作者：胡晓慧
均质混合气引燃燃烧方式的基本思路为“高辛烷值、易挥发燃料形成均质混合气加高十六烷值、易着火燃料引发多点着火”。通过理论分析可知．由直喷柴油压燃引起的多点、大面积同时着火可以加快燃烧速率，得到较高的定容度，提高发动机的热效率；与传统的点燃或压燃燃烧相比，均质混合气引燃(Homogeneous Charge Induced Igni-tion,HCH)可以在较高的压缩比下，燃用稀混合气，能大幅度降低碳烟排放。王建昕的研究表明：HCII燃烧方式可最大程度实现碳烟零排放，将HCII与废气再循环(EGR)结合能够实现低温燃烧，改变缸内的反应过程，同时NOx和PM的排放较少。姚春德一直致力于甲醇／柴油双燃料燃烧的研究，结果表明：HCII燃烧模式下发动机可获得较高热效率和极低的NOx和PM排放。Inagaki，Reitz，Yu，Ma以及Duffour的研究也很好地证明了HCII燃烧的高效低排效果，但是，由于采用了高辛烷值甲醇燃料，尾气中HCHO含量增加，与皮肤接触能引发过敏、炎症，还会对眼睛产生刺激，可诱发癌症，严重威胁人们的健康。
纵观国内外研究者们对HCII燃烧模式的研究，可以发现此燃烧模式具有极大的发展潜力，将成为未来内燃机的发展方向。因此，本文尝试采用十六烷值比柴油更高、自身含硫及劳香烃极少的F-T柴油来引燃甲醇均质混合气，针对其极易着火性，实现煤基高辛烷值燃料在柴油机上的应用，充分利用甲醇价格较低的优势，提高甲醇使用比例，尽量减少F-T柴油使用量，使综合燃料成本下降，实现节能减排。本文主要研究循环供油量中甲醇占能比和F-T柴油喷油时刻对甲醇均质混合气F-T柴油引燃燃烧方式下的PM，NOx，CO，HC,HCHO排放的影响。
1试验设备及方法
试验发动机参数见表1。
试验在一台单缸柴油机上进行，F-T柴油供给采用原机的柴油供给系统，甲醇由自主设计的ECU控制喷射到进气管中与空气混合，喷射时刻固定在10。CA BTDC。常规及非常规气态排放物的测量使用AVL SESAM i60 FT型傅里叶变换红外光谱仪，使用AVL DISMOKE 480型不透光烟度计测定PM排放，试验装置如图1。
定义甲醇占能比为循环供油量中甲醇能量与总能量之比，通过四川诚邦ET2000测控系统让发动机转速固定在1 600 r/min,调节甲醇与F-T柴油的喷射量，使发动机维持某一平均有效压力(BMEP)。F-T柴油喷射时刻由供油提前角调节决定。
2 甲醇占能比对发动机排放特性的影响
甲醇占能比实际上反映了缸内燃烧过程中预混合燃烧和扩散燃烧的比例，能有效控制燃烧的反应速率，对排放特性有重要的影响。图2，3中试验工况为发动机转速为1 600 r/min，BMEP分别为0.3，0.45，0.6 MPa，F-T柴油喷射压力固定在20 MPa，供油提前角为22 0CA BTDC。
图2所示为甲醇占能比对发动机常规污染物排放的影响。
从图2(a)可以看出，甲醇占能比增加，中、低负荷下PM排放略有上升，而高负荷下，PM排放呈大幅度下降趋势，最大降幅为50%。这主要是因为，高负荷下喷人甲醇量较大，缸内温度大大降低，滞燃期延长，使着火前缸内混合气趋于均匀，预混燃烧比例上升，并且前期生成的碳烟可能在之后被氧化；滞燃期延长，还会导致最高燃烧温度下降，降低F-T柴油裂解，并且甲醇燃烧迅速，裂解程度进一步降低，使碳烟排放降低。中、低负荷时，甲醇占能比增加，意味着喷入缸内的F-T柴油量减少，并且甲醇的碳氢比较低，这使得混合气的总含碳量比例降低，但是局部混合气过浓区域增加，且该工况范围内发动机排气温度较低，有机物容易吸附和凝聚在干碳烟微粒表面形成SOF,从而使PM排放略微升高。
从图2(b)可以看出，随甲醇占能比增加，NOx排放呈降低的趋势，且各负荷下降低幅度相近。这主要是因为NOx生成量取决于缸内温度和氧浓度。甲醇占能比增加，缸内预混比例上升，等容度升高，虽然缸压和温度升高，但是持续期缩短，燃烧反应迅速进行，高温时间减少，有利于NOx降低；随甲醇占能比增加，预混合气中空气含量减少，引燃的F-T柴油量减少，从而从根源上限制NOx产生。
从图2(c)可以看出，随甲醇占能比的增加，CO排放整体上呈升高的趋势且低负荷时比升明显，最大升高了52%，高负荷时变化不大。这主要是因为，随甲醇占能比增加，缸内氧浓度减少，混合气只能发生低温和蓝焰反应，生成大量CO，燃烧反应不完全，并且在中低负荷时，发动机排气温度较低，CO浓度较早冻结，而在高负荷下，高的氧化效率减少的CO大于燃烧室壁面附近温度边界层区域生成的CO，使其排放降低。
