隆武強(qiáng),禮博,李達(dá),田江平,田華,臧廣輝,戴宏偉
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柴油射流控制柴油基燃料預(yù)混合氣壓縮著火相位的試驗(yàn)研究
隆武強(qiáng)1, 2,禮博1,李達(dá)1,田江平1, 2,田華1,臧廣輝3,戴宏偉3
(1. 大連理工大學(xué) 內(nèi)燃機(jī)研究所,遼寧 大連,116024;2. 大連理工大學(xué) 船舶制造國(guó)家工程研究中心,遼寧 大連,116024;3. 遼陽(yáng)新風(fēng)科技有限公司,遼寧 遼陽(yáng),111200)
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)預(yù)混合壓縮著火相位的主動(dòng)控制,提出柴油射流控制柴油基燃料壓縮著火方案,并在1臺(tái)改造的單缸自然吸氣186FA柴油機(jī)上進(jìn)行可行性試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明:在50%負(fù)荷試驗(yàn)條件下,柴油射流可以有效控制預(yù)混合氣的著火相位;隨著柴油射流正時(shí)的推遲,10%和50%累積放熱對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角CA10和CA50均呈線性規(guī)律變化,氮氧化物排放明顯降低,碳煙排放幾乎為零;隨著預(yù)噴正時(shí)的推遲,放熱率呈現(xiàn)由單峰較慢放熱至雙峰放熱至最后的單峰快速放熱的變化規(guī)律,且碳?xì)浠衔锖鸵谎趸寂欧胖饾u降低;在單峰快速放熱情況下,壓力升高率最大;增加柴油射流量,燃燒過程減緩,且會(huì)擴(kuò)大柴油的擴(kuò)散燃燒比例,導(dǎo)致碳煙排放增加。
預(yù)混合;著火相位;雙直噴;射流控制壓縮著火;柴油基燃料
為了提高柴油機(jī)熱效率,降低傳統(tǒng)柴油燃燒產(chǎn)生的碳煙和NO,胡國(guó)棟[1?2]提出了“柴油熱預(yù)混合燃燒(hot premix of diesel combustion,HPDC)”思想,即在燃燒之前將柴油全部噴入氣缸內(nèi),形成預(yù)混合氣,控制著火相位發(fā)生在上止點(diǎn)附近,實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的高效低排放燃燒,并指出“柴油機(jī)燃燒汽油機(jī)化”。目前,普遍把這種模式稱為預(yù)混合壓燃(premixed charge compression ignition,PCCI)。豐田汽車公司[3]和新ACE[4]先后采用傘狀噴霧開展高速柴油機(jī)預(yù)混合壓燃研究,再現(xiàn)了胡國(guó)棟[1]得到的結(jié)果。另一方面,ONISHI等[5]以汽油機(jī)為基礎(chǔ)提出吸氣行程進(jìn)氣道噴射預(yù)混合壓燃路線(汽油機(jī)變火花點(diǎn)火為壓縮著火),這種方式后來被人們稱為均質(zhì)充量壓燃(homogeneous charge compression ignition,HCCI)。將柴油機(jī)的壓燃和汽油機(jī)的預(yù)混合相結(jié)合,即柴油機(jī)與汽油機(jī)合二為一,可以大幅提高內(nèi)燃機(jī)的熱效率,減少排放污染物的生成。這也意味著內(nèi)燃機(jī)的燃料可以包含從柴油到汽油之間的所有成分,甚至范圍更廣。人們對(duì)柴油機(jī)預(yù)混合壓燃進(jìn)行了長(zhǎng)期研究,但一直未能實(shí)用化,其原因是著火相位控制沒有得到解決[6]。