用PODE3-4煤基燃料改善HCII燃烧模式的燃烧与排放特性

中国润滑技术论坛(2015)论文专辑
用PODE3—4煤基燃料改善HCII燃烧模式的燃
烧与排放特性
刘浩业，王志，王建昕
(清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京l00084)
摘要：针对均质混合气引燃(homogeneous ch a E g e indu ced i印ition，HcII)燃烧模式中出现的燃烧效率和热效率低，引燃柴油预混不充分容易产生碳烟排放的问题，提出了利用高十六烷值、高含氧燃料聚甲氧基二甲醚(polyoxym- et h yl en e d i me t h y l ethers，PODE n)替代柴油作为引燃燃料进行HcII燃烧的方法。

在一台HcII原理性单缸机上使用含PODEn O％、50％和100％的PODEn／柴油混合燃料作为引燃燃料进行了HcII试验，试验工况为1200 r ／min，0．3 ba r IMEP和1600r／m in，0．6 b a r IMEP。

结果表明：在1200 r／mi n，0．3 b ar IMEP工况下，相比于柴油单喷模式，HcII燃烧模式的N0。

、排气烟度和最大压力升高率大幅度下降，但燃烧相位滞后且循环变动(coefficient of V a r-
iation，cOv)升高，THc和C0排放显著升高，热效率大幅度下降。

