目前需在短期和中期內(nèi)勝任滿足未來(lái)對(duì)車輛CO2排放限值的要求，對(duì)整個(gè)汽車行業(yè)提出了巨大挑戰(zhàn)。奧地利格拉茨理工大學(xué)內(nèi)燃機(jī)技術(shù)研究所（IVT）開(kāi)發(fā)的新型DDI過(guò)程將柴油機(jī)的高效率與天然氣降低CO2排放的潛力相結(jié)合，使其成為天然氣-柴油雙燃料燃燒過(guò)程。

1動(dòng)機(jī)

雖然圍繞內(nèi)燃機(jī)的相關(guān)討論始終在不斷開(kāi)展，但目前在短期和中期內(nèi)柴油機(jī)和汽油機(jī)仍有一定的使用價(jià)值。然而從2020年起，未來(lái)的CO2排放目標(biāo)值（95 g/km）以及當(dāng)前歐盟在討論的從2025年起實(shí)施的排放限值（75 g/km）都要求內(nèi)燃機(jī)的熱效率得以顯著提高。因此，奧地利格拉茨理工大學(xué)實(shí)施的研究計(jì)劃的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一種使CO2排放降至最低的燃燒過(guò)程，具體而言就是將柴油機(jī)的高效率與燃用天然氣時(shí)使CO2排放降低的潛力相結(jié)合，使其成為天然氣-柴油雙燃料燃燒過(guò)程（圖1），并對(duì)此進(jìn)行試驗(yàn)研究。

圖1 轎車雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)

2雙燃料方案

從雙燃料（DF）的名稱就能直接得知該類方案涉及到兩種不同燃料的組合。與二階燃燒過(guò)程不同，在燃料運(yùn)行時(shí)兩種燃料是同時(shí)在燃燒室中進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的。從原理上會(huì)考慮到其為不同燃料的組合，例如汽油-柴油、氫-柴油或者汽油-天然氣，但是典型的方案是采用一種不易著火的燃料與另一種易著火的燃料相組合。圖2示出了多種多樣的雙燃料方案。該計(jì)劃僅用于研究天然氣-柴油燃料的配對(duì)，其中直接噴入的柴油起到化學(xué)點(diǎn)火也就是引燃劑的作用。同時(shí)由于改造的費(fèi)用較少，傳統(tǒng)的天然氣-柴油雙燃料燃燒過(guò)程通過(guò)是內(nèi)部形成混合氣，新型的天然氣-柴油雙燃料燃燒過(guò)程采用雙燃料直接噴射方式（DDI）。

圖2 可能的雙燃料方案概貌

由于天然氣具有較高的H/C比例，與傳統(tǒng)的燃料相比，其在效率不變的前提條件下可使CO2排放降低約25%。所研究的雙燃料燃燒過(guò)程降低CO2排放的潛力與天然氣的組分有關(guān)（圖3）。根據(jù)混合比例可將其分為置換法和點(diǎn)火噴束法，后者的目的是盡可能使用更少的柴油量，其所需的點(diǎn)火能量受到噴油系統(tǒng)的限制。鑒于當(dāng)前的條件，所研究的雙燃料方案主要針對(duì)采用最少的柴油量的工況，以便能充分利用天然氣在降低CO2排放方面的潛力。

圖3 天然氣-柴油雙燃料燃燒過(guò)程降低CO2的潛力

3方式方法

在開(kāi)發(fā)新型天然氣-柴油雙燃料燃燒過(guò)程中采取盡可能全面的方法，除了廣泛的試驗(yàn)之外，還要對(duì)雙燃料方案進(jìn)行數(shù)字化模擬和分析。圖4示出了詳細(xì)的課題方案，其重點(diǎn)在于試驗(yàn)研究，其中既要詳細(xì)分析標(biāo)定參數(shù)，又要詳細(xì)分析硬件參數(shù)，而數(shù)字化研究的關(guān)注焦點(diǎn)是缸內(nèi)流動(dòng)過(guò)程。

圖4 實(shí)施的試驗(yàn)研究概貌

4傳統(tǒng)雙燃料方案的難點(diǎn)

