关于轿车发动机的双燃料燃烧过程分析

目前需在短期和中期内胜任满足未来对车辆CO2排放限值的要求，对整个汽车行业提出了巨大挑战。奥地利格拉茨理工大学内燃机技术研究所（IVT）开发的新型DDI过程将柴油机的高效率与天然气降低CO2排放的潜力相结合，使其成为天然气-柴油双燃料燃烧过程。

1 动机

虽然围绕内燃机的相关讨论始终在不断开展，但目前在短期和中期内柴油机和汽油机仍有一定的使用价值。然而从2020年起，未来的CO2排放目标值（95 g/km）以及当前欧盟在讨论的从2025年起实施的排放限值（75 g/km）都要求内燃机的热效率得以显著提高。因此，奥地利格拉茨理工大学实施的研究计划的目标是开发一种使CO2排放降至最低的燃烧过程，具体而言就是将柴油机的高效率与燃用天然气时使CO2排放降低的潜力相结合，使其成为天然气-柴油双燃料燃烧过程（图1），并对此进行试验研究。

图1 轿车双燃料发动机

2 双燃料方案

从双燃料（DF）的名称就能直接得知该类方案涉及到两种不同燃料的组合。与二阶燃烧过程不同，在燃料运行时两种燃料是同时在燃烧室中进行能量转换的。从原理上会考虑到其为不同燃料的组合，例如汽油-柴油、氢-柴油或者汽油-天然气，但是典型的方案是采用一种不易着火的燃料与另一种易着火的燃料相组合。图2示出了多种多样的双燃料方案。该计划仅用于研究天然气-柴油燃料的配对，其中直接喷入的柴油起到化学点火也就是引燃剂的作用。同时由于改造的费用较少，传统的天然气-柴油双燃料燃烧过程通过是内部形成混合气，新型的天然气-柴油双燃料燃烧过程采用双燃料直接喷射方式（DDI）。

图2 可能的双燃料方案概貌

由于天然气具有较高的H/C比例，与传统的燃料相比，其在效率不变的前提条件下可使CO2排放降低约25%。所研究的双燃料燃烧过程降低CO2排放的潜力与天然气的组分有关（图3）。根据混合比例可将其分为置换法和点火喷束法，后者的目的是尽可能使用更少的柴油量，其所需的点火能量受到喷油系统的限制。鉴于当前的条件，所研究的双燃料方案主要针对采用最少的柴油量的工况，以便能充分利用天然气在降低CO2排放方面的潜力。

图3 天然气-柴油双燃料燃烧过程降低CO2的潜力

3 方式方法

在开发新型天然气-柴油双燃料燃烧过程中采取尽可能全面的方法，除了广泛的试验之外，还要对双燃料方案进行数字化模拟和分析。图4示出了详细的课题方案，其重点在于试验研究，其中既要详细分析标定参数，又要详细分析硬件参数，而数字化研究的关注焦点是缸内流动过程。

图4 实施的试验研究概貌

4 传统双燃料方案的难点

在部分负荷下进入气缸的天然气不完全燃烧过程，是实现天然气和柴油双燃料方案的一个主要技术难点。在现有的柴油机基础上实现的双燃料运行大多是采取将天然气连续注入进气管的方案，由于天然气在外部形成混合气，因此在柴油喷射时刻燃烧室中的天然气-空气混合气几乎是均质的，此时由于天然气的注入（天然气-空气混合气过量空气系数λNG）在无节流运行时，甚至在混合比例达85%的高天然气能量组分的情况下在1750/0.5（译注：指转速r/min/平均有效压力MPa）运行工况点时的过量空气系数超过了稀薄着火极限，以致于在不采用柴油点火喷束直接点火的运行范围内会发生火焰熄灭的现象，因此在燃烧室中宽广范围的预混合天然气并未参与燃烧，从而导致较高的HC排放。通过节流使发动机自由进气运行时的进气压力连续地降低，正如图5所示的那样，从而使均质天然气-空气混合气的过量空气系数从2.1降低到1.1，这样HC排放就能随之从23g/（kW·h）降低到6g/（kW·h），同时由于进气管压力降低，不仅因换气损失提高而使发动机效率恶化，而且柴油点火喷束的自行着火条件也变随之差，因此通过一系列测量，发现其着火滞后现象也明显增大。为了使燃烧状况能仍然保持不变，柴油喷射不断提早，于是自行着火的边界条件进一步恶化，因而天然气-空气混合气完全燃烧的条件与柴油点火喷束自行着火的条件之间存在一个目标冲突，而且在负荷较低的运行工况点的冲突更为强烈。新开发的双燃料直接喷射技术刚好应用于这种运行工况点上，用以替代均质的天然气-空气混合气，有针对性地形成充量分层，从而降低HC排放，同时又不会因节流对柴油点火喷束的自行着火条件产生不利的影响。

