燃料理化特性与进气压力耦合对碳氢化合物排放的影响.pdf

绿色低碳动力技术燃料理化特性与进气压力耦合对碳氢化合物排放的影响韩志强1,2,3，程安琪1,4，李智文2，左子农2,3，闫妍2,3，吴怡2,3（1.西华大学智能空地融合载具及管控教育部工程研究中心,四川成都610039；2.汽车测控与安全四川省重点实验室,四川成都610039；3.西华大学流体及动力机械教育部重点实验室,四川成都610039；4.西华大学航空航天学院,四川成都610039）摘要：通过一台改进的单缸轻型柴油机，研究 3 种进气压力(120、150 和 180kPa)下燃料的滞燃期、十六烷值与进气压力的耦合对柴油机碳氢化合物(HC)排放的影响。使用纯柴油(B00)、B20 燃料(按质量分数混合 20%正丁醇和 80%纯柴油的燃料)和 B20+EHN(B20 中添加 0.7%质量分数的 2-乙基己基硝酸盐)作为燃料进行实验研究。对 B00 和 B20+EHN 的碳氢排放进行比较，可知在进气氧浓度高于 13%时，HC 排放差值几乎不随进气氧浓度发生变化，不同压力的 HC 排放差异基本维持在01g/(kwh)范围内。对 B20 和 B20+EHN 的碳氢排放进行比较，可知在120、150和180kPa的入口压力下，临界氧浓度分别为16%、15%和13%，缸内燃烧温度和燃烧持续期是影响两种燃料 HC 排放差异的主要因素，当进气氧浓度值低于各进气压力下的临界点时，不同的十六烷值引起的缸内燃烧温度差异加大了 HC排放的差异，随着氧浓度的降低，缸内燃烧温度的影响程度增大。关键词：进气压力；进气氧浓度；HC 排放；十六烷值；影响因素中图分类号：TK421+.2文献标志码：A文章编号：1673159X(2024)02002910doi：10.12198/j.issn.1673159X.5191StudyontheCouplingEffectofFuelPhysicochemicalCharacteristicandIntakePressureonHCEmissionHANZhiqiang1,2,3，CHENGAnqi1,4，LIZhiwen2，ZUOZinong2,3，YANYan2,3，WUYi2,3（1.Engineering Research Center of Intelligent Air-ground Integrated Vehicle andTraffic Control,Xihua University,Chengdu 610039 China;2.Vehicle Measurement,Control and Safety Key Laboratory of Sichuan Province,Xihua University,Chengdu 610039 China;3.Key Laboratory of Fluid and Power Machinery,Ministry of Education,Xihua University,Chengdu 610039 China;4.School of Aerospace,Xihua University,Chengdu 610039 China）Abstract:Inthisstudy,theeffectofcouplingthreeintakepressures(120,150,and180kPa)andtheCetanenumber,ignitiondelayperiodoffuelonhydrocarbon(HC)emissionswasinvestigatedbyusingamodifiedsingle-cylinderlight-dutydieselengine.Purecombustiondiesel(B00),B20fuel(mixedwithamassfractionof20%n-butanoland80%purediesel),andB20+2-ethylhexylnitrate(EHN)(0.7%mass收稿日期：20230810基金项目：国家自然科学基金面上项目（51776177）；国防科技重点实验室基金项目（2022-JCJQ-LB-062-0102）；四川省科技计划资助项目（四川省自然科学基金青年科学基金项目）（2023NSFSC0836）。第一作者：韩志强（1981），男，教授，博士，主要研究方向为内燃机燃烧与控制。