韓偉強，李博侖，董 超，潘鎖柱，李 鑫

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不同噴油定時乙醇/柴油RCCI低負荷燃燒與排放特性

韓偉強1,2，李博侖1,2，董 超3，潘鎖柱1,2※，李 鑫1,2

（1. 流體及動力機械教育部重點實驗室（西華大學(xué)），成都 610039； 2.汽車測控與安全四川省重點實驗室（西華大學(xué)），成都 610039； 3. 國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，襄陽 441004）

在總循環(huán)能量與乙醇能量替代比不變的條件下，研究了不同柴油噴油定時（start of injection, SOI）下乙醇/柴油活性控制壓燃（reactivity controlled compression ignition, RCCI）六缸增壓柴油機低負荷的燃燒與排放特性。結(jié)果表明，隨著SOI的提前，RCCI冷焰反應(yīng)相位提前，高溫放熱的瞬時放熱率峰值先增大后減小，滯燃期逐漸增大，缸內(nèi)燃燒溫度逐漸增加，燃燒重心先提前后推遲。傳統(tǒng)燃燒模式（conventional combustion mode, CCM）與RCCI的燃燒特性差異隨著SOI的提前而增大。與CCM相比，RCCI的NOx排放的減少量隨著SOI的提前而增加，HC與CO排放的增加量隨著SOI的提前而減少。隨著SOI的提前，粗態(tài)（>273.8～1 000 nm）顆粒物質(zhì)量分數(shù)從84.09%減小到32.87%。聚集態(tài)（>13.3～273.8 nm）顆粒物質(zhì)量分數(shù)從15.88%增加到66.36%。與CCM相比，RCCI的顆粒物排放的數(shù)量濃度較少，尤其是核態(tài)顆粒物；但RCCI顆粒物排放質(zhì)量濃度較高。

柴油機；燃燒；排放控制；噴油定時；活性控制壓燃；乙醇；顆粒物

0 引 言

均質(zhì)壓燃（homogeneous charge compression ignition，HCCI）發(fā)動機在低負荷時（如平均有效壓力（brake mean effective pressure，BMEP）<0.2 MPa），適宜采用活性較高的燃料（十六烷值≈45）來改善燃燒。而負荷增加時，為了減緩化學(xué)反應(yīng)速度并推遲著火，需要降低燃料活性，從而拓展HCCI發(fā)動機負荷（可達1.6 MPa）[1-2]?；诖耍瑢W(xué)者們提出了活性控制壓燃（reactivity controlled compression ignition, RCCI）的燃燒模式。RCCI能夠在燃燒前使缸內(nèi)混合氣形成活性分層[3]。通過控制缸內(nèi)混合氣的活性分層來達到缸內(nèi)燃燒過程的可控。從而達到當(dāng)量比分層梯度，燃燒相位，燃燒溫度和壓力升高率的可控[4]。與傳統(tǒng)柴油燃燒相比，RCCI燃燒溫度較低，從而使NOx排放量降低[5-6]；并且，RCCI燃燒的滯燃期較長，柴油混合時間增加以及低活性燃料的預(yù)混使缸內(nèi)局部濃區(qū)較少，從而減少了碳煙的排放[5]。

盡管RCCI在控制燃燒相位與降低壓力升高率等方面具有明顯優(yōu)勢，但RCCI燃燒在低負荷時HC和CO排放較高[7-10]。這主要是因為大量低活性燃料擴散到了狹縫等低溫區(qū)域，并且低負荷下RCCI燃燒溫度較低[11]。低負荷時，RCCI燃燒還具有滯燃期較長，柴油噴射初始溫度較低等特點。滯燃期與柴油噴射初始溫度都對缸內(nèi)活性分層有很大影響。

生物乙醇是一種前景廣闊的可再生能源[12]，其含氧量高達34.8%[13-14]，有利于燃燒的改善。生物乙醇是一種碳中性燃料。乙醇汽化潛熱較高，有利于降低新鮮充量的溫度。因此，目前乙醇廣泛應(yīng)用于RCCI發(fā)動機上[15]。I?ik等[16]以乙醇作為低活性燃料進行了RCCI燃燒試驗研究，研究得出隨著乙醇預(yù)混比的增加，燃燒速度加快，散熱量減少，累計放熱量增加；隨著乙醇預(yù)混比例的增加，柴油噴射量減少，滯燃期增加，碳煙排放減少。另外由于乙醇汽化潛熱較大，隨著乙醇預(yù)混比例的增加，缸內(nèi)燃燒溫度降低，NOx排放降低。乙醇/柴油的RCCI燃燒在實現(xiàn)NOx排放大幅降低的同時，實現(xiàn)了高熱效率[17]。由此看出，乙醇在RCCI燃燒低負荷拓展方面展現(xiàn)出很大潛力。但乙醇汽化潛熱較大，在低負荷會大幅降低新鮮充量的溫度，引起燃燒效率降低，使HC和CO排放增加。

