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目前，需在短期和中期內勝任滿足未來對車輛CO2排放限值的要求，對整個汽車行業提出了巨大挑戰。奧地利格拉茨理工大學內燃機技術研究所（IVT）開發的新型DDI過程將柴油機的高效率與天然氣降低CO2排放的潛力相結合，使其成為天然氣-柴油雙燃料燃燒過程。
1 動機
雖然圍繞內燃機的相關討論始終在不斷開展，但目前在短期和中期內柴油機和汽油機仍有一定的使用價值。然而從2020年起，未來的CO2排放目標值（95 g/km）以及當前歐盟在討論的從2025年起實施的排放限值（75 g/km）都要求內燃機的熱效率得以顯著提高。因此，奧地利格拉茨理工大學實施的研究計劃的目標是開發一種使CO2排放降至最低的燃燒過程，具體而言就是將柴油機的高效率與燃用天然氣時使CO2排放降低的潛力相結合，使其成為天然氣-柴油雙燃料燃燒過程（圖1），並對此進行試驗研究。
圖1 轎車雙燃料發動機
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。與二階燃燒過程不同，在燃料運行時兩種燃料是同時在燃燒室中進行能量轉換的。從原理上會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，但是典型的方案是採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。該計劃僅用於研究天然氣-柴油燃料的配對，其中直接噴入的柴油起到化學點火也就是引燃劑的作用。同時由於改造的費用較少，傳統的天然氣-柴油雙燃料燃燒過程通過是內部形成混合氣，新型的天然氣-柴油雙燃料燃燒過程採用雙燃料直接噴射方式（DDI）。
圖2 可能的雙燃料方案概貌
由於天然氣具有較高的H/C比例，與傳統的燃料相比，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程降低CO2排放的潛力與天然氣的組分有關（圖3）。根據混合比例可將其分為置換法和點火噴束法，後者的目的是儘可能使用更少的柴油量，其所需的點火能量受到噴油系統的限制。鑑於當前的條件，所研究的雙燃料方案主要針對採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-柴油雙燃料燃燒過程降低CO2的潛力
3 方式方法
在開發新型天然氣-柴油雙燃料燃燒過程中採取儘可能全面的方法，除了廣泛的試驗之外，還要對雙燃料方案進行數字化模擬和分析。圖4示出了詳細的課題方案，其重點在於試驗研究，其中既要詳細分析標定參數，又要詳細分析硬件參數，而數字化研究的關注焦點是缸內流動過程。
圖4 實施的試驗研究概貌
4 傳統雙燃料方案的難點
在部分負荷下進入氣缸的天然氣不完全燃燒過程，是實現天然氣和柴油雙燃料方案的一個主要技術難點。在現有的柴油機基礎上實現的雙燃料運行大多是採取將天然氣連續注入進氣管的方案，由於天然氣在外部形成混合氣，因此在柴油噴射時刻燃燒室中的天然氣-空氣混合氣幾乎是均質的，此時由於天然氣的注入（天然氣-空氣混合氣過量空氣係數λNG）在無節流運行時，甚至在混合比例達85%的高天然氣能量組分的情況下在1750r/min;平均有效壓力0.5MPa,運行工況點時的過量空氣係數超過了稀薄著火極限，以致於在不採用柴油點火噴束直接點火的運行範圍內會發生火焰熄滅的現象，因此在燃燒室中寬廣範圍的預混合天然氣並未參與燃燒，從而導致較高的HC排放。
