陳楨皓，李鐵,2，王斌,2，GAO Tongyang,ZHENG Ming

(1.上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；2.上海交通大學(xué)高新船舶與深海開(kāi)發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240;3.University of Windsor,Canada)

柴油微引燃乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒、性能及排放特性研究

陳楨皓1，李鐵1,2，王斌1,2，GAO Tongyang3,ZHENG Ming3

(1.上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；2.上海交通大學(xué)高新船舶與深海開(kāi)發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240;3.University of Windsor,Canada)

柴油微引燃乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)采用進(jìn)氣道噴射乙醇、缸內(nèi)直噴微量柴油引燃的方式進(jìn)行燃料供給。基于單缸四沖程柴油機(jī)，對(duì)其燃燒、性能及排放特性進(jìn)行研究，固定引燃柴油噴射量為發(fā)動(dòng)機(jī)能實(shí)現(xiàn)壓燃著火的最小值，在進(jìn)氣壓力為0.15 MPa時(shí)比較不同乙醇噴射量的工況組，通過(guò)改變柴油噴射時(shí)刻進(jìn)行工況掃描。結(jié)果表明，引燃柴油的噴射時(shí)刻對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒、性能和排放影響顯著。柴油微引燃乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)在中高負(fù)荷能夠穩(wěn)定運(yùn)行，指示熱效率可達(dá)34%以上，通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)柴油噴射時(shí)刻，可以有效控制未燃碳?xì)?UHC)、NOx與CO排放，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)極低的炭煙排放。柴油微引燃乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒模式為預(yù)混合或部分預(yù)混合燃燒，燃燒有兩階段放熱特征，改變引燃柴油噴射時(shí)刻，可以有效控制燃燒相位。

柴油機(jī)；乙醇；燃燒；排放；微引燃

壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)具有高效率、大扭矩等特點(diǎn)，以柴油為主要燃料的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于船舶、汽車(chē)、軍事和發(fā)電等領(lǐng)域。傳統(tǒng)壓燃式柴油機(jī)以擴(kuò)散燃燒為主，具有效率高、扭矩大等特點(diǎn)，是各類(lèi)運(yùn)輸、工程機(jī)械的主要?jiǎng)恿?lái)源。發(fā)動(dòng)機(jī)大量燃燒化石燃料向大氣中釋放二氧化碳等溫室氣體，導(dǎo)致溫室效應(yīng)加重；同時(shí)，柴油作為不可再生資源，儲(chǔ)量不斷減少，價(jià)格將會(huì)上升，未來(lái)可能失去作為燃料的經(jīng)濟(jì)性。因此，柴油機(jī)代用燃料的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用得到很大發(fā)展。

基于生物材料制備的乙醇，是具有碳中性的可再生能源，來(lái)源廣泛。但是，乙醇活性低、汽化潛熱大，難以壓縮著火。因此，常采用乙醇-柴油雙燃料方式應(yīng)用于壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中。用乙醇替代部分柴油作為燃料，能夠有效降低NOx與炭煙排放。V. Gnanamoorthi等[1]將乙醇與柴油混合后，直噴入缸內(nèi)進(jìn)行燃燒，其燃燒模式仍然接近柴油的擴(kuò)散燃燒模式，由于乙醇與柴油混合燃料的穩(wěn)定性較差，使得其難以?xún)?chǔ)存[2-3]。R. F. Britto和姚春德等[4-5]采用了以進(jìn)氣道噴射乙醇、缸內(nèi)直噴柴油的方式實(shí)現(xiàn)雙燃料工作模式，這種工作模式使用預(yù)混合的乙醇來(lái)部分替代直噴柴油，解決了混合燃料穩(wěn)定性問(wèn)題，但柴油替代率不高，柴油仍為主要燃料，不能有效解決未來(lái)柴油供應(yīng)短缺、價(jià)格大幅上漲帶來(lái)的燃料經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題。H. Ogawa等提出了一種新的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒模式，即通過(guò)進(jìn)氣道噴射低活性燃料方式在缸內(nèi)形成均質(zhì)的可燃混合氣，采用直噴方式噴入微量活性較高的燃油來(lái)引燃之前導(dǎo)入的低活性預(yù)混合氣體[6]。不同于以往的雙燃料工作模式，這種燃燒模式主要以預(yù)混合燃燒方式進(jìn)行，能量主要來(lái)自于乙醇燃燒。噴射微量柴油作為引火源可以提供高于傳統(tǒng)火花塞放電數(shù)千倍的點(diǎn)火能量，實(shí)現(xiàn)高效清潔的稀薄燃燒，使得以可再生生物質(zhì)燃料為主燃料、微噴柴油點(diǎn)火的燃燒模式成為未來(lái)動(dòng)力源的可能選項(xiàng)之一。

