運(yùn)行參數(shù)對汽油HCCI燃燒穩(wěn)定性和循環(huán)變動的影響*

潘江如張春化李陽陽

（1.新疆工程學(xué)院；2.長安大學(xué)）

運(yùn)行參數(shù)對汽油HCCI燃燒穩(wěn)定性和循環(huán)變動的影響*

潘江如1，2張春化2李陽陽2

（1.新疆工程學(xué)院；2.長安大學(xué)）

為研究進(jìn)氣溫度、過量空氣系數(shù)和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速對汽油均質(zhì)壓燃（HCCI）燃燒穩(wěn)定性和循環(huán)變動的影響，在一臺改造后的試驗(yàn)發(fā)動機(jī)上進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著進(jìn)氣溫度的升高，循環(huán)變動較小，最高燃燒壓力分布較為集中，進(jìn)氣溫度140℃較為合適；汽油HCCI的燃燒循環(huán)變動系數(shù)對過量空氣系數(shù)不敏感，隨著過量空氣系數(shù)的增大，最高燃燒壓力的出現(xiàn)時(shí)刻提前；隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增大，循環(huán)變動系數(shù)變化不大，最高燃燒壓力的平均值變大，最高燃燒壓力分布集中。

1 前言

為滿足汽車排放法規(guī)，人們提出了不同的發(fā)動機(jī)燃燒方式，如均質(zhì)壓燃（HCCI）、預(yù)混合充量壓燃（PC?CI）、低溫燃燒（LTC）、預(yù)混合分層壓燃（PSCCI）等[1]。其中HCCI是通過燃料與空氣形成預(yù)混合氣被活塞壓縮、自然著火的燃燒過程，其結(jié)合了傳統(tǒng)壓燃式柴油機(jī)和火花點(diǎn)燃式汽油機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)與柴油機(jī)相當(dāng)?shù)母邿嵝屎推蜋C(jī)的無碳煙排放，NOx排放也極低。HCCI的燃燒過程控制目前只能通過一些間接控制方法，如通過改變空燃比、使用負(fù)氣門重疊技術(shù)、加熱進(jìn)氣溫度、混合氣成分控制、燃料重整、廢氣再循環(huán)等方法實(shí)現(xiàn)。一般認(rèn)為HCCI燃燒方式相對火花點(diǎn)火式發(fā)動機(jī)而言，其循環(huán)變動較小，但目前對HCCI循環(huán)變動的研究較少。本文通過改變參數(shù)，觀察其對汽油HCCI燃燒循環(huán)變動的影響，為汽油HCCI發(fā)動機(jī)的深入研究提供一定的參考[2～6]。

2 試驗(yàn)裝置和數(shù)據(jù)處理

2.1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)所用發(fā)動機(jī)是一臺2缸四沖程、強(qiáng)制水冷、自然吸氣、直噴式CT2100Q型柴油機(jī)。為實(shí)現(xiàn)HCCI燃燒，對該發(fā)動機(jī)做了部分改造，將第2缸改為HCCI試驗(yàn)測試缸，其相關(guān)參數(shù)詳見表1，表1中的BTDC（BeforeTop Dead Center）表示上止點(diǎn)前，ATDC（After Top Dead Center）表示上止點(diǎn)后，BBDC（Before Bottom Dead Cen?ter）表示下止點(diǎn)前，ABDC（After Bottom Dead Center）表示下止點(diǎn)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CB566燃燒分析儀，曲軸轉(zhuǎn)角信號由光電傳感器測得，經(jīng)PA-500型信號發(fā)生器傳至燃燒分析儀。扭矩的測量則是由FST2C（CW25）型電渦流測功機(jī)測得。尾氣測量采用AVL公司的Digas4000，可以測量CO、HC、CO2、NOx和O2共5種氣體。為實(shí)現(xiàn)燃料與空氣的均質(zhì)混合，并且能獨(dú)立、精確地控制第2缸的供油量，在第2缸的進(jìn)氣管上加裝了一套電控燃料噴射系統(tǒng)，該噴油系統(tǒng)由噴油器、電動油泵、油壓調(diào)節(jié)器、噴油控制單元和霍爾傳感器組成。根據(jù)汽油要實(shí)現(xiàn)HCCI燃燒對進(jìn)氣溫度的要求，選擇了市場上成熟的進(jìn)氣溫度加熱系統(tǒng)，串聯(lián)在第2缸的進(jìn)氣管路中，能夠?qū)崿F(xiàn)試驗(yàn)所需的進(jìn)氣溫度水平。試驗(yàn)證明，該進(jìn)氣加熱系統(tǒng)能滿足穩(wěn)定工況下對進(jìn)氣溫度的加熱要求，通過閉環(huán)控制把溫度控制在設(shè)定溫度的±1℃內(nèi)；能夠在較短時(shí)間內(nèi)把進(jìn)氣溫度從環(huán)境溫度加熱到目標(biāo)溫度，在改變發(fā)動機(jī)工況的同時(shí)滿足試驗(yàn)對進(jìn)氣溫度的要求。試驗(yàn)測試系統(tǒng)詳見圖1。