向引燃燃料中添加PODEn能够明显降低7mc、C0排放以及cov，提高指示热效率，100％的PODE，一。

作为引燃燃料时HCII燃烧模式的指示热效率达到甚至超过柴油单喷模式。

在1600 r／mi n，6ba r IMEP工况下，由于最大压升率的限制，柴油单喷模式的喷油时刻被限制在14 oc A BTDc之后。

相比于柴油单喷模式，HcII燃烧模式的排气烟度和最大压升率大幅度降低，热效率升高，但THc排放升高。

向引燃燃料中添加PODEn能够明显降低THc和cO排放，进一步提高指示热效率；还能进一步降低HcⅡ燃烧模式的排气烟度，但NO。

排放略有升高。

关键词：宽馏分燃料；PoD峨一．煤基燃料；含氧燃料；着火性；燃烧与排放
0引言
节能和环保是内燃机技术进步中的两大命题。

汽油机的热效率低于柴油机的主要原因是：压缩比低、泵气损失大、难以稀燃、燃烧放热等容度低以及循环波动大等。

柴油机由于采用扩散燃烧的燃烧方式，存在碳烟排放和NO。

排放之间的trade一0fr关系，解决排放问题要比汽油机困难。

HCCI燃烧可以在中小负荷获得高的热效率和极低的NO；和soot排放，但是其燃烧相位和放热速率难以控制。

从提高汽油机热效率的角度出发，王建昕等¨。

o提出了均质混合气引燃(homogeneous charge in—duced igIlition，HcII)燃烧模式。

该燃烧模式采用进气道喷射高挥发性汽油类燃料，形成均质混合气，上止点附近在缸内喷射柴油引燃。

汽油比例可以根据发动机工况灵活调节。

由于柴油大面积自燃，形成多个着火核心，引燃汽油均质混合气，大大提高了燃烧初期的循环等容度，降低了循环波动，有利于稀燃，同时能够选择较高的压缩比而不发生爆震。

HCII燃烧方式解决了点燃式发动机热效率低于压燃式发动机的几个关键问题，可以获得高的热效率。

王建昕等对HCII燃烧方式进行的早期研究表明：HcII燃烧方式的热效率明显高于汽油机，在一定的负荷范围内，可以达到甚至超过柴油机。

同时由于高辛烷值燃料进气道喷射，降低了扩散燃烧的比例，可以显著降低碳烟排放，但NO，排放仍然较高。

作为这一研究结果的继续，作者将HcII燃烧模式与废气再循环(exhaust gas r e—circulation，EGR)相结合，实现了发动机的碳烟和NO。

排放的同时降低旧J。

但HcII燃烧模式仍存在一些问题。

小负荷时，汽油均质混合气过稀，火焰难以传播，产生高的 THc和cO排放，导致燃烧稳定性降低和热效率损失【4 J。

HcII燃烧模式采用上止点附近缸内直喷柴油对着火时刻进行有效控制，但由于柴油挥发性较差且预混时间较短，在较高负荷时混合不充分的柴油可能会造成排气烟度的增加。

HcII燃烧模式的引燃燃料并不局限于柴油，通过燃料设计改善引燃燃料的特性有可能解决上述问题。

为了改善小负荷工况的燃烧质量，需要提高引燃燃料的十六烷值来提高引燃过程的可靠性，同时，为了能够降低引燃燃料混合不均匀带来的碳烟排放，需要提高燃料的含氧量。

381
刘浩业等．用PODE，一。

煤基燃料改善HCII燃烧模式的燃烧与排放特性经过调研，笔
者认为煤基燃料聚甲氧基二甲醚(polyoxymethylene dimethyl ethers，PODEn)是满足上
述要求的较为理想的添加成分。

PODEn指的是分子式为CH，0(CH：O)ncH，的一类醚类燃料的混
合物。

如表1所示，PODEn有很高的十六烷值和接近50％的含氧量，满足上述对引燃燃料特性的
要求。

PODEn中，PODE：闪点过低不满足安全性要求∞’；n大于5时，凝点过高；只有PODE，、PODE。

、PODE，和它们的混合物在物性上与柴油接近且能溶于柴油，是内燃机燃料较为理想的添加成分。

作为煤基燃料，PODEn的原料来源十分广泛。

2013年，清华大学王金福等人开发了一种年产万
吨级的PODEn的工业生产过程，实现了PODEn的大批量生产。

6。

，生产成本接近柴油，这使PODEn
大规模地应用于发动机燃料中成为了可能i目前，尚没有将PODEn应用于HCII燃烧模式的相关研究。

表】PoDEn特性
综合以上的分析，本研究将PODEn加入柴油中用以改善引燃燃料的着火特性并加强降低碳烟
排放的优势。

研究不同PODEn替代比例对HCII燃烧模式的燃烧与排放特性的影响。

1试验设备
和方法
1．1试验设备及试验方法本研究使用的发动机为一台高压共轨四缸柴油机改造而成的单缸机，发动机参数如表2所示。

对
发动机的第1缸设计了独立的进排气系统和独立的柴油和汽油供油系统，而对其他3缸不供油。

表2发动机主要参数
项口参数值项目数值
发动机型号CW4D20涡流比1．7
排量0．5L柴油喷射系统高压共轨
压缩比16．7柴油喷射压力40～180M P a
缸径83．1m m汽油喷射系统低压共轨
冲程92m n l汽油喷射压力O．2～0．3MPa
连杆长度145．8m m
HcII燃烧模式混合气形成示意图如图l所示。

传统柴油燃烧时，柴油直接喷入燃烧凹坑中，柴
油周边均是空气。

而HCII燃烧模式时，少量柴油直接喷入燃烧室凹坑内，燃烧室的整个空间内均布汽油混合气?汽油采用进气道电控喷射方法，喷射量和喷射时刻均可调。

引燃用柴油使用电控高压
喷射系统，柴油的喷射压力、喷油量、喷射时刻、喷射次数均可以灵活调节。

汽油均质混合气柴油喷雾空气
图1HCII燃烧模式混合气形成示意
发动机试验系统示意图如图2所示。

燃烧特性分析使用AVL公司的Indicom 621型燃烧分析仪，382
中国润滑技术论坛(2015)论文专辑 测量缸内燃烧压力并计算出放热率等特征参数。

气态排放物
c0、Hc 和NO 。

测量使用AVL 公司的
油耗仪l
{警哥气
cEB —II 型排气分析仪。

碳烟排放测量使用AVL439不透光烟度计。

汽油
蠢舔
j 童嬲超柴油一6y
电力测功机 背压阀
排气
胄|排气分析f
l●|不透菇菊爱矗： ‘
图2发动机试验系统示意图
1．2试验工况
试验工况选择1200 r ／min 、3 bar IMEP 和1600 r ／m in 、6 bar IMEP ，采用缸内柴油单次喷射作为对照 组，对应的循环喷油量约为lO mg 和16 mg ，喷油压力分别为40 MPa 和60 MPa 。

