掺混比例对双燃料燃烧影响的可视化研究.pdf

10.16638/ki.1671-7988.2023.019.027 10.16638/ki.1671-7988.2023.019.027 掺混比例对双燃料燃烧影响的可视化研究 李腾腾1，任烁今1，马 跃2，王建昕3，景晓军1（1.中汽研汽车检验中心（天津）有限公司，天津 300300；2.上海船用柴油机研究所，上海 201108；3.清华大学 汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084）摘要：汽柴油双燃料燃烧模式可以降低柴油机中小负荷的氮氧化物和碳烟排放并提高有效效率。文章在一台光学发动机上，采用高速摄影的方法对汽柴油均质混合气引燃（HCII）燃烧进行了解析，针对汽油比例对 HCII 燃烧的影响开展了可视化研究。研究结果表明，HCII 燃烧的过程是火焰首先随着柴油喷束从汽缸中央向四周延展，同时点燃周围的汽油混合气产生蓝色火焰，蓝色火焰逐渐发展至整个燃烧室范围。汽油火焰在多点被同时点燃，火焰面积在极短时间内迅速增加，覆盖几乎所有缸内范围，相对于传统汽油机，HCII 燃烧速度明显增加。随着汽油比例的增加，缸内蓝色火焰比例明显增加，火焰亮度降低，从而实现低温燃烧。关键词：双燃料燃烧；高速摄影；掺混比例；可视化研究 中图分类号：TK429 文献标志码：A 文章编号：1671-7988(2023)19-138-06 Optical Investigation of the Effects of Blending Ratio on Dual fuel Combustion LI Tengteng1,REN Shuojin1,MA Yue2,WANG Jianxin3,JING Xiaojun1(1.CATARC Automotive Test Center(Tianjin)Company Limited,Tianjin 300300,China;2.Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute,Shanghai 201108,China;3.State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy,Tsinghua University,Beijing 100084,China)Abstract:The gasoline-diesel dual fuel combustion mode can reduce the nitrogen oxide and particulate matter emissions of diesel engine and improve the effective efficiency.The gasoline-diesel homogeneous charge induced ignition(HCII)combustion is studied using the high-speed photograph method on an optical engine and the effects of blending ratio on HCII combustion is investigated optically.The results of the study show that the combustion process of HCII started with the flame propagation from the center of the cylinder to the edge with the diesel fuel sprays,igniting the surrounding gasoline mixture.Blue flames are generated and then occupied the entire combustion chamber.The gasoline mixture is ignited at multi-points and the flame area increased rapidly covering almost all the combustion chamber.Compared with conventional gasoline engines,the flame speed of HCII increased obviously.With the increase of gasoline blending ratio,the blue flame 作者简介：李腾腾（1985），男，硕士，高级工程师，研究方向为整车及发动机排放测试评价，E-mail:。