變參數(shù)對乙醇HCCI燃燒穩(wěn)定性和循環(huán)變動的影響*

潘江如 張春化 魯亞云

（1.新疆工程學院；2.長安大學；3.新疆職業(yè)大學）

1 前言

為滿足內(nèi)燃機超低排放甚至零排放的排放法規(guī)，研究學者提出了不同的內(nèi)燃機新型燃燒方式，如均質(zhì)壓燃（HCCI）、預混合充量壓燃（PCCI）、低溫燃燒（LTC）、預混合分層壓燃（PSCCI）等[1]。 HCCI是通過燃料與空氣形成預混合氣而被活塞壓縮、自然著火的燃燒過程，其結(jié)合了傳統(tǒng)壓燃式柴油機和火花點燃式汽油機的優(yōu)點，可以實現(xiàn)與柴油機相當?shù)母邿嵝屎推蜋C的無碳煙排放，NOx排放也極低。HCCI的燃燒過程主要受化學動力學所控制，目前其燃燒過程只能通過一些間接控制方法，如改變空燃比、使用負氣門重疊技術、加熱進氣溫度和混合氣成分控制等，這些研究工作主要是圍繞HCCI的控制策略展開的，對HCCI燃燒過程控制的研究較少。燃燒循環(huán)變動作為反映燃燒過程的一個重要參數(shù)，可為HCCI燃燒過程的控制提供指導。一般認為HCCI工作方式較火花點火式發(fā)動機循環(huán)變動較小，目前對HCCI循環(huán)變動的研究較少，因而本文進行研究[2～6]。

2 試驗裝置和數(shù)據(jù)處理

2.1 試驗裝置

試驗用發(fā)動機是一臺2缸四沖程、強制水冷、自然吸氣、直噴式CT2100Q型柴油機。為實現(xiàn)HCCI燃燒，將2缸改為HCCI試驗測試缸，其相關參數(shù)詳見表1，其中BTDC表示上止點前，ATDC表示上止點后，BBDC表示下止點前，ABDC表示下止點后。氣缸壓力通過Kistler 6052A型壓電式傳感器測得，經(jīng)過5019B型電荷放大器傳至日本小野CB566燃燒分析儀，曲軸轉(zhuǎn)角信號由光電傳感器測得，經(jīng)過與燃燒分析儀配套使用的PA-500型信號發(fā)生器傳至燃燒分析儀，扭矩是由FST2C（CW25）型電渦流測功機測得。試驗測試系統(tǒng)如圖1所示。

2.2 數(shù)據(jù)處理

表現(xiàn)燃燒循環(huán)變動的參數(shù)很多，大體可以分為3類：與氣缸壓力有關的參數(shù)；與燃燒有關的參數(shù)；與火焰前鋒面位置相關的參數(shù)，如火焰半徑。由于壓力參數(shù)比較容易測量，因此常用其表征燃燒的循環(huán)變動。從壓力參數(shù)出發(fā)，可以定義出度量燃燒循環(huán)變動的一個重要參數(shù)，既平均指示壓力變動系數(shù)（Coefficient Of Variation,COV）[7～10]：

式中，，是平均指示壓力的平均值，pi為每個循環(huán)壓力測量值，n為循環(huán)次數(shù)；平均指示壓力的標準偏差。

試驗中，取乙醇燃料在HCCI工況下穩(wěn)定運行60個循環(huán)的示功圖，對每個循環(huán)的最大燃燒壓力和60個循環(huán)最大燃燒壓力出現(xiàn)時刻的統(tǒng)計進行分析，比較不同參數(shù)變化對乙醇HCCI燃燒穩(wěn)定性和循環(huán)變動的影響。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 進氣溫度改變對HCCI燃燒穩(wěn)定性和循環(huán)變動的影響

當λ=2.5、n=1100r/min時，乙醇的最大燃燒壓力循環(huán)變動和出現(xiàn)時刻的統(tǒng)計分析隨溫度T變化如圖2和圖3所示，其中R為某最大燃燒壓力出現(xiàn)的頻率?？芍?，隨著進氣溫度升高，最大燃燒壓力Pmax變大，循環(huán)變動變??；進氣溫度為160℃時，60個循環(huán)中最大燃燒壓力最大值為7.278MPa，最小值為5.518MPa，但是其循環(huán)變動不大；隨著進氣溫度的升高，最大燃燒壓力出現(xiàn)時刻越來越集中，進氣溫度為140℃和160℃時，最大壓力出現(xiàn)時刻在平均值的頻率為20%以上，分布范圍在±2°；隨著進氣溫度的升高，達到活化能的分子數(shù)目增多，整個反應的速率增快，循環(huán)變動變小，因此最高燃燒壓力出現(xiàn)的時刻集中。