表1 HCCI試驗(yàn)測試缸相關(guān)參數(shù)

2.2 數(shù)據(jù)處理

表征燃燒循環(huán)變動的參數(shù)很多，大體可以分為氣缸壓力、與燃燒有關(guān)的參數(shù)和與火焰前鋒面位置相關(guān)的參數(shù)（如火焰半徑）3類。由于壓力參數(shù)較易測量，因此常用來表征燃燒的循環(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(gè)重要參數(shù)，既循環(huán)變動系數(shù)COV（coefficient of variation）[7～10]：

在本文的試驗(yàn)中，取汽油在HCCI工況下穩(wěn)定運(yùn)行60個(gè)循環(huán)的示功圖，對每個(gè)循環(huán)的最大燃燒壓力和60個(gè)循環(huán)最大燃燒壓力出現(xiàn)時(shí)刻進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，比較不同參數(shù)變化對汽油HCCI燃燒穩(wěn)定性和循環(huán)變動的影響。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

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

汽油峰值壓力循環(huán)變動和出現(xiàn)時(shí)刻隨溫度變化的統(tǒng)計(jì)分析如圖2和圖3所示，其中，T為進(jìn)氣溫度，λ為過量空氣系數(shù)，n為轉(zhuǎn)速，-Pmax為峰值壓力平均值，θˉ為峰值壓力出現(xiàn)時(shí)刻對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角的平均值，R為某峰值壓力出現(xiàn)的概率。從圖2和圖3可以看出，隨著進(jìn)氣溫度升高，峰值壓力增大；隨著進(jìn)氣溫度的進(jìn)一步升高，每個(gè)循環(huán)峰值壓力出現(xiàn)變動，循環(huán)變動不大，循環(huán)變動系數(shù)都在4%以下；在進(jìn)氣溫度為140℃時(shí)循環(huán)變動系數(shù)為1.37%，主要是因?yàn)槠驮谳^高進(jìn)氣溫度下，輕質(zhì)餾份揮發(fā)較多，反應(yīng)速率變快，燃燒速度變快，每個(gè)循環(huán)燃燒出現(xiàn)的時(shí)刻相差不大，使得峰值壓力變動較小。同時(shí)，隨著進(jìn)氣溫度的升高，峰值壓力出現(xiàn)時(shí)刻越來越集中，峰值壓力出現(xiàn)時(shí)刻對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角滯后，圖3所示進(jìn)氣溫度改變時(shí)峰值壓力出現(xiàn)時(shí)刻的曲軸轉(zhuǎn)角平均值推遲3°左右，規(guī)律性較強(qiáng)。就汽油而言，較佳的進(jìn)氣溫度為140℃，其峰值壓力出現(xiàn)時(shí)刻的曲軸轉(zhuǎn)角在其平均值附近±1°內(nèi)波動，主要原因一是汽油的組分較復(fù)雜，隨著進(jìn)氣溫度的升高，達(dá)到活化能的分子數(shù)目增多，反應(yīng)速率增快，燃燒相位變化較大；二是進(jìn)氣溫度160℃時(shí)，混合氣的溫度已經(jīng)較高，由于進(jìn)氣的影響，個(gè)別循環(huán)的混合氣能量較高，造成缸內(nèi)峰值壓力偏高，循環(huán)不穩(wěn)定性增加；三是在實(shí)際的臺架試驗(yàn)中，當(dāng)進(jìn)氣溫度為160℃時(shí)，加熱器控制系統(tǒng)對噴射系統(tǒng)的電路產(chǎn)生電磁干擾，造成個(gè)別循環(huán)噴油異常。

