèi)?。隨著預噴定時的提前，放熱模式由兩階段轉(zhuǎn)變?yōu)槿A段，NOx排放顯著降低，CO和HC排放逐漸升高。最大壓力升高率在預主噴間隔角為20 °CA時，由預噴燃料燃燒引起，而預噴定時提前后主要由主噴燃料燃燒引起。相同預噴定時工況下，隨著乙醇摻混比例的增加，預噴燃料的放熱峰值降低，放熱始點延后；NOx排放降低，CO和HC排放增大。

二甲醚發(fā)動機；乙醇；摻混比例；預噴定時；燃燒；排放

二甲醚因其具有來源廣、成本低、自含氧、十六烷值高、無煙燃燒等特點，作為適用于壓燃式內(nèi)燃機的清潔替代燃料受到國內(nèi)外關注［1-3］。二甲醚發(fā)動機控制排放時，如采用燃料多段噴射和廢氣再循環(huán)，就無需考慮NOx和碳煙的權衡關系［4-5］。國內(nèi)外已開發(fā)了電控共軌二甲醚發(fā)動機，考慮到二甲醚密度和低熱值都低，需在柴油噴嘴的基礎上大幅增大噴嘴流通面積，這增加了噴嘴設計和加工的難度［6］。此外，因蒸氣壓高，為避免氣阻，二甲醚進入高壓泵前需將低壓泵增壓至約1.4 MPa。乙醇十六烷值低，適合在點燃式內(nèi)燃機上應用，但熱效率遠低于壓燃式內(nèi)燃機［7-8］。若將乙醇摻混到二甲醚中形成混合燃料，則既可因乙醇密度和氣化潛熱高、蒸氣壓低而降低燃料的蒸氣壓和體積噴射量，又可高效利用乙醇。

CIPOLAT等［9］在壓燃式發(fā)動機上研究進氣道噴射的二甲醚、缸內(nèi)噴射的乙醇形成的混合燃料的燃燒和排放，包括燃料噴射參數(shù)的影響，實現(xiàn)了重心接近上止點的燃燒和高熱效率，而HC和NOx排放均低于同一柴油機，但這需要兩套燃料系統(tǒng)。SHIBATA等［10］探究了水、甲醇、乙醇等著火抑制劑對二甲醚均質(zhì)充量壓縮著火（Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI）的影響及功率拓展的效果，結(jié)果表明，乙醇對著火控制效果最為顯著；采用著火抑制劑，二甲醚HCCI發(fā)動機可在較寬的工作范圍實現(xiàn)超低NOx排放和無煙燃燒，但其HC和CO排放過高。

總之，二甲醚與乙醇混合，可取長補短。有關噴射策略特別是預噴定時對二甲醚-乙醇混合燃料發(fā)動機影響的研究很少。因此，在一臺由柴油機改造而成的適合液化氣類燃料特性的電控共軌、增壓中冷車用發(fā)動機上，在不同主噴定時工況下，研究乙醇摻混比例和預噴定時對二甲醚-乙醇混合燃料燃燒和排放的影響。

1 二甲醚-乙醇發(fā)動機燃燒和排放試驗裝置與試驗方法

二甲醚-乙醇發(fā)動機燃燒和排放試驗臺架如圖1所示。試驗用電控增壓二甲醚發(fā)動機為直列、六缸、增壓、中冷式，缸徑105 mm，行程120 mm，總排量6.32 L，壓縮比18，噴油器噴孔數(shù)7，孔徑0.28 mm。缸壓通過Kistler 6052C壓電式壓力傳感器、Kistler 5015A電荷放大器和燃燒分析儀以0.5 °CA曲軸轉(zhuǎn)角的分辨率連續(xù)采集200個循環(huán)并存貯，將測量的缸壓數(shù)據(jù)取平均值，然后利用零維燃燒模型來計算放熱率（Heat Release Rate，HRR）。用AVL CEBII排氣分析儀測試CO、HC和NOx等氣體排放。進氣流量由ABB Sensyf l ow FMT700-P空氣流量傳感器測得。