HcII 燃烧模式中，进 气道喷射汽油，喷油压力为0．3 MPa ，喷油时刻为250。

cA BTDc ；缸内引燃燃料使用含PODEn 0、50％ 和100％的三种PODEn ／柴油混合燃料(柴油、P150和P100)，引燃燃料采用单次喷射的策略，喷油压力 分别为40 MPa 和60 MPa ，进气道喷入汽油热值的比例为分别为60％和80％，控制每个循环HcⅡ模式 下的汽油和引燃燃料的总热值与柴油单喷模式下柴油的总热值相同。

定义进气道喷人的汽油类燃料 热值占总燃料热值的比例定义为以，相应的计算公式如下：
一yg=(mg×肌g)／(mg×肌g+md×日ud)
(1) 其中，m 。

为引燃燃料质量，m 。

为汽油质量，舭。

为引燃燃料低热值，肌。

为汽油低热值。

进气方式
采用自然吸气，试验中进气温度控制在(35±3)℃，EGR 率维持在35％和30％，EGR 率定义为进气中 CO ：浓度除以排气中的cO ：浓度。

本研究中，EGR 率通过调节排气背压阀和装在排气管及进气管之间 的EGR 流量调节阀来实现，并通过水冷式废气中冷器对EGR 气体进行冷却。

发动机冷却水温控制在 80℃，机油温度控制在80℃。

1．3试验燃料特性 本研究中进气道喷射的燃料为93。

汽油，配制直喷混合燃料的基础燃料为北京市
售0。

柴油和PO —
DEn ，其中PODEn 各个成分的质量比例为：PODE2：PoDE ，：PODE4=2．5％：88．9％：8．5％。

PODE2的含 量很少，主要成分是PoDE ，一。

(下文将PODEn 统一写成PODE ，一。

)。

上述三种燃料(汽油，柴油和 PODE ，一。

)的详细的参数见表3。

表3燃料理化特性
383
刘浩业等．用PODE，一。

煤基燃料改善HcII燃烧模式的燃烧与排放特性
2试验结果与探讨
2．1 12∞r／IIIin。

3bar mIEP工况下的燃烧与排放特性
图3给出了喷油时刻对滞燃期的影响。

早喷和晚喷都会造成滞燃期的延长，这是因为燃料早喷时缸内压力和温度较低，达不到着火的条件，而晚喷条件下在燃料喷人后缸内温度和压力迅速降低，导致化学反应速率降低。

图3可以看到，HcII燃烧模式的滞燃期要长于柴油单喷模式，这是由于汽油的气化过程吸热，降低了压缩始点的温度；另一方面柴油的比例降低，燃料整体的着火性下降。

引燃燃料中PODE，一。

添加比例的提高在早喷条件下能够略微缩短滞燃期，这是因为PODE。

一。

十六烷值达到了78．6，有极高的着火性。

图3喷油时刻对滞燃期的影响
图4给出了喷油时刻对指示平均有效压力循环变动(coe硒cient of v撕ation，COV)的影响。

可以看到，早喷和晚喷都会造成COV的显著升高，这是由于早喷会造成滞燃期的延长，使引燃燃料混合时间过长，混合气过稀，增加失火的可能性，晚喷时缸内温度和压力的迅速降低也会增加失火的可能。