本研究采用進(jìn)氣道噴射乙醇、缸內(nèi)直噴微量柴油的供油方式，通過(guò)導(dǎo)入高活性柴油引燃缸內(nèi)均質(zhì)的乙醇-空氣預(yù)混合可燃?xì)怏w。本研究中所采用的柴油噴射量，是試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)能實(shí)現(xiàn)壓燃著火的最小柴油量。通過(guò)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的乙醇噴射量、引燃柴油的噴射時(shí)刻等方式，對(duì)柴油微引燃乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)的各特性進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)裝置與方法

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)由商用的4缸發(fā)動(dòng)機(jī)改制而來(lái)，其主要結(jié)構(gòu)與電控參數(shù)見(jiàn)表1。燃料的主要理化特性見(jiàn)表2。圖1示出所采用的單缸四沖程壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)示意(EGR系統(tǒng)在本試驗(yàn)中未使用)。

表1 柴油微引燃乙醇單缸發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

表2 燃料的主要物理化學(xué)特性

試驗(yàn)中，采用AVL GU13P壓電式壓力傳感器測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的瞬時(shí)壓力變化。在相同工況下，連續(xù)測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)的200個(gè)工作循環(huán)，以進(jìn)行缸內(nèi)壓力平均值的計(jì)算?；谒玫降母變?nèi)壓力平均值，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的放熱率分析。放熱率計(jì)算方法由公式(1)給出[7]：

(1)

式中：γ為缸內(nèi)工質(zhì)的比熱容比；p為缸內(nèi)壓力；V為氣缸容積；φ為曲軸轉(zhuǎn)角。使用CAI的尾氣排放分析儀對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx、未燃碳?xì)?UHC)、一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)進(jìn)行測(cè)試。炭煙濃度采用AVL 415S煙度計(jì)測(cè)試。

2 微引燃柴油噴射時(shí)刻對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)特性的影響

為了研究引燃用柴油的噴射時(shí)刻SOI(Start of injection)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的影響，固定進(jìn)氣壓力為0.15 MPa，分別采用了4種不同的乙醇噴射量進(jìn)行柴油噴射時(shí)刻掃描。試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)見(jiàn)表3。

表3 0.15 MPa進(jìn)氣壓力下試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

定義乙醇噴射量28 mg/cycle的工況組為低負(fù)荷工況組，乙醇噴射量34 mg/cycle與40 mg/cycle的工況組為中負(fù)荷工況，乙醇噴射量50 mg/cycle 工況組納入與中高負(fù)荷工況組的對(duì)比。每組工況點(diǎn)的柴油噴射時(shí)刻范圍受COVpi(不超過(guò)3%)、最大壓力升高率(不超過(guò)2 MPa/(°))、指示熱效率(不低于26%)及熄火限制。

圖1 柴油微引燃乙醇單缸發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)示意

2.1 柴油噴射時(shí)刻對(duì)燃燒的影響

圖2示出在不同的乙醇噴射量下，著火滯燃期隨引燃柴油噴射時(shí)刻的變化規(guī)律。微引燃柴油的噴油持續(xù)期僅為2.4°曲軸轉(zhuǎn)角，而圖2中所示的著火滯燃期均在7.62°以上，說(shuō)明實(shí)際著火時(shí)刻均位于柴油噴射結(jié)束之后。由此可知，整個(gè)燃燒過(guò)程為預(yù)混合或部分預(yù)混合燃燒[8-9]，這將有利于減少發(fā)動(dòng)機(jī)NOx和炭煙排放。

另外，當(dāng)柴油噴射時(shí)刻處于-12°ATDC～-6°ATDC范圍內(nèi)時(shí)，著火滯燃期相對(duì)較短。若柴油噴油時(shí)刻提前幅度超過(guò)-12°ATDC，著火滯燃期顯著增加，有可能削弱柴油噴油時(shí)刻與實(shí)際著火時(shí)刻的相關(guān)性，不利于對(duì)燃燒的控制。