ORCID:0000000303066446E-mail:引用格式：韩志强，程安琪，李智文，等.燃料理化特性与进气压力耦合对碳氢化合物排放的影响J.西华大学学报（自然科学版），2024，43（2）：2938.HANZhiqiang,CHENGAnqi,LIZhiwen,etal.StudyontheCouplingEffectofFuelPhysicochemicalCharacteristicandIntakePressureonHCEmissionJ.JournalofXihuaUniversity（NaturalScienceEdition）,2024,43（2）:2938.第 43卷第 2 期西华大学学报（自然科学版）2024年3月Vol.43，No.2JournalofXihuaUniversity（NaturalScienceEdition）Mar.2024fractionofEHNaddedtoB20)wereusedasfuelsforexperimentalresearch.Experimentresultsshowthat,comparingthehydrocarbonemissionsofB00andB20+EHN,HCemissionsalmostdoesnotchangewiththeintakeoxygenconcentrationwhentheintakeoxygenconcentrationishigherthan13%,andtheHCemissionsunderdifferentpressuresisbasicallymaintainedintherangeof01g/(kwh).ThecomparisonofhydrocarbonemissionsofB20andB20+EHNshowsthatthecriticaloxygenconcentrationis16%,15%and13%respectivelyunderintakepressuresof120,150and180kPa.Thein-cylindercombustiontemperatureandcombustiondurationarethemainfactorsaffectingthedifferenceofHCemissionsbetweenthetwofuels.Whentheintakeoxygenconcentrationislowerthanthecriticalpointofeachintakepressure,thedif-ferenceofcombustiontemperatureincylindercausedbydifferentcetanenumberincreasesthedifferenceofHCemission.Withthedecreaseofoxygenconcentration,theinfluencedegreeofcombustiontemperatureincylinderincreases.Keywords:intakepressure；intakeoxygenconcentration；hydrocarbonemission；cetanenumber；influencingfactor全球对能源的需求正在迅速增长1-4。由于化石燃料储量有限和燃烧造成环境污染，许多学者把重点放在脂类含氧燃料5、醇类含氧燃料等替代燃料的使用上。其中，丁醇是一种可再生的替代燃料，具有多种优点，包括制备方法多样、成本低、相对环保的工艺等6。丁醇与其他醇相比具有较高的热值7、较高的十六烷值8和较低的汽化潜热9，以及与甲醇和乙醇相比更低的腐蚀性和更好的润滑性10、更短的滞燃期(ignitiondelay,ID)(相对于乙醇)11、更好的柴油相容性等12。此外，在柴油中加入丁醇可以减少氮氧化物和烟尘的排放13-14。Huang 等15将丁醇与 PODE3-4 燃料进行比较，发现丁醇在抑制排放方面具有一定的优势。因此，丁醇是一种合适的柴油机替代燃料。然而，在丁醇作为柴油机替代燃料燃烧的研究中发现存在高 HC 排放的问题。许多学者对丁醇燃烧过程中 HC 排放的主要影响因素进行了研究，发现汽化潜热和十六烷值对 HC 排放有相对显著的影响。Armas 等16研究了新欧洲行驶循环(newEuropeandrivingcycle,NEDC)标准下丁醇柴油混合燃料，发现 HC 排放略高于纯柴油，因为汽化潜热相对较低，缸内燃烧温度较高。