燃料成分对直喷点火发动机中稀薄分层燃烧模式下积炭排放趋势的影响

《Fuel》：Effects of fuel compositions on soot-emission trends of lean stratified-charge operation with pool fires in a direct-injection spark-ignition engine

乙醇燃料EGR率碳烟形成机制研究摘要：通过九种燃料的发动机实验和光学诊断，揭示乙醇燃料EGR率增加时碳烟排放降低的竞争机制：乙醇降低气相富燃料区的同时增加壁面燃油膜厚度，导致气相碳烟减少而池火碳烟增加但总体减少。概念模型解释了乙醇燃料与常规燃料的碳烟形成差异。

　　

金南浩（Namho Kim）| 李尚国（Sanguk Lee）| 达里奥·洛佩兹-平托尔（Dario Lopez-Pintor）| 马格努斯·谢伯格（Magnus Sj?berg）

桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratories），地址：美国加利福尼亚州利弗莫尔市东大道7011号，邮编94550

摘要

本研究探讨了燃料成分对稀薄分层充量火花点火燃烧中烟尘形成机制的影响。使用了一台轻型单缸研究发动机，在100 kPa的进气压力和1000转/分钟的发动机转速下，通过改变废气再循环（EGR）率来观察其影响。为了隔离不同EGR率下的影响，喷射时间和点火时间保持不变，以尽量保持燃料分布、混合以及燃料与缸壁的相互作用的一致性。实验使用了九种测试燃料，这些燃料的辛烷值相似，但碳氢化合物组成不同。除了全金属发动机测试外，还采用了光学诊断技术来检测热烟尘的自然发光现象，并定量评估活塞顶部的燃料膜面积。含有乙醇的燃料表现出与EGR率增加相反的趋势，即烟尘量逐渐减少；而不含乙醇的燃料在EGR率增加时烟尘量基本保持不变。光学诊断结果显示，在给定工作条件下，存在两种烟尘形成机制：一种是从富燃料的缸内区域产生的整体气体烟尘，另一种是来自缸壁燃料膜的局部燃烧（池火）。此外，含有乙醇的燃料出现反直觉的烟尘排放趋势是由于这两种烟尘形成途径之间的竞争：随着EGR率的增加，整体气体烟尘的形成增加，而局部燃烧产生的烟尘减少，后者成为主导效应。本文提出了一个概念模型来解释观察到的烟尘排放趋势。对于不含乙醇的燃料，EGR率的变化对整体气体和局部燃烧产生的烟尘都有类似的影响，导致总烟尘排放量保持不变；而对于含有乙醇的燃料，乙醇降低了燃料的化学计量空气-燃料比，从而减少了缸内富燃料区域，降低了烟尘形成。另一方面，较低的化学计量空气-燃料比需要更多的燃料量才能达到化学计量状态，导致喷射持续时间延长，这加剧了缸壁湿润和局部燃烧，从而增加了烟尘生成。因此，含有乙醇的燃料的烟尘形成主要由局部燃烧主导，随着EGR率的增加，净烟尘生成量减少。

引言

稀薄分层充量（Lean Stratified-Charged, SC）燃烧技术被认为是直接喷射火花点火（Direct Injection Spark-Ignition, DISI）发动机提高热效率的一种有前景的先进技术，因为它可以减少泵送损失、提高工作流体的比热容，并降低缸壁热损失[1]、[2]、[3]。然而，在稀薄SC燃烧条件下维持稳定的燃烧非常具有挑战性，因为它不仅受点火时间和燃料喷射时间的影响，还受到燃料分布和/或火花塞附近流场变化等不可控因素的影响[3]。此外，发动机排放的氮氧化物（NO_x）成为一个重要问题，因为传统的三效催化剂无法有效处理低燃料浓度下的燃烧[4]。废气再循环（EGR）可以有效减少NO_x排放。然而，过量的烟尘排放仍然是稀薄SC燃烧的一个挑战，尤其是在使用EGR的情况下[5]、[6]。

在稀薄SC燃烧过程中，烟尘主要有两个来源：首先，燃烧室壁上的燃料膜可能导致局部燃烧；其次，由于燃料和空气混合不足，在缸内气体中形成的富燃料区域会产生整体气体烟尘。尽管燃料在压缩冲程的上止点（TDC）附近喷射，此时缸内气体温度和密度很高，但仍可能发生燃料喷射到活塞上的现象，从而形成燃料膜[7]。曾等人[8]研究了在2000转/分钟和130 kPa进气压力下的稀薄SC燃烧烟尘排放情况。作者关闭了一个进气阀以促进涡流，从而提高燃烧稳定性[9]，但这种策略也在燃烧室的一侧引入了涡流，导致缸内流动不对称[10]。研究发现，喷射流与强烈的不对称缸内流动相互作用，导致燃料分布不均，形成了富燃料区域，进而增加了整体气体烟尘的生成[8]。