图5 传统双燃料燃烧过程中未燃HC排放的根源

5 DDI方案

由于在项目第一阶段已弄清了传统进气管喷射双燃料燃烧过程（DF-PFI）的潜力和难点，因此决定下一个开发步骤为通过集成低压直接喷射将双燃料喷入燃烧室。除了表1列出了试验载体的技术数据和双燃料直接喷射（DDI）方案特点之外，图6还示出了改进后的发动机部件和燃烧室的详细视图。

图6 实现DDI方案的修改

表1 试验载体和DDI方案的技术数据和特点

项目	参数
/	基础发动机	DDI方案
气缸数	4
排量/L	2.0
压缩比	16.5
每缸气门数	4	3（2个进气门，一个排气门）
额定功率/kW	140(4 000r/min)	/
最大扭矩/（N·m）	400(1 750r/min)	/
特点	共轨喷射系统 VTG可变涡轮截面增压器和增压空气冷却器 高压EGR 进气涡流调节阀 节气门 达到欧6废气排放标准	压缩天然气 品质：甲烷含量＞95% 喷射压力：1.6 MPa 喷射器位置：气缸中央 柴油 喷嘴：6孔喷嘴，不对称喷束 喷油器位置：偏心

在DDI燃烧过程中天然气喷射器起着至关重要的作用。为了尽可能优化燃料分布和柴油点火喷束的混合气准备，喷嘴的几何形状和尺寸已被调整到适合于安装的满意位置。因受到结构空间的限制，为了集成两种喷射器而不得不在每缸放弃一个排气门的布置，以此要求进行广泛的结构设计调整，除了全面修改气缸盖之外，气缸盖罩、凸轮轴座和排气凸轮轴都必须重新设计。

6 天然气直接喷射的影响

由于天然气喷射状况较为重要，因此必须解释其对HC排放的影响。除了排放特性之外，图7还示出了均质和分层运行混合气形成模式的概念。从较早的天然气喷射始点（SOING=260°CA，点火上止点前）开始，HC排放首先降低，直至在下止点范围（SOING=180°CA，点火上止点前）HC排放又有所增加。同时借助于1D发动机工作过程模拟和3D缸内流动模拟可对此进行解释。在形成附壁效应的情况下，天然气沿着燃烧室顶面聚集，特别是在临近喷射结束时。如果在进气门关闭（ES）的时间范围内遇到天然气喷射过程，则天然气会因回流现象而进入进气道。首先，附在燃烧室顶面的天然气会导致活塞出现挤压缝隙和同时由于火力岸区域存在非常稀薄的混合气状况。柴油喷束无法直接抵达这些区域，但是其后续的火焰前锋需遍及这些区域，由于此处的天然气-空气混合气较稀薄以及火焰传播路径较长，这些区域无法实现完全燃烧。进气门关（ES）后再喷射天然气即可防止产生该类问题，但是HC排放的进一步降低主要归因于充量分层。为了在整个天然气喷射持续期间能确保超临界压力状态，最晚的天然气喷射始点被限制在点火上止点前70°CA。图7示出了从柴油喷束出发穿过燃烧室不同喷雾状况的局部过量空气系数λlokal变化曲线。正如外部混合气形成的双燃料方案，过早的天然气喷射导致了燃烧室内均质的天然气-空气混合气，从而在喷射柴油的时刻发生了从柴油点火喷束中的纯燃油（λlokal=0）过渡到稀薄的天然气-空气混合气（λlokal=λNG）。由于天然气采用直接喷射的方式，因此能主动地借助于天然气喷射状况影响局部过量空气系数变化曲线。并通过中央布置的天然气喷射器与凹坑燃烧室相组合，在压缩阶段期间天然气即会被活塞围住。由于采用充量分层，因此在所有方向上的局部过量空气系数变化曲线会有所不同，但通常仍可勾勒出从柴油点火喷束出发的过量空气系数变化曲线的轮廓，通过充量分层使大多数燃料成分处于柴油和天然气的着火极限范围内。在分层混合气边界范围内仍存在着稀薄区域，火焰前锋进入其中就会熄灭，因此在稀薄混合气分层运行过程中，少数未燃成分依然会残留在燃烧室中。

