喷油定时与进气压力对RCCI特征参数的影响

韩伟强，田小聪，李 邱，李博仑，卢 耀，潘锁柱，张 鹏

（1. 流体及动力机械教育部重点实验室（西华大学），成都610039； 2. 汽车测控与安全四川省重点实验室（西华大学），成都 610039； 3. 交通新能源开发、应用与汽车节能陕西省重点实验室（长安大学），西安 710061）

0 引 言

低温燃烧策略可以使燃烧过程避开 NOx和颗粒物的生成区，同时实现2种排放物的超低排放[1-3]。其中由于均质充量压燃（Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI）和预混充量压燃（Premixed Charge Compressed Ignition，PCCI）[4-8]燃烧模式的燃烧过程由燃料自身的理化性质和化学反应动力学所决定，使燃烧的可控性差，发动机运行负荷范围窄。随着研究的深入，学者们发现通过控制缸内混合气的分层来控制燃烧的着火时刻和反应速率可以达到提高发动机效率、降低排放以及拓展发动机负荷的作用[9-13]。由此，Kokjohn等[14-15]提出了活性控制压燃（Rreactivity Controlled Compression Ignition，RCCI）的燃烧模式，通过进气道喷射低活性燃料，在缸内形成低活性燃料的均质混合气，缸内直喷高活性燃料，形成混合气分层，实现燃烧过程可控的分层燃烧[16-17]。RCCI燃烧模式已被证明在较宽的负荷范围内可以实现接近60%的超高热效率与超低NOx和颗粒物排放[18-22]。

RCCI燃烧过程可以通过合理调整控制参数来形成适度的缸内混合气分层，实现高效低排放的燃烧，其中进气压力（Inlet Pressure，IP）、高活性燃料的喷油定时（Start of Injection，SOI）等控制参数对RCCI燃烧过程有很大影响。IP的改变会导致混合气的温度和分子间的碰撞频率改变，从而影响化学反应的速率[23]。Krishnan等[24]在单缸发动机上研究了IP对丙烷/柴油RCCI燃烧过程的影响，发现IP增加使缸内总当量比降低，缸内峰值压力变大，点火延迟缩短。Li等[25]基于多维仿真和遗传算法对RCCI发动机的参数优化中发现，适当的提高 IP会改善燃烧过程、提高热效率，但过高的 IP会导致局部燃料/空气混合物过稀，降低燃烧速率，抑制自燃过程。韩伟强等[26]在低速低负荷下研究了SOI对乙醇/柴油RCCI燃烧和排放的影响，结果发现，随着 SOI的提前，缸内的活性和当量比分层逐渐增强，点火延迟时间变长。随着SOI进一步提前，缸内混合气的不均匀性降低，使燃烧速度变慢，局部高温区域减少，导致 NOx排放降低[27]。Benajes等[28]使用了不同的低活性燃料研究了SOI对RCCI燃烧和排放的影响，发现在低负荷下，更提前的SOI会导致仅1个阶段的热释放，而延迟的SOI会导致2个阶段的热释放，但在中、高负荷下，由于柴油喷油量的增加，提前或延迟的SOI都会出现2个阶段的热释放。

综上所述，RCCI燃烧由于具备燃烧可控的优势，在众多低温燃烧策略中更具有研究潜力，同时，IP、SOI等参数的改变对RCCI燃烧和排放特性有很大影响。但这些研究大多是在某个特定负荷下进行，当负荷改变时，SOI和IP对RCCI燃烧和排放特性的影响是否会发生改变尚未可知。为制定合理的 RCCI燃烧模式的控制策略，首先应探明不同燃烧边界条件（如 SOI、IP等）对 RCCI燃烧与排放特性的影响。为此，本文在一台六缸重型柴油机上通过进气道喷射汽油，缸内直喷柴油，实现RCCI燃烧，研究了不同循环能量（Cycle Energy，CE）下SOI与IP对汽油/柴油RCCI燃烧排放特性的影响规律和影响程度，为制定合理的 RCCI燃烧模式的控制策略提供数据支撑。