Lapuerta 等17测试了一辆欧 6 标准的日产 Qashqai1.5dCi 轻型车，发现碳氢化合物(HC)的排放量可以在任何温度下增加。Kumar 等18研究了稳态下多元醇与柴油混合对柴油机性能的影响，证明了异丁醇柴油燃料的 HC 排放更高，因为汽化潜热的影响大于十六烷值。Choi 等19在欧洲固定循环条件下对柴油正丁醇混合燃料进行实验，发现添加 20%正丁醇后，混合燃料的 HC 排放高于纯柴油。一方面由于正丁醇的加入，使得燃料十六烷值降低，滞燃期延长，从而导致燃烧不稳定。另一方面，加入正丁醇后的燃料汽化潜热增加，导致燃料的蒸发更慢。已有学者根据燃烧过程参数对 HC 排放的影响因素进行了研究。Dhamodaran 等20在不同转速下对不同比例的丁醇油混合燃料进行了实验，发现燃烧持续期在较高的速度更短，逐渐减少 HC 排放率。Ik等21研究了柴油、生物柴油柴油和生物柴油正丁醇柴油为燃料的重型柴油发电机的性能和排放，发现生物柴油正丁醇柴油燃料的 HC 排放量最高，因为燃烧温度较低。田维等22在一台轻型柴油机上测试了正丁醇/柴油复合燃料对排放的影响，实验表明在低负荷时，由于温度较低正丁醇/柴油复合燃烧会出现不稳定，提高正丁醇喷射量会使 HC 排放剧烈上升，中高负荷时随正丁醇喷射量的增加 HC 排放增加，随负荷增大正丁醇喷射量对 HC 的影响变弱。Rakopoulos 等23通过实验评价了 5%和 10%乙醇柴油与 8%和16%丁醇混合对重型涡轮增压直喷柴油机燃烧循环变化和排放的影响，发现与柴油相比，正丁醇与柴油混合后的滞燃期显著增加，缸内压力和缸内温度降低。两种测试的生物燃料与柴油混合的比例越高，排放的 HC 越高，排放的 CO 越低。此外，作者的研究课题组在 HC 排放影响因素的研究方面也取得了一些成果。Han 等24通过考虑 B00、B20 和 B20+EHN 燃料对不同进气氧浓度30西华大学学报（自然科学版）2024年(Coxys)下 HC 排放的影响，研究了燃料氧、燃烧持续期和缸内燃烧温度对 HC 排放的耦合效应，结果表明在富氧环境(O2%:18%20.9%)中，缸内燃烧温度是 HC 排放的主要影响因素，在中等氧气环境(O2%:15%18%)和耗氧环境(O2%:13%15%)中，燃料氧对 HC 排放的影响大于缸内燃烧温度。Xia 等25在不同进气氧浓度下研究了柴油/正丁醇燃料的十六烷值和汽化潜热对 HC 排放和燃烧过程的影响，结果表明滞燃期对 HC 排放和燃烧过程的影响较大，此外低热值对缸内燃烧温度和燃烧持续期的影响随着进气氧浓度的降低而增加，而十六烷值则呈现相反的趋势。Tian 等26研究了柴油正丁醇燃料的理化性质对燃烧过程和 HC 排放的影响，结果表明十六烷值对燃烧持续期的影响是造成 B00 和 B20 燃料 HC 排放差异的主要原因，在缺氧的情况下受汽化潜热影响的缸内温度是 B00 和B20 燃料之间 HC 排放差异的主要原因。许多学者对燃料理化特性、气路中的氧浓度和燃烧参数对 HC 排放的影响进行了详细的研究，只有少数研究考察了氧气路径和燃料理化特性耦合对燃烧过程和 HC 排放的影响。本文为了研究在富氧、中氧和缺氧状态下滞燃期、氧浓度和临界 HC 排放值的变化趋势，进行了前述内容的实验，通过改变进气压力从而改变进气中氧的绝对量，研究了气路氧浓度和燃料理化特性耦合对燃烧过程和 HC 排放的影响。1实验方法与装置1.1实验装置发动机实验系统如图 1 所示。实验时对一台四缸四冲程增压柴油机进行了部分改装。原发动机的技术规格见表 1。图 1 中移除了原发动机上的涡轮增压系统、进气歧管和排气歧管，第一缸被改造成一个拥有独立进、排气系统的测试气缸。空气压缩机用于模拟进气增压压力，通过进气稳压罐和进气冷却器向试验气缸提供新鲜空气。在试验缸的排气管上安装了 EGR 阀和管道，使 EGR 气体可以从排气管输送到进气稳压管。其余 3 个气缸在发动机自然吸气，并配备了一个独立的排气歧管。