飞行员柴油比例和发动机负荷对沼气燃料RCCI发动机燃烧行为的影响

《Fuel Processing Technology》：Influence of pilot diesel ratio and engine load on combustion behaviour in a biogas-fueled RCCI engine

燃烧参数分析；双燃料发动机；生物气掺混比；缸内压力与燃烧稳定性；柴油主燃料比例优化

　　在当前全球对可持续能源和环境保护日益重视的背景下，研究如何减少传统内燃机（Internal Combustion Engine, ICE）对化石燃料的依赖，成为推动绿色交通技术发展的重要课题。本研究聚焦于一种名为“反应性控制压缩点火”（Reactivity-Controlled Compression Ignition, RCCI）的新型发动机燃烧技术，该技术通过使用双燃料系统，即柴油和生物沼气，来实现更清洁、高效的燃烧过程。通过实验分析不同生物沼气能量份额（Energy Share Ratio, ESR）对发动机燃烧性能的影响，研究旨在揭示生物沼气在实际应用中的潜力与限制，从而为未来发动机技术的优化提供科学依据。

### 生物沼气作为替代燃料的优势与挑战

生物沼气作为一种可再生燃料，其主要成分是甲烷（CH?）和二氧化碳（CO?），通常以60–75%和25–40%的比例存在。这种燃料不仅能够显著降低有害排放，如氮氧化物（NO?）和颗粒物（PM），还具有较高的可持续性，因为其来源包括有机废弃物的厌氧消化过程。然而，生物沼气在燃烧过程中也面临一些挑战，例如其较低的热值（Lower Heating Value, LHV）和燃烧速度，这可能导致燃烧不稳定性和热效率下降。此外，生物沼气中可能含有微量的硫化氢（H?S）和氮气（N?），这些成分可能对发动机部件造成腐蚀，影响其使用寿命。

### 实验设计与方法

本研究采用了一种四缸、四冲程、涡轮增压的RCCI发动机，通过实验分析不同生物沼气能量份额（50%、60%、70%和80%）对发动机燃烧特性的影响。实验在恒定转速（1750 rpm）下进行，分别在40 Nm、60 Nm和80 Nm的发动机负载条件下测试。为了确保实验的可控性和可重复性，实验中使用了合成生物沼气（Synthetic Biogas, SBG），其由CH?和CO?按60:40的体积比混合而成，与真实生物沼气的典型成分一致。这种设计避免了对发动机控制单元（Engine Control Unit, ECU）和燃料喷射系统的任何改动，使得实验结果更具现实意义，能够直接应用于现有柴油发动机的改造和优化。

### 燃烧稳定性分析（COV?IMEP）

燃烧稳定性是评估发动机性能的重要指标之一，通常通过“指示平均有效压力的标准差系数”（Coefficient of Variation of Indicated Mean Effective Pressure, COV?IMEP）来衡量。COV?IMEP越低，表示燃烧过程越稳定。实验结果显示，随着生物沼气能量份额的增加，COV?IMEP值也随之上升。这表明，生物沼气的引入可能会导致燃烧过程的波动性增加，尤其是在低负载条件下。然而，当发动机负载提高时，COV?IMEP值下降，说明高负载条件下燃烧稳定性有所改善。这一现象可能与燃烧室温度升高、燃烧过程更充分有关，从而降低了燃烧波动性。

### 燃烧过程的参数分析

1. **燃烧压力与燃烧速率（HRR）**
在实验过程中，观察到随着生物沼气能量份额的增加，燃烧室内的峰值压力呈上升趋势。这是因为生物沼气的引入提高了燃料的混合均匀性，促进了更充分的燃烧。然而，这种压力上升也伴随着燃烧速率（Heat Release Rate, HRR）的降低，特别是在低负载条件下。HRR的下降可能与生物沼气中CO?的稀释作用有关，CO?作为非可燃成分，降低了燃烧速度，从而影响了燃烧效率。