圖2 著火滯燃期隨柴油噴射時(shí)刻的變化

圖3和圖4分別示出燃燒持續(xù)期和燃燒相位隨柴油噴射時(shí)刻的變化規(guī)律，這里燃燒持續(xù)期定義為從燃料放出5%的熱量到燃料放出95%的熱量所經(jīng)歷的曲軸轉(zhuǎn)角，燃燒相位定義為燃料放出50%熱量時(shí)對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。對(duì)于乙醇噴射量為34 mg/cycle的工況組而言，隨著柴油噴射時(shí)刻的提前，燃燒持續(xù)期呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后縮短的趨勢(shì)，燃燒相位呈現(xiàn)先提前后推遲的趨勢(shì)。對(duì)于乙醇噴射量為40 mg/cycle和50 mg/cycle的工況組，隨著柴油噴射時(shí)刻的提前，燃燒持續(xù)期呈現(xiàn)先縮短后增長(zhǎng)的趨勢(shì)，燃燒相位呈現(xiàn)持續(xù)提前的趨勢(shì)。

圖3 燃燒持續(xù)期隨柴油噴射時(shí)刻的變化

圖4 燃燒相位隨柴油噴射時(shí)刻的變化

圖5示出乙醇噴射量為34 mg/cycle、進(jìn)氣壓力為0.15 MPa時(shí)，柴油噴射時(shí)刻分別為-20°ATDC,-17°ATDC和-13°ATDC的工況點(diǎn)的放熱率與缸內(nèi)壓力曲線(xiàn)。

圖5 放熱率與缸壓曲線(xiàn)對(duì)比(乙醇噴射量34 mg/cycle)

柴油噴射時(shí)刻為-20°ATDC和-17°ATDC的工況點(diǎn)柴油噴射時(shí)刻相差3°，由于前者的著火滯燃期更長(zhǎng)，兩工況燃料開(kāi)始放熱時(shí)的曲軸轉(zhuǎn)角非常接近。相對(duì)于柴油噴射時(shí)刻為-17°ATDC和-13°ATDC的工況點(diǎn)，-20°的工況點(diǎn)不存在明顯的兩階段放熱。柴油噴射時(shí)刻提前，高活性的柴油與低活性的乙醇有更充分的時(shí)間混合，缸內(nèi)燃料的整體活性提升，當(dāng)壓縮至可以發(fā)生自燃的溫度和壓力時(shí)，燃料多處自著火放熱，僅出現(xiàn)一個(gè)放熱峰值。相對(duì)于柴油噴射時(shí)刻為-17°ATDC的工況點(diǎn)，柴油噴射時(shí)刻為-13°ATDC的工況點(diǎn)燃燒開(kāi)始時(shí)刻更晚，雖然后者著火滯燃期更短，但著火滯燃期的減小不能抵消柴油噴射時(shí)刻的延后，這說(shuō)明乙醇是由柴油引燃的。柴油噴射時(shí)刻滯后但早于上止點(diǎn)時(shí)，缸內(nèi)柴油噴霧卷吸的乙醇-空氣混合氣更多，引燃柴油噴霧周?chē)囊掖济芏雀?，更容易被柴油引燃，因此，柴油噴射時(shí)刻為-13°的工況點(diǎn)的第一階段放熱比例更高，燃燒持續(xù)期更短。

圖6示出乙醇噴射量為40 mg/cycle、進(jìn)氣壓力為0.15 MPa時(shí)，柴油噴射時(shí)刻分別為-11°ATDC，-8°和-6°的工況點(diǎn)的放熱率與缸內(nèi)壓力曲線(xiàn)。隨著柴油噴射時(shí)刻的提前，燃燒開(kāi)始時(shí)刻提前，同時(shí)，最大缸內(nèi)壓力更大，燃燒放熱率峰值更高。在圖6的柴油噴油時(shí)刻范圍內(nèi)，噴油時(shí)刻提前，燃燒相位更靠近上止點(diǎn)，燃燒放熱更加集中，此時(shí)的UHC與CO排放也更低，具有更高的燃燒效率。對(duì)于柴油噴射時(shí)刻為-11°ATDC的工況，雖然該工況的缸內(nèi)壓力、放熱率更大，但由于在上止點(diǎn)前缸內(nèi)壓力較大，等容度較低，傳熱損失更大，指示熱效率低于柴油噴射時(shí)刻為-8°的工況點(diǎn)(見(jiàn)2.2節(jié))。柴油噴射時(shí)刻為-8°ATDC的工況點(diǎn)相對(duì)于-11°的工況點(diǎn)第一階段放熱更多，相對(duì)于-6°的工況點(diǎn)放熱更集中，因此燃燒持續(xù)期更短，放熱等容度更高。