空气滤清器PCECUNI-USB 6353电荷放大器速度扭矩测量电机电涡流测功机Horiba MEXA 7100DHORIBAAVL 415SCambustion DMS 500排气出口油耗仪光电编码器高压共轨进气进气中冷器进气流量计进气稳压EGR 阀压缩机冷却水进气缸压传感器温度压力温度压力图1发动机实验系统Fig.1Enginetestsystem第2期韩志强等:燃料理化特性与进气压力耦合对碳氢化合物排放的影响31表1发动机原始数据Tab.1Originalenginespecifications参数数值发动机类型四冲程水冷直列缸径行程/（mmmm)93102排量/mL2771压缩比17.5:1进气形式涡轮增压供油系统高压共轨峰值功率/kW80(3600r/min)峰值扭矩/(Nm)280(18002400r/min)进气开启角/ATDC351进气关闭角/BTDC161排气开启角/ATDC117排气关闭角/BTDC352燃料供应采用以下方式：油箱、过滤器、消耗量计、高压燃油泵、高压共轨、压力调节器和喷油器。试验缸内的燃油喷射由实验室研制的开放式电子控制单元(electroniccontrolunit,ECU)控制。其他 3 个气缸由原发动机的 ECU 控制。进气流量测量使用 ToCeil20N80 进气流量计。将诚邦 DW110 型电涡流测功机连接到发动机输出端。光电编码器和 ECU 中信号调理电路分别采集和同步曲轴信号。采用压力传感器和温度传感器分别在稳态下测量进气和排气的压力和温度。发动机冷却液的恒温系统用来保证发动机冷却液在预定的温度。使用 HORIBAMEXA-7100DEGR 分析仪测量发动机尾气各气体成分和排放浓度。进气流量计和燃油消耗计的数据通过 485 通信传输到个人计算机(PC)。所有通过传感器测量的数据由 NI-USB6353 采集卡收集并传输到 PC端进行处理、显示和存储。测量设备技术条件和精度如表 2 所示。表2测量设备技术条件和精度Tab.2Specificationsandprecisionofmeasuringequipment设备型号量程精度制造商进气流量计ToCeil20N800(15)750kg/h0.1kg/h上海同圆缸压传感器6125C030MPa1%瑞士Kistler油耗仪CMFG010060kg/h0.12%上海同圆冷却液恒温系统ET4900-LQY451102四川诚邦电涡流测功机DW110110kW400Nm(2800r/min)0.4%FS，1r/min四川诚邦尾气分析仪MEXA-7100DEGR050000ppm(HC)1ppm(HC)JapanHORIBA压力传感器CYYZ11-Z-46-V5-07-B-G100500kPa0.1%FS北京星仪温度传感器WZPK-191504001上海Yijia采集卡NI-USB63531010V16-bitresolutionAmeriCAATDCNI1.2燃料表 3 列出了测试中使用燃料的物理特性。以纯中国 V 标准柴油(B00)为基准燃料，正丁醇(20%)与纯柴油(按质量分数)混合而成的混合燃料标记为 B20。为了调整 B20 的滞燃期，在 B20 燃料中添加适当比例的 2-乙基己基硝酸酯(2-ethylhexylnitrate，EHN)记为 B20+EHN，使 B20+EHN 的滞燃期与 B00 的滞燃期一致。以纯中国 V 标准柴油、正丁醇和 EHN 为原料，计 算 B20 和 B20+EHN 的 物 理 性 能，体 积 分 数(v%)按比例计算。CNi=CNDieselvi%+CNEHNvi%（1）LHVi=LHVDieselvi%+LHVEHNvi%（2）LHoVi=LHoVDieselvi%+LHoVEHNvi%（3）CNiLHViLHoVivi%式中：、和分别表示不同燃料的十六烷值、低热值和汽化潜热；表示柴油、正丁醇和 EHN 的体积分数。表3混合燃料主要理化性能比较Tab.3Comparison of main physical properties of blendedfuels燃料十六烷值低热值/(MJ/kg)汽化潜热/(kJ/kg)B00455542.800.270.301B2037.645.640.860.3320.357B20+EHN455540.860.3320.35732西华大学学报（自然科学版）2024年B00 和 B20 燃料的十六烷值、汽化潜热和燃料氧含量不同，B20 燃料的十六烷值也不同于B20+EHN 燃 料 的 十 六 烷 值，与 B00 燃 料 相 比B20+EHN 燃料具有更高的汽化潜热。通过控制添加 EHN 的量，B00 和 B20+EHN 燃料的滞燃期基本相同。通过改变 B00 和 B20+EHN 燃料的进气压力，可以研究绝对氧浓度的变化对滞燃期的影响。通过改变 B20 和 B20+EHN 燃料的进气压力，可以研究十六烷值和绝对氧浓度对燃烧过程和 HC 排放的耦合作用。