圖1 二甲醚-乙醇發(fā)動機燃燒和排放試驗臺架

試驗燃料包括純二甲醚和不同摻混比例的二甲醚-乙醇混合燃料。將摻混0%、5%、10%和15%（按質(zhì)量計）乙醇的混合燃料分別命名為E0、E5、E10和E15。二甲醚和乙醇的理化特性見表1。為抑制二甲醚粘度低造成的燃料系統(tǒng)磨損，向燃料中加入千分之一體積比的潤滑添加劑HIRI783。發(fā)動機試驗工況：轉(zhuǎn)速為1 570 r/min，平均有效壓力BMEP為0.4 MPa，軌壓為55 MPa。通過電腦控制燃料噴射策略并由電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU）實現(xiàn)，主噴時刻SOImain為7 °CA BTDC和-2 °CA BTDC，每循環(huán)預噴量為10 mm3/cyc，預主噴間隔角Intervalpilot-main為0～60 °CA，間隔為10 °CA。

表1 二甲醚和乙醇主要物理化學特性

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 摻混比例和預噴定時對燃燒特性的影響

預主噴間隔角Intervalpilot-main為0 °CA（無預噴）、20 °CA、40 °CA、60 °CA時，摻混比例對缸壓和放熱率的影響如圖2所示。由圖可知，當Intervalpilot-main= 0 °CA時，混合氣燃燒表現(xiàn)為單峰放熱。當Intervalpilot-main=20 °CA時，混合氣燃燒表現(xiàn)為明顯的兩階段雙峰放熱，第一階段由預噴燃料引起，第二階段由主噴燃料引起。當Intervalpilot-main增大至40 °CA時，混合氣燃燒表現(xiàn)為三階段三峰放熱，前兩階段分別由預噴燃料低溫反應和高溫反應引起，第三階段為主噴燃料的擴散燃燒。當Intervalpilot-main進一步增大至60 °CA時，缸內(nèi)燃燒仍呈三階段三峰放熱。可見，在主噴定時不變的條件下，隨著Intervalpilot-main的增大，缸內(nèi)燃燒規(guī)律發(fā)生改變，即預噴燃料的放熱峰值降低，相應的持續(xù)期變長，因為缸內(nèi)溫度降低，滯燃期變長，混合氣變稀，導致低溫氧化反應變慢；預噴燃料放熱始點提前，但提前幅度遠小于Intervalpilot-main的增大幅度；主噴燃料的放熱峰值稍微增加，但相位基本維持在6.5 °CA ATDC（SOImain為7 °CA BTDC）或15.5°CA ATDC（SOImain為-2 °CA BTDC）不變；缸壓曲線型式不變，但峰值和相位改變。隨著乙醇摻混比例的增加，預噴燃料的放熱峰值升高，放熱始點延后，而主噴燃料放熱規(guī)律的變化與主噴時刻SOImain有關。當SOImain為7 °CA BTDC時，主噴燃料的放熱峰值和放熱始點不隨乙醇摻混比例而變化；當SOImain為-2 °CA BTDC時，主噴燃料的放熱峰值隨乙醇摻混比例而增加，放熱始點則延后。 當主噴時刻SOImain由7 °CA BTDC推遲到-2 °CA BTDC時，在沒有預噴（Intervalpilot-main= 0 °CA）的情況下，缸內(nèi)燃燒規(guī)律變化明顯，即缸壓曲線由單峰變?yōu)殡p峰，且峰值降低，其中第一個峰值為活塞至上止點引起，第二個峰值為缸內(nèi)燃燒引起；放熱峰值增大，且不同燃料放熱峰值相位有明顯差異。此外，不同乙醇摻混比例下缸內(nèi)燃燒規(guī)律差異較大。采用預噴策略后，即Intervalpilot-main=20 °CA、40 °CA、60 °CA時，缸內(nèi)燃燒規(guī)律變化較?。焊讐呵€都為單峰，且峰值降低；預噴燃料與主噴燃料的放熱始點延后，且主噴燃料的放熱峰值降低。由此說明，采用預噴策略后能擴展主噴時刻范圍。