圖6 放熱率與缸壓曲線(xiàn)對(duì)比(乙醇噴射量40 mg/cycle)

圖7示出乙醇噴射量為50 mg/cycle、進(jìn)氣壓力為0.15 MPa時(shí)，柴油噴射時(shí)刻分別為-6°ATDC，-4°和-3.5°工況點(diǎn)的放熱率與缸內(nèi)壓力曲線(xiàn)。該工況組的燃燒基本發(fā)生于上止點(diǎn)以后，缸內(nèi)壓力、放熱率對(duì)柴油噴射時(shí)刻敏感度高。

圖7 放熱率與缸壓曲線(xiàn)對(duì)比(乙醇噴射量50 mg/cycle)

圖8示出最大壓力升高率隨引燃柴油噴射時(shí)刻的變化規(guī)律。對(duì)于乙醇噴射量為34 mg/cycle的工況組，隨著柴油噴射時(shí)刻的提前，最大壓力升高率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)；對(duì)于乙醇噴射量為40 mg/cycle的工況組，隨著柴油噴射時(shí)刻的提前，最大壓力升高率先快速上升，而后相對(duì)穩(wěn)定；對(duì)于乙醇噴射量為50 mg/cycle的工況組，隨著柴油噴射時(shí)刻的提前，最大壓力升高率快速上升，若進(jìn)一步提前柴油噴射時(shí)刻，最大壓力升高率會(huì)超過(guò)本試驗(yàn)允許的2 MPa的閾值，同時(shí)循環(huán)波動(dòng)率COVpi會(huì)明顯上升，超過(guò)4%；進(jìn)一步延后柴油噴射時(shí)刻至-3°ATDC會(huì)導(dǎo)致工作不穩(wěn)定，COVIMEP超過(guò)9%。

圖8 最大壓力升高率隨柴油噴射時(shí)刻的變化

2.2 柴油噴射時(shí)刻對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

圖9示出在不同的乙醇噴射量下，缸內(nèi)平均指示壓力pi隨引燃柴油噴射時(shí)刻的變化規(guī)律。乙醇噴射量不同，對(duì)應(yīng)的pi亦不相同。50 mg/cycle乙醇噴射量對(duì)應(yīng)的pi最大值為1.07 MPa，而34 mg/cycle乙醇噴射量對(duì)應(yīng)的pi最大值僅為0.73 MPa。

圖9 平均指示壓力隨柴油噴射時(shí)刻的變化

當(dāng)引燃柴油噴射時(shí)刻逐步提前，3種不同的乙醇噴射量所對(duì)應(yīng)的pi均會(huì)出現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。對(duì)于34 mg/cycle的乙醇噴射量，當(dāng)pi增加到0.75 MPa左右時(shí)趨于穩(wěn)定，而后出現(xiàn)不明顯的下降。對(duì)于40 mg/cycle的乙醇噴射量，pi上升階段的SOI跨度較小，經(jīng)過(guò)短暫的上升后，出現(xiàn)不明顯的下降趨勢(shì)。由圖9可見(jiàn)，中負(fù)荷工況pi對(duì)柴油噴射時(shí)刻的變化不敏感，有較大的噴油策略變化空間，增加了燃燒控制的自由度與魯棒性。乙醇噴射量50 mg/cycle的工況組對(duì)于柴油噴射時(shí)刻非常敏感，允許的柴油噴射時(shí)刻范圍非常小，柴油噴射時(shí)刻的提前會(huì)導(dǎo)致最大壓力升高率超過(guò)允許范圍，工作粗暴，柴油噴射時(shí)刻的延后會(huì)導(dǎo)致指示熱效率急劇下降，對(duì)控制策略要求較高。

圖10示出指示熱效率隨柴油噴射時(shí)刻的變化規(guī)律。由于主要燃料乙醇采用進(jìn)氣道噴射的方式供給，不存在燃燒效率較高的擴(kuò)散燃燒過(guò)程；燃燒過(guò)程存在火焰?zhèn)鞑サ那闆r，且部分乙醇可能進(jìn)入氣缸的各處間隙，燃料的燃燒效率總體偏低，試驗(yàn)工況指示熱效率較原機(jī)有所降低，原機(jī)指示熱效率為40%～45%。