為了控制著火相位、提高低負(fù)荷燃燒穩(wěn)定性,研究者先后提出了點(diǎn)火室高溫活性基或火焰射流控制壓縮著火相位[7?8]、高壓氣體射流控制壓縮著火相位[9?10]和高十六烷值燃料射流控制柴油基燃料壓縮著火相位[11]3種模式,統(tǒng)稱為射流控制壓縮著火(jet controlled compression ignition,JCCI)。在此基礎(chǔ)上,提出柴油射流控制柴油基燃料預(yù)混合氣壓縮著火相位,本文中柴油基燃料為柴油與乙醇汽油的混合物,該模式有望成為柴油機(jī)和汽油機(jī)從燃料到燃燒方式均合二為一的最可行途徑。目前,國(guó)內(nèi)外有不少研究者在開展柴、汽油燃料預(yù)混合壓燃的研究,包括缸內(nèi)混合和缸外混合兩類。如YU等的HCII (homogeneous charge induced ignition)[12]和威斯康辛大學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)研究中心的RCCI (reactivity controlled compression ignition)[13]均屬于缸內(nèi)混合。而ZHONG等[14]通過使用柴油與汽油混合燃料,結(jié)合負(fù)氣門重疊技術(shù),擴(kuò)展了HCCI的運(yùn)行范圍,隨后將混合燃料應(yīng)用到部分預(yù)混合壓燃(partially premixed combustion,PPC)模式。結(jié)果表明相比于柴油,混合燃料可以有效降低總顆粒排放數(shù)目[15];WEALL等[16?17]分別將柴油與汽油混合燃料應(yīng)用到PPC和PCCI模式,結(jié)果表明:混合燃料揮發(fā)性更好,滯燃期更長(zhǎng),可以實(shí)現(xiàn)較低的碳煙排放。韓東等[18?20]通過調(diào)制柴油與汽油混合物,探究混合燃料在壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用潛力。本文作者對(duì)柴油射流控制柴油基燃料預(yù)混合氣壓縮著火相位燃燒模式的可行性及燃燒與排放特性進(jìn)行研究。
將1臺(tái)單缸風(fēng)冷、自然吸氣式186FA柴油機(jī)的噴油系統(tǒng)更換成2套高壓共軌裝置,構(gòu)成雙直噴型柴油射流控制柴油基燃料預(yù)混合氣壓縮著火相位系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。
表1 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)
試驗(yàn)使用新風(fēng)科技有限公司第二代JCRT共軌系統(tǒng),2套共軌系統(tǒng)的高壓油泵均由外置電機(jī)控制。噴油器布置如圖1所示。側(cè)置噴油器1用于柴油基燃料的預(yù)噴射,采用較小的噴霧錐角,改善由缸內(nèi)早噴而造成的濕壁現(xiàn)象;中置噴油器2用于柴油的射流噴射。在進(jìn)氣沖程或者壓縮沖程早期,通過預(yù)噴射直噴系統(tǒng)將柴油基燃料噴入氣缸內(nèi)形成預(yù)混合氣,由于燃料活性相對(duì)較低,并且通過控制缸內(nèi)條件使其不能單純依靠壓縮直接自燃著火。在壓縮上止點(diǎn)附近由射流噴射系統(tǒng)向缸內(nèi)噴射柴油,在給定壓縮比條件下,柴油迅速被壓燃,并引燃缸內(nèi)預(yù)混合氣,從而有效控制預(yù)混合氣的著火相位。
1—柴油基燃料噴油器;2—柴油噴油器。