高活性燃料的柴油噴油定時（start of injection, SOI）對RCCI燃燒的活性分層有很大影響，從而很大程度地影響到整個燃燒過程。很多學(xué)者研究了SOI對RCCI燃燒和排放特性的影響。Zheng等[18]以乙醇為低活性燃料進行了研究了SOI對RCCI排放的影響。SOI為?4～?14 °CA ATDC。研究得出，隨著SOI的提前，NOx排放逐漸增大，THC和CO排放逐漸增加，soot排放逐漸減小。Wang等[19]在SOI為?15～?75 °CA ATDC的條件下，研究了不同高活性燃料的十六烷值對RCCI排放的影響。

綜上所述，乙醇在RCCI燃燒上的應(yīng)用以及SOI對RCCI燃燒排放的影響得到了廣泛研究，但是未能得出SOI對以乙醇為低活性燃料的RCCI燃燒和排放的完整影響規(guī)律。SOI對RCCI燃燒的顆粒物排放特性的研究較少，并且在超低負荷（BMEP≈0.1 MPa）工況下的對RCCI燃燒的研究較少。本文基于一臺六缸重型柴油機，在BMEP≈0.1 MPa的超低負荷下探討了不同SOI（?6～?40 °CA ATDC）下乙醇/柴油RCCI低負荷的燃燒與排放特性，詳細分析了噴油定時對乙醇/柴油RCCI燃燒的瞬時放熱率、燃燒相位和燃燒溫度等燃燒狀態(tài)參數(shù)，以及NOx、HC、CO和顆粒物的較完整的影響規(guī)律，并對比了RCCI燃燒以及CCM燃燒的燃燒狀態(tài)以及排放水平。

1 設(shè)備與方案

1.1 發(fā)動機參數(shù)

文章基于一臺六缸四沖程渦輪增壓柴油發(fā)動機進行研究。該發(fā)動機的具體參數(shù)見表1。

表1 柴油機技術(shù)參數(shù)

1.2 燃料與供油系統(tǒng)

為了分析不同SOI對雙燃料燃燒排放的影響。采用進氣歧管噴射低活性燃料乙醇，缸內(nèi)直噴高活性燃料柴油。保持每缸每循環(huán)總輸入能量為1 281 J。乙醇能量替代比為40%。燃料物理化學(xué)性質(zhì)如表2所示。

表2 燃料性質(zhì)

1.3 數(shù)據(jù)測量與采集系統(tǒng)

圖1為六缸重型柴油機試驗測試平臺示意圖，由圖1可知，該平臺主要包括試驗發(fā)動機、試驗測試設(shè)備、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及燃燒分析系統(tǒng)。

1.溫度壓力信號 2.采集卡 3.電腦 4.柴油噴油器 5.空氣濾清器 6.空氣流量計 7.高壓共軌 8.增壓器 9.顆粒物分析儀 10.渦輪機 11. 氣體分析儀 12.柴油油箱 13.油耗儀 14.柴油濾清器 15.缸壓傳感器 16.低活性燃料濾清器 17.低活性燃料油箱 18.背壓控制閥 19.空氣中冷器 20.低活性燃料油軌 21. 進氣口噴油器 22.測功機 23.電子控制單元 24.電荷放大器

如圖1所示，在離排氣口2 m處的位置安裝了尾氣取樣口，利用Horiba-MEXA7100DEGR排放儀測量常規(guī)排放，利用DMS 500 Mk II測量顆粒物的粒徑分布。分別采用CMFD015油耗儀和Toceil20N80熱膜式流量計測量油耗和空氣流量。各個測量設(shè)備與采集設(shè)備精度如表3所示。