1 试验材料与方法

1.1 试验燃料和试验装置

使用缸内直喷系统喷射柴油，进气道上加装喷油器喷射汽油，实现 RCCI燃烧。试验过程中保持汽油能量预混比（Gasoline Energy Premixing Ratio，PR）为65%，其中PR的定义如式（1）所示。由于较高PR下的RCCI燃烧有助于降低 NOx和颗粒物排放，更具有研究价值，65%是汽油/柴油 RCCI燃烧试验中所能达到的最大 PR值，因此本试验选定PR为65%。试验用发动机具体参数如表1所示，试验用燃料理化性质见表2。

式中Q1和Q2分别表示汽油和柴油的能量，J；Hu1和Hu2分别表示汽油和柴油的低热值，J/mg；m1和m2分别表示汽油和柴油的喷射量，mg。

表1 试验用柴油机参数Table 1 Parameters of test diesel engine

表2 燃料性质Table 2 Fuel properties

图 1为六缸重型柴油机试验平台示意图，主要包括试验发动机、试验测试设备、燃烧排放分析设备和数据采集设备。试验中发动机的缸压信号由缸压传感器（Kistler 6125C）实时感知并通过电荷放大器（Kistler 5011B）放大，再使用NI-USB6353采集卡进行采集。每个工况下采集50个循环的缸压曲线，每个循环下缸压的采集步长为0.5 °CA，采集完成后通过LabView编写的离线燃烧分析系统进行燃烧分析。使用Horiba-MEXA7100DEGR多组分分析仪测量气态排放物，使用Cambustion DMS 500 Mk II测量颗粒物的尺寸分布和颗粒物浓度。

图1 试验平台示意图Fig.1 Schematic diagram of test platform

1.2 试验方法

试验中保持发动机转速为1 000 r/min和PR为65%，选定885、1 380和1 700 J共3个CE，CE表示当前工况下进气道喷射燃料和缸内直喷燃料的能量总和。以 CE作为负荷指标，更方便研究不同燃料组合的 RCCI燃烧模式下燃烧和排放特性的异同。本试验设置的 885、1 380和1 700 J的CE分别对应原机的10%、20 %和30 %负荷，试验中汽油和柴油的喷射量根据CE和PR计算得出。由于 RCCI发动机受到失火、压力升高率过高、排放超量程等因素的限制，本文试验中设置 SOI为−5～−35 °CA ATDC（After Top Dead Cetner）。另外，电动增压器由于高速电机转速的限制，设置 IP为 101～125 kPa。本试验以5 kPa的IP步长进行，处理数据后发现，IP对各燃烧和排放特征参数的影响规律单一，其中110和125 kPa下的IP对各燃烧和排放特征参数的影响规律较为明显，更具有代表性，因此本文只选用110和125 kPa下的2个IP点进行分析，详细的试验参数见表3。

表3 试验参数Table 3 Test parameters

2 结果与分析

由于SOI和IP量纲不同，单位SOI或IP的改变引起的燃烧和排放特征参数的变化不能用来评判控制参数对 RCCI发动机特征参数的影响程度。因此本文从实际物理意义出发，确定了SOI与IP的变化范围，即SOI∈[−5, −35] °CA ATDC，IP∈[110, 125] kPa，本文的影响程度反映的是负荷的增加导致的某个控制参数对燃烧和排放特性调整能力的变化，调节范围增加即影响程度增加。本文以SOI和IP作为控制参数，在不同CE下进行试验，通过对比试验结果，明确出CE的增加使这2个控制参数对RCCI燃烧下的各燃烧和排放特征参数调节范围的变化，即影响程度是否随CE的增加而改变，为今后制定合理的RCCI燃烧模式的控制策略提供数据支撑。

2.1 不同CE下SOI与IP对燃烧特性的影响

对于发动机缸内的燃烧特征参数而言，可以直接获取的是由缸压传感器采集的缸内压力的瞬时变化值，其余燃烧特征参数均基于缸内压力在离线燃烧分析系统计算得出。由于本文试验工况不存在缸内压力过高的问题，燃烧特征参数主要通过放热率分析得出，因此本文未分析缸内压力，而是重点分析放热率以及据此计算出的燃烧特征参数。

