張超，張春化，薛樂

(長安大學(xué)汽車學(xué)院，交通新能源應(yīng)用與汽車節(jié)能陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安　710064)

?

復(fù)合HCCI模式下進(jìn)氣溫度對燃燒和排放特性的影響

張超，張春化，薛樂

(長安大學(xué)汽車學(xué)院，交通新能源應(yīng)用與汽車節(jié)能陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710064)

【目的】 改善均質(zhì)壓燃(HCCI)的燃燒狀況，降低排放.【方法】 試驗(yàn)在一臺(tái)改裝的HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)上通過增加缸內(nèi)直噴系統(tǒng)，研究進(jìn)氣溫度對HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒、排放特性及其對性能的影響.【結(jié)果】 進(jìn)氣溫度對缸內(nèi)壓力和壓力升高率及瞬時(shí)放熱率的影響十分顯著，缸內(nèi)壓力、壓力升高率及瞬時(shí)放熱率的峰值都隨著進(jìn)氣溫度的升高而增大(缸內(nèi)壓力變化的最大值約1.5 MPa，瞬時(shí)放熱率的差值最大約為0.05 kJ/℃A)，且其出現(xiàn)的曲軸轉(zhuǎn)角位置都有所提前.復(fù)合HCCI模式下，隨著進(jìn)氣溫度的升高，CO和HC的排放都有所降低，NOx的排放先降低后升高(進(jìn)氣溫度為140 ℃時(shí)接近零排放)，但總體處在較低的范圍.【結(jié)論】 進(jìn)氣溫度對HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)影響比較顯著，進(jìn)氣溫度的提高有利于HCCI的燃燒，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的性能得到提升，排放得到改善.

復(fù)合HCCI；進(jìn)氣溫度；燃燒特性；排放特性；發(fā)動(dòng)機(jī)性能

隨著對均質(zhì)充量壓縮著火(homogeneous charge compression ignition,HCCI)燃燒方式研究的不斷深入，人們認(rèn)識到它是對傳統(tǒng)燃燒方式的突破，因?yàn)镠CCI結(jié)合了點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)和壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn).但另一方面，HCCI存在燃燒缺乏直接準(zhǔn)確的控制手段，并且其運(yùn)行范圍狹窄[1-2]，這主要是由于HCCI的燃燒過程主要受化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的控制[3].基于此，國內(nèi)外學(xué)者提出多種改善措施，例如可變氣門定時(shí)策略[4]、廢氣再循環(huán)(EGR)[5-6]、結(jié)合理化特性互補(bǔ)的燃料以及利用復(fù)合燃燒模式等[7-8].馬駿駿等[9]研究了正庚烷復(fù)合均質(zhì)壓燃的燃燒與排放特性，發(fā)現(xiàn)復(fù)合HCCI燃燒方式能夠有效降低HC的排放，并拓展HCCI的運(yùn)行范圍.馬帥營等[10]在復(fù)合HCCI模式下對改善尾氣排放及發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示在汽油/柴油雙燃料模式中高負(fù)荷可同時(shí)降低NOx和碳煙排放，并且可通過提高柴油比例來向低負(fù)荷運(yùn)行工況拓展.Wang等[11]研究了復(fù)合HCCI燃燒模式下燃用二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性，并實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行范圍的拓展.

本文提出燃用正丁醇/正庚烷雙燃料復(fù)合HCCI燃燒模式(進(jìn)氣道噴射正丁醇，氣缸內(nèi)直噴正庚烷)，主要研究不同進(jìn)氣溫度下復(fù)合HCCI的燃燒特性、排放特性以及對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，從而為改善HCCI的燃燒和排放及優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行邊界條件提供依據(jù).

1　設(shè)備及方法

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)由1臺(tái)雙缸四沖程、自然吸氣、強(qiáng)制水冷柴油機(jī)(CT2100Q)改造而成，主要參數(shù)見表1.

表1　發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)Tab.1　Main parameters of the test engine

試驗(yàn)燃料為正丁醇和正庚烷.醇類燃料中，正丁醇熱值較高，汽化潛熱較大，但其發(fā)火性較差.相反正庚烷的十六烷值較大，發(fā)火性好.由此根據(jù)理化特性互補(bǔ)的思想，試驗(yàn)選取十六烷值較高的正庚烷作為缸內(nèi)直噴燃料，選取正丁醇為進(jìn)氣道噴射燃料.正丁醇、正庚烷的物性參數(shù)見表2.