柴油单喷模式的COV低于HcII燃烧模式。

柴油／汽油HCII燃烧模式的COV均在3％以上，难以实现稳定燃烧，引燃燃料中PODE，一。

添加比例提高能够显著降低HcII燃烧模式过程的cOV，采用P100作为引燃燃料，绝大部分喷油时刻下COV都能维持在3％以下，接近柴油单喷。

图4喷油时刻对CoV的影响
384
中国润滑技术论坛(2015)论文专辑图5给出了喷油时刻对燃烧相
位(cA50)的影响。

随着喷油时刻的提前，柴油单喷模式和HCII燃
烧模式的CA50均呈现先提前后推后的趋势，HCII燃烧模式的CA50拐点在喷油时刻为24。

CA BTDC 时，柴油单喷的CA50拐点在喷油时刻为27 oCA BTDC时。

过早的喷油时刻造成滞燃期的显著延长，导致cA50出现推后的现象。

柴油单喷模式的CA50明显早于HCII燃烧模式。

在HCII燃烧模式下，引燃燃料中PODE，一。

添加比例的提高能够显著提前cA50。

喷油时刻，o CA BTD C
图5喷油时刻对CA50的影响
图6给出了图5中喷油时刻为24。

cA BTDC时的缸压和放热率曲线。

柴油单喷模式的燃烧相位早，放热率快；HcII燃烧模式放热率明显低于柴油。

这是由于柴油单喷模式的放热过程是柴油的多点自燃，放热迅速，而HcII燃烧模式过程则分为前期的引燃燃料的自燃和后期的汽油的火焰传播过程，因此放热率较缓慢。

由于PODE，一。

较高的着火性，引燃燃料中PODE，一。

添加比例的提高能够显著提高HCII燃烧模式的放热速率，提高燃烧等容度。

I-一等P￡g一．f)I，瓣鼷餐
—m一2002040
曲柄转角，deg
图6缸压放热率曲线
图7给出了喷油时刻对最大压力升高率的影响。

最大压力升高率随着喷油时刻的提前呈现出先增加后降低的趋势。

喷油时刻提前，cA50提前，放热过程更加接近上止点，因此最大压力升高率增加，但随着喷油时刻的进一步提前，滞燃期显著增加，导致着火时混合气过稀，降低了化学反应速率和燃烧放热率，因此最大压力升高率反而降低。

柴油单喷模式的燃烧相位早，放热过程集中，因此有最高的缸内压力升高率。

HCII燃烧模式中，引燃燃料中PODE，一。

添加比例的提高使缸内最大压力升高率略有提高，但仍远低于柴油单喷模式。

385
刘浩业等．用PODE，一。

煤基燃料改善HcII燃烧模式的燃烧与排放特性
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图7喷油时刻对最大压升率的影响
图8和图9给出了喷油时刻对IscO和IsTHC的影响。

IscO和IsTHc相对于喷油时刻总体上均呈现出先降低再升高的趋势。

ISCO的峰值出现在早喷条件下，ISTHC的峰值出现在晚喷条件下。

HCII 燃烧模式的cO和THc排放明显高于柴油单喷模式，这是由于HcII燃烧模式中预混汽油的存在增加了缸内低温稀薄区域的比例，且汽油的着火性较低。

HCII燃烧模式中C0和THC排放主要来源于缸内燃烧温度较低的稀薄区域，但两者生成的温度和当量比区域不同，造成了两者生成峰值对应的喷油时刻的差异。

引燃燃料中PODE，一。

添加比例的提高能有效降低缸内cO和THC排放，这是因为PODE，一。

较高的着火性能够提高燃烧放热率，改善燃烧质量，降低不完全燃烧产物的生成。

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图8喷油时刻对IsCo的影响
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喷油时刻／o C A B T D C
图9喷油时刻对IsCo的影响
图10给出了喷油时刻对ISNO。

的影响，由于采用了35％的EGR，因此几种燃烧过程的NO，排放均低于2．o g／kw·h。

随着喷油时刻的提前，NO，排放呈现出先升高后降低的趋势，这是因为随着喷油时刻的提前，燃烧相位靠近上止点，总体的燃烧温度升高，NO。

排放增加，但进一步提前喷油时刻，滞燃期显著增加，燃料分布更加均匀，局部高温区域减少，燃烧更加接近于均质稀薄燃烧，因此N0。

排放降低。

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小负荷总当量比低，HCu燃烧模式接近均质稀燃燃烧，柴油单喷模式油气混合区域的当量比更浓，更接近理论空燃比，因此，柴油的NO。