图2为RCCI燃烧的2个主要放热阶段，第1阶段是低温放热（Low Temperature Heat Release，LTHR）过程，也称为冷焰反应过程，主要是指温度在 800～850 K之间，大分子过氧化物分解为多个自由基，大量自由基进行链分支反应而放热的过程[29]，在 RCCI发动机中，LTHR过程的放热率峰值（Maximum Heat Release Rate of LTHR Process，LTHRmax）对整体放热过程和燃油经济性起着重要作用[30]，第 2阶段的高温放热（High Temperature Heat Release，HTHR）过程是直喷的高活性燃料夹杂缸内低活性燃料的燃烧，也是 RCCI燃烧的主要放热过程，HTHR过程的放热率峰值（Maximum Heat Release Rate of HTHR Process，HTHRmax）在一定程度上反映出燃烧的剧烈程度，降低 HTHRmax有助于降低压力升高率和拓展发动机工况，此外，HTHRmax对应相位会影响燃烧重心，燃烧重心对缸内温度、压力升高率和油耗等有很大影响[31]。因此，图3中SOI与IP对燃烧放热过程的影响主要分析了不同CE下SOI与IP对LTHRmax和 HTHRmax及其对应相位的影响规律和程度。

图2 RCCI燃烧模式的放热过程Fig.2 Heat release process of Reactivity Controlled Compression Ignition (RCCI) combustion mode

不同CE下SOI与IP对HTHR过程的影响如图3a～3b所示。从图3a、图3b中可看出，在所有的IP下，当CE较小时，HTHRmax随着SOI的提前整体呈先增后降的趋势，而当CE增加为1 700 J时，HTHRmax随SOI提前从先增后降的趋势变为一直升高，这可能是由于在较小的CE下，过大的SOI会使得缸内燃料混合的更均匀，局部高活性区域减少，使燃烧放热缓慢，HTHRmax下降，而CE增加后，相同SOI下缸内混合气的局部高活性区域增加，HTHRmax增加，所以在较大CE下，只有在更提前的SOI下HTHRmax才会出现下降趋势。此外，SOI的提前使HTHRmax对应相位逐渐提前，且CE的增加不改变 SOI对 HTHRmax对应相位的影响规律和程度。在不同CE和SOI下，IP的增加使HTHRmax整体呈下降趋势，并且CE增加后，IP对HTHRmax的影响程度增加，使 HTHRmax下降更明显。例如，当 CE为885 J时，IP增加15 kPa使HTHRmax在所有SOI下整体平均降低约2.35 J/°CA，而当CE为1 700 J时，IP增加15 kPa使 HTHRmax在所有 SOI下整体平均降低约为23.64 J/°CA，CE的增加使IP对HTHRmax的调节范围增加约21 J/°CA。此外，在不同CE下，IP对HTHRmax对应相位的影响在不同 SOI下表现略微不同，当 SOI为−5～−20 °CA ATDC时，IP对HTHRmax对应相位几乎没有影响，而当SOI为−20～−30 °CA ATDC时，IP对HTHRmax对应相位的影响在不同CE下有略微的差异，但影响很小。总体上，不同CE下IP对HTHRmax对应相位几乎没有影响。CE的增加不改变SOI对HTHRmax及其对应相位的影响规律和程度，也不改变 IP对HTHRmax的影响规律和对HTHRmax对应相位的影响规律和程度，但使IP对HTHRmax的影响程度增加，即IP对HTHR过程的调整能力增强。