發(fā)動(dòng)機(jī)的控制與數(shù)據(jù)采集程序均基于NI CompactRIO平臺(tái),采用LabVIEW圖形化語(yǔ)言編寫。試驗(yàn)使用AVL GH14DK缸壓傳感器搭配Kistler 5018A電荷放大器測(cè)量缸內(nèi)壓力,每個(gè)穩(wěn)定工況點(diǎn)采集100個(gè)循環(huán)的缸壓,通過Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與燃燒分析。使用Horiba MEXA?7100DEGR尾氣分析儀測(cè)量穩(wěn)定工況下尾氣中的CO,CO2,O2,THC和NO濃度,使用佛分FBY?1濾紙式煙度計(jì)測(cè)量碳煙排放。試驗(yàn)裝置示意圖如圖2所示。
1—柴油油箱;2—柴油質(zhì)量流量計(jì);3—柴油基燃料油箱;4—柴油基燃料質(zhì)量流量計(jì);5—柴油噴油器;6—柴油基燃料噴油器;7—缸壓傳感器;8—進(jìn)氣道;9—排氣道;10—電荷放大器;11—控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);12—凸輪軸信號(hào)傳感器;13—曲軸信號(hào)傳感器;14,15—K型熱電偶;16—煙度計(jì);17—尾氣分析儀;18—測(cè)功機(jī)。
定義每循環(huán)柴油射流質(zhì)量與全部燃油質(zhì)量的比值為射流質(zhì)量比,記作J。
式中:J為每循環(huán)柴油射流質(zhì)量,mg;T為每循環(huán)全部燃油質(zhì)量,mg。
試驗(yàn)以市售0號(hào)商業(yè)柴油和95號(hào)商業(yè)乙醇汽油(E10)為基礎(chǔ)燃料,乙醇汽油中含有體積分?jǐn)?shù)為10%的乙醇。按照柴油與乙醇汽油質(zhì)量比為2:8和3:7混合,得到2種預(yù)噴射柴油基燃料,分別記作D20和D30。
在原機(jī)壓縮比條件下,結(jié)合預(yù)混合燃燒模式,隨著負(fù)荷增加,缸內(nèi)溫度升高,燃油反應(yīng)速率加快,導(dǎo)致壓力升高率過大,因此,作為研究的第一步,本文試驗(yàn)均在額定轉(zhuǎn)速50%負(fù)荷進(jìn)行,探究柴油射流控制柴油基燃料壓縮著火相位燃燒模式的可行性。
2.1.1 柴油射流正時(shí)對(duì)燃燒的影響
固定每循環(huán)柴油射流的噴油量約為4.7 mg,在不同柴油射流正時(shí)(燃油噴射時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角)條件下,通過調(diào)整預(yù)噴燃油量保證發(fā)動(dòng)機(jī)有效輸出功率不變,試驗(yàn)條件如表2所示。圖3所示為分別以D20和D30作為預(yù)噴燃料,缸內(nèi)壓力和放熱率曲線隨柴油射流正時(shí)的變化規(guī)律。
表2 試驗(yàn)條件 (1)
預(yù)噴燃料:(a) D20;(b) D30射流正時(shí)(上止點(diǎn)后)/(°):1—?19;2—?17;3—?15;4—?13;5—?11。
從圖3可以看出:隨著柴油射流正時(shí)的推遲,燃燒壓力和放熱率曲線向右推移,且缸內(nèi)最高燃燒壓力減小。從放熱率曲線可以看出:本組試驗(yàn)均呈現(xiàn)明顯的兩階段燃燒規(guī)律。本文將這種放熱規(guī)律劃分為2部分,其中,第一階段定義為射流壓燃階段,主要由柴油射流被壓燃引起,同時(shí)周圍的部分預(yù)噴射燃料被引燃,從而釋放一部分熱量;隨著射流壓燃釋放能量逐漸增加,缸內(nèi)的溫度和壓力同時(shí)升高,缸內(nèi)的預(yù)混合氣被壓燃,放熱率再一次升高,因此,定義第二階段的燃燒為預(yù)混合氣燃燒階段。
