潘江如，張春化，魯亞云

(1.新疆工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊　830091；2.長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安　710064；

3.新疆職業(yè)大學(xué)，新疆 烏魯木齊　830013)

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轉(zhuǎn)速和冷卻液溫度對汽油HCCI燃燒特性和排放的影響

潘江如1，2，張春化2，魯亞云3

(1.新疆工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830091；2.長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安710064；

3.新疆職業(yè)大學(xué)，新疆 烏魯木齊830013)

摘要：為研究轉(zhuǎn)速和冷卻液溫度對汽油HCCI燃燒特性和排放的影響，在一臺改造的試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn).結(jié)果表明:隨著轉(zhuǎn)速的增加，轉(zhuǎn)速升高，缸內(nèi)峰值壓力升高，缸內(nèi)溫度變化不大，只是最高溫度對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角提前，燃燒始點(diǎn)對轉(zhuǎn)速不敏感，燃燒持續(xù)期縮短；當(dāng)冷卻液溫度升高，缸內(nèi)峰值壓力和壓力升高率升高，瞬時(shí)放熱率增大，缸內(nèi)峰值溫度和燃燒始點(diǎn)基本不受冷卻液溫度變化的影響，冷卻液溫度升高，缸內(nèi)向外散失的熱量減少，燃燒持續(xù)期縮短，HC和CO排放減少，由于缸內(nèi)溫度一直不是很高，不利于NOx排放生成，在本次試驗(yàn)中測得的排放為零.

關(guān)鍵詞：均質(zhì)壓燃；汽油；燃燒特性；排放；轉(zhuǎn)速；冷卻液溫度

第一作者：潘江如(1978-)，男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)燃燒與排放控制、交通新能源與汽車節(jié)能工程.E-mail:pjr1978@126.com

進(jìn)入21世紀(jì)以來，內(nèi)燃機(jī)發(fā)展面臨越來越嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)的限制.為滿足有害合理排放法規(guī)，人們提出了不同的內(nèi)燃機(jī)新型燃燒方式，如均質(zhì)壓燃(HCCI)、預(yù)混合充量壓燃(PCCI)、低溫燃燒(LTC)、預(yù)混合分層壓燃(PSCCI)等[1].均質(zhì)壓燃(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，它結(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.均質(zhì)壓燃的燃燒過程主要受化學(xué)動(dòng)力學(xué)所控制，其燃燒過程控制目前只能通過一些間接控制方法，如改變空燃比、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)HCCI燃燒相位的控制.轉(zhuǎn)速和冷卻液溫度作為間接控制方法有必要進(jìn)行深入地研究[2-8].本研究擬通過改變轉(zhuǎn)速和冷卻液溫度，觀察其改變時(shí)對汽油HCCI燃燒特性和排放的影響，以期為汽油HCCI內(nèi)燃機(jī)的深入研究提供一定的參考.

1試驗(yàn)裝置與方法

1.1試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)是一臺兩缸四沖程、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(dòng)機(jī)做了部分改造，將2缸改為HCCI試驗(yàn)測試缸，其相關(guān)參數(shù)詳見表1，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生產(chǎn)的CB566燃燒分析儀，曲軸轉(zhuǎn)角信號光電傳感器測得，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.試驗(yàn)測試系統(tǒng)詳見圖1.論文中著火時(shí)刻定義為燃燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的燃料時(shí)所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，用CA10表示；燃燒持續(xù)期為燃燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)從10%的燃料到90%燃料所經(jīng)歷的曲軸轉(zhuǎn)角，用CA90表示；燃燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的燃料所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角用CA50表示.

2結(jié)果與分析

2.1轉(zhuǎn)速和冷卻液溫度對HCCI燃燒特性的影響

2.1.1轉(zhuǎn)速對HCCI燃燒特性的影響轉(zhuǎn)速(用n表示)對汽油HCCI燃燒缸壓、壓力升高率、溫度和瞬時(shí)放熱率的影響如圖2所示，在一定條件下，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，缸內(nèi)峰值壓力升高，峰值壓力所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角提前.當(dāng)轉(zhuǎn)速提高后，活塞速度變快，缸內(nèi)的燃料和空氣碰撞的幾率增多，流場變復(fù)雜，化學(xué)反應(yīng)速度加快，在膨脹行程缸內(nèi)的溫度和壓力下降幅度減小，負(fù)功較少.同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對燃燒的影響受化學(xué)反應(yīng)時(shí)間和物理時(shí)間的共同作用，強(qiáng)烈的氣流運(yùn)動(dòng)和燃料混合使化學(xué)反應(yīng)速率提高，化學(xué)反應(yīng)時(shí)間縮短，轉(zhuǎn)速提高，轉(zhuǎn)過同樣曲軸角度的時(shí)間縮短，故缸內(nèi)的峰值壓力對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角提前.發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對缸內(nèi)溫度峰值的影響不顯著，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速影響的只是峰值溫度和瞬時(shí)放熱率峰值出現(xiàn)的時(shí)刻，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高，兩者峰值所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角提前，原因如上所述.