不同CE下SOI与IP对LTHR过程的影响如图3c和图3d所示。从图3c和图3d中可看出，LTHR只有在更提前的SOI下才出现，在不同CE和IP下，随着SOI的提前，LTHRmax增加，LTHRmax对应相位提前，而SOI对LTHRmax的影响程度在不同CE下表现不同。例如，在IP为125 kPa下，当CE为1 380 J时，SOI从−25 °CA ATDC 提前到−30 °CA ATDC，LTHRmax 增加了5.24 J/°CA，而当CE增加到1 700 J时，LTHRmax在相同SOI提前量下增加了12.9 J/°CA。这可能是由于CE的增加导致喷油量增加，在相同的 SOI提前量下，缸内形成的大分子过氧化物量更多，此时 SOI的改变使LTHRmax变化量更大。而SOI对LTHRmax对应相位的影响在不同 CE下没有明显的规律性。此外，IP对LTHRmax及其对应相位的影响在不同CE下都很小。例如，当CE为885 J时，IP增加15 kPa仅使LTHRmax对应相位产生 0.5 °CA左右的变化，而当 CE增加为1 380 和1 700 J时，IP增加15 kPa不改变LTHRmax对应相位。总体上，CE的增加，使SOI对LTHRmax的影响程度增加，使SOI对LTHR过程的调整能力增强，而在所有CE下，IP对LTHRmax及其相位的影响程度都很小，不适合作为调整LTHR过程的控制参数。

图3 不同CE下SOI与IP对放热过程的影响Fig.3 Effects of SOI and IP on heat release process under different CE

不同CE下SOI与IP对滞燃期的影响如图4所示。滞燃期作为发动机燃烧过程的重要参数，对缸内可燃混合气的形成、燃烧放热过程和排放等有很大影响。

图4 不同CE下SOI与IP对滞燃期的影响Fig.4 Effects of SOI and IP on ignition delay under different CE

从图4中可看出，在不同CE和IP下，滞燃期随着SOI的提前而增加，CE的增加基本不改变SOI对滞燃期的影响规律和程度。从图 4中还可看出，在不同 CE和SOI下，IP的增加使滞燃期略微减小，CE的增加基本不改变IP对滞燃期的影响规律和程度，且IP对滞燃期的影响程度小于SOI。例如，当CE为885 J时，IP从110 kPa增加到125 kPa，滞燃期在所有SOI下都几乎不变，在IP为 110 kPa 下，SOI 从−5 °CA ATDC 提前到−28 °CA ATDC，滞燃期从 4.5 °CA 增长到 15.1 °CA，增加了约10.5 °CA；而当CE增加为1 700 J时，在相同IP增加量下，滞燃期在所有SOI下也都几乎不变，在相同SOI提前量下，滞燃期从3.5 °CA增长到13 °CA，增加了9.5°CA，滞燃期的变化量与小CE下相当。总体上，SOI对滞燃期的影响程度比IP更大，但影响程度不随CE的增加而改变，而IP对滞燃期的影响程度在所有CE下都很小，因此，SOI在任何CE下都可以作为调整滞燃期的控制参数，而IP对滞燃期的调整能力较弱，不适合用来调整滞燃期，此外，SOI和IP对滞燃期的影响规律不随CE的增加而改变。

不同CE下SOI与IP对最大累计放热量的影响如图5所示。最大累计放热量可以反映燃烧放热的基本情况。从图5中可看出，在不同CE和IP下，最大累计放热量随着SOI的提前而增加，且SOI对最大累计放热量的影响程度随CE的增加而增加。从图5中还可看出，在不同CE和SOI下，最大累计放热量随IP增加而变化的规律不明显，IP对最大累计放热量的影响程度很小，且CE的增加基本不改变 IP对最大累计放热量的影响程度。例如，当CE为885 J时，IP从110 kPa增加到125 kPa，最大累计放热量在所有SOI下都几乎不变，SOI从−5 °CA ATDC 提前到−28 °CA ATDC 时，最大累积放热量在所有IP下整体平均增加约150 J；当CE增加为1 700 J时，在相同IP增加量下，最大累计放热量在所有SOI下也都几乎不变，而在相同 SOI提前量下，最大累计放热量在所有IP下整体平均增加约250 J。总体上，SOI对最大累计放热量的影响程度比IP更大，CE的增加使SOI对最大累计放热量的影响程度增加，而IP对最大累计放热量的影响程度在所有CE下都很小，此外，CE的增加不改变SOI和IP对最大累计放热量的影响规律。

图5 不同CE下SOI与IP对最大累计放热量的影响Fig.5 Effects of SOI and IP on maximum cumulative heat release under different CE