第 19 期 李腾腾，等：掺混比例对双燃料燃烧影响的可视化研究 139 ratio in the cylinder increased and the flame brightness decreased obviously resulting in low-temperature combustion.Keywords:Dual fuel combustion;High-speed photograph;Blending ratio;Optical investigation 均质混合气引燃（Homogeneous Charge Induced Ignition,HCII）燃烧同时使用高辛烷值燃料（如汽油）和高十六烷值燃料（如柴油），高辛烷值燃料向进气道喷射，在进气和压缩过程中形成均质混合气，高十六烷值燃料缸内直接喷射引燃1。该燃烧方式能够获得接近柴油机的热效率，同时降低发动机排放。针对未来能源多元化的趋势，该技术可以使用不同来源的燃料，适应不同燃料的特点。因此，HCII 燃烧一直是研究的热点，在某些研究工作中，HCII 燃烧也被称为双燃料燃烧。汽油和柴油仍然是目前使用量最大、应用范围最广的燃料，因此，提高汽油和柴油的能量利用率具有很大的节能减排社会效益2。2014 年清华大学 YU 等3对比了 HCII 燃烧与汽柴混合燃料燃烧模式。研究结果表明，两种燃烧模式都能体现汽油和柴油的优点，实现高热效率和低排放。同时，两种燃烧模式中汽油比例的增加能够加强油气混合，缩短滞燃期从而降低碳烟排放。使用大量废气再循环（Exhaust Gas Recir-culation,EGR）在两种模式下都能实现超低碳烟和氮氧化物（NOX）排放。他们还对 HCII 燃烧的三种不同顺序放热模式进行了试验研究，分别是缓慢单阶段放热、两阶段放热和快速单阶段放热。清华大学任烁今的研究结果表明，汽油比例是汽柴油双燃料燃烧最为敏感的参数之一，当负荷较小时，汽油比例可在 090%范围内变化，升高汽油比例能够提高缸内预混燃烧比例，有利于获得超低的 NOX和碳烟排放以及更高的热效率4。光学诊断技术作为一种非接触式的测试技术，可以在不影响燃烧的情况下对火焰中多种组分的浓度和分布进行二维测量，且具有直观、响应快、分辨率高等优势，是台架试验和模拟计算的重要补充。高速摄影操作方便，结果直观，是进行定性对比的常用方法。为了进一步研究基本控制参数对 HCII 燃烧的影响，本文研究了在一台光学发动机上，采用高速摄影方法对 HCII 的燃烧过程进行解析，针对汽油比例对汽柴油双燃料燃烧的影响开展了可视化研究。1 试验设备方法 1.1 试验设备 进行可视化试验的试验装置主要包括可视化发动机、测功机、发动机电控系统、缸压采集系统、燃油供给系统和高速相机 6 个部分，图 1 给出了高速摄影系统示意图，图 2 为光学发动机系统实物图。发动机的图像采集和燃油喷射系统，由易控公司的电子控制单元（Electronic Control Unit,ECU）进行控制。能够实现对燃油喷射时刻、喷射脉宽、图像采集周期的精确控制。图 1 燃烧室计算网格 图 2 光学发动机系统实物图 本光学发动机使用一款 2.0 L 四缸柴油机的缸盖来进行进排气系统，喷油系统、冷却系统、润140 汽 车 实 用 技 术 2023 年 滑系统及正时系统的改造。光学发动机采用下置式活塞视窗，使用 45反射镜，将光学信号反射呈水平方向进行测量，可以实现缸壁的全透明测量。调试完成后，该发动机能够在 1 200 r/min 以下各转速中稳定运转。光学发动机的主要参数如表 1 所示。表 1 光学发动机的主要参数 项目 参数值 缸径/mm 83 活塞行程/mm 105 连杆长度/mm 215 压缩比 17 活塞凹坑形式 平顶 活塞顶视窗直径/mm 58 冷却方式 水冷 试验用油为北京市场 95#汽油和 0#柴油，汽油采用进气道喷射，柴油采用缸内直喷。