双燃料燃烧策略，对优化内燃机效率与排放控制，有何前景与挑战？

麻烦看官老爷们右上角点击一下“关注”，既方便您进行讨论和分享，又能给您带来不一样的参与感，感谢您的支持!

文|楠猫

编辑|楠猫

双燃料燃烧策略已经成为了优化内燃机效率和排放控制的研究热点。这种策略利用两种或多种不同燃料的组合，可以提高燃烧效率和降低污染物排放。

然而，实施双燃料燃烧策略并不是一项容易的任务，它面临着许多挑战和前景。其中一个主要挑战就是确保不同燃料的混合和燃烧过程能够稳定进行，并不会对内燃机的可靠性和耐久性产生负面影响

此外，燃烧过程中的动力性能和排放特性也需要得到适当的平衡，才能确保兼顾燃烧效率和环境友好性。

本文将深度探讨双燃料燃烧策略的前景和挑战，以及如何解决这些挑战以实现更高效的内燃机性能和更清洁的排放控制。

现代汽车工业中的双燃料

尽管双燃料发动机已经广泛应用于发电、热电联产、气体压缩和泵送工作。但在移动应用中的实施中，仍然是一个迫切的长期研究领域。

事实上，与移动和轻型应用相比，双燃料技术在固定和重型应用中更受欢迎。

近年来，威斯康星大学麦迪逊分校的一研究小组提出了一种采用双燃料燃烧策略的方案，旨在降低氮氧化物（NOx）和颗粒物（PM）的排放。

他们的研究致力于开发一种能够同时利用两种不同类型燃料的新型发动机系统。通过这种策略，他们试图达到低排放和高燃烧效率的双重目标。

这一研究小组的工作，为我们展示了双燃料燃烧策略在减少污染物排放，和提高能源利用方面的潜力。

他们的研究表明，双燃料燃烧策略的实施使NOx减少了三个数量级，烟尘减少了六分之一，总指示效率提高了16.4%。

研究人员在一台双燃料RCCI发动机上证明，使用两种反应性差异较大的燃料优化缸内燃料分层可实现近60%的总指示热效率。

他们还通过模拟研究表明，双燃料燃烧策略排放的热量更少，可以实现约94%的最大循环效率，同时获得超低的NOx和PM排放。

提高发动机热效率的类似动机也导致了在轻型火花点火发动机中实施双燃料策略。最初由Cohn等人于2005年作为发动机概念提出，双燃料火花点火发动机具有两个燃油喷射系统——一个用于传统汽油，另一个用于乙醇。

该发动机将促进替代燃料如乙醇的利用，减少对化石燃料的依赖，并且这是一种替代的爆震抑制策略，允许更高的负荷和更高效率的运行。

诸如乙醇的高辛烷值燃料与常规燃料汽油结合使用，以基于运行条件动态地调节燃料混合物的自燃阻力。研究建议双燃料燃烧可以潜在地将SI发动机的驱动循环效率提高大约30%。