在部分負(fù)荷下進(jìn)入氣缸的天然氣不完全燃燒過(guò)程，是實(shí)現(xiàn)天然氣和柴油雙燃料方案的一個(gè)主要技術(shù)難點(diǎn)。在現(xiàn)有的柴油機(jī)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的雙燃料運(yùn)行大多是采取將天然氣連續(xù)注入進(jìn)氣管的方案，由于天然氣在外部形成混合氣，因此在柴油噴射時(shí)刻燃燒室中的天然氣-空氣混合氣幾乎是均質(zhì)的，此時(shí)由于天然氣的注入（天然氣-空氣混合氣過(guò)量空氣系數(shù)λNG）在無(wú)節(jié)流運(yùn)行時(shí)，甚至在混合比例達(dá)85%的高天然氣能量組分的情況下在1750/0.5（譯注：指轉(zhuǎn)速r/min/平均有效壓力MPa）運(yùn)行工況點(diǎn)時(shí)的過(guò)量空氣系數(shù)超過(guò)了稀薄著火極限，以致于在不采用柴油點(diǎn)火噴束直接點(diǎn)火的運(yùn)行范圍內(nèi)會(huì)發(fā)生火焰熄滅的現(xiàn)象，因此在燃燒室中寬廣范圍的預(yù)混合天然氣并未參與燃燒，從而導(dǎo)致較高的HC排放。通過(guò)節(jié)流使發(fā)動(dòng)機(jī)自由進(jìn)氣運(yùn)行時(shí)的進(jìn)氣壓力連續(xù)地降低，正如圖5所示的那樣，從而使均質(zhì)天然氣-空氣混合氣的過(guò)量空氣系數(shù)從2.1降低到1.1，這樣HC排放就能隨之從23g/（kW·h）降低到6g/（kW·h），同時(shí)由于進(jìn)氣管壓力降低，不僅因換氣損失提高而使發(fā)動(dòng)機(jī)效率惡化，而且柴油點(diǎn)火噴束的自行著火條件也變隨之差，因此通過(guò)一系列測(cè)量，發(fā)現(xiàn)其著火滯后現(xiàn)象也明顯增大。為了使燃燒狀況能仍然保持不變，柴油噴射不斷提早，于是自行著火的邊界條件進(jìn)一步惡化，因而天然氣-空氣混合氣完全燃燒的條件與柴油點(diǎn)火噴束自行著火的條件之間存在一個(gè)目標(biāo)沖突，而且在負(fù)荷較低的運(yùn)行工況點(diǎn)的沖突更為強(qiáng)烈。新開(kāi)發(fā)的雙燃料直接噴射技術(shù)剛好應(yīng)用于這種運(yùn)行工況點(diǎn)上，用以替代均質(zhì)的天然氣-空氣混合氣，有針對(duì)性地形成充量分層，從而降低HC排放，同時(shí)又不會(huì)因節(jié)流對(duì)柴油點(diǎn)火噴束的自行著火條件產(chǎn)生不利的影響。

圖5 傳統(tǒng)雙燃料燃燒過(guò)程中未燃HC排放的根源

5DDI方案

由于在項(xiàng)目第一階段已弄清了傳統(tǒng)進(jìn)氣管噴射雙燃料燃燒過(guò)程（DF-PFI）的潛力和難點(diǎn)，因此決定下一個(gè)開(kāi)發(fā)步驟為通過(guò)集成低壓直接噴射將雙燃料噴入燃燒室。除了表1列出了試驗(yàn)載體的技術(shù)數(shù)據(jù)和雙燃料直接噴射（DDI）方案特點(diǎn)之外，圖6還示出了改進(jìn)后的發(fā)動(dòng)機(jī)部件和燃燒室的詳細(xì)視圖。

圖6 實(shí)現(xiàn)DDI方案的修改

表1 試驗(yàn)載體和DDI方案的技術(shù)數(shù)據(jù)和特點(diǎn)

在DDI燃燒過(guò)程中天然氣噴射器起著至關(guān)重要的作用。為了盡可能優(yōu)化燃料分布和柴油點(diǎn)火噴束的混合氣準(zhǔn)備，噴嘴的幾何形狀和尺寸已被調(diào)整到適合于安裝的滿意位置。因受到結(jié)構(gòu)空間的限制，為了集成兩種噴射器而不得不在每缸放棄一個(gè)排氣門的布置，以此要求進(jìn)行廣泛的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)整，除了全面修改氣缸蓋之外，氣缸蓋罩、凸輪軸座和排氣凸輪軸都必須重新設(shè)計(jì)。