圖10 指示熱效率隨柴油噴射時(shí)刻的變化

指示熱效率與pi趨勢(shì)類(lèi)似。起初，隨著引燃柴油噴射時(shí)刻逐步提前，指示熱效率快速上升。對(duì)于34 mg/cycle的乙醇噴射量，在允許的柴油噴射時(shí)刻范圍內(nèi)，指示熱效率持續(xù)上升，在柴油噴射時(shí)刻提前至-10°ATDC后，上升趨勢(shì)減緩，指示熱效率穩(wěn)定在33.75%左右。對(duì)于40 mg/cycle的乙醇噴射量，指示熱效率先上升后下降，在pi達(dá)到最大值的同時(shí)，指示熱效率亦達(dá)到其最大值33.76%。

在柴油噴射時(shí)刻相同的情況下，負(fù)荷越大，指示熱效率越高，原因可能為高負(fù)荷時(shí)乙醇噴射量更多，混合氣當(dāng)量比更高，燃燒得更加充分。同時(shí)，圖9中高負(fù)荷工況點(diǎn)的COVpi均低于1.34%，在允許的柴油噴射時(shí)刻范圍內(nèi)，有較好的工作穩(wěn)定性。

2.3 柴油噴射時(shí)刻對(duì)排放的影響

圖11示出柴油噴射時(shí)刻對(duì)NOx排放的影響。對(duì)于34 mg/cycle的乙醇噴射量，隨著柴油噴射時(shí)刻的提前，NOx排放呈現(xiàn)明顯的先增加后減小的趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著柴油噴射時(shí)刻的提前，燃燒相位愈發(fā)靠近上止點(diǎn)，從而使等容燃燒比例增加，缸內(nèi)燃燒的平均溫度也會(huì)增加，進(jìn)而促進(jìn)NOx生成。過(guò)度提前柴油噴射時(shí)刻，將會(huì)導(dǎo)致著火滯燃期拉長(zhǎng)，柴油可以分布得更加均勻，局部高溫區(qū)域減少，抑制NOx生成。對(duì)于乙醇噴射量為40 mg/cycle的工況組，由于發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷較大，缸內(nèi)平均溫度較高，NOx生成量總體多于34 mg/cycle工況組。與乙醇噴射量為34 mg/cycle的工況組類(lèi)似，隨著柴油噴射時(shí)刻的提前，缸內(nèi)燃燒的平均溫度增加，進(jìn)而促進(jìn)NOx生成。如果進(jìn)一步提前柴油噴射時(shí)刻，會(huì)導(dǎo)致燃燒放熱過(guò)快，缸內(nèi)壓升率超過(guò)允許范圍。乙醇噴射量為50 mg/cycle的工況組情況與40 mg/cycle的工況組類(lèi)似，NOx生成量更高，允許的最早柴油噴射時(shí)刻同樣受缸內(nèi)壓升率限制。

圖11 NOx排放隨柴油噴射時(shí)刻的變化

圖12和圖13示出柴油噴射時(shí)刻對(duì)UHC與CO排放的影響。對(duì)于柴油微引燃乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)而言，UHC和CO排放較為嚴(yán)重。進(jìn)氣道噴射乙醇，使得部分乙醇隨著空氣被卷吸入燃燒室間隙區(qū)，混合氣較為稀薄且溫度較低，很難完全燃燒。

圖12 UHC排放隨柴油噴射時(shí)刻的變化

圖13 CO排放隨柴油噴射時(shí)刻的變化

總體來(lái)看，乙醇噴射量大的工況組UHC與CO排放更低。因?yàn)椋掖紘娚淞吭龃?，發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷增大，缸內(nèi)溫度較高，低溫區(qū)域減小，且混合氣當(dāng)量比大，促使乙醇燃燒效率提高。對(duì)于乙醇噴射量為34 mg/cycle的工況組，隨著柴油噴射時(shí)刻的提前，燃燒相位愈發(fā)靠近上止點(diǎn)，從而使等容燃燒比例增加，缸內(nèi)平均溫度更高，低溫區(qū)減少，促使乙醇燃燒效率提高，使得UHC與CO排放降低。過(guò)度提前柴油噴射時(shí)刻，會(huì)導(dǎo)致柴油分布更加均勻，當(dāng)量比降低，著火滯燃期明顯增加，燃燒相位延后，相對(duì)遠(yuǎn)離上止點(diǎn)，降低燃燒等容度，使得缸內(nèi)平均溫度降低，不利于乙醇完全燃燒，從而CO排放增加；同時(shí)，燃燒持續(xù)期有一定增加，更多的HC被氧化，從而降低UHC排放。對(duì)于乙醇噴射量為40 mg/cycle與50 mg/cycle的工況組，UHC與CO隨柴油噴射時(shí)刻提前而降低的機(jī)理與34 mg/cycle的工況組類(lèi)似。乙醇噴射量為40 mg/cycle、柴油噴射時(shí)刻為-5°ATDC的工況UHC排放較低，原因可能是此工況燃燒持續(xù)期長(zhǎng)，更多的HC被氧化。