试验所用的高速相机为日本 Photron 公司 FASTCAM SA-X2 型高速摄像机，最高拍摄速度可达 100 万帧/秒。发动机所采用的燃烧分析仪为 Kistler 公司的 KiBox To Go 2893A，能够实现对缸压和放热率的采集。试验采用设备的型号如表 2 所示。每个工况采 10 个循环的缸内光学图像，结束后对光学视窗进行清洁。表 2 试验设备及型号 试验设备 型号 柴油喷油器 Delphi 1 100 100-ED01 七孔 高速相机 Photron FASTCAM SA-X2 燃烧分析仪 KiBox To Go 2 893 A 1.2 试验方法 本次研究采用普通摄影法进行试验。普通摄影法所需的光学设备仅包含光源和高速相机，由光源将被摄物照亮，高速相机记录下被摄物的变化。在拍摄火焰时，依靠火焰的自发光，不需要配置光源。普通摄影法有时间分辨率和空间分辨率两项指标，时间分辨率由相机的连拍速度和快门速度决定，空间分辨率则由相机感光元件的像素、采用镜头的焦距以及与被摄物的距离决定。由于燃烧过程迅速，因此，对于高速相机的拍摄速度有较高的要求，目前实验室的高速相机的最高拍摄速度为 100 万帧/秒。1.3 试验条件 试验工况如表 3 所示。固定柴油喷射压力、喷射时刻和脉宽，通过增加汽油喷射量来增加汽油比例。光学发动机转速为 1 200 r/min，没有 EGR。高速相机光圈选择 F5.6，拍摄帧率选择 14 400。表 3 试验工况参数 工况 燃油 喷射压 力/bar 喷射时 刻/()喷油脉 宽/ms 喷油 量/mg 汽油 比例/%1 汽油 4.5 40 0 0 0 柴油 1 000 4 550 3.8 2 汽油 4.5 40 2 500 11.8 76 柴油 1 000 4 550 3.8 3 汽油 4.5 40 4 500 25 87 柴油 1 000 4 550 3.8 2 结果及分析 2.1 缸压和放热率 3 种工况的缸压和放热率曲线如图 3 所示。汽油比例为 0 时，由于柴油喷射的时刻较晚（上止点前 4CA），燃烧主要发生在上止点后，缸压在上止点后约 5CA 才开始脱离纯压缩线。汽油比例为 76%和 87%时，由于在进气道喷入了汽油，因此，缸压曲线和放热率曲线相比于工况 1 更高，发动机的负荷更大。(a)汽油比例=0%(b)汽油比例=76%第 19 期 李腾腾，等：掺混比例对双燃料燃烧影响的可视化研究 141 (c)汽油比例=87%图 3 缸压和放热率曲线 2.2 缸内燃烧图像 3 种工况得到的火焰直拍图像如图 4 所示。汽油比例为 0 时，从上止点后 4CA 开始，可以观察到柴油燃烧产生的火焰，由于柴油的喷射量较少，局部空燃比较大，柴油燃烧的火焰主要呈蓝色。在上止点后约 10CA 处，汽缸外侧的火焰基本消失，喷油器尖端处由于后滴，还存在明显的扩散燃烧火焰，这一火焰的持续时间较长。从图 3 的放热率曲线中可以观察到双峰放热，两个放热峰分别对应主喷燃烧和喷油器的后滴燃烧。由于该工况没有喷入汽油，因此，燃烧主要发生在柴油喷雾的末端，汽缸外侧的区域。图 4 缸内燃烧图像 汽油比例为 76%时，由于进气道汽油挥发吸热，进气温度下降，柴油的滞燃期增长，因此，从上止点后 5CA 开始，才可以观察到柴油燃烧产生的火焰。在上止点后约 13.5CA 处，在汽缸内的火焰才基本消失，这是由于汽油的加入使得燃烧持续期增长所致。本工况下，喷油器尖端处由于后滴，亦存在明显的扩散燃烧火焰，这一火焰持续的时间较长。从图 3 的放热率曲线中可以仍可以观察到双峰放热，两个放热峰分别对应主喷的柴油以及被引燃的汽油的燃烧和喷油器的后滴燃烧。由于该工况喷入了汽油，因此，不仅能观察到柴油火焰（喷雾末端，汽缸外侧区域），同时在汽缸的中心也能够观察到汽油的燃烧。汽油比例为 87%时，由于进气温度下降，柴油的滞燃期增长，从上止点后 6CA 开始，才可以观察到柴油燃烧产生的火焰。本工况下，由于喷入的汽油量更多，因此，在燃烧开始后，火焰占据的范围相比于前两个工况更大，可以明显地观察到汽缸中心的汽油火焰。相比与前两个工况，本工况后滴产生的扩散燃烧火焰较少。2.3 火焰面积 根据火焰直拍图像，计算得到的火焰面积曲142 汽 车 实 用 技 术 2023 年 线如图 5 所示。