表2　正丁醇及正庚烷的物性參數(shù)Tab.2　Properties of n-butanol and n-heptane fuels

試驗(yàn)系統(tǒng)布置如圖1所示.1#缸保持原柴油機(jī)模式運(yùn)行，2#缸在進(jìn)氣道加裝了PI噴油器來實(shí)現(xiàn)HCCI燃燒模式，并且在其頂部加裝了DI噴油器構(gòu)建直噴系統(tǒng).兩個(gè)噴油器都有各自的控制單元，可實(shí)現(xiàn)燃料噴射量的精確控制，并且兩個(gè)缸具有獨(dú)立的進(jìn)、排氣系統(tǒng).直噴系統(tǒng)的高壓燃油通過高壓氮?dú)鈦韺?shí)現(xiàn)加壓.試驗(yàn)時(shí)，先由柴油機(jī)模式啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，待暖機(jī)后，切斷1#缸柴油供給的同時(shí)使2#缸以復(fù)合HCCI模式運(yùn)行；待復(fù)合HCCI運(yùn)行平穩(wěn)后，測量連續(xù)50個(gè)工作循環(huán)的缸壓信號，并將信號由壓力傳感器經(jīng)電荷放大器傳輸至KiBox燃燒分析儀.試驗(yàn)中保持發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n=1 200 r/min，總體混合氣過量空氣系數(shù)λt=1.15不變，缸內(nèi)直噴壓力Pinject=6 MPa，缸內(nèi)直噴相位φin=340°CA，通過改變進(jìn)氣溫度來探究其對復(fù)合HCCI燃燒、排放及發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響.

用峰值壓力的循環(huán)變動(dòng)系數(shù)COVPmax來表示循環(huán)變動(dòng)的強(qiáng)弱程度，即

(1)

試驗(yàn)中使用了正丁醇、正庚烷兩種燃料，需要計(jì)算出兩種燃料混合后的總體過量空氣系數(shù).假設(shè)進(jìn)氣道噴射的循環(huán)噴油質(zhì)量(正丁醇)為mb，缸內(nèi)直噴正庚烷的循環(huán)噴油質(zhì)量為mh.實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，循環(huán)進(jìn)氣體量為mair.由此可得出，總體過量空氣系數(shù)為

(2)

圖1　試驗(yàn)系統(tǒng)簡圖Fig.1　Schematic of engine test system

2　結(jié)果與分析

2.1對燃燒特性的影響

如圖2所示，在復(fù)合HCCI模式下，進(jìn)氣溫度對缸內(nèi)壓力和壓力升高率的影響較為明顯，隨著進(jìn)氣溫度的升高，缸內(nèi)壓力和壓力升高率的峰值隨之增加，其出現(xiàn)的曲軸轉(zhuǎn)角位置均有所提前.

在復(fù)合HCCI模式下，進(jìn)氣溫度從120°C升高至160 ℃時(shí)，缸內(nèi)壓力變化的最大值約為1.5 MPa.主要是由于進(jìn)氣溫度的變化對正庚烷的影響明顯，即便是較小的溫度變化也會(huì)造成燃燒的較大變化，正庚烷的低溫反應(yīng)會(huì)隨著進(jìn)氣溫度的變化而產(chǎn)生明顯變化，以至于后續(xù)活性基的積累、高溫區(qū)的反應(yīng)都產(chǎn)生較大的差異，從而導(dǎo)致缸內(nèi)壓力和壓力升高率產(chǎn)生顯著變化.

圖2　進(jìn)氣溫度對缸內(nèi)壓力和壓力升高率的影響Fig.2　In-cylinder pressure and pressure rise rate under different intake temperatures

如圖3所示，隨著進(jìn)氣溫度的升高，瞬時(shí)放熱率的峰值顯著增大，其對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角出現(xiàn)的位置相應(yīng)提前.主要是由于進(jìn)氣溫度的升高，導(dǎo)致正庚烷氧化反應(yīng)劇烈，顯示出正庚烷低熱值較大的特點(diǎn)，從而能夠明顯影響燃燒和放熱過程，瞬時(shí)放熱率的差值最大可達(dá)到0.05 kJ/°CA.

由圖4可知，隨著進(jìn)氣溫度的升高，缸內(nèi)溫度隨之增大，缸內(nèi)溫度峰值出現(xiàn)的時(shí)刻相應(yīng)提前.這主要是由于，隨著進(jìn)氣溫度的升高，燃料混合氣本身的溫度被提高，使得活化分子的數(shù)量增多，分子運(yùn)動(dòng)的速率加快，分子碰撞幾率增大，化學(xué)反應(yīng)速率相應(yīng)變快，反應(yīng)時(shí)間縮短，從而使得壓縮終了溫度升高，著火時(shí)刻提前.