圖2 摻混比例和預噴定時對缸壓和放熱率的影響

圖3 乙醇摻混比例和噴油正時對滯燃期、CA50和燃燒持續(xù)期的影響

為作比較，圖3給出無預噴時，摻混比例和噴射定時對滯燃期、CA50和燃燒持續(xù)期的影響。由圖3a可知，隨著乙醇摻混比例的增大，混合燃料滯燃期依次增大，且隨著主噴時刻的推遲，滯燃期的增加幅度越大。這是因為乙醇十六烷值低，滯燃期較長；缸內(nèi)溫度隨著主噴時刻的推遲而降低，促進了乙醇延長滯燃期的作用。滯燃期的增加使空氣和燃料有更多的時間混合，導致預混燃燒比例增大。因此，隨著乙醇摻混比例的增大和主噴時刻的推遲，燃燒將向預混燃燒模式發(fā)展。由圖3b可知，乙醇摻混比例對CA50影響較小，而主噴時刻推遲也使CA50推遲，兩者推遲角度相近。比較圖3a和b可知，乙醇對燃燒相位的影響小于滯燃期，這意味著隨著乙醇摻混比例的增大，燃燒持續(xù)期變短，且隨著主噴時刻的推遲減小幅度越大。

乙醇摻混比例和Intervalpilot-main對峰值壓力、壓力升高率及其對應曲軸相位的影響如圖4所示。由圖可知，當SOImain=7 °CA BTDC時，隨著Intervalpilot-main的增大，峰值壓力變化規(guī)律較不明顯；當Intervalpilot-main為40 °CA時，峰值壓力最低，與無預噴時基本相當，最大壓力升高率也處于最低值。無論是否加預噴，峰值壓力所處曲軸轉(zhuǎn)角都在主噴燃料燃燒之后，這說明在預噴和主噴相疊加的作用下，峰值壓力達到峰值。由最大壓力升高率所處曲軸相位可知，最大壓力升高率在Intervalpilot-main為20 °CA時，由預噴燃料燃燒引起，在其它Intervalpilot-main下，主噴燃料燃燒為主要影響因素。這是因為當Intervalpilot-main為20 °CA時，一方面預噴燃料燃燒接近上止點，活塞上行導致缸壓迅速累積，而主噴燃料放熱卻主要發(fā)生在上止點后，此時活塞下行導致缸壓有所降低，所以預噴燃料燃燒更容易引起壓力的快速上升；另一方面，預噴燃料放熱導致缸內(nèi)溫度升高，從而縮短了主噴燃料的滯燃期，增加了擴散燃燒的比例，擴散燃燒由于邊擴散邊燃燒，導致燃燒速率降低，從而主噴對壓力升高率的影響被減弱。隨著Intervalpilot-main的增大，預噴燃料燃燒遠離上止點，對壓力升高率和主噴燃料燃燒的影響漸漸減弱。Intervalpilot-main從0 °CA增至20 °CA（即從無預噴到有預噴），E0、E5、E10的最大壓力升高率增大，而E15減小。增大 Intervalpilot-main，所有燃料的最大壓力升高率先迅速下降后小幅變化。這可能是因為，無預噴時，乙醇的低十六烷值和高汽化潛熱導致E15的預混燃燒比例最高，壓力升高率最大，所以Intervalpilot-main為20 °CA時預噴對其的影響最為顯著。