隨著柴油射流正時(shí)的推遲,射流壓燃階段和預(yù)混合氣燃燒階段的放熱率均逐漸降低,且預(yù)混合氣燃燒階段放熱持續(xù)期逐漸增長(zhǎng)。這是因?yàn)槿紵l(fā)生在膨脹沖程,隨著燃燒的推遲,溫度和壓力減小,導(dǎo)致混合氣反應(yīng)速率降低。并且當(dāng)預(yù)噴正時(shí)固定時(shí),隨著射流正時(shí)推遲,預(yù)噴燃油在缸內(nèi)分布范圍更廣,因此,參與到射流壓燃階段的預(yù)混合氣減少,導(dǎo)致射流壓燃階段的放熱率峰值逐漸降低。隨著射流壓燃階段放熱量減少,缸內(nèi)壓力和溫度相對(duì)降低,因此,預(yù)混合氣燃燒速率減緩,預(yù)混合氣燃燒階段的放熱峰值也隨著射流正時(shí)的推遲逐漸降低。
圖4所示為柴油射流正時(shí)對(duì)JCCI燃燒模式有效熱效率的影響。從圖4可知:隨著柴油射流正時(shí)的推遲,燃燒也相繼推遲,且射流壓燃階段放熱速率減小,預(yù)混合氣燃燒階段變緩,導(dǎo)致整體燃燒等容度下降,做功能力減弱。因此,隨著射流正時(shí)的推遲,發(fā)動(dòng)機(jī)有效熱效率逐漸降低。
預(yù)噴燃料:1—D20;2—D30。
圖5所示為使用D20和D30作為預(yù)噴射燃料各自的10%和50%累積放熱對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角(記作CA10和CA50)隨射流正時(shí)改變的變化規(guī)律。隨著柴油射流正時(shí)的推遲,使用2種預(yù)噴燃料的CA10和CA50均呈現(xiàn)較好的線性變化規(guī)律,說明柴油射流噴射對(duì)于預(yù)混合壓縮著火相位起到有效的主動(dòng)控制作用,并且也說明D20和D30在該工況點(diǎn)下均可以采用柴油射流控制的方式來控制其預(yù)混合氣的著火相位。
1—CA10(D20);2—CA10(D30);3—CA50(D20);4—CA50(D30)。
2.1.2 柴油射流正時(shí)對(duì)排放的影響
圖6所示為最大壓力升高率和NO體積分?jǐn)?shù)隨柴油射流正時(shí)推遲的變化規(guī)律。從圖6可知:隨著射流正時(shí)的推遲,CA50遠(yuǎn)離上止點(diǎn),燃燒溫度和壓力均降低,NO排放也隨之降低。本試驗(yàn)條件下,尾氣煙度均為0 BSU(BSU為波許煙度單位),說明柴油基燃料的預(yù)噴射對(duì)于降低局部當(dāng)量比、控制柴油機(jī)碳煙排放起到了重要作用。
圖7所示為THC和CO隨柴油射流正時(shí)推遲的變化規(guī)律。從圖7可知:隨著射流正時(shí)的推遲,燃燒溫度降低,預(yù)噴燃料混合時(shí)間增長(zhǎng),分布范圍更廣,濃度更稀,狹縫處的燃料增多,導(dǎo)致THC和CO增加。經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn):在本試驗(yàn)條件下,當(dāng)使用D30作為預(yù)噴燃料時(shí),THC排放要低于使用D20作為預(yù)噴燃料時(shí)的排放,主要是因?yàn)镈30中柴油含量較高,增加了預(yù)噴燃料的反應(yīng)活性,使得預(yù)噴燃料更容易發(fā)生氧化反應(yīng),從而降低了尾氣中的THC排放。而CO主要受溫度和氧濃度控制,使用D20和D30的燃燒相位相差不大,因此,燃燒溫度和局部氧濃度差別均較小,CO排放相差較小。且CO是THC氧化的中間產(chǎn)物,使用D30時(shí)THC的不完全氧化也可能是CO無明顯差異的原因。