圖1　試驗(yàn)測試系統(tǒng)Fig.1　Test system

壓縮比17∶1排量/L0.85缸徑/mm×行程/mm100×105燃燒室類型ω型曲柄連桿比0.32供油方式進(jìn)氣歧管噴射噴油提前角/(°)80°BTDC噴油壓力/bar3.8進(jìn)氣門開啟角/(°)17°BTDC進(jìn)氣門關(guān)閉角/(°)43°ABDC排氣門開啟角/(°)47°BBDC排氣門關(guān)閉角/(°)17°ABDC

汽油在λ=2.5，Tin=160 ℃時(shí)，轉(zhuǎn)速對CA10、CA50和CA90的影響如圖3所示.汽油的燃燒始點(diǎn)不受轉(zhuǎn)速影響，各燃燒始點(diǎn)對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角相同，這是因?yàn)樵谳^高的進(jìn)氣溫度下，化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)起主導(dǎo)作用，基元反應(yīng)速率加快.隨著轉(zhuǎn)速的升高，CA50對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角提前，燃燒持續(xù)期都縮短.HCCI著火始點(diǎn)是由燃?xì)鉁囟冗_(dá)到H2O2分解溫度的時(shí)間來決定的，其分解溫度大約是1 000 K.在實(shí)際的HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)中，其著火過程是與2個(gè)時(shí)間相互聯(lián)系的，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)間指的是壓縮時(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，但是有利于燃燒進(jìn)行的基變多，而物理時(shí)間則隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高而縮短，CA50出現(xiàn)的時(shí)刻提前.發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對燃燒持續(xù)期的影響非常的復(fù)雜，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，流場變得復(fù)雜，缸內(nèi)組分變多，同時(shí)隨著溫度的升高，各種基變多，各種基元反應(yīng)的反應(yīng)速率變快，燃料的化學(xué)活性起著重要的作用，燃燒速度變快，燃燒相應(yīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的燃料所需的時(shí)間縮短，較高的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速使燃燒的曲軸轉(zhuǎn)角范圍增大的影響不是很明顯.

2.1.2冷卻液溫度對HCCI燃燒特性的影響冷卻液溫度對汽油HCCI燃燒峰值壓力、壓力升高率、瞬時(shí)放熱率和缸內(nèi)溫度的影響如圖4所示，冷卻液溫度升高，缸內(nèi)峰值壓力和壓力升高率升高，這是因?yàn)槔鋮s液溫度升高以后，缸內(nèi)混合氣損失的熱量減少，缸內(nèi)混合氣的溫度較高，有利于提高反應(yīng)速率和燃燒速度，縮短燃燒持續(xù)期，燃料在上止點(diǎn)附近集中放熱，故缸內(nèi)峰值壓力升高.冷卻液溫度升高，瞬時(shí)放熱率增大，瞬時(shí)放熱率的最大值所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角提前，汽油在冷卻液溫度為80 ℃時(shí)，其值為上止點(diǎn)后8° CA，冷卻液溫度90 ℃時(shí)，其值為上止點(diǎn)后7° CA.冷卻液溫度升高，缸內(nèi)溫度變化不大，原因?yàn)槔鋮s液溫度90℃時(shí)，其燃燒初期有低溫放熱階段，從圖中可以看出，此時(shí)氣缸容積較大，與冷卻液接觸面積較大，造成一定的散熱損失.

圖2　轉(zhuǎn)速對缸壓、溫度和瞬時(shí)放熱率的影響Fig.2　The effects of cylinder pressure,temperature and instantaneous heat release rate with varying rotation

圖3　轉(zhuǎn)速對CA10、CA50和CA90的影響Fig.3　The effects of CA10,CA50and CA90 with varying rotation

圖4　冷卻液溫度對缸壓、溫度和瞬時(shí)放熱率的影響Fig.4　The effects of pressure,cylinder temperature and instantaneous heat releaserate with varying coolant temperature

冷卻液溫度對CA10、CA50和CA90的影響如圖5，冷卻液溫度改變對汽油HCCI燃燒始點(diǎn)基本沒有影響.冷卻液溫度的改變對汽油的CA50和燃燒持續(xù)期的還是有影響的，冷卻液溫度升高，CA50顯著提前，燃燒持續(xù)期的變化也遵循這一規(guī)律，汽油的燃燒持續(xù)期縮短2°CA，這是因?yàn)殡S著冷卻液溫度的升高，燃燒氣體向外散失的能量減少，缸內(nèi)的溫度有利于基元反應(yīng)的進(jìn)行，燃燒效率提高，達(dá)到自燃時(shí)刻所需的時(shí)間縮短.