通過節流使發動機自由進氣運行時的進氣壓力連續地降低，正如圖5所示的那樣，從而使均質天然氣-空氣混合氣的過量空氣係數從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），同時由於進氣管壓力降低，不僅因換氣損失提高而使發動機效率惡化，而且柴油點火噴束的自行著火條件也變隨之差，因此通過一系列測量，發現其著火滯後現象也明顯增大。為了使燃燒狀況能仍然保持不變，柴油噴射不斷提早，於是自行著火的邊界條件進一步惡化，因而天然氣-空氣混合氣完全燃燒的條件與柴油點火噴束自行著火的條件之間存在一個目標衝突，而且在負荷較低的運行工況點的衝突更為強烈。新開發的雙燃料直接噴射技術剛好應用於這種運行工況點上，用以替代均質的天然氣-空氣混合氣，有針對性地形成充量分層，從而降低HC排放，同時又不會因節流對柴油點火噴束的自行著火條件產生不利的影響。
圖5 傳統雙燃料燃燒過程中未燃HC排放的根源
5 DDI方案
由於在項目第一階段已弄清了傳統進氣管噴射雙燃料燃燒過程（DF-PFI）的潛力和難點，因此決定下一個開發步驟為通過集成低壓直接噴射將雙燃料噴入燃燒室。除了表1列出了試驗載體的技術數據和雙燃料直接噴射（DDI）方案特點之外，圖6還示出了改進後的發動機部件和燃燒室的詳細視圖。
圖6 實現DDI方案的修改
表1 試驗載體和DDI方案的技術數據和特點
在DDI燃燒過程中天然氣噴射器起著至關重要的作用。為了儘可能優化燃料分佈和柴油點火噴束的混合氣準備，噴嘴的幾何形狀和尺寸已被調整到適合於安裝的滿意位置。因受到結構空間的限制，為了集成兩種噴射器而不得不在每缸放棄一個排氣門的佈置，以此要求進行廣泛的結構設計調整，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計。
6 天然氣直接噴射的影響
由於天然氣噴射狀況較為重要，因此必須解釋其對HC排放的影響。除了排放特性之外，圖7還示出了均質和分層運行混合氣形成模式的概念。從較早的天然氣噴射始點（SOING=260°CA，點火上止點前）開始，HC排放首先降低，直至在下止點範圍（SOING=180°CA，點火上止點前）HC排放又有所增加。同時藉助於1D發動機工作過程模擬和3D缸內流動模擬可對此進行解釋。在形成附壁效應的情況下，天然氣沿著燃燒室頂面聚集，特別是在臨近噴射結束時。
如果在進氣門關閉（ES）的時間範圍內遇到天然氣噴射過程，則天然氣會因迴流現象而進入進氣道。首先，附在燃燒室頂面的天然氣會導致活塞出現擠壓縫隙和同時由於火力岸區域存在非常稀薄的混合氣狀況。柴油噴束無法直接抵達這些區域，但是其後續的火焰前鋒需遍及這些區域，由於此處的天然氣-空氣混合氣較稀薄以及火焰傳播路徑較長，這些區域無法實現完全燃燒。進氣門關（ES）後再噴射天然氣即可防止產生該類問題，但是HC排放的進一步降低主要歸因於充量分層。為了在整個天然氣噴射持續期間能確保超臨界壓力狀態，最晚的天然氣噴射始點被限制在點火上止點前70°CA。
圖7示出了從柴油噴束出發穿過燃燒室不同噴霧狀況的局部過量空氣係數λlokal變化曲線。正如外部混合氣形成的雙燃料方案，過早的天然氣噴射導致了燃燒室內均質的天然氣-空氣混合氣，從而在噴射柴油的時刻發生了從柴油點火噴束中的純燃油（λlokal=0）過渡到稀薄的天然氣-空氣混合氣（λlokal=λNG）。由於天然氣採用直接噴射的方式，因此能主動地藉助於天然氣噴射狀況影響局部過量空氣係數變化曲線。並通過中央佈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被活塞圍住。由於採用充量分層，因此在所有方向上的局部過量空氣係數變化曲線會有所不同，但通常仍可勾勒出從柴油點火噴束出發的過量空氣係數變化曲線的輪廓，通過充量分層使大多數燃料成分處於柴油和天然氣的著火極限範圍內。在分層混合氣邊界範圍內仍存在著稀薄區域，火焰前鋒進入其中就會熄滅，因此在稀薄混合氣分層運行過程中，少數未燃成分依然會殘留在燃燒室中。