不同CE下SOI与IP对缸内平均温度峰值的影响如图 6所示。缸内平均温度峰值反映缸内温度的高低，缸内温度对NOx、HC等排放物的生成有很大影响。从图6中可看出，在不同CE和IP下，缸内平均温度峰值随着SOI的提前而增加，CE增加后，缸内平均温度峰值随SOI提前而变化的规律基本不变，但 SOI对缸内平均温度峰值的影响程度略微增加。例如，当CE为885 J时，SOI从−5 °CA ATDC 提前到−28 °CA ATDC，缸内平均温度峰值在所有IP下整体平均增加约150 K；而当CE增加为1 700 J时，在相同SOI提前量下，缸内平均温度峰值在所有IP下整体平均增加约280 K，CE的增加使SOI对缸内平均温度峰值的调节范围增加约130 K。从图6中还可看出，在不同CE和SOI下，IP的增加使缸内平均温度峰值降低，且 CE增加后，IP对缸内平均温度峰值的影响程度增加。例如，当 CE为 885 J时，IP从110 kPa增加到125 kPa，缸内平均温度峰值在所有SOI下整体平均降低约70 K；而当CE增加为1 700 J时，在相同IP增加量下，缸内平均温度峰值在所有SOI下整体平均降低约140 K，CE的增加使IP对缸内平均温度峰值的调节范围增加约 70 K。总体上，在不同 CE下，SOI和IP对缸内平均温度峰值的影响程度都较大，因此SOI和 IP均可作为调整缸内温度的控制参数。CE增加后，SOI和IP对缸内平均温度峰值的影响规律不变，但会使SOI和IP对缸内平均温度峰值的影响程度增加，使SOI和IP对缸内温度的调整能力增强。

图6 不同CE下SOI与IP对缸内平均温度峰值的影响Fig.6 Effects of SOI and IP on average temperature peak in cylinder under different CE

不同CE下SOI与IP对压力升高率峰值的影响如图7所示。压力升高率峰值与燃烧稳定性、燃烧噪声等有直接联系。从图7中可看出，在不同CE和IP下，压力升高率峰值随着 SOI的提前先增加后降低，只不过在更大的 CE下，压力升高率峰值出现下降趋势时的转折点所对应的SOI会更提前，CE增加后，SOI对压力升高率峰值的影响程度增加。例如，在IP为125 kPa下，当CE为885 J时，在相同SOI提前量下，压力升高率峰值最大变化约 0.15 MPa/°CA，此时转折点对应的 SOI约为−15°CA ATDC；当 CE增加为 1 700 J时，SOI从−5 °CA ATDC提前到−28 °CA ATDC，压力升高率峰值最大变化约 0.28 MPa/°CA，并且转折点所对应的 SOI提前到−24°CA ATDC，CE的增加使125 kPa 下的SOI对压力升高率峰值的调节范围增加约0.13 MPa/°CA。从图7中还可看出，在较小的 CE下，IP对压力升高率峰值的影响规律不明显，但当CE增加为1 700 J时，IP对压力升高率峰值的影响程度增加，使压力升高率峰值略微降低。例如，当CE为885 J时，IP从110增加到125 kPa，压力升高率峰值在所有SOI下整体平均变化约0.006 MPa/°CA；而当CE增加为1 700 J时，在相同IP增加量下，压力升高率峰值在所有 SOI下整体平均变化约 0.06 MPa/°CA，CE的增加使IP对压力升高率峰值的调节范围增加约0.054 MPa/°CA。总体上，在不同CE下，SOI对压力升高率峰值的影响程度比 IP更大，可以作为调整压力升高率的控制参数，而IP对压力升高率峰值的影响只有在更大的CE下才更明显，且总体上对压力升高率峰值的影响程度较小，只能用来略微调整压力升高率的大小，CE的增加使SOI和IP对压力升高率峰值的影响程度增加，即SOI和IP对压力升高率的调整能力增强。

图7 不同CE下SOI与IP对压力升高率峰值的影响Fig.7 Effects of SOI and IP on peak pressure rise rate under different CE