6天然氣直接噴射的影響

由于天然氣噴射狀況較為重要，因此必須解釋其對(duì)HC排放的影響。除了排放特性之外，圖7還示出了均質(zhì)和分層運(yùn)行混合氣形成模式的概念。從較早的天然氣噴射始點(diǎn)（SOING=260°CA，點(diǎn)火上止點(diǎn)前）開(kāi)始，HC排放首先降低，直至在下止點(diǎn)范圍（SOING=180°CA，點(diǎn)火上止點(diǎn)前）HC排放又有所增加。同時(shí)借助于1D發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程模擬和3D缸內(nèi)流動(dòng)模擬可對(duì)此進(jìn)行解釋。在形成附壁效應(yīng)的情況下，天然氣沿著燃燒室頂面聚集，特別是在臨近噴射結(jié)束時(shí)。如果在進(jìn)氣門關(guān)閉（ES）的時(shí)間范圍內(nèi)遇到天然氣噴射過(guò)程，則天然氣會(huì)因回流現(xiàn)象而進(jìn)入進(jìn)氣道。首先，附在燃燒室頂面的天然氣會(huì)導(dǎo)致活塞出現(xiàn)擠壓縫隙和同時(shí)由于火力岸區(qū)域存在非常稀薄的混合氣狀況。柴油噴束無(wú)法直接抵達(dá)這些區(qū)域，但是其后續(xù)的火焰前鋒需遍及這些區(qū)域，由于此處的天然氣-空氣混合氣較稀薄以及火焰?zhèn)鞑ヂ窂捷^長(zhǎng)，這些區(qū)域無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全燃燒。進(jìn)氣門關(guān)（ES）后再噴射天然氣即可防止產(chǎn)生該類問(wèn)題，但是HC排放的進(jìn)一步降低主要?dú)w因于充量分層。為了在整個(gè)天然氣噴射持續(xù)期間能確保超臨界壓力狀態(tài)，最晚的天然氣噴射始點(diǎn)被限制在點(diǎn)火上止點(diǎn)前70°CA。圖7示出了從柴油噴束出發(fā)穿過(guò)燃燒室不同噴霧狀況的局部過(guò)量空氣系數(shù)λlokal變化曲線。正如外部混合氣形成的雙燃料方案，過(guò)早的天然氣噴射導(dǎo)致了燃燒室內(nèi)均質(zhì)的天然氣-空氣混合氣，從而在噴射柴油的時(shí)刻發(fā)生了從柴油點(diǎn)火噴束中的純?nèi)加停é薼okal=0）過(guò)渡到稀薄的天然氣-空氣混合氣（λlokal=λNG）。由于天然氣采用直接噴射的方式，因此能主動(dòng)地借助于天然氣噴射狀況影響局部過(guò)量空氣系數(shù)變化曲線。并通過(guò)中央布置的天然氣噴射器與凹坑燃燒室相組合，在壓縮階段期間天然氣即會(huì)被活塞圍住。由于采用充量分層，因此在所有方向上的局部過(guò)量空氣系數(shù)變化曲線會(huì)有所不同，但通常仍可勾勒出從柴油點(diǎn)火噴束出發(fā)的過(guò)量空氣系數(shù)變化曲線的輪廓，通過(guò)充量分層使大多數(shù)燃料成分處于柴油和天然氣的著火極限范圍內(nèi)。在分層混合氣邊界范圍內(nèi)仍存在著稀薄區(qū)域，火焰前鋒進(jìn)入其中就會(huì)熄滅，因此在稀薄混合氣分層運(yùn)行過(guò)程中，少數(shù)未燃成分依然會(huì)殘留在燃燒室中。

圖7 DDI運(yùn)行時(shí)噴射狀況對(duì)未燃HC排放的影響

7運(yùn)行策略

在所獲得的知識(shí)的基礎(chǔ)上，為DDI燃燒過(guò)程推導(dǎo)出整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線場(chǎng)的運(yùn)行策略。圖8示出了包括試驗(yàn)負(fù)荷工況點(diǎn)在內(nèi)的運(yùn)行模式。運(yùn)行策略可被細(xì)分為下列方式和區(qū)域：

（1）從中等部分負(fù)荷直至全負(fù)荷，DDI燃燒過(guò)程基于三元催化轉(zhuǎn)化器可靠的廢氣后處理，并以化學(xué)計(jì)量比總過(guò)量空氣系數(shù)（λ=1）運(yùn)行；

（2）由于天然氣缸內(nèi)混合氣形成，在低部分負(fù)荷時(shí)能實(shí)現(xiàn)稀薄分層運(yùn)行（λ＞1），直接與天然氣外部混合氣形成的雙燃料燃燒過(guò)程相比，其在低負(fù)荷特性曲線場(chǎng)范圍因HC排放多無(wú)法直接轉(zhuǎn)化，而DDI燃燒過(guò)程由于直至低部分負(fù)荷都能以稀薄分層的燃燒方式運(yùn)行，因而其運(yùn)行范圍得以擴(kuò)大；