2. **压力上升率（Pressure Rise Rate, PRR）**
PRR是衡量燃烧过程中压力变化速率的指标，直接影响发动机的燃烧效率和机械负荷。实验发现，随着生物沼气比例的增加，PRR值在低负载条件下有所上升，尤其是在高生物沼气能量份额（DB80）的情况下，PRR峰值达到最高。然而，这种压力上升率的增加也带来了潜在的负面影响，如燃烧噪声和机械应力的增加。因此，在设计RCCI燃烧策略时，需要在PRR与燃烧稳定性之间找到平衡点，以确保发动机在高负载下能够安全运行。

3. **燃烧持续时间**
燃烧持续时间是指从10%到90%的总热释放量所对应的曲轴转角范围（CA10–90）。实验结果表明，生物沼气的加入导致燃烧持续时间延长，尤其是在低负载条件下。这一现象可能与生物沼气中的CO?含量有关，CO?降低了氧气浓度，从而减缓了燃烧反应的速度。然而，随着生物沼气比例的进一步增加，燃烧持续时间有所缩短，这可能是因为燃烧过程更加集中，减少了柴油的使用量，从而提高了燃烧效率。

4. **点火延迟（Ignition Delay, ID）**
点火延迟是指从燃料喷射开始到燃烧开始的时间间隔，直接影响燃烧过程的开始时机和燃烧效率。实验结果显示，随着生物沼气能量份额的增加，点火延迟显著延长。这是因为生物沼气中的CO?降低了燃烧室内的氧气浓度，减缓了燃料的自燃过程。然而，当发动机负载增加时，点火延迟有所缩短，这可能与燃烧室温度升高、燃烧反应速率加快有关。

5. **燃烧剧烈度（Ringing Intensity, RI）**
燃烧剧烈度是衡量燃烧过程是否产生强烈压力波动的指标，通常与发动机的运行噪音和机械疲劳有关。实验发现，随着生物沼气比例的增加，燃烧剧烈度也有所上升，尤其是在中高负载条件下。然而，所有测试条件下的RI值均未超过 EURO VI 标准所设定的5 MW/m2上限，表明RCCI燃烧策略在实际应用中具有良好的燃烧稳定性。

### 实验结果的综合分析

从实验结果来看，生物沼气的引入对RCCI发动机的燃烧特性产生了显著影响。在低负载条件下，随着生物沼气比例的增加，燃烧稳定性下降，表现为COV?IMEP值上升、燃烧速率下降、点火延迟延长和燃烧剧烈度增加。然而，当发动机负载提高时，这些负面影响有所缓解，燃烧稳定性得到改善。这一趋势表明，生物沼气在高负载条件下具有更好的应用潜力，尤其是在需要高功率输出的场景中。

此外，实验还发现，随着生物沼气比例的增加，燃烧过程的持续时间有所延长，但在高生物沼气比例下，燃烧持续时间有所缩短。这说明，生物沼气的加入在一定程度上改变了燃烧的动态特性，使其在某些条件下更接近理想燃烧状态。同时，燃烧压力和燃烧速率的变化也表明，生物沼气的加入对燃烧过程的热力学特性产生了深远影响。

### 结论与展望

本研究的结果表明，生物沼气作为一种替代燃料，在RCCI发动机中具有一定的应用潜力。然而，其应用效果受到生物沼气比例和发动机负载的共同影响。在低负载条件下，生物沼气的加入可能导致燃烧不稳定，因此需要优化燃料配比以维持燃烧稳定性。而在高负载条件下，生物沼气的引入能够提高燃烧效率，减少有害排放，是一种可行的替代方案。

未来的研究方向可以包括探索生物沼气与其他替代燃料（如氢气、液化天然气等）的协同效应，以及优化燃料喷射策略以提高燃烧效率和稳定性。此外，随着新能源技术的不断发展，如何将RCCI燃烧策略与混合动力系统相结合，也是值得深入研究的课题。通过进一步的实验和理论分析，可以为未来发动机技术的发展提供更加全面的指导，推动清洁、高效、可持续的交通能源解决方案的实现。