不同CE下SOI与IP对热效率的影响如图8所示，从图8中可看出，在不同CE和IP下，热效率随着SOI的提前整体呈先增后降的趋势，只不过随着 CE的增加，热效率出现下降趋势时的转折点所对应的 SOI会更靠近上止点，而CE的增加基本不改变SOI对热效率的影响程度。例如，当CE为885 J时，随着SOI的提前，热效率最大变化约 5%，此时热效率出现下降趋势时的转折点对应的SOI为−20 °CA ATDC左右；而当CE增加为1 700 J时，随着SOI的提前，热效率的最大变化量与小CE下相当，但此时热效率出现下降趋势时的转折点对应的SOI推迟到了−8 °CA ATDC左右。

图8 不同CE下SOI与IP对热效率的影响Fig.8 Effects of SOI and IP on thermal efficiency under different CE

从图8中还可看出，在不同CE和SOI下，IP对热效率的影响规律较为复杂，但可以看出的是，随着 CE的增加，IP对热效率的影响程度略微增加。例如，在SOI为−20 °CA ATDC下，当 CE为 885 J时，IP从110 kPa增加到125 kPa，热效率基本不变；而当CE增加为 1 700 J时，在相同 IP增加量下，热效率增加了约1%。总体上，SOI对热效率的影响程度比IP更大，对热效率的调整能力更强。随着CE的增加，SOI对热效率的影响规律和程度基本不变，而IP对热效率的影响程度会略微增加。

2.2 不同CE下SOI与IP对排放特性的影响研究

不同CE下SOI与IP对HC排放的影响如图9a所示。从图9a中可看出，在不同CE和IP下，HC排放随着SOI的提前而降低，且SOI对HC排放的影响程度随着CE的增加而降低。例如，当 CE为 885 J时，SOI从−5 °CA ATDC提前到−28 °CA ATDC，HC排放在所有IP下整体降低约89 g/(kW·h)；而当CE增加为1 700 J时，在相同SOI提前量下，HC排放在所有IP下都几乎不变，CE的增加使SOI对HC排放的调节范围减小约89 g/(kW·h)。从图9a中还可看出，在不同CE和SOI下，IP的增加使HC排放增加，且IP对HC排放的影响程度随CE的增加而降低。例如，当CE为885 J时，IP增加15 kPa使HC排放在所有SOI下整体平均增加约13.65 g/(kW·h)；而当CE增加为1 700 J时，在相同IP增加量下，HC排放在所有SOI下都几乎不变, CE的增加使IP对HC排放的调节范围减小约13.65 g/(kW·h)。总体上，SOI对HC排放的影响程度比IP更大，在较小的CE下，SOI和IP均可作为调整HC排放的控制参数，CE增加后，SOI和IP对HC排放的影响程度均降低，使SOI和IP都不再适用于调整HC的排放，此外，CE的增加不改变SOI和IP对HC排放的影响规律。

不同CE下SOI与IP对CO排放的影响如图9b所示。从图9b中可看出，在所有IP下，CE的增加使SOI对CO排放的影响规律发生改变。例如，当CE为885 J时，CO排放随着SOI的提前先降低后增加；而当CE增加为1 380和1 700 J时，CO排放随着SOI的提前一直降低。这可能是由于，在 CE较低时，柴油喷油量较少，SOI=−28 °CA ATDC时滞燃期太长，使柴油与汽油的混合时间过长，出现了较多的贫燃区域，CO排放反而会增加，而CE增加后，喷油量增多，在相同的SOI下，掺混入低活性区域的柴油量增加，使低活性区域燃烧改善，所以即使在−30 °CA ATDC的喷油定时下，缸内也不会出现大面积的贫燃区，因此在较大的CE下，CO的排放会随着SOI的提前一直降低。从图9b中还可看出，在不同CE和SOI下，IP的增加使CO排放增加，且IP对CO排放的影响规律和程度不随CE的增加而改变。例如，当CE为885 J时，IP从110增加到125 kPa，CO排放在所有SOI下整体平均增加约 15 g/(kW·h)；而当 CE增加为1 700 J时，在相同IP增加量下，CO排放在所有SOI下的整体平均增加量也约为15 g/(kW·h)。总体上，CE的增加使SOI对CO排放的影响规律发生改变，但不改变IP对CO排放的影响规律和程度。