圖7 DDI運行時噴射狀況對未燃HC排放的影響
7 運行策略
在所獲得的知識的基礎上，為DDI燃燒過程推導出整個發動機特性曲線場的運行策略。圖8示出了包括試驗負荷工況點在內的運行模式。運行策略可被細分為下列方式和區域：
（1）從中等部分負荷直至全負荷，DDI燃燒過程基於三元催化轉化器可靠的廢氣後處理，並以化學計量比總過量空氣係數（λ=1）運行；
（2）由於天然氣缸內混合氣形成，在低部分負荷時能實現稀薄分層運行（λ＞1），直接與天然氣外部混合氣形成的雙燃料燃燒過程相比，其在低負荷特性曲線場範圍因HC排放多無法直接轉化，而DDI燃燒過程由於直至低部分負荷都能以稀薄分層的燃燒方式運行，因而其運行範圍得以擴大；
（3）由於點燃天然氣-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荷運行的需要，通過所需的超臨界壓力狀況確定天然氣噴射時間點和少量的天然氣量，並將分層運行與天然氣低壓噴射相結合，可使其得以充分利用。
圖8 DDI方案的運行策略及其所分析的負荷工況點
8 燃燒過程的比較
為了說明採用DDI方案能充分改善燃燒過程，圖9示出了1500/3運行工況點的測量結果，其為負荷最低狀態下的試驗運行工況點，因此對於雙燃料運行是較為關鍵的，其中將最佳的DDI燃燒過程與傳統的燃燒過程、基礎柴油機以及現代點燃式汽油機進行比較，均為4缸2.0 L發動機。
圖9 DDI方案與柴油機、汽油機和傳統雙燃料運行在1500和運行工況點的比較
從中可以看出，與傳統的雙燃料方案相比，DDI方案的HC原始排放能降低達5倍，因此DDI方案的HC原始排放能達到現代汽油機的水平。由於其燃燒轉化效率更快更早，有效效率可比柴油機提高達0.9%，而比汽油機甚至高出4.5%，因此在所試驗的運行工況點CO2排放降低可達22%～29%。如果考察其熱運轉狀態的話，那麼通過DDI方案可使燃燒轉化得更均勻、更平穩、更快速，該類情況說明通過火焰前鋒傳播天然氣-空氣混合氣的預混合燃燒更佔優勢，且與火花點燃式汽油機相比，由於柴油點火噴束的點火能量更大，可觀察到其明顯更快的燃燒轉化。
由於是稀薄燃燒，DDI方案選擇這樣來標定：使NOx原始排放達到柴油機的水平,然而殘留的幾乎僅僅由甲烷組成的HC排放的後處理卻對DDI燃燒過程提出了很大的挑戰。為此，為了通過氧化催化轉化器進行有效轉換，廢氣溫度至少需要450 ℃，但由於較高的壓縮比以及在部分負荷運行時充量被EGR和過量空氣強烈稀釋，DDI方案的廢氣溫度僅在250～300 ℃之間，因此採用目前能提供的催化轉化器無法轉化殘留的甲烷排放，這也就暫時阻礙了對DDI方案的繼續實現。
9 結語
目前已開發出了一種用於轎車的天然氣-柴油雙燃料燃燒過程。與現有的傳統雙燃料方案相比，DDI方案集成了天然氣的缸內直接噴射方式，因此可實現天然氣-空氣混合氣的充量分層。其在部分負荷運行時就能大幅降低HC排放，甚至在臨界低負荷範圍內HC原始排放能達到現代火花點燃式汽油機的水平，從而使雙燃料燃燒過程的運行範圍明顯擴展到低負荷工況下。由於DDI方案的效率較高並使用天然氣，在發動機特性曲線場中其CO2排放能比柴油機和汽油機降低約20%～30%。但同時，試驗也表明，由於稀薄分層運行時的廢氣溫度低，殘留的幾乎僅由甲烷組成的HC原始排放採用目前能提供的氧化催化轉化器無法被轉化，因此為了實現DDI方案，必須通過進一步優化燃燒過程再次降低HC原始排放，並確保在所有運行條件下的廢氣後處理效果。
【德】F.Sprenger等
【譯】範明強
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