由曲线可以看到，汽油比例为 0 时，从上止点后 4CA 附近，火焰面积从 0 开始急剧扩大，在约上止点后 7CA 处达到峰值，之后主喷火焰消失，火焰面积迅速下降至 0.610-4 m2后，下降速度放缓，这是喷油器后滴燃烧所引起的。(a)汽油比例=0%(b)汽油比例=76%(c)汽油比例=87%图 5 火焰面积 汽油比例为 76%时，相比与工况 1，从上止点后 6CA 附近，火焰面积才开始急剧扩大，在约上止点后 9CA 处才达到峰值，燃烧的相位有所推迟，这是由于进气道喷射汽油，进气温度下降所致。由于汽油参与了燃烧，火焰的峰值面积为 110-3 m2，相比与工况 1 增大了近 1 倍。上止点后 15CA 后，火焰面积下降速度放缓，此时的火焰主要来源于喷油器的后滴燃烧。汽油比例为87%时，从上止点后6CA附近，火焰面积才开始急剧扩大，在约上止点后 9CA处才达到峰值，燃烧的相位有所推迟，这是由于进气道喷射汽油，进气温度下降所致。由于汽油的喷射量进一步增加，火焰的峰值面积为 1.410-3 m2。上止点后 18CA 后，火焰面积下降速度放缓，此时的火焰主要来源于喷油器的后滴燃烧。火焰的平均亮度随曲轴转角的变化曲线如图6 所示。汽油比例为 0 时，曲线呈双峰形状，在上止点后 10CA 处为波谷。曲线的两个峰分别对应主喷火焰贡献的亮度和后滴火焰贡献的亮度，由于后滴火焰中碳烟含量高，为明亮的黄色扩散燃 (a)汽油比例=0%(b)汽油比例=76%第 19 期 李腾腾，等：掺混比例对双燃料燃烧影响的可视化研究 143 (c)汽油比例=87%图 6 火焰平均亮度 烧火焰，而主喷火焰碳烟浓度低，亮度较为暗淡，因此双峰的亮度区别不大。汽油比例为 76%时，由于汽油参与了燃烧，负荷增大，火焰的平均亮度相比与工况 1 有大幅的增加，同时喷油器的后滴相比与工况 1 显得更为严重。汽油比例为 87%时，由于汽油参与了燃烧，负荷增大，火焰的平均亮度相比与工况 1 有大幅的增加。工况 3 的喷油器后滴并不严重，产生的扩散燃烧火焰较少。3 结论 本研究在一台光学发动机上，采用高速摄影方法对 HCII 的燃烧过程进行解析，主要研究了汽油比例对 HCII 燃烧的影响，得到如下结论：1）小负荷条件下的纯柴油燃烧也有可能发生两阶段放热现象，两个放热峰分别对应主喷燃烧和喷油器的后滴燃烧。2）从燃烧图像中可以看出，HCII 燃烧的过程是火焰首先随着喷油束从汽缸中央向四周延展，同时点燃了周围的汽油混合气产生蓝色火焰，蓝色火焰逐渐发展至整个燃烧室。此时缸内火焰变得十分明亮，柴油火焰（火焰集中，火焰较明亮）以及汽油火焰（遍布燃烧室，亮度降低），能够较为明显区分。3）从火焰面积变化看出，汽油火焰在多点被同时点燃，火焰面积在极短时间内迅速增加，覆盖几乎所有缸内范围。相对于纯柴油燃烧，双燃料模式火焰面积增加 1 倍左右。相对于传统汽油机，燃烧速度明显增加。4）从火焰亮度可以看出，汽油火焰的亮度明显小于柴油火焰，随着汽油比例的增加，缸内蓝色预混火焰比例明显增加，从而实现低温燃烧。参考文献 1 JIANG H F,WANG J X,SHUAI S J.Visualization and Performance Analysis of Gasoline Homogeneous Charge Induced Ignition by DieselC/SAE 2005 World Congress&Exhibition.Washington:American Society of Automotive Engineers,2005-01-0136.2 张丹,任烁今,李腾腾,等.喷油时刻对汽柴油双燃料燃烧影响的模拟研究J.柴油机设计与制造,2022,28(3):21-26.3 YU C,WANG J X,WANG Z,et al.Comparative Study on Gasoline Homogeneous Charge Induced Ignition(HCII)by Diesel and Gasoline/Diesel Blend Fuels(GDBF)Combustion J.Fuel,2013,106:470-477.4 任烁今.重型发动机均质混合气引燃燃烧的试验研究和数值模拟D.北京:清华大学,2018.