B00、B20 和 B20+EHN 燃料之间HC 排放差异的因素如图 2 所示。十六烷值与氧浓度的耦合作用十六烷值不同十六烷值燃料氧不同滞燃期B20B00B20+EHN滞燃期相同滞燃期与氧浓度的耦合作用图2B00、B20 和 B20+EHN 燃料之间 HC 排放差异的因素Fig.2Factors contributing to differences in HC emissionsbetweenB00,B20,andB20+EHNfuels1.3实验工况表 4 列出了实验工况，主要参数为：转速1500r/min，循环燃料热值 642J/cycle，平均有效压力 0.5MPa，喷油压力 100MPa，喷油正时7CAATDC，冷却水温度 84，进气温度 17。B00、B20 和 B20+EHN 燃料均在 3 种进气压力条件下使用，在 120、150 和 180kPa下最低进气氧浓度分别达到 13%、11%和 9%。1.4数据处理瞬时放热率(heatreleaserate,HRR)和缸内平均温度是根据使用离线燃烧分析系统在 LabVIEW中编写的缸内压力计算出来的，具体的计算过程见参考文献 26。燃烧持续期、滞燃期、Coxy 和 EGR率的值在参考文献 27 中定义。气体分析仪测量的初始 HC 值单位为 ppm，通过计算公式转换成g/(kWh)10。A两种燃料 HC 排放或燃烧过程参数()的差异用式(4)计算得到：A=A1A2（4）TmaxHCTmaxCDID式中 A 可以是 HC 排放值、缸内峰值温度()、燃烧持续期或滞燃期。同一进气氧浓度下两种燃料中的 A 对应值分别为 A1和 A2。表 5 中列出了不同比较分析中的、和的具体定义。表5参数定义Tab.5Parameterdefinition燃料对比AA1A2B00和B20燃料HCB20B00TmaxCDIDB00和B20+EHN燃料HCB20+EHNB00TmaxCDIDB20和B20+EHN燃料HCB20+EHNB20TmaxCDIDPi不同比例定义为Pi=|AB20+EHNB20|/AB20（5）AB20+EHNB20AB20AB20+EHNB20CDAB20Pi式中下标 i 可以表示 HC、缸内峰值温度、燃烧持续 期 或 滞 燃 期。当 i 为 HC 时，表示 B20 和 B20+EHN 燃料之间的 HC，为B20 燃料的 HC 排放值。当 i 为燃烧持续期时，为B20 与B20+EHN 燃料之间的，表示 B20 燃料的燃烧持续期值。上述内容也适用于缸内峰值温度和滞燃期。当为正数时，表示 B20 燃料相应的 HC 排放或燃烧过程参数有助于减少 HC 的排放，反之亦然。2结果和分析图 3 显示了不同进气压力下 B00、B20 和B20+EHN 燃料的 HC 排放量与进气氧浓度之间的表4实验测试工况Tab.4Experimentaltestmatrix进气压力/kPa燃油类型进气氧浓度/%120B00/B20/B20+EHN20.913150B00/B20/B20+EHN20.911180B00/B20/B20+EHN20.99第2期韩志强等:燃料理化特性与进气压力耦合对碳氢化合物排放的影响33关系。由图可知，3 种燃料的 HC 排放值均随着进气氧浓度值的降低而增加。这是因为随着进气氧浓度的降低，缸内燃烧温度也降低，局部缺氧区域增加，导致 HC 排放量逐渐增加。此外，随着进气压力的增加，3 种燃料的 HC 排放逐渐减少。这是因为高进气压力可以缓解气缸内的局部缺氧状态，促进整个燃烧过程。如图 3 所示，高进气压力导致临界点(即燃料 HC 排放值急剧增加的点)向较低的进气氧浓度移动。8101214161820220246810121404812162024024681012B20+EHN-120 kPaB20+EHN-150 kPaB20+EHN-180 kPaHC/(g(kWh)1)进气氧浓度/%B20-120 kPaB20-150 kPaB20-180 kPaHC/(g(kWh)1)B00-120 kPaB00-150 kPaB00-180 kPaHC/(g(kWh)1)图3不同进气压力下 HC 排放随进气氧浓度的变化Fig.3VariationinHCemissionswithCoxyunderdifferentintakepressures2.1滞燃期对碳氢排放的影响研究表明滞燃期对 HC 排放影响较大25，而EHN(十六烷值改进剂)能够改善柴油醇类混合燃料的着火性能，缩短其滞燃期，在柴油醇类混合燃料相关研究中得到了较为广泛的应用。