1—最大壓力升高率(D20);2—最大壓力升高率(D30);3—NOx體積分?jǐn)?shù)(D20);4—NOx體積分?jǐn)?shù)(D30)。
1—THC(D20);2—THC(D30);3—CO(D20);4—CO(D30)。
2.2.1 預(yù)噴正時(shí)對(duì)燃燒的影響
試驗(yàn)條件如表3所示,固定柴油射流正時(shí)和噴油量,分別改變D20和D30預(yù)噴正時(shí)的缸內(nèi)壓力及放熱率曲線見圖8。隨著預(yù)噴正時(shí)靠近上止點(diǎn),放熱率呈現(xiàn)由單峰較慢放熱至雙峰放熱至最后的單峰快速放熱的變化規(guī)律。因?yàn)轭A(yù)噴正時(shí)遠(yuǎn)離壓縮上止點(diǎn)(?70°和?80°)時(shí),預(yù)噴油束落點(diǎn)距離燃燒室中心較遠(yuǎn),且預(yù)噴燃料與空氣混合時(shí)間長(zhǎng),局部當(dāng)量比較小,因此,預(yù)混合氣燃燒階段反應(yīng)速率降低;當(dāng)預(yù)噴正時(shí)為?60°,?50°(D20)和?60°(D30)時(shí),預(yù)噴燃料有較充足的時(shí)間混合,柴油射流迅速被壓燃,缸內(nèi)壓力和溫度升高,隨后局部當(dāng)量比相對(duì)較高的預(yù)混合氣也被迅速壓燃;隨著預(yù)噴正時(shí)進(jìn)一步靠近上止點(diǎn)(?40°(D20)和?50°(D30)),預(yù)噴燃油沒有充足的時(shí)間與周圍空氣混合,導(dǎo)致大量預(yù)噴燃油集中在柴油射流周圍,當(dāng)柴油射流被壓燃時(shí),周圍大量預(yù)噴燃油同時(shí)也被引燃,導(dǎo)致放熱過程迅速,呈現(xiàn)單峰快速放熱規(guī)律。
表3 試驗(yàn)條件 (2)
預(yù)噴燃料:(a) D20;(b) D30預(yù)噴正時(shí)(上止點(diǎn)后)/(°):1—?80;2—?70;3—?60;4—?50;5—?40。
值得注意的是:在使用D30作為預(yù)噴燃料,預(yù)噴正時(shí)為?50°時(shí),放熱率明顯提前,說明在該工況點(diǎn)及試驗(yàn)條件下缸內(nèi)燃料發(fā)生了著火相位提前的現(xiàn)象,且此時(shí)缸內(nèi)最高壓力和壓力升高率均較高,因此,需要進(jìn)一步控制預(yù)噴射和射流的噴油策略,避免過高的缸內(nèi)壓力及壓力升高率。
2.2.2 預(yù)噴正時(shí)對(duì)排放的影響
圖9所示為THC和CO隨預(yù)噴正時(shí)的變化規(guī)律。從圖9可知:隨著預(yù)噴正時(shí)靠近上止點(diǎn),預(yù)噴燃料的油束落點(diǎn)逐漸向燃燒室中心靠近,且預(yù)噴燃料與空氣的混合時(shí)間也越來越短,則分布到燃燒室遠(yuǎn)端狹縫及缸壁附近的預(yù)噴燃料混合氣減少。由于遠(yuǎn)端溫度較低,稀薄混合氣不易發(fā)生氧化反應(yīng),較低的溫度也導(dǎo)致CO很難被進(jìn)一步氧化成CO2,所以在預(yù)噴較晚的情況下,THC和CO的排放均相對(duì)于預(yù)噴較早的情況明顯 減少。
1—THC(D20);2—THC(D30);3—CO(D20);4—CO(D30)。
2.3.1 柴油射流量對(duì)燃燒的影響
試驗(yàn)條件如表4所示,改變柴油射流質(zhì)量和預(yù)噴燃油質(zhì)量,柴油射流質(zhì)量與射流質(zhì)量比J的相對(duì)關(guān)系如圖10所示。
表4 試驗(yàn)條件 (3)
