《Fuel》：Experimental study on thermal efficiency improvement of highly premixed charge combustion engine with high compression ratio chamber
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汽油压燃发动机在中等至高负荷工况下存在最大压力上升率（MPRR）过高、压力振荡（MAPO）强烈及燃烧不稳定问题。研究采用六缸高压缩比GCI发动机，通过双喷射策略（3mg pilot注射+10°CA预主喷射）将MPRR降低64.4%至5.15bar/deg，MAPO降低80.7%至1.3bar，同时G80D20燃料使峰值有效热效率达48.4%。研究表明优化喷射策略与燃料组分协同可提升燃烧稳定性与热效率。
夏龙斌|姚志峰|李子厚|王虎|李远浩|郑遵清|姚明发
天津大学内燃机国家重点实验室，天津300072，中国
摘要
汽油压缩点火（GCI）发动机在中高负荷下面临显著挑战，包括过高的最大压力上升率（MPRR）、强烈的压力振荡（MAPO）、燃烧不稳定性以及增加的烟尘排放。本研究采用了一台高压缩比六缸GCI发动机，系统评估了在中高负荷条件（BMEP为1.1–1.8 MPa）下用于缓解MPRR和MAPO的喷射控制策略，并考察了燃料特性对燃烧行为和热效率的影响。结果表明，单次喷射会导致燃烧强度加剧和MPRR及MAPO升高。相比之下，双喷射策略显著提高了燃烧稳定性。当引燃质量为3毫克且预主喷射间隔为10° CA时，MPRR从14.75巴/度降低到5.15巴/度（减少了64.4%），MAPO从6.75巴降低到1.3巴（减少了80.7%）。此外，G80D20燃料改善了燃烧相位和热效率，实现了48.4%的峰值有效热效率。这些发现表明，通过协调优化压缩比、喷射策略和燃料特性，可以在高负荷GCI发动机中实现稳定、低振荡和高效率的运行。
引言
随着全球工业化和城市化的加速，能源安全和气候变化已从一个广泛关注的问题转变为一个相互关联的“双重困境”，需要协调和系统的解决方案[1]。根据国际能源署（IEA）的最新数据[2]，交通运输目前占全球化石燃料二氧化碳排放量的25%以上[2]。随着各国发布雄心勃勃的“零碳”路线图，排气排放控制正从合规要求转向追求接近零排放[3][4]。尽管预测表明交通运输对化石燃料的依赖可能在2040年后仍然存在[5]，但排放标准的收紧（如欧盟VII、美国EPA Tier 5和中国VI B）正在推动以“清洁燃料和高效燃烧”为核心策略的创新[6]。
压缩点火（CI）发动机是一个典型的例子：其高压、高温、富氧的燃烧环境使得热效率很高，但也导致了大量的NOx、HC、CO和PM排放[7][8]。这些排放对人类呼吸系统构成严重健康风险。尽管存在这些排放问题，由于其高扭矩密度、耐用性和燃料灵活性，CI发动机仍然是远洋船舶、重型卡车、农业设备和分布式能源系统的主要动力来源。短期内，它不太可能被电力或燃料电池技术完全取代[9]。目前发动机研究主要集中在提高CI发动机的热效率并降低特定燃料消耗上。为此，提出了多种创新的燃烧模式，包括HCCI、PCCI和PPC。PPC概念最初由Kalghatgi等人在瑞典提出[10]。该模式利用汽油的高挥发性和辛烷值来延长点火延迟，促进与空气的充分混合，并实现大规模预混合燃烧。PPC结合了传统柴油燃烧和HCCI的优点，显著减少了NOx和PM排放[11][12]。因此，汽油压缩点火燃烧在保持传统柴油CI燃烧的高热效率的同时，实现了更低的排放。这代表了一种有前景的低排放、高效率燃烧概念。大量研究致力于GCI燃烧模式的研究[13][14]。研究人员发现了GCI燃烧中的两个主要挑战：一是低负荷运行时的低燃烧效率和不稳定性；二是高负荷条件下的过高MPRR，这通常会导致燃烧不稳定性。