圖5　冷卻液溫度對CA10、CA50和CA90的影響Fig.5　The effects of CA10,CA50and CA90 with varying coolant temperature

2.2轉(zhuǎn)速和冷卻液溫度對HCCI燃燒排放的影響

2.2.1轉(zhuǎn)速對HCCI燃燒排放的影響圖6為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對排放的影響，汽油在圖示工況下，轉(zhuǎn)速升高以后，CO的排放下降，這是因?yàn)镃O氧化被基元反應(yīng)式CO+OH→CO2+H控制，在邊界燃燒的最后燃盡階段，97%的CO2產(chǎn)物來自于此反應(yīng).OH基的濃度會(huì)隨著燃燒溫度的降低而迅速下降，因此，低于一定的溫度，OH基的濃度會(huì)變低以至于CO反應(yīng)不能進(jìn)行完全[7,8].轉(zhuǎn)速升高以后缸內(nèi)的溫度在2 000 K以上，有利于OH基的形成，加之混合氣較稀，氧氣過量，CO可以順利的氧化為CO2.NOx排放隨著轉(zhuǎn)速升高變化不大，大多數(shù)的時(shí)候?yàn)?，最高濃度也只有1×10-6，產(chǎn)生的原因是缸內(nèi)局部高溫[9-10].

對于HCCI燃燒，未燃HC的生成機(jī)理可能為狹縫效應(yīng).轉(zhuǎn)速升高以后，缸內(nèi)的峰值溫度大于1 600 ℃，在膨脹過程中，狹縫中逸出的可燃混合氣進(jìn)行部分燃燒，同時(shí)排氣溫度較高，未燃HC在排氣道中又部分氧化，造成未燃HC排放減少.

2.2.2冷卻液溫度對HCCI燃燒排放的影響圖7是冷卻液溫度對HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響曲線，冷卻液溫度升高后HC和CO排放下降.HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的未燃HC的排放主要來自邊界層、燃燒室缸壁附近以及狹縫層內(nèi)，隨著冷卻液溫度的升高，HCCI的燃燒速率提高，燃燒持續(xù)期縮短，峰值放熱率增大，上述激冷區(qū)域的溫度上升，有利于未燃HC的燃燒和氧化.當(dāng)冷卻液溫度升高時(shí)，燃燒效率提高，缸內(nèi)溫度較高，OH基的數(shù)目較多，有利于OH基對CO的進(jìn)一步氧化，同時(shí)較高的缸內(nèi)溫度有利于CO在排氣中進(jìn)一步被氧化，從而有助于降低CO的排放.汽油的NOx排放不變，這是由于采用較稀的混合氣后，缸內(nèi)的溫度較低，生成NOx的反應(yīng)被“凍結(jié)”.

圖6　轉(zhuǎn)速對排放的影響Fig.6　The effects of emissions with varying rotation

圖7　冷卻液溫度對排放的影響Fig.7　The effects of emissions with varying coolant temperature

3結(jié)論

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對汽油HCCI燃燒的影響受化學(xué)反應(yīng)時(shí)間和物理時(shí)間的共同作用，轉(zhuǎn)速升高，缸內(nèi)的流場變復(fù)雜，基元反應(yīng)速率變快，缸內(nèi)峰值壓力升高，缸內(nèi)溫度變化不大，只是最高溫度對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角提前，燃燒始點(diǎn)對轉(zhuǎn)速不敏感，燃燒持續(xù)期縮短；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高后，由于缸內(nèi)溫度升高和氧氣充足，HC和CO排放減少，NOx排放稍微增加.

冷卻液溫度升高，汽油HCCI燃燒缸內(nèi)峰值壓力和壓力升高率升高，瞬時(shí)放熱率增大，瞬時(shí)放熱率的最大值所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角提前，缸內(nèi)峰值溫度和燃燒始點(diǎn)基本不受冷卻液溫度變化的影響，冷卻液溫度升高，缸內(nèi)向外輻射的熱量減少，燃燒持續(xù)期縮短，HC和CO排放減少，由于缸內(nèi)溫度一直不是很高，不利于NOx排放生成，在本次試驗(yàn)中測得的排放為零.

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(責(zé)任編輯李辛)

Effect of rotation speed and coolant temperature on combustion

characteristic and emissions of gasoline HCCI

PAN Jiang-ru1,2，ZHANG Chun-hua2，LU Ya-yun3

(1.Xinjiang Institute of Engineering,Urumchi 830091,China;2.School of Automobile,Chang′an University,Xi′an

710064,China;3.Xinjiang Vocational University,Urumchi 830013,China)

Abstract：The test was conducted on a modified engine fuelled with gasoline to study the effects the rotation speed and coolant temperature on combustion characteristic and emissions of gasoline HCCI.The results showed that with the increase of rotation,the pressure in cylinder raised,temperature in cylinder changed little,corresponding crank angle for peak temperature was advanced,the combustion start point of HCCI was insensitive to rotation speed and combustion duration shortened.As the coolant temperature increased,peak pressure and rate of pressure rise rate in cylinder raised,the instantaneous heat release rate increased,peak temperature in cylinder basically insusceptible to the change of coolant temperature,the heat loss in cylinder decreased,combustion duration is shortened and HC and CO emissions reduced.Constantly low temperature in cylinder was against NOxformation with zero NOxemissions in the test.

Key words：homogeneous charge compression ignition；gasoline;combustion characteristic;emissions;rotation rate;coolant temperature

收稿日期：2014-12-23；修回日期：2015-03-05

基金項(xiàng)目：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)日(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).

中圖分類號：Q 464.11

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1003-4315(2015)06-0176-05