表3 測量設(shè)備規(guī)格及精度

試驗中燃燒分析所用的缸壓是由Kistler 6125C缸壓傳感器和Kistler 5011B電荷放大器進行測量并由NI-USB6353采集卡進行采集的。每個工況采集50個循環(huán)的缸壓曲線。采集到的缸壓數(shù)據(jù)經(jīng)由LabVIEW編寫的離線燃燒分析系統(tǒng)來求平均并計算瞬時放熱率和缸內(nèi)平均溫度。瞬時放熱率是根據(jù)熱力學(xué)第一定律計算出來的，氣缸內(nèi)能量守恒由式（1）表示[21-22]。

式中為熱容比，由式（3）表示[23]；為缸壓，MPa；為氣缸容積，m3。

式中c為定壓比熱容，J/(kg·K)；c為定容比熱容，J/(kg·K)。

式中A為燃燒室表面積，m2；h由Woschni模型估算得出；為缸內(nèi)平均溫度，K；T為燃燒室溫度，K；為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，r/min。

缸內(nèi)平均溫度由式（5）表示[21]

式中為氣缸內(nèi)氣體質(zhì)量，kg；為理想氣體常數(shù)。

氣體排放物由MEXA-7100D分析儀進行分析。檢測結(jié)果為氣體質(zhì)量濃度，通過式（6）計算出CO、THC和NOx的質(zhì)量排放量（g/kW·h）[25]

式中表示被測排放物，分別為CO，THC，NOx。g/kW·h表示單位為g/kW·h的排放物的量；C表示被測排放物對應(yīng)的常數(shù)，其中CO=0.000 966，THC=0.000 479，NOx=0.001 587。wet表示單位為1×10-6的排放物的量；EXHW表示發(fā)動機排出的廢氣的平均分子質(zhì)量流量，g/h；表示發(fā)動機功率，kW。

考慮到氣體濕度對NOx生成的影響，需要對MEXA-7100D測量出的NOx值進行修正，修正后[NOx]wet為

式中[NO]為測量出的數(shù)值；k,D為無量綱修正系數(shù)，如式（8）所示[25]。

式中為發(fā)動機進氣濕度；為發(fā)動機進氣溫度，K。

1.4 發(fā)動機運行工況與控制條件

試驗過程中，保持發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。SOI范圍為?6～?40 °CA ATDC。發(fā)動機控制參數(shù)見表4。

表4 發(fā)動機運行條件

注：循環(huán)總能量為發(fā)動機每循環(huán)每缸輸入燃料所含的總能量；預(yù)混比為發(fā)動機輸入乙醇所含能量占總能量的比例。

Note: Cycle total energy is the total energy contained in the fuel injected per cylinder per cycle of the engine. Premixed ratio is the ratio of the energy contained in the ethanol to total energy input into the engine.

2 結(jié)果與分析

2.1 SOI對燃燒的影響

SOI時刻的改變會影響柴油噴入的環(huán)境溫度和壓力，從而影響柴油的混合時間，進而影響缸內(nèi)的當(dāng)量比分層和活性分層，最終影響燃燒過程。

圖2描述了SOI對RCCI燃燒和CCM燃燒的瞬時放熱率和缸壓。由圖可知，RCCI燃燒分為高活性燃燒階段和低活性燃燒階段。噴油定時較提前時還出現(xiàn)了明顯的獨立的冷焰反應(yīng)階段。

注：圖例中數(shù)字的單位為°CA ATDC，下同。

通過分析SOI對RCCI燃燒的冷焰反應(yīng)的影響可知，隨著SOI的提前，冷焰反應(yīng)相位前，冷焰反應(yīng)持續(xù)期增加且放熱率幅值增大。冷焰反應(yīng)是指在溫度高于800 K，低于850 K的環(huán)境內(nèi)[26-27]，大分子的過氧化物離解為幾個自由基，大量自由基引發(fā)鏈分支反應(yīng)迅速進行的放熱反應(yīng)。由此可知，能夠產(chǎn)生獨立明顯的冷焰反應(yīng)放熱的條件是具有足夠多的大分子過氧化物和適當(dāng)?shù)臏囟?。在SOI接近上止點時沒有明顯獨立的冷焰反應(yīng)的原因是：從開始噴油到缸內(nèi)溫度符合冷焰反應(yīng)條件而不符合高溫反應(yīng)條件的時間很短，柴油預(yù)混比例極小，能夠進行冷焰反應(yīng)的過氧化大分子很少。SOI提前到一定程度時，出現(xiàn)明顯的獨立的冷焰反應(yīng)放熱。并隨著SOI的提前，冷焰反應(yīng)階段相位提前，持續(xù)期增長。其主要原因是：隨著SOI的提前，柴油預(yù)混的時間提前，產(chǎn)生過氧化大分子的時刻提前；從開始噴油到缸內(nèi)溫度符合冷焰反應(yīng)條件而不符合高溫反應(yīng)條件的時間增加，預(yù)混比例較大，能夠達到冷焰反應(yīng)的當(dāng)量比條件的柴油量較多，在發(fā)生冷焰反應(yīng)之前產(chǎn)生的過氧化大分子的量增加。