图9 不同CE下SOI与IP对排放特性的影响Fig.9 Effects of SOI and IP on emission performance under different CE

不同CE下SOI与IP对NOx排放的影响如图9c所示。从图9c中可看出，在不同CE和IP下，随着SOI的提前，NOx排放呈先增后降的趋势，CE的增加不改变SOI对 NOx排放的影响规律和程度。例如，当 CE为885 J时，SOI从−5 °CA ATDC 提前到−28 °CA ATDC，NOx排放在所有IP下最大变化约19 g/(kW·h)；而当CE增加为1 700 J时，在相同SOI提前量下，NOx排放在所有IP下最大变化约18 g/(kW·h)，CE的增加基本不改变SOI对NOx排放的调节范围。从图9c中还可看出，在不同CE和SOI下，IP的增加使NOx排放降低，且随着CE的增加，IP对NOx排放的影响规律不变，而IP对NOx排放的影响程度略微增加。例如，当CE为885 J时，IP从110增加到125 kPa，NOx排放在所有SOI下整体平均降低约1 g/(kW·h)；而当CE增加为1 700 J时，在相同IP增加量下，NOx排放在所有 SOI下整体平均降低约4 g/(kW·h)，CE的增加使IP对NOx排放的调节范围增加约3 g/(kW·h)。总体上，SOI对NOx排放的影响程度比IP更大，CE的增加基本不改变SOI对NOx排放的影响规律和程度，也不改变IP对NOx排放的影响规律，但会使IP对NOx排放的影响程度略微增加，即IP对NOx排放的调整能力略微增强。

图10a和图10b为核态颗粒物的排放特性。从图10a和图10b中可看出，在所有IP下，核态颗粒物平均粒径随SOI的变化规律在不同CE下表现不同。当CE为885 J时，随着 SOI的提前，核态颗粒物平均粒径整体呈先增后降的趋势，而当CE增加为1 380和1 700 J时，随着SOI的提前，核态颗粒物平均粒径降低。此外，在不同CE和IP下，核态颗粒物数量浓度随SOI的提前而降低，CE增加后，SOI对核态颗粒物平均粒径和数量浓度的影响程度均降低。从图12a和图12b中还可看出，在不同CE和SOI下，IP的增加使核态颗粒物平均粒径和数量浓度均增加，并且CE的增加不改变IP对核态颗粒物平均粒径和数量浓度的影响规律，但会使IP对核态颗粒物平均粒径和数量浓度的影响程度均降低。

图10c和图10d为聚集态颗粒物的排放特性。从图10c和图10d中可看出，在所有IP下，随着CE的增加，聚集态颗粒物平均粒径随着 SOI的提前从保持恒定变为先增后降。在不同CE和IP下，聚集态颗粒物数量浓度随着 SOI的提前呈先降后增的趋势，SOI对聚集态颗粒物平均粒径和数量浓度影响程度的变化无明显规律性。从图10c和图10d中还可看出，在不同CE和SOI下，IP的增加使聚集态颗粒物平均粒径降低，而IP对聚集态颗粒物数量浓度的影响无明显规律性。例如，当CE为885和1 700 J时，IP的增加使聚集态颗粒物数量浓度降低，而CE为1 380 J时，IP的增加使聚集态颗粒物数量浓度大幅度增加。

图10 不同CE下SOI与IP对核态和聚集态颗粒物平均粒径和数量浓度的影响Fig.10 Effects of SOI and IP on average particle size and number concentration of nuclear and aggregate particles under different CEs

不同CE下SOI与IP对颗粒物总质量浓度的影响如图11所示。从图11中可看出，在不同CE和IP下，颗粒物总质量浓度随 SOI的提前呈相似的变化规律，即当SOI=−5～−12 °CA ATDC 和 SOI=−20～−30 °CA ATDC时，颗粒物总质量浓度随 SOI提前而变化的幅度很小，而当SOI=−12～−20 °CA ATDC时，颗粒物总质量浓度随SOI的提前而降低。此外，CE的增加基本不改变SOI对颗粒物总质量浓度的影响规律和程度，而在不同 CE和SOI下，IP的改变对颗粒物总质量浓度的影响无明显规律性。