分別使用D20和D30作為預(yù)噴射燃料,改變柴油射流量的缸壓及放熱率曲線見圖11。從圖11可知:隨著柴油射流量的增加,即J從0.30增大到0.76,預(yù)噴油量相應(yīng)減少,雙峰放熱規(guī)律逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閱畏逯递^慢放熱。這是因?yàn)轭A(yù)噴燃油量減少,稀薄的預(yù)混合氣反應(yīng)速度變慢,因此,預(yù)混合氣燃燒階段放熱率峰值逐漸下降。在使用D30作為預(yù)噴燃料,每循環(huán)柴油射流質(zhì)量為3.95 mg條件下,呈現(xiàn)單峰快速放熱過程,說明在該試驗(yàn)條件下,射流壓燃階段與預(yù)混合氣燃燒階段同時(shí)進(jìn)行,而在使用D20作為預(yù)噴燃料時(shí)并未出現(xiàn)單峰快速放熱,這是因?yàn)镈30中柴油的含量較多,在受到射流燃燒激發(fā)的同時(shí),預(yù)噴燃料中的柴油快速自燃,釋放的能量足以使預(yù)噴燃料同時(shí)著火。
1—RJ (D20);2—RJ (D30)。
預(yù)噴燃料:(a) D20;(b) D30每循環(huán)射流質(zhì)量/mg:1—2.78;2—3.59;3—4.43;4—5.50;5—6.48;6—3.95;7—4.69;8—5.86;9—6.79。
2.3.2 柴油射流量對(duì)排放的影響
圖12所示為NO和碳煙隨柴油射流量的變化規(guī)律。從圖12可知:隨著J增大,預(yù)噴燃油量減少,預(yù)混合氣局部當(dāng)量比降低,導(dǎo)致預(yù)混合氣燃燒階段反應(yīng)速率減緩,燃燒溫度減小,因此,NO排放也逐漸降低。且在使用D30作為預(yù)噴燃料的情況下,當(dāng)J超過0.67時(shí),尾氣中產(chǎn)生了少量的碳煙排放,說明增加柴油射流量,提高了燃燒時(shí)的局部當(dāng)量比,即擴(kuò)大了擴(kuò)散燃燒比例。
1—NOx (D20);2—NOx (D30);3—碳煙(D30)。
1) 利用柴油射流控制柴油基燃料預(yù)混合氣壓縮著火,在50%的負(fù)荷下,隨著柴油射流正時(shí)的推遲,著火相位呈線性變化規(guī)律,說明柴油射流對(duì)柴油基燃料預(yù)混合氣壓縮著火相位起到了有效的控制作用,即高十六烷值燃料射流可以引燃射流燃料與高辛烷值燃料的混合物,突破了傳統(tǒng)意義上的高十六烷值引燃高辛烷值的范圍。
2) 隨著射流正時(shí)向后推遲,燃燒等容度下降,有效熱效率降低;缸內(nèi)燃燒壓力和溫度降低,NO排放減少。使用柴/汽油混合燃料作為預(yù)噴燃料,可以有效降低局部當(dāng)量比,碳煙排放幾乎為零。預(yù)噴燃料中較高的柴油比例增加了反應(yīng)活性,減少了THC的排放。
3) 隨著預(yù)噴正時(shí)向后推遲,放熱率呈現(xiàn)由單峰較慢放熱至雙峰放熱至最后的單峰快速放熱的變化規(guī)律。在單峰快速放熱情況下,燃燒等容度最高,缸內(nèi)壓力升高率最大。隨著預(yù)噴正時(shí)靠近上止點(diǎn),分布到燃燒室遠(yuǎn)端的預(yù)噴射燃料減少,THC和CO的排放量 降低。
4) 增加柴油射流量,柴油的擴(kuò)散燃燒比例增加,放熱過程減緩,導(dǎo)致尾氣中碳煙排放增加。
[1] 胡國(guó)棟. 柴油機(jī)燃燒研究的展望[J]. 大連工學(xué)院學(xué)報(bào), 1982, 21(4): 71?80. HU Guodong. Prospect on diesel combustion research[J]. J Dalian Inst Technol, 1982, 21(4): 71?80.