通過分析SOI對RCCI高活性燃燒階段的影響可知，隨著SOI的提前，高活性燃燒階段放熱率峰值先增大后減小。從SOI=?6 °CA ATDC到SOI=?15 °CA ATDC，隨著SOI的提前，高活性燃燒階段的放熱率峰值增加的原因是：隨著SOI的提前，滯燃期增加，如圖3所示，柴油混合時間更長，柴油預(yù)混比例增加，在達到高溫反應(yīng)溫度時缸內(nèi)同時符合著火條件的區(qū)域更多，燃燒更加劇烈。與SOI=?15 °CA ATDC相比，SOI=?24 °CA ATDC的高活性燃燒階段峰值略微降低。主要原因是：SOI提前，滯燃期進一步增加，如圖3中SOI對滯燃期的影響規(guī)律所示，柴油混合時間較長，柴油預(yù)混比例較大，缸內(nèi)活性梯度較低，達到高溫反應(yīng)溫度時，高活性區(qū)域減少。從SOI=?24 °CA ATDC到SOI=?40 °CA ATDC，高活性燃燒階段放熱率峰值大幅減小，主要原因是：SOI提前，滯燃期大幅度增加，柴油混合時間大幅度增加，達到高溫反應(yīng)溫度時的缸內(nèi)活性梯度和當(dāng)量比梯度大幅度降低，高活性區(qū)域大幅減少。

圖3 SOI對滯燃期的影響

通過分析SOI對RCCI低活性燃燒階段的影響可知，隨著SOI的提前，低活性燃燒階段的放熱率幅值逐漸增加。這主要是因為隨著SOI的提前，滯燃期增加，如圖3所示，柴油混合時間增加，活性和當(dāng)量比梯度減小，低當(dāng)量比區(qū)域的柴油增加，活性增加，燃燒速度增大。

通過對比RCCI和CCM的燃燒過程可知，RCCI燃燒放熱率峰值較低。這主要是因為，RCCI燃燒缸內(nèi)總活性較低，燃燒速度較慢。隨著SOI的提前，2種燃燒模式的放熱率峰值差異逐漸增大。這主要是因為，隨著SOI的提前，與CCM相比，RCCI的滯燃期增加幅度較大，柴油量較低，缸內(nèi)高活性區(qū)域大幅減少，燃燒速度大幅降低。與CCM燃燒相比，RCCI燃燒缸壓較低。這主要是因為，與CCM燃燒相比，RCCI燃燒放熱率峰值較低，燃燒相位較接近上止點。

由圖3中SOI對RCCI和CCM滯燃期的影響規(guī)律可知，與CCM燃燒相比，RCCI燃燒滯燃期較長，且隨著SOI的提前，CCM和RCCI燃燒滯燃期差異逐漸增加。這主要是因為RCCI燃燒的柴油噴油量較少，燃燒初期符合燃燒的混合狀態(tài)的柴油較少，RCCI燃燒初始燃燒的柴油量較少。隨著SOI的提前，RCCI燃燒的柴油混合程度增大，與CCM燃燒相比，RCCI燃燒初期局部高活性區(qū)域較少，初始燃燒所需的溫度較大。

圖4描述了SOI對RCCI和CCM的燃燒相位和燃燒持續(xù)期的影響規(guī)律。一般以CA10作為燃燒開始時刻，以CA50作為燃燒重心，以CA90作為燃燒結(jié)束時刻。CA10和CA90之間的時間間隔作為燃燒持續(xù)期。

注：CA10、CA50和CA90分別表示燃燒累積放熱量為總放熱量的10%、50%和90%時對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。

通過對燃燒相位和燃燒持續(xù)期的分析可知，隨著SOI的提前，RCCI燃燒缸內(nèi)著火時刻逐漸提前，燃燒重心先提前后推遲，燃燒持續(xù)期逐漸增大；與CCM燃燒相比，RCCI燃燒相位較遲，且隨著SOI的提前，2種燃燒模式的燃燒相位差異逐漸增大。