排放更高。

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图10喷油时刻对ISNo。

的影响
图11给出了喷油时刻对排气烟度的影响。

对于柴油单喷燃烧，由于燃料的预混不够充分，因此会产生较多的碳烟排放，而对于HCII燃烧模式过程，由于汽油在进气过程中已经获得了充分的预混，且引燃燃料的滞燃期较长，因此碳烟排放显著低于柴油直喷燃烧模式，在小负荷基本实现了无烟燃烧。

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图11喷油时刻对排气烟度的影响
图12给出了喷油时刻对燃烧效率的影响。

燃烧效率与排放中的c0和THc排放有关，随着喷油时刻的提前，柴油的燃烧效率从喷油时刻为9。

CA BTDC的工况点后开始下降。

HCII燃烧模式的燃烧效率则在喷油时刻为24。

CA BTDC时才出现下降。

柴油直喷燃烧的燃烧效率明显高于HCII燃烧模式，引燃燃料中PODE，一。

的添加能够明显提高HcII燃烧模式的燃烧效率。

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图12喷油时刻对燃烧效率的影响
387
刘浩业等．用PODE，一。

煤基燃料改善HcII燃烧模式的燃烧与排放特性图13给出了
喷油时刻对指示热效率的影响。

随着喷油时刻的提前，柴油直喷燃烧的指示热效率
出现明显的下降。

这是因为提前喷油时刻会降低燃烧效率，且提前喷油时刻造成燃烧相位过早，增加了压缩冲程负功，而放热率过快又增加了传热损失。

随着喷油时刻的提前，HCII燃烧模式的指示热效率则呈现上升的趋势。

这是因为，HcII燃烧模式的燃烧效率随喷油时刻的提前总体上呈现上升的趋势，且燃烧相位逐渐接近上止点，因而热效率升高。

引燃燃料中添加PODE，一。

能够明显提高HcII 燃烧模式的热效率，这是因为一方面加人PODE，一。

能够显著提高燃烧效率，另一方面加入PODE，一。

能够获得更接近上止点的燃烧相位。

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喷油时刻，o C A B T D C
图13喷油时刻对指示热效率的影响
2．2 16∞r／lllin。

6bar mEP工况下的燃烧与排放特性
图14给出了喷油时刻对滞燃期的影响。

对柴油单喷模式，由于压升率的限制，喷油时刻被限制在14。

cA BTDc；随着喷油时刻的提前，滞燃期明显缩短。

对于HcII燃烧模式，若喷油时刻晚于12。

cA BTDc，燃料无法燃烧；随着喷油时刻的提前，滞燃期则明显增加。

引燃燃料中PODE，一。

添加比例的提高能够缩短滞燃期。

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c A B T D c
图14喷油时刻对滞燃期的影响
图15给出了喷油时刻对cA50的影响。

随着喷油时刻的提前，柴油单喷模式的CA50提前，HcII 燃烧模式的cA50呈现先提前后推后的趋势。

HCII燃烧模式的CA50拐点在喷油时刻仍然为24。

CA BTDc时。

过早的喷油时刻造成滞燃期的显著延长，导致CA50出现推后的现象。

在HCII 燃烧模式下，引燃燃料中PODE，一。

添加比例的提高能够显著提前CA50。

388
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_一———————————————————————————————————————————一
喷油时刻／。

cA B T D c
图15喷油时刻对CA50的影响
图16给出了图15中HcII燃烧模式喷油时刻为24。

cA BTDc时的缸压和放热率曲线。

柴油单喷模式由于最大压升率的限制，选择的喷油时刻为14。

CA BTDC。

可以看到，柴油单喷模式放热率集中， HCII燃烧模式放热率明显低于柴油。

引燃燃料中PODE，一。

添加比例的提高能够明显加快放热速率且提前燃烧相位，增加燃烧等容度。

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图16缸压放热率曲线
图17给出了喷油时刻对最大压力升高率的影响。

随着喷油时刻的提前，柴油的最大压升率升高，在喷油时刻为14。

CA BTDC时，最大压缩率达到12 bar／deg的上限。

喷油时刻提前，HCII燃烧模式呈现出先增加后降低的趋势。

引燃燃料中PODE，一。

添加比例的提高使缸内最大压力升高率略有提高，但仍远低于柴油单喷模式的水平。

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喷油时刻／oC AB TD C
图17喷油时刻对最大压升率的影响
389
刘浩业等．用PoDE，一。