为此，在 B20 燃料中添加质量比为 0.7%的 EHN，配置出与 B00 燃料具有相同滞燃期的新燃料 B20+EHN进行实验。如图 4 所示，不同进气压力下随进气氧浓度的增大，B20+EHN 燃料的滞燃期显著缩短，可以认为其值与 B00 燃料的滞燃期相同。对于滞燃期相同的两种燃料 B00 和 B20+EHN，其在不同进气压力下随进气氧浓度增大时的HC 排放差值(HC(B20+EHN)-HCB00)如图 5 所示。可以看出：进气压力为 180kPa 时，随着进气氧浓度的增大，两种燃料的 HC 排放差值显著减小；当进气氧浓度达到 13%时，不同进气压力下 HC 排放差值随进气氧浓度增大时的变化趋于平缓，且数值较小，基本保持在 01g/(kWh)的范围内。进气压力为 180kPa 时，B20+EHN 燃料在贫氧状态下HC 排放急剧增加的主要原因是气缸内氧浓度极低导致大量燃料未完全燃烧。1012141618202200.51.01.52.02.53.03.5HC/(g(kWh)1)进气氧浓度/%120 kPa150 kPa180 kPa图5不同进气压力下 B00 和 B20+EHN 燃料之间 HC 排放的差异Fig.5DifferenceofHCemissionsbetweenB00andB20+EHNfuelatdifferentintakepressures2.2十六烷值对不同进气压力下的燃烧过程和HC 排放的影响滞燃期在很大程度上取决于燃料的汽化潜热和十六烷值。为了消除燃料汽化潜热对 HC 排放的影响，并有效地分析十六烷值对 HC 排放的影响，对不同进气压力下 B20 和 B20+EHN 燃料之681012141618810121416810121416182022681012141618B00-120 kPaB20-120 kPaB20+EHN-120 kPaID/()B00-150 kPaB20-150 kPaB20+EHN-150 kPaID/()ID/()进气氧浓度/%B00-180 kPaB20-180 kPaB20+EHN-180 kPa图4不同进气压力下滞燃期随进气氧浓度的变化Fig.4Variation in ID with Coxy under different intakepressures34西华大学学报（自然科学版）2024年间的 HC 排放差值(HC(B20+EHN)-HCB20)、缸内峰值温度差值(Tmax(B20+EHN)-TmaxB20)、燃烧持续期差值(CD(B20+EHN)-CDB20)、滞燃期差值(ID(B20+EHN)-IDB20)进行比较分析，结果如图 6所示。89 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 225.04.54.03.53.02.52.01.51.00.500.51.01.52.02.53.040040801201602016128404ID/()进气氧浓度/%CD/()HC/(g(kWh)1)120 kPa150 kPa180 kPaTmax/K图6不同进气压力下 B20 和 B20+EHN 燃料的 HC 排放差值、缸内峰值温度差值、燃烧持续期差值和滞燃期差值随进气氧浓度的变化Fig.6VariationsofHCemissiondifference,in-cylinderpeaktemperaturedifference,CDdifference,andIDperioddifference between B20 and B20+EHN fuels withCoxysunderdifferentintakepressures由图 6 可知：B20 与 B20+EHN 燃料之间的HC 排放差异随着进气压力的增加而逐渐减小，当两种燃料的氧浓度较大时，HC 排放差相对较小，随着进气氧浓度的下降，HC 排放差值的数值逐渐减小；3 种进气压力下 HC 差值陡降的进气氧浓度临界点分别为 16%、15%和 13%，进气氧浓度下降的过程中，在临界点之前的氧浓度范围内缸内绝对氧含量充足，导致 HC 排放差值较小。对 3 种进气压力下的 HC 排放差异以及缸内燃烧状态进行具体分析。