圖5描述了SOI對缸內(nèi)平均溫度和累積放熱量的影響。由圖5a中SOI對缸內(nèi)平均溫度的影響可知，隨著SOI的提前，缸內(nèi)平均溫度峰值逐漸增大，而缸內(nèi)平均溫度快速增加部分的溫度先增大后減小。通過將圖5a中缸內(nèi)平均溫度曲線與圖5b中累積放熱量曲線進行對比可知，缸內(nèi)平均溫度增大部分的曲線以及SOI=?24 °CA ATDC與SOI=?40 °CA ATDC的缸內(nèi)平均溫度相等的時刻都與累積放熱量基本一致。由此可知，RCCI燃燒的缸內(nèi)累積放熱量的變化過程對缸內(nèi)平均溫度起決定性作用。

通過對比RCCI和CCM的缸內(nèi)平均溫度曲線可知，RCCI燃燒溫度較低，且高溫持續(xù)期較短。這主要是因為與CCM燃燒相比，RCCI燃燒累計放熱量較小。

圖5 SOI對缸內(nèi)平均溫度和累計放熱量的影響

2.2 SOI對排放的影響

SOI對RCCI燃燒過程有較大影響，因此SOI會對燃燒產(chǎn)物產(chǎn)生較大影響。圖6描述了SOI對RCCI和CCM的主要氣體排放物的影響規(guī)律。

圖6 SOI對主要氣體排放物的影響

由圖6a中SOI對NOx的影響可知，隨著SOI的提前，NOx排放量先增大后減小。SOI=?6～?24°CA ATDC時，隨著SOI提前，NOx逐漸增大。這主要是因為，SOI=?6～?24 °CA ATDC的前期燃燒的速度整體上隨著SOI的提前而增大，前期的高活性燃燒階段結(jié)束時缸內(nèi)高溫區(qū)域隨著SOI的提前而增多[28-30]；并且燃燒結(jié)束時，缸內(nèi)的整體溫度隨著SOI的提前而增大，如圖5所示。與SOI=?24 °CA ATDC相比，SOI=?40 °CA ATDC的NOx排放量急劇下降。這主要是因為：雖然SOI=?40 °CA ATDC的缸內(nèi)平均溫度峰值略大于SOI=?24°CA ATDC，但是SOI=?40 °CA ATDC的活性分層梯度很小，局部高活性區(qū)域很少[29-32]，整體燃燒非常緩慢，局部高溫區(qū)域少，且高溫區(qū)域的溫度較低。

與CCM燃燒相比，RCCI燃燒的NOx排放較低。這主要是因為，與CCM燃燒相比，RCCI燃燒溫度較低，高溫持續(xù)期較短，如圖5所示。隨著SOI的提前，CCM和RCCI燃燒的NOx排放差異逐漸增大。這主要是因為，隨著SOI的提前，CCM和RCCI的燃燒溫度差異逐漸增大。

由圖6b中SOI對HC的影響可知，隨著噴油定時SOI的提前，HC排放量減少。這主要是因為隨著噴油定時的提前，滯燃期增加，柴油混合時間增長，柴油分布區(qū)域增加，初始著火區(qū)域增大[30]，并且低活性區(qū)域減少，火焰?zhèn)鞑プ枇p??；缸內(nèi)燃燒溫度增加，促進HC的氧化。與SOI=?24 °CA ATDC相比，SOI=?40 °CA ATDC的HC排放量只是略微增加。這主要是由于雖然SOI=?40 °CA ATDC時的滯燃期很長，導(dǎo)致柴油大量擴散到火力岸等狹縫中。由于燃燒持續(xù)期很長，缸內(nèi)火焰?zhèn)鞑シ秶鷱V，局部溫度高，且高溫區(qū)域多[28]，致使HC能夠較充分燃燒。在SOI=?6～?33 °CA ATDC時，與CCM燃燒相比，RCCI燃燒的HC排放較高；在SOI=?33～?40 °CA ATDC時，與CCM燃燒相比，RCCI燃燒的HC排放較低。這主要是因為在SOI=?6～?33 °CA ATDC時，與CCM相比，RCCI燃燒溫度較低，高溫持續(xù)期較短。在SOI=?33～?40 °CA ATDC時，與CCM相比，RCCI的燃燒持續(xù)期較長。并且由圖3可知，RCCI燃燒滯燃期較長，RCCI燃燒的柴油蒸發(fā)時間較長，燃燒較良好。