煤基燃料改善HCII燃烧模式的燃烧与排放特性—————————————————————————————————————————一一_
图18和图19给出了喷油时刻对ISCO和I研’HC的影响，HCII燃烧模式的THc排放仍然高于柴油，CO排放与柴油接近。

引燃燃料中PODE，一。

添加比例的提高能降低HCII燃烧中的THc和cO排放。

喷油时刻，o C A B T D C
图18喷油时刻对Co的影响
图19喷油时刻对璐THC的影响
图20给出了喷油时刻对ISNO。

的影响，由于采用了EGR，因此几种燃烧过程的N0。

排放均低
于2．O g／kw·h。

随着喷油时刻的提前，HCII燃烧模式的NO，排放呈现出先升高后降低的趋势。

而
引燃燃料中PODE3一。

的添加会造成IsNO。

的升高。

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图加喷油时刻烈璐No。

的影响
图21给出了喷油时刻对排气烟度的影响。

对于柴油单喷燃烧，由于大量直喷柴油在较短的滞
燃期内预混不够充分，因此会产生较多的碳烟排放。

HCII燃烧模式的排气烟度明显低于柴油单喷。

但由于负荷提高，混合气的含氧量相对降低，在滞燃期较短的晚喷工况引燃燃料混合不充分造成排
气烟度的升高。

由于PODE，．。

的含氧量较高，引燃燃料中PoDE，一。

的添加比例的提高能够明显降低HcII燃烧模式的排气烟度。

390
中国润滑技术论坛(2015)论文专辑
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靠
图21 喷油时刻对排气烟度的影响
图22给出了喷油时刻对燃烧效率的影响。

柴油单喷模式的燃烧效率高于HCII燃烧模式，引燃燃料中PODE，一。

的添加能够明显提高HCII燃烧模式的燃烧效率。

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堰
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图22喷油时刻对燃烧效率的影响
图23给出了喷油时刻对指示热效率的影响。

随着喷油时刻的提前，柴油单喷模式的指示热效率升高，但由于最大压升率的限制，喷油时刻无法早于14。

cA BTDC，限制了热效率的进一步提前。

由于放热率过快，传热损失大，因此柴油的指示热效率明显小于HcⅡ燃烧模式。

引燃燃料中添加PODE，一。

能够进一步提高HCII燃烧模式的热效率。

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喷油时刻，o c A B T D C
图23喷油时刻对指示热效率的影响
3结论
在一台HCII原理性单缸机上使用含PODE3一。

0％、50％和100％的PODE3一。

／柴油混合燃料作为引燃燃料进行了HCII试验。

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刘浩业等．用PODE，一。

煤基燃料改善HCII燃烧模式的燃烧与排放特性
在1200r／min，0．3 bar IMEP工况下，在1200r／mi n，3b ar IMEP工况下，相比于柴油单喷模式，HCII 燃烧模式的N0，、排气烟度和最大压力升高率大幅度下降，但燃烧相位滞后且cOV升，THc
和cO排放显著提高，热效率大幅度降低。

向引燃燃料中添加PODE，一。

能够明显降低THC、CO排放
以及COV，提高指示热效率，100％的PODE，一。

作为引燃燃料时HCII燃烧模式的指示热效率达到甚
至超过柴油单喷模式。

在1600r／min，6ba r IMEP工况下，由于压升率的限制，柴油单喷的喷油时刻被限制在14 ocA BTDc 之后。

相比于柴油单喷模式，HCII燃烧模式的排气烟度和最大压升率大幅度降低，热效率提高，但THc 排放升高。

向引燃燃料中添加PODE，一。

能够明显降低HCII燃烧模式的THC和CO排放，进一步提高指示热效率；还能进一步降低HCII燃烧模式的排气烟度，但NO；排放略有升高。

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2013，36：195l一56．
作者简介：
刘浩业，清华大学在读博士研究生，研究方向为内燃机燃烧与排放控制。

E—mail：liuhaoyebeijing@126．com 392。