3.2 過量空氣系數(shù)改變對HCCI燃燒穩(wěn)定性和循環(huán)變動的影響

進氣溫度為160℃、n=1 100 r/min時，過量空氣系數(shù)對乙醇最大燃燒壓力循環(huán)變動的影響和最大燃燒壓力出現(xiàn)時刻的統(tǒng)計分析如圖4和圖5所示。可知，隨著過量空氣系數(shù)的減小，混合氣的濃度變大，混合氣所含的乙醇較多，燃燒后最大燃燒壓力最大，平均值為7.04 MPa；當過量空氣系數(shù)變大后，混合氣變稀，混合氣所含有的分子數(shù)目減少，化學反應速率變慢并且多變，則循環(huán)變動增大，最大燃燒壓力偏離平均值的循環(huán)變多，循環(huán)變動系數(shù)增大，每個工作循環(huán)與每個工作循環(huán)之間的過渡不再平穩(wěn)。這些現(xiàn)象在每個循環(huán)最大燃燒壓力出現(xiàn)時刻的統(tǒng)計分析上表現(xiàn)的較為明顯（圖5）。與過量空氣系數(shù)在中間的值（λ=2.5）相比，過量空氣系數(shù)較?。é?2.0）和過量空氣系數(shù)較大（λ=3.0）的最大燃燒壓力出現(xiàn)時刻的統(tǒng)計分析變得較為分散；同時λ=2.5時，循環(huán)變動系數(shù)也是最小的，只有4.87，其原因是λ=2.5與此時的溫度和轉(zhuǎn)速組合較優(yōu)，反應速率適中。

3.3 轉(zhuǎn)速改變對HCCI燃燒穩(wěn)定性和循環(huán)變動的影響

進氣溫度為160℃、λ=2.0時，轉(zhuǎn)速對乙醇最大燃燒壓力循環(huán)變動的影響和最大燃燒壓力出現(xiàn)時刻的統(tǒng)計分析如圖6和圖7所示?？芍S著轉(zhuǎn)速的升高，最大燃燒壓力的循環(huán)變動系數(shù)變化不大，而最大燃燒壓力的平均值變大。在n=1 200 r/min時，最大燃燒壓力最大，其平均值為9.49 MPa，但是其循環(huán)波動稍大，其產(chǎn)生的主要原因為：一方面HCCI發(fā)動機前一個循環(huán)的燃燒過程對后一個循環(huán)有影響，既上一個工作循環(huán)著火遲，則下一個工作循環(huán)的著火時刻較早；另一方面為一些循環(huán)的最高燃燒壓力在10～12 MPa，其對下一個循環(huán)的影響較顯著，使得循環(huán)間的波動變大。隨著轉(zhuǎn)速的升高，最大燃燒壓力出現(xiàn)時刻越來越集中，低轉(zhuǎn)速時最大燃燒壓力出現(xiàn)時刻較為分散。當轉(zhuǎn)速較低時，反應時間較為充分，混合氣較濃，而實際上混合氣并不完全均勻，局部過濃，容易造成整體反應速率過快，燃燒速度過快，表現(xiàn)結(jié)果即為燃燒最大壓力出現(xiàn)時刻多變。轉(zhuǎn)速提高后，反應時間縮短，反應速率與轉(zhuǎn)速配合的較為合適。對于乙醇而言，進氣溫度為160℃、λ=2時，n=1 200 r/min是較優(yōu)的轉(zhuǎn)速，此時最大燃燒壓力的平均值最大，并且最大燃燒壓力出現(xiàn)所對應的曲軸轉(zhuǎn)角分布集中，且出現(xiàn)的時刻在上止點后1°～5°。

4 結(jié)論

通過進氣溫度、過量空氣系數(shù)和發(fā)動機轉(zhuǎn)速對乙醇HCCI燃燒穩(wěn)定性和循環(huán)變動的影響研究得出：

a. 隨著進氣溫度的升高，循環(huán)變動變小，最大燃燒壓力分布越來越集中，進氣溫度為140℃和160℃時，最大壓力出現(xiàn)時刻在平均值的頻率為20%以上，分布范圍在±2°。

b. 隨著混合氣變稀，循環(huán)變動變大，最大燃燒壓力平均值減小，最大壓力對應的曲軸轉(zhuǎn)角滯后，λ=2.5時，循環(huán)變動系數(shù)較小，燃燒較穩(wěn)定。

c. 隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的升高，循環(huán)變動增大，最大燃燒壓力對應的曲軸轉(zhuǎn)角提前，n=1 200 r/min與n=1 300 r/min、n=1 000 r/min相比，最大燃燒壓力對應的曲軸轉(zhuǎn)角都提前10°。

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