由圖6c中SOI對CO的影響可知，隨著SOI的提前，RCCI燃燒的CO排放量先小幅度減小后大幅度增加。從SOI=?6 °CA ATDC到SOI=?24 °CA ATDC，CO排放量減小的原因是缸內(nèi)燃燒溫度增加。并且，滯燃期增加，缸內(nèi)混合時間增加，局部貧氧區(qū)域減少。與SOI=?24 °CA ATDC相比，SOI=?40 °CA ATDC的CO排放量大幅增加的主要原因是：SOI=?40 °CA ATDC的燃燒持續(xù)期較長，且前期燃燒緩慢，燃燒溫度較低，由圖5可知，導(dǎo)致大量HC在后期燃燒；而后期燃燒溫度較高，由圖5可知，HC氧化速度較快，導(dǎo)致局部處于缺氧狀態(tài)，致使CO生成量較大而氧化量較小。與CCM相比，RCCI燃燒CO排放較高。這主要是因為RCCI燃燒溫度較低，如圖5所示。隨著SOI的提前，CCM燃燒和RCCI燃燒的CO排放差異逐漸減小。這主要是由于隨著SOI的提前，與RCCI燃燒相比，CCM燃燒惡化程度較大。因此隨著SOI的提前，與RCCI燃燒相比，CCM燃燒CO增加幅度較大。

圖7描述了SOI對RCCI和CCM固體排放物粒徑分布的影響。對于RCCI燃燒，粒徑范圍為4.87～13.3 nm的核態(tài)顆粒物數(shù)量濃度較大。粒徑范圍為13.3～273.8 nm的聚集態(tài)顆粒物和粒徑范圍為273.8～1 000 nm的粗態(tài)顆粒物數(shù)量濃度較小。SOI=?6～?24 °CA ATDC時，隨著SOI的提前，核態(tài)和聚集態(tài)顆粒物排放量都逐漸減小。其主要原因是隨著SOI的提前，滯燃期逐漸增大，由圖3所示，柴油的混合時間更長，當(dāng)量比梯度減小，局部濃區(qū)減少[33]，核態(tài)顆粒物的生成量減少，從而導(dǎo)致核態(tài)顆粒物之間的碰撞概率減小，導(dǎo)致聚集態(tài)顆粒物數(shù)量也減小[34]。并且，隨著SOI的提前，缸內(nèi)燃燒溫度和燃燒持續(xù)期增加，更有利于碳煙的氧化。與SOI=?6～?24 °CA ATDC相比，SOI=?40 °CA ATDC的粒徑分布規(guī)律有很大差別。雖然SOI=?40°CA ATDC的滯燃期比其他SOI大很多，但是其顆粒物的總排放量卻最大。由此得出SOI=?40 °CA ATDC的顆粒物產(chǎn)生途徑和顆粒物結(jié)構(gòu)與其他SOI不同。其主要原因是，柴油噴油時，缸內(nèi)的溫度和壓力都很低，柴油噴霧貫穿距離很大，很大一部分燃油噴出后都發(fā)生了撞壁，較低的壁面溫度造成柴油附著在壁面上，從而造成大量碳煙顆粒生成[35]，緩慢的燃燒導(dǎo)致缸內(nèi)空氣流動劇烈程度不夠，所以沒有造成聚集態(tài)顆粒物集中形成。

圖7 SOI對RCCI燃燒和CCM燃燒排放的顆粒物數(shù)量濃度粒徑分布的影響

與CCM燃燒相比，RCCI燃燒的核態(tài)顆粒物數(shù)量和粒徑范圍為>13.3～273.8 nm的聚集態(tài)顆粒物數(shù)量濃度大幅減小，尤其是核態(tài)顆粒物，這與其他專家研究結(jié)果一致[8,17,36]。而RCCI燃燒的粒徑范圍為>273.8～1 000 nm的粗態(tài)顆粒物數(shù)量濃度較大，尤其是SOI=?6 °CA ATDC時。RCCI核態(tài)顆粒物數(shù)量較少的原因之一可能是其大量聚集成了聚集態(tài)的顆粒物。