研究证明了与单燃料汽油直接喷射(GDI)策略相比，双喷射在几乎所有负荷下显示出对指示效率和排放的益处。

此外显示最大30%的油井到车轮(W-t-W) CO2，通过使用双燃料喷射系统可以实现同等程度的减少。

双燃料压燃式发动机

柴油或压燃式发动机由于其更高的效率和高扭矩生产能力，在中型和重型市场占据主导地位。这种发动机需要一种反应性更强的燃料，在高压和高温下能够自动点火。

这限制了可用于CI发动机的燃料，双燃料发动机提供了一种使用低反应性燃料的方法，因为它们可以利用第二种更具反应性的燃料来产生点火。

此外，双燃料概念也作为一种减少发动机排放的方法进行了研究。传统的柴油机燃烧是扩散控制的，并且通常伴随有高的氮氧化物(NOx)和颗粒物排放。

氮氧化物排放是由高缸内温度条件造成的，这种条件促进了氮与过量氧的结合。

同时，当碳氢化合物种类聚集时，在富含燃料的区域产生了颗粒物质或烟灰。

因此，高局部当量比会导致碳烟形成，而高局部温度会导致氮氧化物形成，如所示图1。

为了避免这些有问题的区域，许多双燃料重型CI发动机试图在促进燃料和空气的预混合和/或实现缸内分层的条件下运行，以达到高效率和低排放。

通过实现更加预混合的燃烧，将产生PM的富燃区域几乎可以被消除。

实现了更短的燃烧持续时间，这降低了局部温度，从而降低了NOx排放量。

因此，双燃料发动机在重型市场受到追捧有两个主要原因：

1.作为利用更容易获得但反应性较低的燃料作为主要动力源并使用高反应性燃料来引发燃烧的一种方式。

2.作为一种引入不同反应性的燃料并创造更有效且产生更少NO的更复杂燃烧模式的方法x还有PM。

传统双燃料压燃式发动机

随着人们减少对传统柴油和汽油的依赖，研究人员对在发动机中使用天然气等燃料的兴趣越来越大。

这些燃料比常规柴油燃料的反应性低，因此在需要燃料自动点火的压燃式发动机上使用更具挑战性。

双燃料系统是重型发动机利用低活性燃料的一种方式，一种这样的燃料是天然气，这里将重点介绍这种类型的发动机运行的好处和挑战。

天然气比传统发动机燃料更难点燃，因此更容易整合到火花点火发动机中。在重型发动机上，天然气需要点火源，因此通常采用进气道喷射，而柴油则直接喷射并作为引燃剂。

进气口喷射的燃料与空气预混合，通常会表现出由燃烧反应的化学动力学控制的快速燃烧事件。

但是直接喷射并且必须与空气混合的燃料往往具有较长的燃烧时间，该燃烧时间由空气和燃料充分混合所花费的时间控制。

因为双燃料发动机具有进气道喷射的燃料和直接喷射的燃料，所以它们通常表现出两级燃烧过程。

在预混合与扩散模式下发生的燃烧部分，将强烈依赖于所使用的每种燃料的量。

虽然这使得燃烧过程更加复杂，但是双燃料喷射可以在CI发动机中提供像天然气这样的反应性较低的燃料的稳定燃烧。

然而，在这种模式下运行时，燃油经济性降低了10%左右。

双燃料燃烧不仅会影响燃油经济性或效率，还会改变排放。

据观察，在天然气-柴油双燃料发动机中，NOx和PM减少了高达60 %。

然而，这些排放取决于所使用的燃料以及每种燃料的用量。

例如，颗粒物质排放和颗粒的粒度分布已经显示出强烈依赖于直接喷射燃料的性质和天然气替代的水平。

密度和粘度较低、挥发性较高的直接喷射燃料产生的颗粒物数量较少。

然而，较高的天然气替代率会增加烟尘水平，因为它们会降低当地的氧气利用率。

与许多天然气发动机一样，我们通常会遇到较高的一氧化碳和UHC排放量。

由于排放限制，在低负荷条件下只能使用较少量的天然气，但在高负荷下可以使用较高比例的天然气。

为了有效利用大量天然气，可能需要更先进的燃烧方法和优化方法。

大多数传统的双燃料发动机研究集中在天然气上，但是这种使用柴油作为引燃燃料的方法也可以与多种燃料一起使用，这些燃料的反应性不足以用作压燃式发动机上的唯一燃料。

先进的双燃料压燃式发动机

为了将发动机推向更高的效率，研究人员已经对更复杂的燃烧模式进行了大量的探索。

许多这些先进的燃烧策略试图预混合燃料和空气，实现更有效和更清洁的燃烧，但只能在较低的扭矩范围内利用。

扩大这些更先进技术的工作区域的一个策略是同时利用两种具有不同反应性的燃料。

以便进一步增加燃烧延迟期，并促进在较高工作区域的预混合。

这种策略被称为反应性控制压缩点火RCCI。在RCCI，低反应性燃料如汽油与高反应性柴油分开喷射。

可以修改每种相应燃料的量，从而可以延迟燃烧事件以提供足够的混合时间，并且可以实现燃烧事件的期望形状。

RCCI最近的研究表明，不同于传统燃料的燃料特性可以影响燃烧过程，将发动机效率从45%提高到近60% 在这种模式下。

虽然效率的好处是显著的，但是较高的一氧化碳和UHC排放量以及高的压力上升率仍然会限制RCCI的使用。

RCCI型燃烧最初是在威斯康星大学麦迪逊分校研究的，使用汽油作为进气道喷射的低反应性燃料，柴油作为直接喷射的高反应性燃料。

通过利用具有不同特性的两种燃料，可以实现缸内混合物反应性的分层，从而导致更长的点火延迟和预混合时间的增加。

反应性较低的柴油燃料在这些操作条件下显示出优势，因为它们增加了局部反应性梯度。

在这种模式下，反应性更强的燃料成分以更快的速度消耗，而燃烧速度较慢的燃料成分在UHC排放量中占较大比例。

在这种RCCI类型的操作条件下使用替代燃料如乙醇和天然气也显示出有希望的结果，并且似乎更好地利用了这些替代燃料。

虽然更传统的汽油和柴油双燃料操作实现了11.6巴的BMEP和43.6%的制动热效率(BTE)，但使用E85和柴油允许操作扩展到19BMEP，BTE为45.1% 。

由亚琛工业大学和FEV有限公司领导的后来的研究表明，当使用柴油和乙醇时，较高的乙醇量可以在较低的负荷条件下发挥作用，将提供更稳定的燃烧和更低的UHC排放。

然而，随着负荷的增加，为了将气缸压力上升率保持在可接受的水平，需要更高数量的柴油。

对一氧化碳和UHC排放的一些不利影响，可以通过更复杂的燃料喷射策略来抵消。

例如，最近的工作探索了乙醇进气道喷射与柴油多脉冲直接喷射的使用。

双引燃喷射能够减少RCCI型条件下的UHC和一氧化碳排放量。

其他方法，如利用更高的喷射压力，也已证明能够提高效率，并进一步减少氮氧化物、一氧化碳、UHC和颗粒物的排放。

双燃料火花点火发动机

双燃料燃烧策略为SI发动机提供了，避免爆震而不牺牲燃料效率的替代方式。燃料自燃的趋势不仅取决于缸内条件，还取决于燃料的抗爆性。

因此，增加燃料的辛烷值有助于避免爆震，而不影响燃料效率。

具有双燃料能力的发动机可以同时使用低RON燃料和高RON燃料，通过控制每种喷射燃料的比例来优化燃料混合物的抗爆性。

许多研究已经探索了抑制爆震的双燃料策略的实施。双燃料燃烧为提高火花点火发动机的热效率提供了一条有前途的途径。

利用乙醇和甲醇等替代燃料的机会，以及在不影响热效率的情况下抑制爆震的能力，已经引起了人们对该技术的兴趣。

自从双燃料燃烧策略作为一个更好控制燃烧的工具出现以来，它在固定和重型应用中的应用一直是最重要的。

在运输行业中，整合双燃料燃烧有望带来巨大的好处，如提高燃油效率和减少有毒气体排放。汽车工业已经付出了很大努力，在重型、中型和轻型发动机上实施这项技术。

压燃式和火花点火式发动机上观察到的益处为进一步的投资、研究和努力提供了保证，以更好地在更大规模上利用这些优势。