尽管抑制稀薄SC燃烧中的烟尘排放很困难，但使用气相燃料或烟尘生成倾向较低的燃料可以帮助克服这一挑战。Ziyaei等人[2]报告称，甲烷可以减少烟尘排放，因为气态燃料有助于减轻导致烟尘增加的喷射现象。Jung等人[11]比较了汽油和正丁烷在稀薄SC燃烧条件下的颗粒物排放水平，发现正丁烷的颗粒物排放量比汽油低一个数量级以上。Francqueville[12]研究了乙醇添加到RON95汽油（E0）中对烟尘排放的影响，发现E20和E85燃料在较高发动机负荷下显著降低了烟尘排放。Price等人[13]测试了甲醇和乙醇与汽油混合后的效果，发现两者都能降低颗粒物排放，其中乙醇的减排效果更明显。Kim等人[14]在稀薄SC燃烧条件下测试了九种具有不同烟尘生成倾向的燃料（根据Aikawa等人[15]提出的颗粒物指数PMI进行评估）。实验使用了与Zeng等人[8]相同的发动机和操作条件，因此烟尘生成主要由缸内富燃料区域的烟尘形成主导。图1来自[14]，显示了Kim等人[14]在不同EGR率下测得的NO_x和烟尘排放量。结果表明，E30燃料（体积分数30%的乙醇）的烟尘排放量低于传统碳氢化合物燃料。作者发现，乙醇的添加通过增加燃料中的氧含量来抑制富燃料区域的形成，从而减少了烟尘生成。然而，较低的化学计量空气-燃料比需要更多的燃料量才能达到化学计量状态，导致喷射持续时间延长，这加剧了缸壁湿润和局部燃烧，从而增加了烟尘生成。因此，含有乙醇的燃料的烟尘生成主要由局部燃烧主导，随着EGR率的增加，净烟尘生成量减少。

引言

稀薄分层充量（SC）燃烧被认为是直接喷射火花点火（DISI）发动机提高热效率的一种有前景的技术，因为它可以减少泵送损失、提高工作流体的比热容并降低缸壁热损失[1]、[2]、[3]。然而，在稀薄SC燃烧条件下维持稳定的燃烧非常具有挑战性，因为它不仅受点火时间和燃料喷射时间的影响，还受到燃料分布和/或火花塞附近流场变化等不可控因素的影响[3]。此外，发动机排放的氮氧化物（NO_x）成为一个重要问题，因为传统的三效催化剂无法有效处理低燃料浓度的燃烧[4]。废气再循环（EGR）可以有效减少NO_x排放。然而，过量的烟尘排放仍然是稀薄SC燃烧的一个挑战，尤其是在使用EGR的情况下[5]、[6]。

在稀薄SC燃烧过程中，烟尘主要有两个来源：一是燃烧室壁上的燃料膜可能导致局部燃烧；二是由于燃料和空气混合不足，在缸内气体中形成的富燃料区域会产生整体气体烟尘。尽管燃料在压缩冲程的上止点附近喷射，此时缸内气体温度和密度很高，但仍可能发生燃料喷射到活塞上的现象，从而形成燃料膜[7]。Zeng等人[8]研究了在2000转/分钟和130 kPa进气压力下的稀薄SC燃烧烟尘排放情况。作者关闭了一个进气阀以促进涡流，从而提高燃烧稳定性[9]，但这种策略也在燃烧室的一侧引入了涡流，导致缸内流动不对称[10]。研究发现，喷射流与强烈的不对称缸内流动相互作用，导致燃料分布不均，形成了富燃料区域，从而增加了整体气体烟尘的生成[8]。

尽管抑制稀薄SC燃烧中的烟尘排放很困难，但使用气相燃料或烟尘生成倾向较低的燃料可以帮助克服这一挑战。Ziyaei等人[2]报告称，甲烷可以减少烟尘排放，因为气态燃料有助于减轻导致烟尘增加的喷射现象。Jung等人[11]比较了汽油和正丁烷在稀薄SC燃烧条件下的颗粒物排放水平，发现正丁烷的颗粒物排放量比汽油低一个数量级以上。Francqueville[12]研究了乙醇添加到RON95汽油（E0）中对烟尘排放的影响，发现E20和E85燃料在较高发动机负荷下显著降低了烟尘排放。Price等人[13]测试了甲醇和乙醇与汽油混合后的效果，发现两者都能降低颗粒物排放，其中乙醇的减排效果更明显。Kim等人[14]在稀薄SC燃烧条件下测试了九种具有不同烟尘生成倾向的燃料（根据Aikawa等人[15]提出的颗粒物指数PMI进行评估）。实验使用了与Zeng等人[8]相同的发动机和操作条件，因此烟尘生成主要由缸内富燃料区域的烟尘形成主导。图1显示了Kim等人[14]在不同EGR率下测得的NO_x和烟尘排放量，结果表明E30燃料（体积分数30%的乙醇）的烟尘排放量低于传统碳氢化合物燃料。作者发现，乙醇的添加通过增加燃料中的氧含量来抑制富燃料区域的形成，从而减少了烟尘生成。