圖8描述了SOI對固體排放物表面積濃度與質(zhì)量濃度的影響規(guī)律，圖8a中描述的顆粒物表面積濃度是指單位體積廢氣中固體排放物的表面積。隨著SOI的提前，CCM和RCCI燃燒的顆粒物總表面積濃度先減小后增大。與CCM相比，在SOI=?6～?24 °CA ATDC時，RCCI燃燒顆粒物總表面積濃度較大，且隨著SOI的提前，差值逐漸減小。在SOI=?24～?40 °CA ATDC時，RCCI燃燒顆粒物排放表面積濃度較小，且隨著SOI的提前，差值逐漸增大。

注：圖中的百分數(shù)代表RCCI的粒徑為>273.8~1 000 nm和>13.3~273.8 nm的顆粒物排放質(zhì)量占RCCI的總顆粒物排放質(zhì)量的比例。

圖8b描述了SOI對單位體積廢氣中固體排放物的質(zhì)量的影響，并描述出了SOI對RCCI的不同粒徑范圍的固體排放物質(zhì)量濃度占總濃度的比例。隨著SOI的提前，顆粒物排放質(zhì)量大幅度減小。核態(tài)顆粒物質(zhì)量所占比例極小，顆粒物排放質(zhì)量由聚集態(tài)和粗態(tài)顆粒物質(zhì)量決定。對于RCCI燃燒，隨著SOI的提前，粗態(tài)（>273.8~1 000 nm）顆粒物質(zhì)量所占的比例從84.09%減小到32.87%，聚集態(tài)（>13.3~273.8 nm）顆粒物質(zhì)量所占比例逐漸從15.88%增加到66.36%。與CCM燃燒相比，RCCI燃燒排放的顆粒物質(zhì)量較大，這與其他專家研究結(jié)果相矛盾[8, 17]。RCCI燃燒排放的顆粒物質(zhì)量大于CCM燃燒的部分主要在于粗態(tài)顆粒物。RCCI燃燒排放的顆粒物質(zhì)量較大的主要原因在于：顆粒物的主要組成部分是碳煙，而RCCI燃燒的溫度較低，由圖5可知，致使碳煙氧化困難。

3　結(jié) 論

1）隨著SOI的提前，RCCI燃燒冷焰反應(yīng)放熱率逐漸增大，高溫放熱放熱率峰值先增大后減小，滯燃期逐漸增大，燃燒持續(xù)期逐漸增大，燃燒重心先提前后推遲，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力先增大后減小，缸內(nèi)平均溫度峰值逐漸增大。缸內(nèi)平均溫度主要取決于累積放熱量。隨著SOI的提前，CCM與RCCI的燃燒特性差異逐漸增大。

2）隨著SOI的提前，RCCI燃燒的NOx排放先增大后減小，HC排放逐漸減小，CO排放先小幅度減小后大幅度增大。與CCM燃燒相比，RCCI燃燒的NOx排放的減少量隨著SOI的提前而增加，HC排放的增加量隨著SOI的提前而減小，CO排放的增加量隨著SOI的提前而減小。在SOI足夠提前時，低負荷時RCCI燃燒的HC排放能夠低于CCM燃燒。

3）隨著SOI的提前，RCCI燃燒顆粒物數(shù)量先減小后增加，顆粒物表面積先減小后小幅增大，顆粒物排放質(zhì)量濃度逐漸減小。與CCM燃燒相比，RCCI燃燒顆粒物排放數(shù)量較少。隨著SOI的提前，RCCI燃燒顆粒物排放的表面積濃度逐漸減小。與CCM相比，在SOI=?6～?24 °CA ATDC時，RCCI燃燒顆粒物排放表面較大，在SOI=?6～?24 °CA ATDC時，RCCI燃燒顆粒物排放表面較小。隨著SOI的提前，RCCI燃燒的顆粒物排放的質(zhì)量濃度逐漸減小，粒徑范圍為>13.3～273.8 nm的顆粒物質(zhì)量濃度在總顆粒物排放的質(zhì)量濃度中所占的比例逐漸增大，粒徑范圍為>273.8~1 000 nm的顆粒物質(zhì)量濃度在總顆粒物排放的質(zhì)量濃度中所占的比例逐漸減小。與CCM相比，RCCI燃燒顆粒物排放質(zhì)量增加量隨著SOI的提前而減小。

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Low-load combustion and emission characteristics of ethanol/diesel RCCI at different start of injection timing

Han Weiqiang1,2, Li Bolun1,2, Dong Chao3, Pan Suozhu1,2※, Li Xin1,2

(1.610039; 2.610039;3.441004)