圖4 摻混比例和預噴定時對峰值壓力、壓力升高率及對應曲軸相位的影響

2.2 摻混比例和預噴定時對排放特性的影響

圖5、圖6、圖7分別為摻混比例和Intervalpilot-main對NOx、CO和HC排放的影響。由圖可知，相較于無預噴工況，Intervalpilot-main為20 °CA時，預噴對NOx排放并無改善，對CO和HC排放影響也不大。當Intervalpilot-main從20 °CA增至40 °CA時，即發(fā)動機從兩階段燃燒放熱模式向三階段燃燒模式轉(zhuǎn)變時，NOx排放急劇下降，CO排放顯著上升，HC排放小幅上升。當Intervalpilot-main從40 °CA增至60 °CA時，NOx排放幾乎不變，HC排放顯著上升，CO排放升高幅度相對較小。這是因為隨著Intervalpilot-main的增大，由于缸內(nèi)溫度較低，預噴燃料滯燃期長，預噴燃料可以形成良好的均勻稀薄混合氣，此時其燃燒屬于低溫預混合燃燒，所以NOx排放會顯著降低。又由于低溫預混合燃燒反應速率主要受化學反應動力學速率控制，導致預噴定時過早并不會使預混合氣的組分、濃度、溫度和壓力等參數(shù)顯著變小，所以預噴定時進一步提前對改善NOx排放效果有限。此外，由于預噴定時提前，預噴燃料有更長的時間與空氣混合，可形成更多的稀薄預混合氣。這些稀薄預混合氣擴散到活塞環(huán)縫隙、氣缸壁等低溫處，無法完全燃燒，同時噴射較早，缸壓較低，噴霧的貫穿距較短，噴霧錐角較大，容易出現(xiàn)濕壁現(xiàn)象。這些都會造成CO和HC排放的上升。在主噴時刻為-2 °CA BTDC時，采用預噴，E15的HC和CO排放先出現(xiàn)大幅下降。這是因為無預噴時，E15后燃嚴重造成HC和CO排放大幅上升，而此處的下降則表明，采用預噴，使E15的燃燒提前，燃燒更穩(wěn)定，即預噴可用于拓展推遲主噴策略的適用范圍。

由圖還可知，隨著燃料中乙醇摻混比例的增大，NOx排放量減少，這是因為乙醇較高的汽化潛熱與低十六烷值導致缸內(nèi)燃燒溫度較低；而CO和HC的排放隨乙醇摻混比例的增大而增大，其原因是，相較二甲醚，乙醇的飽和蒸氣壓較低，粘度較高，導致混合燃料霧化效果較差，燃燒不夠充分。

圖5 摻混比例和預噴定時對NOx排放的影響

圖6 摻混比例和預噴定時對COx排放的影響

圖7 摻混比例和預噴定時對HC排放的影響

3 結(jié)論

（1）采用預噴策略后，混合氣由無預噴時的單階段放熱轉(zhuǎn)變?yōu)閮呻A段放熱，主噴定時對缸內(nèi)燃燒規(guī)律影響明顯變?nèi)酢ｋS著預噴定時的提前，混合氣由兩階段燃燒放熱模式轉(zhuǎn)變?yōu)槿A段燃燒放熱模式，預噴燃料的放熱峰值降低，相應的持續(xù)期變長；NOx排放顯著降低，而CO和HC排放逐漸升高。

（2）隨著預噴定時的提前，缸壓曲線型式不變，但峰值和相位發(fā)生改變。最大壓力升高率在預主噴間隔角為20°CA時由預噴燃料燃燒引起，而增大預主噴間隔角后主要由主噴燃料燃燒引起。

（3）無預噴時，隨著乙醇摻混比例的增大，混合燃料滯燃期依次增大，且隨著主噴時刻的推遲，滯燃期的增加幅度越大；CA50變化較??；燃燒持續(xù)期變短，且隨著主噴時刻的推遲減小幅度越大。

（4）在相同預噴定時工況下，隨著乙醇摻混比例的增加，預噴燃料的放熱峰值降低，放熱始點延后；NOx排放降低，CO和HC排放增大。

（5）研究結(jié)果顯示，在乙醇摻混比例為5%～10%之間和預噴定時為30～40 °CA之間時，用于本研究的發(fā)動機可以獲得較好的排放性能。

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作者介紹

責任作者：陳明澍（1991-），男，福建龍巖人。碩士，主要研究方向為二甲醚發(fā)動機燃燒與排放。

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

喬信起（1963-），男，山東萊陽人。博士，教授，主要從事內(nèi)燃機噴霧、燃燒與排放控制研究。

2017-02-17 改稿日期：2017-02-20

國家自然科學基金（91441124）；上海浦江計劃項目（11PJD014）；浙江省科技計劃項目（2014C31033）

陳明澍，喬信起，李鵬飛. 摻混比例和預噴定時對二甲醚-乙醇發(fā)動機燃燒和排放的影響［J］. 汽車工程學報，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

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