[2] HU Guodong. New strategy on diesel combustion development[C]// SAE Technical Paper 900442. Detroit: SAE, 1990.
[3] YANAGIHARA H. Simultaneous reduction of NOand soot in diesel engines using a new mixture preparation method[J]. JSME International Journal Series B Fluids and Thermal Engineering, 1997, 40(4): 592?598.
[4] AKAGAWA H, MIYAMOTO T, HARADA A, et al. Approaches to solve problems of the premixed lean diesel combustion[C]// SAE Technical Paper 1999?01?0183. Detroit: SAE, 1999.
[5] ONISHI S, JO S H, SHODA K, et al. Active thermo-atmosphere combustion (ATAC):a new combustion process for internal combustion engines[C]// SAE Technical Paper 790501. Detroit: SAE, 1979.
[6] 蘇萬(wàn)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: 1?--13. SU Wanhua, ZHAO Hua, WANG Jianxin. Theory and technology of homogeneous charge compression ignition in low temperature combustion engine[M]. Beijing: Science Press, 2010: 1?13.
[7] 隆武強(qiáng), 田江平, 冷先銀, 等. 內(nèi)燃機(jī)雙燃料燃燒系統(tǒng): 中國(guó), 200910011957.5[P]. 2009?06?08. LONG Wuqiang, TIAN Jiangping, LENG Xianyin, et al. Dual-fuel combustion system for internal combustion engine: China, 200910011957.5[P]. 2009?06?08.
[8] ZHANG Qiang, LONG Wuqiang, TIAN Jiangping, et al. Experimental and numerical study of jet controlled compression ignition on combustion phasing control in diesel premixed compression ignition systems[J]. Energies, 2014, 7(7): 4519?4531.
[9] 隆武強(qiáng). 發(fā)動(dòng)機(jī): 中國(guó), 200910010658.X[P]. 2009?03?09. LONG Wuqiang. Engine: China, 200910010658.X[P]. 2009?03?09.
[10] 孟相宇, 田江平, 隆武強(qiáng), 等. 基于新型熱力循環(huán)的高壓空氣JCCI模擬分析[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào), 2015, 33(4): 297?302. MENG Xiangyu, TIAN Jiangping, LONG Wuqiang, et al. Simulation of high pressure air JCCI based on a novel thermodynamic cycle[J]. Transactions of CSICE, 2015, 33(4): 297?302.
[11] 隆武強(qiáng), 田江平, 盛凱. 柴油機(jī)預(yù)混合燃燒系統(tǒng): 中國(guó), 201210430338.1[P]. 2012?11?01. LONG Wuqiang, TIAN Jiangping, SHENG Kai. Premixed combustion system of diesel engine: China, 201210430338.1[P]. 2012?11?01.
[12] YU Chao, WANG Jianxin, WANG Zhi, et al. Comparative study on gasoline homogeneous charge induced ignition (HCII) by diesel and gasoline/diesel blend fuels (GDBF) combustion[J]. Fuel, 2013, 106: 470?477.
[13] KOKJOHN S, HANSON R, SPLITTER D, et al. Fuel reactivity controlled compression ignition (RCCI) combustion in light? and heavy?duty engines[J]. SAE Int J Fuels Lubr, 2011, 4(1): 360?374.
[14] ZHONG Shaohua, WYSZYNSKI M L, MEGARITIS A, et al. Experimental investigation into HCCI combustion using gasoline and diesel blended fuels[C]// SAE Technical Paper 2005?01?3733. San Antonio: SAE, 2005.
[15] ZHANG Fan, SOHEIL Z R, XU Hongming, et al. Experimental investigation of different blends of diesel and gasoline (Dieseline) in a CI engine[J]. SAE Int J Engines, 2014, 7(4): 1920?1930.