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

過量空氣系數(shù)對汽油峰值壓力循環(huán)變動和峰值壓力出現(xiàn)時(shí)刻的影響統(tǒng)計(jì)分析如圖4和圖5所示?？芍旌蠚獾臐舛龋催^量空氣系數(shù)）對汽油HCCI燃燒循環(huán)變動的影響非常有規(guī)律，隨著過量空氣系數(shù)的減小，峰值壓力平均值增大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是混合氣濃度增高，燃料分子數(shù)目增多，單位體積內(nèi)有效碰撞次數(shù)增多，燃燒速度加快，放熱率增大，缸內(nèi)壓力增大。同時(shí)，峰值壓力出現(xiàn)所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角分布集中，曲軸轉(zhuǎn)角平均值隨著過量空氣系數(shù)的增大相應(yīng)滯后，其間隔基本上為2°。就汽油而言，在圖示工況下，λ=3.0和λ= 2.5時(shí)對循環(huán)變動系數(shù)的影響不明顯，所有循環(huán)的峰值壓力所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角在平均值±1.5°范圍內(nèi)波動[11]。這是因?yàn)樵谶@些工況下，各個(gè)循環(huán)之間的相互影響較小，發(fā)動機(jī)穩(wěn)定性較好。而在λ=2.0時(shí)，混合氣濃度相對較高，各個(gè)循環(huán)的自發(fā)燃燒時(shí)刻變化較大，出現(xiàn)上一個(gè)循環(huán)的燃燒壓力變動對下一個(gè)循環(huán)的燃燒產(chǎn)生影響的情況。

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

轉(zhuǎn)速對汽油峰值壓力循環(huán)變動和峰值壓力出現(xiàn)時(shí)刻的影響統(tǒng)計(jì)分析如圖6和圖7所示，其與過量空氣系數(shù)的影響變化趨勢類似。轉(zhuǎn)速對汽油HCCI燃燒循環(huán)變動的影響不顯著，隨著轉(zhuǎn)速升高，峰值壓力平均值增大，且都在平均值周圍。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因:汽油組分較為復(fù)雜，成分主要為不飽和烴，燃燒過程復(fù)雜；汽油的辛烷值較低，低辛烷值燃料具有較好的著火性能；相對于λ=3.0和λ=2.5，λ=2.0時(shí)混合氣濃度較高，燃料分子數(shù)目增多，單位體積內(nèi)有效碰撞次數(shù)增多，反應(yīng)速率變快，燃燒速率加快，放熱率增大，缸內(nèi)壓力增大。

由圖7可知，汽油在圖示工況下峰值壓力所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角分布集中，峰值壓力出現(xiàn)時(shí)刻在曲軸轉(zhuǎn)角平均值±1.5°范圍內(nèi)，即轉(zhuǎn)速對其分布的影響不大，曲軸轉(zhuǎn)角平均值隨著轉(zhuǎn)速的升高相應(yīng)提前。在實(shí)際的HCCI發(fā)動機(jī)中，其著火過程與兩個(gè)時(shí)間相互聯(lián)系，一個(gè)是化學(xué)反應(yīng)時(shí)間，一個(gè)是物理時(shí)間，化學(xué)反應(yīng)時(shí)間是僅通過化學(xué)反應(yīng)使燃?xì)鉁囟冗_(dá)到H2O2分解溫度所需的時(shí)間，而物理時(shí)間指壓縮時(shí)間。在固定的過量空氣系數(shù)和初始溫度下，化學(xué)反應(yīng)時(shí)間保持不變，而物理時(shí)間則隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的提高而縮短。

1 堯命發(fā)，劉海峰.HCCI與低溫燃燒的燃燒技術(shù)研究進(jìn)展與展望.汽車工程學(xué)報(bào)，2012，2（2）：79～90.