从图2(d)可以看出，甲醇占能比增加，THC排放呈上升趋势且低负荷时较明显。这主要是因为活塞上行压缩，部分甲醇均质混合气由于缝隙效应，再加上活塞和气缸壁的环形容积区内燃烧温度较低，很难完全燃烧；且随甲醇占能比增加，进入这一区域的甲醇均质混合气增加，导致THC排放增加。在小负荷时，过量空气系数过大，发动机缸内预混合燃烧不稳定，THC排放较大，而随负荷上升，燃烧温度升高，同时燃烧效率提高，使THC排放下降。
图3所示为甲醇占能比对HCHO排放的影响。从图3可以看出，甲醇占能比增加和负荷降低，均造成HCHO排放量上升。这是因为甲醇占能比增加，主燃烧相位出现时刻逐渐远离上止点，活塞下行，最高燃烧温度降低，HCHO氧化变慢。低负荷时，低温淬熄层中的HCHO量较多，缸内燃烧温度较低，氧化作用较弱，燃烧不充分，HCHO排量较高：而当负荷增加时，虽然燃空当量比增加，混合气变浓，活塞环和活塞、缸壁之间的狭缝区域燃料增加，导致不完全燃烧比例上升，但是温度在影响甲醛氧化占主导地位，随负荷增加，缸温急剧上升，促进HCHO氧化，从而排放下降。
3 F-T柴油喷油时刻对发动机排放特性的影响
在HCII燃烧模式中通过调整引燃燃料的喷油时刻可以较好地控制着火始点，着火始点关系到后续缸内燃烧反应，对排放特性有重要影响。图4,5试验工况为发动机转速为1 600 r/min，BMEP为0.3 MPa，缸内F-T柴油喷射压力固定在20MPa,甲醇占能比分别为0，0.5和0.7。
图4所示为F-T柴油喷油时刻对常规污染物排放的影响。从图4(a)可以看出，喷油时刻提前，PM排放呈先降低后升高的趋势。原因为喷油推迟，滞燃期缩短，降低了预混比例；主燃烧相位接近上止点，燃烧温度较高，燃料活性分层导致缸内出现高温过浓区，二者皆使PM排放增加。喷油提前，滞燃期延长，混合气均匀性改善，燃烧更加充分，但是喷油过于提前造成燃烧效率下降,F-T柴油裂解程度增加，PM排放增加。
从图4(b)可以看出，随着喷油时刻提前，NOx排放呈先上升后下降趋势且喷油时刻为22 0CA BTDC时达到最大值。原因是，喷油过于提前，缸温较低，主放热中心离上止点较远，燃烧效率降低，NOx排放降低；喷油滞后，滞燃期缩短，混合气处于富氧情况的几率降低，因此NOx排放较低。
从图4(c)可以看出，随喷油时刻提前，CO排放呈上升趋势，而高甲醇占能比情况下，排放在24。CA BTDC时开始下降。这是因为F-T柴油晚喷，活塞上行，更接近上止点，进入活塞和缸套间的F-T柴油量较少，不易发生蓝焰反应，此容积区生成的CO少；而喷油提前,F-T柴油滞燃期延长，燃料活性分布均匀，较低的缸温影响CO进一步氧化，使其排量升高；然而在高甲醇占能比情况下，尽管滞燃期延长，但是F-T柴油含量相对减少，甲醇为富氧燃料，燃烧充分，放热较多，缸温上升，CO排放减少。
从图4(d)可以看出，喷油时刻提前，THC排放呈先降低后升高的趋势。这主要是因为，喷油提前，混合气温度降低，F-T柴油滞燃期延长，预混比例增加，循环等容度增加，燃烧迅速，缸温较高．THC排放下降。但喷油时刻过于提前导致气缸壁上堆积大量的均质混合气，出现“湿壁”现象，由于滞燃期增加速率大于活塞上行速率，主燃烧相位远离上止点，缸温较低，燃烧不彻底，造成THC排放增加。
图5所示为F-T柴油喷油时刻对非常规排放物HCHO的影响。在不同甲醇占能比下，喷油时刻为20 0CA BTDC时，HCHO排放最低，喷油时刻提前或推迟都将会导致排放升高。这是因为喷油时刻推迟，滞燃期缩短，活塞在上止点时缸内温度较低，淬熄层中的甲醛不能得到完全氧化，甲醛排放升高；喷油时刻提前，甲醇均质混合气进入环形容积区的比例上升，燃烧不完全，并且此时THC排放量较大，有利于甲醛的产生。
4结论
①甲醇均质混合气F-T柴油引燃燃烧方式彻底改变了缸内的燃烧过程，增加预混燃烧比例．PM最大降幅达到50%，同时NO，降幅也达到了47%，从根本上解决了柴油机排放中PM和NOx无法同时降低的难题。但甲醇占能比增加,CO,THC,HCHO排放也随之增加，在具体应用时，可针对性地采用氧化后处理器解决。
②F-T柴油喷油时刻，对发动机常规及非常规污染物排放有较大影响。F-T柴油喷油时刻提前，NOx和CO排放增加，而PM，THC，HCHO排放呈先下降后上升趋势。因此，需综合考虑F-T柴油不同喷射时刻，各排放物的变化规律，找到适合发动机的最佳喷油时刻，降低污染物排放。
5摘要：
针对F-T柴油和煤基甲醇在发动机中燃烧时的各自优势，在一台CY25TQ型柴油机上，研究了甲醇占能比及F-T柴油喷油时刻对甲醇均质混合气F-T柴油引燃燃烧方式下发动机排放特性的影响。试验结果表明：随甲醇占能比增加，碳烟和NOx排放明显下降，而THc，HCHO，CO排放上升；F-T柴油喷油时刻提前，CO和NOx排放上升，而碳烟，HCHO，THC排放呈先降低后升高趋势。
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