適當(dāng)提前柴油噴射時(shí)刻，可以有效減少UHC和CO排放。這主要有兩方面原因：首先，引燃柴油憑借較長(zhǎng)的滯燃期，可以與更多的乙醇-空氣預(yù)混合氣體充分混合，從而提高更廣泛區(qū)域內(nèi)燃料的活性；其次，柴油噴射時(shí)刻的適當(dāng)提前，可以改善燃燒相位，從而優(yōu)化了缸內(nèi)燃燒過(guò)程。

柴油微引燃乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)的炭煙排放極低，所有工況最大炭煙排放量為0.003 2 g/(kW·h)，數(shù)值低于歐Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)限定值(0.01 g/(kW·h))的1/3，接近甚至小于測(cè)試設(shè)備的最小測(cè)試極限。因?yàn)樵撊紵Ｊ綖轭A(yù)混合稀薄燃燒模式，幾乎沒(méi)有局部當(dāng)量比大的區(qū)域。

3 結(jié)論

a) 柴油微引燃乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒均為預(yù)混合燃燒或部分預(yù)混合燃燒，不存在擴(kuò)散燃燒；燃燒有兩階段放熱特征，大幅提前引燃柴油噴射時(shí)刻會(huì)使燃燒向單一階段放熱發(fā)展；

b) 柴油微引燃乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)在中高負(fù)荷工作穩(wěn)定性好，有效避免了均質(zhì)壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒難以控制的情況；

c) 柴油微引燃乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)能實(shí)現(xiàn)極低的炭煙排放水平，所有工況點(diǎn)的炭煙排放均低于0.003 2 g/(kW·h)；

d) 柴油微引燃乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)能實(shí)現(xiàn)較低的NOx排放水平；高負(fù)荷時(shí)，NOx排放與發(fā)動(dòng)機(jī)指示熱效率之間存在trade-off關(guān)系，一般來(lái)講，指示熱效率高的工況，NOx排放水平較高；

e) 柴油微引燃乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)存在較為嚴(yán)重的UHC與CO排放問(wèn)題，適當(dāng)提前引燃柴油的噴射時(shí)刻，可以減少UHC與CO排放。

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Combustion,PerformanceandEmissionCharacteristicsofEthanol-fueledEnginewithDieselMicro-pilotInjectionIgnition

CHEN Zhenhao1,LI Tie1,2,WANG Bin1,2,GAO Tongyang3,ZHENG Ming3

(1.State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China;2.Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration,Shanghai 200240,China;3.University of Windsor,Canada)

Ethanol-fueled engine with diesel micro-pilot injection ignition adopted the fuel supply method of ethanol port injection and diesel in-cylinder direct injection. On a single-cylinder four-stroke compression ignition engine, the combustion, performance and emission characteristics were researched. With the pilot diesel amount fixed as the minimum value to realize compression-ignition, pilot diesel injection timing sweeping tests were conducted based on different ethanol injection mass under intake air pressure of 0.15 MPa. Pilot diesel injection timing had a strong effect on combustion, performance and emission. The engine could work steadily at medium and high load and its thermal efficiency was more than 33%. With the appropriate pilot diesel injection timing, unburnt hydrocarbon, carbon monoxide and nitrogen oxide emission decreased and the ultra-low soot emission realized. In addition, engine combustion form of premixed combustion or partial-premixed combustion led to 2-stage heat release characteristic and so combustion phase could be controlled effectively by changing pilot diesel injection timing.

diesel engine;ethanol;combustion;emission;micro-pilot injection ignition (MPII)

2017-03-28;

2017-05-24

科技部國(guó)際合作(中加政府間)項(xiàng)目(2014DFG61320)

陳楨皓(1992—)，男，碩士，主要研究方向?yàn)椴裼臀⒁家掖及l(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)特性；czhjaccount@sjtu.edu.cn。

李鐵(1974—)，男，教授，博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)內(nèi)燃機(jī)燃燒、代用燃料技術(shù)等；litie@sjtu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.06.002

TK428.9

B

1001-2222(2017)06-0007-06

[編輯: 李建新]