由图 6 的数据分析可知，在进气压力为 120kPa 时，随着进气氧浓度从16%下降，缸内燃烧温差从 69K 逐渐增大到 111.9K，燃烧持续期差值从 2.5AATDC 减小到 1.5AATDC，由此可知在 120kPa 进气压力条件下，进气氧浓度小于 16%后，缸内燃烧温度对 HC 的影响大于燃烧持续期，由此导致两种燃料 HC 差值变化增大，且随着进气氧浓度降低，缸内燃烧温度对HC 影响因素权重逐渐增加。在进气压力 150kPa时，随着进气氧浓度由 15%降低至 11%，缸内燃烧温差由 36.5K 上升至 51.8K，而燃烧持续期差值逐渐由 2deg 降低至 1.5deg，由此可知在 150kPa 进气压力时，燃烧温度是两种 HC 差值变化的主要因素。进气压力增加至 180kPa 时，随着进气氧浓度降低，进气氧浓度小于 13%后，缸内燃烧温差从7.5K 增加至 22.2K，燃烧持续期差值由 2deg降低至 1.5deg，由此可知进气氧浓度小于 13%后，在缸内局部缺氧环境中，缸内燃烧温度是两种HC 差值变化的主要因素，且随着进气氧浓度降低，该影响因素权重逐渐增加。图 7 展示了在不同进气压力下 B20 和 B20+EHN 两种燃料在进气氧浓度分别为 20.9%、16%和 13%时的缸内平均温度和放热率。由图可以发现：随着进气压力的增加，缸内平均温度逐渐减小，放热率峰值向前移动；随着进气氧浓度从 20.9%下降到 16%再到 13%，两种燃料的缸内燃烧温度轻微减小，放热率峰值减小并向前移动。PCDPTmaxPIDPHC为了进一步研究在十六烷值和不同进气压力的单一作用下，缸内燃烧温度、燃烧持续期和滞燃期对 HC 排放随进气氧浓度变化的影响，公式(4)和公式（5）定义了、和以表示燃烧持续期、缸内温度峰值、滞燃期和 HC 排放的差值比例。PHCPHCPHCPCDPTmaxPHC图 8 和图 9 展示了 B20 和 B20+EHN 燃料在3 种进气压力下的燃烧持续期、缸内温度峰值、滞燃期和 HC 排放的差值比例。如图所示，当进气压力从 120kPa 增加到 180kPa 后，随着进气氧浓度的下降，呈现出不同的变化模式。在低进气压力下，曲线先下降后上升，但在高进气压力下，曲线呈双峰趋势。随着进气压力的增加，、和总体呈下降趋势。进气压力分别为120、150 和 180kPa 时，进 气 氧 浓 度 分 别 大 于16%、15%和 13%的条件下，由于缸内绝对氧含量充足导致两种燃料的 HC 差值较小，因此这部分将不在以下分析中进行讨论。PHCPCD当进气压力为 120kPa 时，随着进气氧浓度从16%降至 13%，从 61.2%升至 83.4%。和第2期韩志强等:燃料理化特性与进气压力耦合对碳氢化合物排放的影响35PIDPTmaxPCDPTmax均显著下降，而则从 5.8%上升到 9.8%。在此氧浓度范围内，和均为正值。结果表明，在增加十六烷值燃料后，缸内燃烧温度和燃烧持续期是降低 HC 排放的两个因素。相比之下，缸内燃烧温度是影响 HC 排放的主要因素，随着氧浓度的降低，缸内燃烧温度对 HC 排放的影响更为显著。PHCPCDPTmaxPID当进气压力增加到150kPa，进气氧浓度在11%15%范围内时，由 39.9%增加到 58.4%，略有下降(仍为正值)，由 3.3%增加到 5.0%，由20.0%增加到18.5%。因此，十六烷值对两种燃料 HC 排放差异的影响主要取决于燃烧持续期值和燃烧温度。随着进气氧浓度值的降低，燃烧持续期对 HC 排放的抑制作用减弱，但是燃烧温度和滞燃期对 HC 排放的综合影响程度有所增加。PHCPCDPIDPTmax当进气压力为 180kPa，进气氧浓度为 9%13%时，由 8.3%增加到 35%，由 13.3%降至9.1%，由14.3%降至21.4%，而则由 0.7%升至 2.4%。由此可知在此条件下，缸内燃烧温度是影响 HC 排放的主要因素，且随氧浓度降低，缸内燃烧温度的作用增强。