Reactivity controlled compression ignition (RCCI) has great potential for improving thermal efficiency and reducing pollutant emissions. RCCI can also control the combustion phase and suppress the maximum pressure rise rate. The RCCI is characterized by the in-cylinder reactivity stratification, which is formed by directly injecting the high reactivity fuel into the low-active homogeneous gas mixture in the cylinder. Based on a heavy-duty six-cylinder turbocharged diesel engine, in this paper, the influence of different start of injection (SOI) timings of diesel fuel on the low-load combustion and emission characteristics of ethanol/diesel RCCI was studied and compared with the conventional combustion mode (CCM). During the experimental study, the rotation speed of engine was 1500 r/min, the total cycle energy was 1 281 J, the ethanol energy premixed ratio was 40%, the SOI timing was -6, -15, -24, -40 °CA ATDC, respectively, and brake mean effective pressure (BMEP) was 0.098, 0.106, 0.109, 0.093 MPa, respectively. The results showed that，in terms of combustion characteristics, with the advance of SOI timing, the heat release rate of the cold flame stage of RCCI was advanced, the heat release rate increased, and the duration increased. During the stage of high temperature heat release, with the advance of SOI timing, the instantaneous heat release rate of RCCI increased first and then decreased，the in-cylinder average temperature peak gradually increased, and the combustion duration gradually increased, the combustion center of gravity (CA50) was advanced first and then postponed, and the maximum cumulative heat release gradually increased. Compared with the CCM, RCCI had a longer ignition delay, slower combustion speed, longer combustion duration, and lower combustion temperature. With the advance of SOI, the difference of combustion characteristics between CCM and RCCI gradually increased. In terms of emission characteristics, as SOI advances, the NOx emission at RCCI first increased and then decreased, HC gradually decreased, and CO first decreased at a small rate and then increased substantially. Compared with CCM, less NOx was emitted from RCCI combustion mode, and with the advance of SOI, the difference gradually increased. In the earlier SOI, the HC emission of RCCI was smaller, and when the SOI was retarded, the HC emission of RCCI was deteriorated. CO emission from RCCI combustion mode was more than that from CCM, and as SOI advances, the difference gradually decreased. With the advance of SOI, the number of the RCCI particulate matter emission was first decreased and then increased. Compared with CCM, there was a smaller amount of particulate matter from the RCCI combustion mode, especially nuclear mode particulates. With the advance of SOI, the particle surface area concentration of RCCI gradually decreased. Compared with CCM, when the SOI range was from -6 to -24°CA ATDC, the surface area concentration of particulate matter emitted by RCCI was relatively larger, and the difference gradually decreased with the advance of SOI. When the SOI range was from -24 to -40° CA ATDC, the surface area concentration of RCCI particulate matters emitted was smaller compared to CCM, and the difference gradually increased with the advance of SOI. The mass concentration of large particulate matters determined the mass concentration of total particulate matter emission. With the advance of SOI, the mass concentration of particulate matter emission from RCCI combustion mode gradually decreased. The proportion of mass concentration of accumulation mode (>13.3-273.8 nm) particulate matter was increased from 15.88% to 66.36% in the total particulate matter emission. The proportion of mass concentration of coarse mode (>273.8-1 000 nm) particulate matter was decreased from 84.09% to 32.87% in the total particulate matter emission. The total mass of RCCI particulate matter was larger than CCM, and the difference gradually decreased with the advance of SOI.

diesel engines; combustion; emission control; start of injection timing; reactivity controlled compression ignition; ethanol; particulate matter

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.008

TK421

A

1002-6819(2018)-20-0059-08

2018-05-24

2018-07-10

四川省教育廳項目（14ZB0128）；西華大學(xué)校重點基金（z1520313）；西華大學(xué)研究生創(chuàng)新基金（ycjj2017087，ycjj2017085）

韓偉強，副教授，博士，主要研究方向為發(fā)動機燃燒與排放。Email：zyzdlg@163.com

潘鎖柱，副教授，博士，主要從事內(nèi)燃機排放控制研究。Email：suozhup@163.com

韓偉強，李博侖，董 超，潘鎖柱，李 鑫. 不同噴油定時乙醇/柴油RCCI低負荷燃燒與排放特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(20)：59－66. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.008 http://www.tcsae.org

Han Weiqiang, Li Bolun, Dong Chao, Pan Suozhu, Li Xin. Low-load combustion and emission characteristics of ethanol/diesel RCCI at different start of injection timing[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(20): 59－66. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.008 http://www.tcsae.org