为了缓解汽油压缩点火发动机中过高的MPRR和燃烧不稳定性问题，当前的方法主要依赖于通过优化燃料喷射策略实现的多阶段燃烧。废气再循环（EGR）常被用来减缓燃烧速率，防止热量过度集中释放，从而有效降低MPRR并抑制燃烧不稳定性。Manente等人在一台压缩比为18的单缸发动机上进行了高负荷GCI燃烧实验[15]。他们的研究表明，采用两阶段喷射策略——在60° CA ATDC时喷射54%的燃料，并结合部分EGR——成功降低了MPRR，使IMEP达到16.56巴，同时将NOx和烟尘排放保持在较低水平。Ra等人[16]通过实验测试和数值模拟研究了双喷射策略对GCI发动机中MPRR的影响。他们的结果表明，适当的喷射时机和燃料分布可以有效降低MPRR，但过早喷射或过高的首次喷射比例反而可能增加MPRR。类似地，其他研究[17][18][19][20]探讨了浓度分层在降低高负荷GCI条件下的MPRR中的作用，得出结论认为，优化的双喷射方案结合部分EGR可以改善分层并有助于抑制MPRR。此外，还探索了将替代燃料与汽油混合作为修改燃料特性和减轻GCI高负荷条件下高MPRR的策略。Putrasari等人[21][22]研究了将5%-20%体积比的生物柴油与汽油混合对单缸发动机燃烧和排放性能的影响。研究发现，这种策略通过减缓燃烧热释放速率有效降低了MPRR。
最近关于汽油压缩点火（GCI）发动机的研究主要集中在16–18范围内的中等压缩比配置[23][24]。在这种压缩比范围内，通过多阶段喷射调度和燃料混合等策略实现了相对稳定的燃烧。然而，即使在这些中等压缩比条件下，也观察到了MPRR波动、循环间变化增加以及燃烧相位敏感性增强等问题，特别是在高负荷运行时。这些发现表明，GCI燃烧对缸内热力学条件和混合分层特性非常敏感。随着对更高热效率的持续追求，提高压缩比被视为进一步发挥压缩点火燃烧潜力的有效途径。在更高压缩比条件下，缸内温度和压力水平显著升高。尽管稀薄燃烧策略被认为是提高热效率并减少排放的核心方法[25][26]，但在这种条件下加剧的预混合燃烧趋势可能会进一步加剧MPRR和燃烧不稳定性。因此，当压缩比接近或超过柴油发动机水平时，上述不稳定性问题可能会变得更加明显且更难以控制。因此，系统研究高压缩比平台下喷射策略和燃料反应性分层的耦合效应对于理解和缓解先进GCI发动机中的燃烧不稳定性至关重要。
实验设置和方法
本研究使用的发动机是一台具有两级涡轮增压和中间冷却的六缸直列重型柴油机。表1列出了主要规格，实验布置示意图见图1。实验平台包括发动机、测功机、燃料输送系统、增压系统以及控制和数据采集单元。进气条件由空调系统控制，以保持稳定的进气
喷射策略对中负荷条件下燃烧和排放行为的影响
在实验过程中，压力数据是发动机性能分析的主要关注点[31]。结果显示，在BMEP = 1.1 MPa和喷射压力为80 MPa的条件下，2 °CA BTDC时的MPRR达到了13.4巴/度。进一步提前喷射时机会导致MPRR超过安全限制[32]，对发动机结构完整性构成潜在风险，并导致燃烧不稳定。为了确保单次喷射条件下的汽油燃烧安全和稳定
结论
汽油压缩点火（GCI）在结合高压缩比设计时，具有实现高热效率和低排放的巨大潜力。然而，在中高负荷条件下，过高的最大压力上升率和燃烧强度限制了其实际应用。本研究系统地研究了一台高压缩比六缸GCI发动机，以评估喷射策略和燃料特性对其的影响
作者贡献声明
夏龙斌：研究工作。姚志峰：方法论。李子厚：形式分析。王虎：资金获取。李远浩：数据管理。郑遵清：方法论。姚明发：方法论。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究工作得到了国家自然科学基金（NSFC）项目（项目编号：52276132）和广西科技重大专项项目（项目编号：AA24263050）的支持。