由圖5可知，在復(fù)合HCCI模式下，隨著進(jìn)氣溫度的升高，燃燒始點(diǎn)(CA05)和燃燒中點(diǎn)(CA50)都有所提前，燃燒持續(xù)期有所縮短.這主要是由于，隨著進(jìn)氣溫度的升高，壓縮同期的溫度相應(yīng)被提高，使得低溫反應(yīng)階段活化基生成速率加快，促使燃料化學(xué)反應(yīng)速率加快；另一方面，溫度的升高，使得反應(yīng)物活性增大，分子間碰撞幾率增大，由此產(chǎn)生的高溫為鏈?zhǔn)椒磻?yīng)提供足夠的能量，加快了燃燒的發(fā)生，使燃燒時(shí)刻提前.進(jìn)氣溫度的升高會(huì)加大燃燒的劇烈程度，從而使燃燒持續(xù)期縮短.

圖3　進(jìn)氣溫度對瞬時(shí)放熱率的影響Fig.3　Heat release rate under different intake temperatures

圖4　進(jìn)氣溫度對缸內(nèi)溫度的影響Fig.4　In-cylinder temperature under different intake temperatures

圖5　進(jìn)氣溫度對燃燒時(shí)刻及燃燒持續(xù)期的影響Fig.5　Combustion phase under different intake temperatures

由圖6可知，在復(fù)合HCCI模式下，隨著進(jìn)氣溫度的升高，燃燒循環(huán)變動(dòng)逐漸減小，這是由于進(jìn)氣溫度的升高，有利于提高混合氣的混合均勻程度，并且使得混合氣更容易著火，燃料燃燒組織情況變好，缸內(nèi)混合氣能夠更快更完全地燃燒，燃燒質(zhì)量變好.隨著進(jìn)氣溫度的升高，峰值壓力出現(xiàn)的位置也有所提前，這是因?yàn)闇囟鹊纳哂欣谔嵘旌蠚獾陌l(fā)火性，使得燃燒始點(diǎn)和燃燒過程提前，峰值壓力出現(xiàn)的位置也相應(yīng)提前.

2.2對排放特性的影響

由圖7可知，在復(fù)合HCCI模式下，CO和HC的排放均隨進(jìn)氣溫度的升高而呈現(xiàn)下降趨勢.這主要由于，CO和HC是燃燒的中間產(chǎn)物，溫度的升高會(huì)使分子活性增大，加快了混合氣的燃燒速率，并且有利于促使缸內(nèi)混合氣更加完全地燃燒，使得CO和HC被進(jìn)一步氧化，進(jìn)而導(dǎo)致它們的排放量有所減少.注意到由于缸內(nèi)直噴正庚烷系統(tǒng)的參與，雖然正丁醇和空氣的均質(zhì)混合氣仍為主體，但總會(huì)產(chǎn)生局部混合氣不均勻的現(xiàn)象，局部混合氣過濃或局部溫度過高的問題總是存在的，在進(jìn)氣溫度為120 ℃時(shí)NOx排放的體積分?jǐn)?shù)為1×10-6，這可能是由于局部溫度過高造成的，但總體而言NOx的排放仍處于非常低的水平.

圖6　進(jìn)氣溫度對峰值壓力循環(huán)變動(dòng)的影響Fig.6　Cyclic variation of peak presure under different intake temperatures

圖7　進(jìn)氣溫度對排放特性的影響Fig.7　Emissions under different intake temperatures

2.3對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

由圖8可知，在復(fù)合HCCI模式下，指示熱效率及平均指示壓力隨著溫度的升高均呈升高趨勢.從整體而言，在復(fù)合HCCI模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)都得到了較大的提升，所以控制進(jìn)氣溫度對HCCI的燃燒至關(guān)重要.一方面，進(jìn)氣溫度的升高相應(yīng)提高了壓縮同期缸內(nèi)混合氣溫度，使得化學(xué)反應(yīng)速率增大，燃料低溫氧化反應(yīng)活性增強(qiáng)，有利于提高HCCI的燃燒性能；另一方面，較高的進(jìn)氣溫度可以改善燃料的霧化性能，提高混合氣的混合均勻程度，有利于

圖8　進(jìn)氣溫度對發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)的影響Fig.8　Engine performance parameters under different intake temperatures

燃料的燃燒組織，因此平均指示壓力及指示熱效率都得到提升.

3　結(jié)論

在缸內(nèi)直噴系統(tǒng)的參與下，進(jìn)氣溫度對復(fù)合HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的影響較為明顯.