（3）由于點(diǎn)燃天然氣-空氣混合氣通常需要一定的柴油量，因此僅用柴油就能滿足怠速和最低部分負(fù)荷運(yùn)行的需要，通過(guò)所需的超臨界壓力狀況確定天然氣噴射時(shí)間點(diǎn)和少量的天然氣量，并將分層運(yùn)行與天然氣低壓噴射相結(jié)合，可使其得以充分利用。

圖8 DDI方案的運(yùn)行策略及其所分析的負(fù)荷工況點(diǎn)

8燃燒過(guò)程的比較

為了說(shuō)明采用DDI方案能充分改善燃燒過(guò)程，圖9示出了1500/3運(yùn)行工況點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果，其為負(fù)荷最低狀態(tài)下的試驗(yàn)運(yùn)行工況點(diǎn)，因此對(duì)于雙燃料運(yùn)行是較為關(guān)鍵的，其中將最佳的DDI燃燒過(guò)程與傳統(tǒng)的燃燒過(guò)程、基礎(chǔ)柴油機(jī)以及現(xiàn)代點(diǎn)燃式汽油機(jī)進(jìn)行比較，均為4缸2.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖9 DDI方案與柴油機(jī)、汽油機(jī)和傳統(tǒng)雙燃料

運(yùn)行在1500和運(yùn)行工況點(diǎn)的比較

（圖中符號(hào)含義通圖5和圖7）

從中可以看出，與傳統(tǒng)的雙燃料方案相比，DDI方案的HC原始排放能降低達(dá)5倍，因此DDI方案的HC原始排放能達(dá)到現(xiàn)代汽油機(jī)的水平。由于其燃燒轉(zhuǎn)化效率更快更早，有效效率可比柴油機(jī)提高達(dá)0.9%，而比汽油機(jī)甚至高出4.5%，因此在所試驗(yàn)的運(yùn)行工況點(diǎn)CO2排放降低可達(dá)22%～29%。如果考察其熱運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的話，那么通過(guò)DDI方案可使燃燒轉(zhuǎn)化得更均勻、更平穩(wěn)、更快速，該類情況說(shuō)明通過(guò)火焰前鋒傳播天然氣-空氣混合氣的預(yù)混合燃燒更占優(yōu)勢(shì)，且與火花點(diǎn)燃式汽油機(jī)相比，由于柴油點(diǎn)火噴束的點(diǎn)火能量更大，可觀察到其明顯更快的燃燒轉(zhuǎn)化。

由于是稀薄燃燒，DDI方案選擇這樣來(lái)標(biāo)定：使NOx原始排放達(dá)到柴油機(jī)的水平,然而殘留的幾乎僅僅由甲烷組成的HC排放的后處理卻對(duì)DDI燃燒過(guò)程提出了很大的挑戰(zhàn)。為此，為了通過(guò)氧化催化轉(zhuǎn)化器進(jìn)行有效轉(zhuǎn)換，廢氣溫度至少需要450 ℃，但由于較高的壓縮比以及在部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)充量被EGR和過(guò)量空氣強(qiáng)烈稀釋，DDI方案的廢氣溫度僅在250～300 ℃之間，因此采用目前能提供的催化轉(zhuǎn)化器無(wú)法轉(zhuǎn)化殘留的甲烷排放，這也就暫時(shí)阻礙了對(duì)DDI方案的繼續(xù)實(shí)現(xiàn)。

9結(jié)語(yǔ)

目前已開(kāi)發(fā)出了一種用于轎車的天然氣-柴油雙燃料燃燒過(guò)程。與現(xiàn)有的傳統(tǒng)雙燃料方案相比，DDI方案集成了天然氣的缸內(nèi)直接噴射方式，因此可實(shí)現(xiàn)天然氣-空氣混合氣的充量分層。其在部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)就能大幅降低HC排放，甚至在臨界低負(fù)荷范圍內(nèi)HC原始排放能達(dá)到現(xiàn)代火花點(diǎn)燃式汽油機(jī)的水平，從而使雙燃料燃燒過(guò)程的運(yùn)行范圍明顯擴(kuò)展到低負(fù)荷工況下。由于DDI方案的效率較高并使用天然氣，在發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線場(chǎng)中其CO2排放能比柴油機(jī)和汽油機(jī)降低約20%～30%。但同時(shí)，試驗(yàn)也表明，由于稀薄分層運(yùn)行時(shí)的廢氣溫度低，殘留的幾乎僅由甲烷組成的HC原始排放采用目前能提供的氧化催化轉(zhuǎn)化器無(wú)法被轉(zhuǎn)化，因此為了實(shí)現(xiàn)DDI方案，必須通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化燃燒過(guò)程再次降低HC原始排放，并確保在所有運(yùn)行條件下的廢氣后處理效果。