2 潘江如，張春化，魯亞云.變參數(shù)對乙醇HCCI燃燒穩(wěn)定性和循環(huán)變動的影響.汽車技術(shù)，2014（4）：58～61.

3 吳晗,張春化,佟娟娟，等.EGR對甲醇HCCI發(fā)動機(jī)性能和運(yùn)行范圍的影響.長安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，32（5）：102～106.

4 吳晗，張春化，佟娟娟，等.外部EGR甲醇HCCI發(fā)動機(jī)燃燒特性試驗(yàn).甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，48（2）：114～118.

5 Ogawa H,Miyamoto N,Kaneko N,et al Combustion control and operating range expansion with direct injection of reac?tion suppressors in a premixed DME HCCI engine.SAE Pa?per.2003-01-0746,2003.

6 Martinez-Frias J,Aceves SM,Flowers D,et al Equivalence ratio EGR control of HCCI engine operation and potential for transition to spark-ignited operation.SAE Paper.2001-01-3613,2001.

7 鄭尊清，堯命發(fā)，張波，等.HCCI的燃燒循環(huán)變動試驗(yàn).天津大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)與工程技術(shù)版）,2005,38（6）:485～489.

8 蔣德明.內(nèi)燃機(jī)燃燒與排放學(xué).西安：西安交通大學(xué)出版社，2002.

9 Fujikawa T,NomuraY,HattoriY,et al Analysis of cycle-bycycle variation in a direct-injection gasoline engine using laser-induced fluorescence technique.International Journal of Engine Research,2003,4（2）:143～153.

10 Allenby S,ChangW C,Megaritis A,et al Hydrogen enrich?ment:A way to maintain combustion stability in a natural gas fuelled engine with exhaust gas recirculation,the poten?tial of fuel reforming.Proceedings of the IMECHE,Part D: Journal of Automobile Engineering,2001,215（3）:405～418.

11 呂興才,吉麗斌,馬駿駿,等.基礎(chǔ)燃料辛烷值對HCCI燃燒穩(wěn)定性和循環(huán)變動的影響.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2007,41（10）:1672～1678.

（責(zé)任編輯簾 青）

修改稿收到日期為2015年6月1日。

The Effect of Operating Parameters on Combustion Stability and Cyclical Variation of Gasoline HCCI

Pan Jiangru1,2,Zhang Chunhua2,Li Yangyang2
（1.Xinjiang Institute of Engineering;2.Chang’an University）

In order to study the effects of intake temperature,excess air coefficient and engine speed on combustion stability and cyclical variation of gasoline HCCI,relevant tests are conducted on a modified test engine.The results show that,with the increase of intake temperature,the value of cyclical variation becomes small,distribution of the peak firing pressure is concentrated,140℃is the better intake temperature.Cyclic variations coefficient of gasoline HCCI combustion is insensitive to excess air coefficient.With the increase of excess air coefficient,the time of peak pressure is advanced.With the increase of engine speed,the value of cyclical variation doesn’t change obviously,whereas average value of the peak pressure increases,and distribution of the peak firing pressure is concentrated.

HCCI engine,Cyclical variation,Engine speed,Excess air coefficient,Intake temperature

HCCI發(fā)動機(jī) 循環(huán)變動 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速 過量空氣系數(shù) 進(jìn)氣溫度

U464

A

1000-3703（2015）08-0029-04

新疆維吾爾自治區(qū)高等學(xué)?？蒲杏?jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（XJEDU2014I048），陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目（2012JQ7031），中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助（2013G1502063），新疆工程學(xué)院博士科研基金（2013BQJ091607）。