然而，文献中也有一些与[14]结果相反的研究结果。Sj?berg等人[16]在1000转/分钟和95 kPa进气压力下比较了E85（体积分数85%的乙醇）和普通汽油在稀薄SC条件下的烟尘排放情况，发现E85燃料在喷射延迟时烟尘排放量增加；而普通汽油在喷射延迟时烟尘排放量减少。因此，E85的烟尘排放量明显高于普通汽油，这归因于更厚的燃料膜形成。类似地，Johansen等人[17]在多种发动机转速、喷射策略和负荷条件下比较了E10和E85的烟尘排放情况，发现E10的烟尘生成是由混合气中的富燃料区域和缸壁上的局部燃烧共同引起的，而E85的烟尘生成仅由局部燃烧引起。总体而言，由于局部燃烧产生的烟尘增加，E85的烟尘排放量更严重。

先前的研究表明，乙醇在稀薄SC燃烧条件下可能会减少或增加烟尘排放，这取决于具体的操作条件。这种相反的效果可能是由于在给定条件下主导的烟尘形成机制不同，以及乙醇对不同烟尘形成机制的影响不同。例如，Kim等人[14]研究了燃料成分对烟尘排放的影响，即在以整体气体燃烧为主的条件下。然而，在以局部燃烧为主的条件下，燃料对烟尘形成的影响可能不同。为了开发新的替代燃料配方，以实现整个SC-DISI发动机工作范围内的低烟尘排放，有必要全面了解燃料成分对两种烟尘形成途径（整体气体和局部燃烧）的影响，并定义指标来准确评估各种燃料成分在实际发动机条件下的烟尘生成倾向。

在本研究中，我们在已知喷射-缸壁相互作用和燃料膜生成较强的条件下（1000转/分钟，100 kPa进气压力），探讨了燃料对稀薄SC燃烧烟尘排放的影响[18]、[19]，这与该研究小组之前的研究结果不同。首先，使用全金属发动机配置研究了不同稀释比例下燃料对烟尘排放的影响，共使用了9种测试燃料，其中除一种燃料的RON为92外，其余燃料的RON约为98。然后通过光学诊断技术分析了金属发动机测试得到的排放趋势，重点关注三种具有显著不同烟尘排放趋势的燃料。基于全金属发动机测试结果和光学诊断结果，提出了一个关于燃料对烟尘排放影响的概念模型，全面理解了稀薄SC燃烧条件下的烟尘形成机制。最后，简要讨论了颗粒物指数（PMI）在稀薄SC燃烧中的应用。

部分内容片段

发动机配置

实验在桑迪亚国家实验室的单缸喷射引导直接喷射火花点火（SG-DISI）发动机上进行。该发动机可以配置为全金属或光学类型，两种配置的燃烧室几何结构相同。发动机具有四气门五顶盖燃烧室，几何压缩比为12:1。为了在稀薄SC燃烧条件下增强燃烧稳定性，关闭了一个进气阀以增强涡流运动

全金属发动机测试结果

图4显示了本研究中测试的九种燃料以及氧气稀释比例（O₂）下的发动机性能。具体包括50%燃烧点（CA50）、燃烧持续时间（定义为10%和90%燃烧点之间的间隔CA10-90）、指示平均有效压力（IMEP_g）、IMEP_g的标准偏差（CSD）和燃烧效率（η_comb）。对于所有燃料，随着进气O₂的增加，燃烧相位滞后和燃烧持续时间延长

结论

通过结合烟雾测量和光学诊断技术，研究了燃料成分对发动机排放烟尘的影响，以更好地理解稀薄SC DISI发动机中烟尘形成的机制，特别是在低发动机转速下的自然吸气操作条件下。主要发现和结论总结如下：

•

确定了两种不同的烟尘形成机制：一种是由整体气体燃烧产生的烟尘，另一种是由缸壁燃料膜引起的局部燃烧产生的烟尘

CRediT作者贡献声明

金南浩（Namho Kim）：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、方法论、研究、数据分析、概念化。李尚国（Sanguk Lee）：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、研究、数据分析。达里奥·洛佩兹-平托尔（Dario Lopez-Pinto）：撰写——审稿与编辑、研究、数据分析。马格努斯·谢伯格（Magnus Sj?berg）：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、方法论、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢Kyra Schmidt、Alberto Garcia、Keith Penney、Aaron Czeszynski和Tim Gilbertson对DISI实验室的辛勤支持。Taesong Lee对稿件提供了宝贵的反馈。

本研究在加利福尼亚州利弗莫尔的桑迪亚国家实验室应用燃烧研究部门进行。这项研究是作为“燃料与发动机协同优化”（Co-Optima）项目的一部分开展的，该项目得到了美国政府的资助