1)隨著進(jìn)氣溫度的升高，缸內(nèi)壓力、壓力升高率、瞬時(shí)放熱率及缸內(nèi)溫度的峰值都有所增加，且其對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角位置也有所提前.

2)隨著進(jìn)氣溫度升高，燃燒時(shí)刻有所提前，燃燒持續(xù)期縮短，循環(huán)變動(dòng)系數(shù)明顯減小.

3)隨著進(jìn)氣溫度的升高，CO和未燃HC的排放得到有效降低，NOX的排放仍處于較低水平.

4)隨著進(jìn)氣溫度的升高，復(fù)合HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的指示熱效率和平均指示壓力都有所增加.

[1]蘇萬華，趙華，王建昕．均質(zhì)壓燃低溫燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)理論與技術(shù)[M]．北京：科學(xué)出版社，2010

[2]Zhang C H，Wu H．The simulation based on CHE MKIN for homogeneous charge compression ignition combustion with on-board fuel reformation in the chamber[J]．Int J Hydrogen Energy,2012，37(5)：4467-4475

[3]堯命發(fā)，劉海峰．均質(zhì)壓燃與低溫燃燒的燃燒技術(shù)研究進(jìn)展與展望[J]．汽車工程學(xué)報(bào)，2012，2(2)：79-90

[4]謝輝，趙華，楊林，等．基于可變氣門定時(shí)策略的HCCI汽油機(jī)試驗(yàn)研究[J]．內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2005，23(6)：510-517

[5]Zhao Y W，Wang Y，Li D C，et al．Combustion and emission characteristics of a DME (dimethyl ether)-diesel dual fuel premixed charge compression ignition engine with EGR (exhaust gas recirculation)[J]．Energy，2014，72：608-617

[6]吳晗，張春化，佟娟娟，等．外部EGR甲醇HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性試驗(yàn)[J]．甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，48(2)：114-118

[7]周小鑫，呂興才，吉麗斌，等．道噴射正庚烷缸內(nèi)直噴異辛烷的分層充量壓縮燃燒與排放特性[J]．上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，44(10)：46-51

[8]堯命發(fā)，馬帥營，童來會(huì)，等．燃燒參數(shù)對汽油/柴油雙燃料HPCC性能和排放影響的試驗(yàn)[J]．內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2012，30(4)：289-295

[9]馬駿駿，呂興才，吉麗斌，等．正庚烷復(fù)合均質(zhì)壓燃的燃燒與排放特性研究[J]．熱物理學(xué)報(bào)，2007，28(Suppl.2)：197-200

[10]馬帥營，陳貴升，鄭尊清，等．汽油/柴油雙燃料HPCC在不同轉(zhuǎn)速下的高負(fù)荷研究[J]．內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2013，31(4)：289-295

[11]Wang Y，He L，Zhou J，et al．Study of HCCI-DI combustion and emissions in a DME engine[J]．Fuel，2009，88(11)：2255-2261

(責(zé)任編輯胡文忠)

Effects of intake temperatures on combustion and emission characteristics of compound HCCI engine

ZHANG Chao,ZHANG Chun-hua,XUE Le

(School of Automobile,Chang′an University，Key Laboratory of Shanxi Province for Development and Application of New Transportation Energy,Xi′an 710064，China)

【Objective】 The aim of the test was to improve homogeneous charge compression ignition (HCCI) combustion and reduce the emissions.【Method】 An in-cylinder direct injection (DI) system was set up on a modified HCCI engine to investigate the combustion and emission characteristics and engine performance under variable intake temperatures.【Result】 The results showed that the peak of in-cylinder pressure,pressure rise rate and heat release rate all increased and occurred in advance with the increase of intake temperatures.(The maximum change in-cylinder pressure and the instantaneous heat release rate was about 1.5 MPa and 0.05 kJ/℃ A,respectively.).CO and HC emissions decreased with the increase of intake temperatures,and NOx emissions firstly decreased then increased (the NOx emissions near zero at the intake temperature of 140 ℃),but it still maintained in a lower range.【Conclusion】 The effects of intake temperatures on compound HCCI was significant.With the increase of intake temperatures,HCCI combustion and the engine performance were improved,and the emissions was decreased to some extent.

compound HCCI;intake temperature;combustion characteristics;emission characteristics;engine performance

張超(1986-)，男，博士研究生，從事內(nèi)燃機(jī)燃燒及代用燃料方面的研究.E-mail:zhangc6800@163.com

張春化，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)代用燃料的應(yīng)用.E-mail:zchzzz@126.com

陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2012JQ7031)；中央高?？蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(310822151119).

2016-03-21；

2016-04-20

U 464

A

1003-4315(2016)04-0139-06