图11 不同CE下SOI与IP对颗粒物总质量浓度的影响Fig.11 Effects of SOI and IP on total particulate mass concentration under different CE

3 讨 论

通过梳理传统柴油燃烧（Conventional Diesel Combustion，CDC）的相关文献，并结合本文研究结果发现：RCCI的燃烧与排放特征参数随SOI与IP的变化和CDC的存在诸多异同。一方面，RCCI与CDC相比，SOI的变化范围更大。一般来说，对于单次喷射，CDC的SOI调整范围多在−25～5 °CA ATDC之间[32-33]，过早或过晚的 SOI都会造成燃烧不良，使排放恶化、发动机效率降低[34-35]。而 RCCI由于具有缸内混合气活性分层的特点，使其SOI的调整范围拓展到−90～5 °CA ATDC之间[36-37]。不仅如此，与CDC相比，SOI对RCCI燃烧与排放特征参数的影响程度可能更大。如在相同 SOI提前量下，RCCI滞燃期的变化量比CDC更大[26]。而RCCI的燃烧与排放特征参数随SOI的变化规律与CDC类似[26]。另一方面，IP受爆震、工艺技术等因素的限制，使IP的变化范围在不同燃烧模式下区别不大，且通过文献对比发现，IP对RCCI和CDC燃烧与排放特征参数的影响规律类似。如随着IP的增大，颗粒物排放总质量均呈减小趋势[38-39]，这可能是由于进气压力增加后，缸内混合气的当量比下降，缸内氧气量增加，从而降低了碳烟排放。由此可见，SOI对RCCI的燃烧与排放特性的影响和CDC存在明显差异，而IP的影响不明显。

4 结 论

本文在发动机转速为1 000 r/min和汽油能量预混比为 65%的条件下，试验研究了不同循环能量（Cycle Energy，CE）下喷油定时（Start of Injection，SOI）与进气压力（Inlet Pressure，IP）对汽油/柴油RCCI燃烧和排放特性的影响，主要结论如下：

1）对于燃烧特性，SOI和IP对所有燃烧特征参数的影响规律基本都不随CE的增加而改变。但当CE从885增加到 1 700 J时，SOI对低温放热过程、对累计放热量、对缸内温度和压力升高率等的影响程度增加，CE从885增加到1 700 J后，SOI对缸内平均温度峰值的调节范围增加约130 K，125 kPa下的SOI对压力升高率峰值的调节范围增加约0.13 MPa/°CA；IP对高温放热过程、对缸内温度、对压力升高率和热效率的影响程度增加，CE从885增加到1 700 J后，IP对高温放热过程的放热率峰值的调节范围增加约21 J/°CA，IP对缸内平均温度峰值的调节范围增加约 70 K。然而，CE的增加不改变SOI和IP对滞燃期的影响程度，也不改变SOI对高温放热过程及热效率和IP对累计放热量的影响程度。

2）对于气体排放物，CE的增加使 CO排放随 SOI提前而变化的规律从先降后增变为一直降低，而其余气体排放物随SOI和IP而变化的规律不受CE的影响。但CE的增加使SOI和IP对HC排放的影响程度均大幅降低，在1 700 J的CE下，SOI和IP的改变几乎都不使HC排放变化，因此在大CE下SOI和IP不再适用于调整HC的排放；CE的增加还使IP对NOx排放的影响程度略微增加，CE从885 增加到1 700 J使IP对NOx排放的调节范围增加约 3 g/(kW·h)。然而，CE的增加不改变 IP对CO排放和SOI对NOx排放的影响程度。

3）对于颗粒物排放，当CE从885增加到1 700 J时，核态颗粒物平均粒径随 SOI提前而变化的规律从先增后降变为一直降低，聚集态颗粒物平均粒径随 SOI提前而变化的规律从保持恒定变为先增后降，CE的增加使SOI和IP对核态颗粒物的影响程度均降低，在1 700 J的CE下，核态颗粒物平均粒径和数量浓度几乎都不随 SOI和IP的改变而变化。然而，CE的增加不改变SOI对颗粒物总质量浓度的影响程度。