[16] WEALL A, COLLINGS N. Investigation into partially premixed combustion in a light-duty multi-cylinder diesel engine fuelled with a mixture of gasoline and diesel[C]// SAE Technical Paper 2007?01?4058. Rosemont: SAE, 2007.
[17] BENAJES J, BROATCH A, GARCIA A, et al. An experimental investigation of diesel-gasoline blends effects in a direct- injection compression-ignition engine operating in PCCI conditions[C]// SAE Technical Paper 2013?01?1676. Detroit: SAE, 2013.
[18] 韓東, 呂興才, 黃震, 等. 噴油時(shí)刻對(duì)柴油和汽油/柴油混合燃料低溫燃燒的影響[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào), 2011, 29(3): 200?205. HAN Dong, LU Xingcai, HUANG Zhen, et al. Effect of injection timing on low temperature combustion fuelled by diesel and a blend of diesel and gasoline[J]. Transactions of CSICE, 2011, 29(3): 200?205.
[19] 楊彬彬, 堯命發(fā), 鄭尊清, 等. 燃料組分和噴油壓力對(duì)寬餾分燃料燃燒與排放影響的試驗(yàn)研究[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 2013, 34(6): 1174?1178. YANG Binbin, YAO Mingfa, ZHENG Zunqing, et al. Experimental Study on the effects of fuel component and injection pressure on combustion and emissions of wide- distillation fuel[J]. Journal of engineering thermophysics, 2013, 34(6): 1174?1178.
[20] 孫萬(wàn)臣, 杜家坤, 郭亮, 等. 壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)燃用汽油/柴油混合燃料瞬變工況下燃燒及微粒排放特性分析[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào), 2016, 34(2): 170?176. SUN Wanchen, DU Jiakun, GUO Liang, et al. Experimental study on combustion and ultrafine particle emissions of IC engine fueled with gasoline/diesel blends under transient-state conditions[J]. Transactions of CSICE, 2016, 34(2): 170?176.
Experimental study on diesel jet controlled compression ignition phase of premixed diesel-based fuels
LONG Wuqiang1, 2, LI Bo1, LI Da1, TIAN Jiangping1, 2, TIAN Hua1, ZANG Guanghui3, DAI Hongwei3
(1. Institute of Internal Combustion Engine, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China;2. National Engineering Research Center of Shipbuilding, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China;3. Liaoyang Xinfeng Technology Co., Ltd., Liaoyang 111200, China)
A jet controlled compression ignition(JCCI) combustion mode was proposed to actively control the combustion phase of premixed charge. In this mode, diesel was used as jet fuel to ignite the premixed diesel-based fuels. Experiments of JCCI were conducted on a modified single-cylinder naturally aspirated 186FA diesel engine. The results indicate that jet-injection of diesel can give a robust control on the combustion phase of premixed charge. Both CA10 and CA50 are in line with diesel jet-injection timings, NOemissions are reduced with the retarding of jet-injection timing, almost zero soot emissions are measured under these 50% load operating conditions. Heat release rate(HRR) changes from slow with single peak value to double peak values, and finally to fast with single peak value, and both total hydrocarbon(THC) and CO emissions decrease with the retarding of pre-injection timing. The highest maximum pressure rise rate is observed in the cases of fast HRR with single peak value. More diesel jet-injection fuels slow down the rate of combustion process and enlarge the part of combustion controlled by fuel mixing process, resulting in the increase of soot emissions of JCCI combustion.
premixed charge; combustion phase; dual-direct injectors; jet controlled compression ignition; diesel- based fuels
10.11817/j.issn.1672-7207.2018.07.031
TK421+.2
A
1672?7207(2018)07?1815?08
2017?07?04;
2017?10?09
國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51379034) (Project(51379034) supported by the National Natural Science Foundation of China)
田華,高級(jí)工程師,從事內(nèi)燃機(jī)燃燒與排放研究;E-mail: watson_tian@hotmail.com
(編輯 楊幼平)