3结论本文对比分析了在进气压力为 120、150、18030 20 10010203040506002004006008001 0001 20002004006008001 0001 20002004006008001 0001 2001 400曲轴转角/(ATDC)B20-120 kPaB20+EHN-120 kPaB20-150 kPaB20+EHN-150 kPaB20-180 kPaB20+EHN-180 kPaCoxy=20.9%Coxy=16%Coxy=13%040801201602000408012016020004080120160200240T/KT/KT/KHRR/(J/deg)HRR/(J/deg)HRR/(J/deg)图7不同进气压力下 B20 和 B20+EHN 燃料在 20.9%、16%和 13%进气氧浓度的缸内平均温度和放热率Fig.7AverageIn-cylindertemperatureandHRRofB20andB20+EHNfuelsatCoxysof20.9%,16%,and13%atdifferentintakepressures1050510152025505101520810121416182022105051015202524.023.118.514.39.73.310.314.313.813.39.46.76.710.010.013.312.99.13.03.05.86.09.83.83.93.63.33.45.03.23.21.51.80.70.72.453.428.761.270.983.415.420.831.839.953.458.428.95.716.17.18.341.735.0(a)120 kPa(b)150 kPa进气氧浓度/%(c)180 kPa105051015202510505101520105051015205025025507510025025507550250255075100TmaxPTmax/%PTmax/%PTmax/%PHCPPHC/%PHC/%PHC/%PCD/%PCD/%PCD/%PCDTmax图83 种 进 气 压 力 下 B20 和 B20+EHN 燃 料 的 CD、和 HC 排放比例差异TmaxFig.8Difference proportions in CD,and HCemissionsforB20andB20+EHNfuelsatthreeintakepressures3025201510503025201510589 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 223025201510522.221.121.726.929.014.313.321.120.017.418.514.313.316.715.814.316.021.428.95.716.17.18.341.735.015.420.831.839.953.458.453.428.761.270.983.4进气氧浓度/%502502550755025025507550250255075100(a)120 kPa(b)150 kPa(c)180 kPaPID/%PID/%PID/%PHC/%PHC/%PHC/%PIDPHC图9在 3 种进气压力下 B20 和 B20+EHN 燃料的滞燃期和 HC 排放比例差异Fig.9Difference proportions of ID and HC emissions forB20andB20+EHNfuelsatthreeintakepressures36西华大学学报（自然科学版）2024年kPa 和进气氧浓度为 9%20.9%的条件下，燃料理化特性中的滞燃期和十六烷值对燃烧过程和HC 排放的影响，得出以下结论。1)B00 和 B20+EHN 燃料在不同进气氧浓度和进气压力下燃烧的对比分析表明：相同的滞燃期可以减小两种燃料燃烧状态参数的差异，从而有效减小 HC 排放的差异；进气氧浓度为 13%以上时，两种燃料之间 HC 排放差异数值较小，HC 差值基本不随进气氧浓度和进气压力发生变化，基本维持在 01g/(kwh)范围内。2)通过分析燃料的十六烷值与进气压力的耦合效应，得到 120、150、180kPa 进气压力下进气氧浓度的临界点分别为 16%、15%和 13%，进气压力越高，燃料 HC 排放急剧增加的临界进气氧浓度就越低。3)通过分析十六烷值与进气压力对 HC 排放、缸内燃烧状态的影响，发现当进气氧浓度低于临界点时，燃烧温度是影响 HC 排放差异的主要因素，且随着氧浓度的降低，燃烧温度的影响程度增大。参考文献1OSPINAG,SELIMMYE,ALOMARISAB,etal.Engineroughnessandexhaustemissionsofadieselen-gine fueled with three biofuelsJ.Renewable Energy,2019,134:14651472.2纪常伟,辛固,汪硕峰,等.零碳及碳中和燃料内