過量空氣系數(shù)對汽油HCCI燃燒特性的影響

陜西長安大學(xué)汽車學(xué)院 王嬌 劉瑋

過量空氣系數(shù)對汽油HCCI燃燒特性的影響

陜西長安大學(xué)汽車學(xué)院 王嬌 劉瑋

均質(zhì)壓燃（HCCI，Homogeneous-Charge Compression-Igintion）采用像汽油機一樣的預(yù)混均質(zhì)混合氣，當(dāng)活塞到達(dá)上止點附近時，與柴油機一樣將均質(zhì)混合氣壓縮著火。目前HCCI燃燒面臨的最大困難是實現(xiàn)燃燒相位的精確控制。

一、試驗裝置和數(shù)據(jù)處理

本試驗所用發(fā)動機是一臺雙缸、四沖程、強制水冷、自燃吸氣直噴式CT2100Q型柴油機，其具體參數(shù)如表1所示。

表 1 發(fā)動機主要參數(shù)

為實現(xiàn)HCCI燃燒，對該發(fā)動機做了部分改造。1#缸保持原機的柴油供給壓燃模式，2#缸改為HCCI燃燒運行模式。由1#缸燃用柴油發(fā)動機運轉(zhuǎn)，待冷卻液溫度至90℃，機油溫度至80℃左右時，調(diào)整發(fā)動機轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣溫度至設(shè)定值，穩(wěn)定后切斷1#缸供油，同時給2#缸供油，轉(zhuǎn)為HCCI運行。根據(jù)所測平均示功圖，利用一零維的放熱率計算模型計算燃燒放熱規(guī)律，計算公式如式（1）所示。

式（1）其中，d QB/dφ為單位曲軸轉(zhuǎn)角的放熱量，即瞬時放熱率；d W/dφ為單位曲軸轉(zhuǎn)角缸內(nèi)工質(zhì)對外做的功，以熱能形式表示；d Qω/dφ為氣缸周壁的瞬時傳熱量，d U/dφ為氣缸內(nèi)瞬時內(nèi)能。

二、試驗結(jié)果與分析

1. 缸內(nèi)燃燒壓力和瞬時放熱率。圖1反映了在不同過量空氣系數(shù)條件下，缸內(nèi)燃燒壓力和瞬時放熱率的變化情況。可以看出，隨著過量空氣系數(shù)的逐漸減小，缸內(nèi)峰值壓力和峰值放熱率逐漸增大，其出現(xiàn)時刻稍有提前，但變化幅度較小。過量空氣系數(shù)從3.0減小到2.0時，其峰值壓力增大了約1.589Mpa，對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角相差較小。

因為過量空氣系數(shù)減小意味著混合氣濃度增大。當(dāng)混合氣變濃時，單位體積混合氣所含的能量增多，放熱量增大，化學(xué)反應(yīng)速率加快，有利于縮短燃燒持續(xù)期，使得缸內(nèi)燃燒壓力和放熱率增大。另一方面，混合氣濃度的增加使其比熱容比下降，從而降低了缸內(nèi)壓縮終了的溫度，使得峰值壓力和峰值放熱率所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角相差不明顯。

2. 著火時刻和燃燒持續(xù)期。本文將燃料累積放熱率為10%、50%和90%時所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角分別表示為CA10、CA50和CA90。其中，CA10被定義為著火時刻，CA10與CA90之間的曲軸轉(zhuǎn)角差值即被定義為燃燒持續(xù)期。圖2反映了不同過量空氣系數(shù)對CA10、CA50和燃燒持續(xù)期的影響情況。從圖中可以看出，隨著過量空氣系數(shù)的增大，CA10和CA50都有所推遲，燃燒持續(xù)期也隨之延長。

這是由于過量空氣系數(shù)的增大意味著混合氣變稀，而實際每次循環(huán)進(jìn)入氣缸內(nèi)的空氣量不變，則噴油量減少，燃料釋放總熱量減少，滯留廢氣的溫度隨之降低，燃燒速度減慢，最后導(dǎo)致點火滯后；另外隨著過量空氣系數(shù)的增大，混合氣著火時刻推遲，甚至?xí)霈F(xiàn)上止點后自燃，此時活塞將要下行，缸內(nèi)的燃燒溫度和燃燒速度均下降，燃燒放熱速率減小，使得燃燒持續(xù)期進(jìn)一步變長。

三、結(jié)論

在相同的轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣溫度條件下，隨著過量空氣系數(shù)的增加，缸內(nèi)峰值壓力和峰值放熱率隨之減小，對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角變化不大；CA10和CA50相應(yīng)推遲，燃燒持續(xù)期隨之延長。