图7 DDI运行时喷射状况对未燃HC排放的影响

7 运行策略

在所获得的知识的基础上，为DDI燃烧过程推导出整个发动机特性曲线场的运行策略。图8示出了包括试验负荷工况点在内的运行模式。运行策略可被细分为下列方式和区域：

（1）从中等部分负荷直至全负荷，DDI燃烧过程基于三元催化转化器可靠的废气后处理，并以化学计量比总过量空气系数（λ=1）运行；

（2）由于天然气缸内混合气形成，在低部分负荷时能实现稀薄分层运行（λ＞1），直接与天然气外部混合气形成的双燃料燃烧过程相比，其在低负荷特性曲线场范围因HC排放多无法直接转化，而DDI燃烧过程由于直至低部分负荷都能以稀薄分层的燃烧方式运行，因而其运行范围得以扩大；

（3）由于点燃天然气-空气混合气通常需要一定的柴油量，因此仅用柴油就能满足怠速和最低部分负荷运行的需要，通过所需的超临界压力状况确定天然气喷射时间点和少量的天然气量，并将分层运行与天然气低压喷射相结合，可使其得以充分利用。

图8 DDI方案的运行策略及其所分析的负荷工况点

8 燃烧过程的比较

为了说明采用DDI方案能充分改善燃烧过程，图9示出了1500/3运行工况点的测量结果，其为负荷最低状态下的试验运行工况点，因此对于双燃料运行是较为关键的，其中将最佳的DDI燃烧过程与传统的燃烧过程、基础柴油机以及现代点燃式汽油机进行比较，均为4缸2.0 L发动机。

图9 DDI方案与柴油机、汽油机和传统双燃料

运行在1500和运行工况点的比较

（图中符号含义通图5和图7）

从中可以看出，与传统的双燃料方案相比，DDI方案的HC原始排放能降低达5倍，因此DDI方案的HC原始排放能达到现代汽油机的水平。由于其燃烧转化效率更快更早，有效效率可比柴油机提高达0.9%，而比汽油机甚至高出4.5%，因此在所试验的运行工况点CO2排放降低可达22%～29%。如果考察其热运转状态的话，那么通过DDI方案可使燃烧转化得更均匀、更平稳、更快速，该类情况说明通过火焰前锋传播天然气-空气混合气的预混合燃烧更占优势，且与火花点燃式汽油机相比，由于柴油点火喷束的点火能量更大，可观察到其明显更快的燃烧转化。

由于是稀薄燃烧，DDI方案选择这样来标定：使NOx原始排放达到柴油机的水平,然而残留的几乎仅仅由甲烷组成的HC排放的后处理却对DDI燃烧过程提出了很大的挑战。为此，为了通过氧化催化转化器进行有效转换，废气温度至少需要450 ℃，但由于较高的压缩比以及在部分负荷运行时充量被EGR和过量空气强烈稀释，DDI方案的废气温度仅在250～300 ℃之间，因此采用目前能提供的催化转化器无法转化残留的甲烷排放，这也就暂时阻碍了对DDI方案的继续实现。

9 结语

目前已开发出了一种用于轿车的天然气-柴油双燃料燃烧过程。与现有的传统双燃料方案相比，DDI方案集成了天然气的缸内直接喷射方式，因此可实现天然气-空气混合气的充量分层。其在部分负荷运行时就能大幅降低HC排放，甚至在临界低负荷范围内HC原始排放能达到现代火花点燃式汽油机的水平，从而使双燃料燃烧过程的运行范围明显扩展到低负荷工况下。由于DDI方案的效率较高并使用天然气，在发动机特性曲线场中其CO2排放能比柴油机和汽油机降低约20%～30%。但同时，试验也表明，由于稀薄分层运行时的废气温度低，残留的几乎仅由甲烷组成的HC原始排放采用目前能提供的氧化催化转化器无法被转化，因此为了实现DDI方案，必须通过进一步优化燃烧过程再次降低HC原始排放，并确保在所有运行条件下的废气后处理效果。