乙醇均质压燃性能的试验研究

汽车工程007年(第29卷)第10期tomotive Enginee2007(Vol.29)No.102007198乙醇均质压燃性能的试验研究杨立平,郭英男,李君',王立媛2,刘金山(1.吉林大学汽车学院长春13002;2.长春师范学院,长春130032)[摘要]在一台改造的单缸发动机上进行了乙醅燃料均质压燃的试验研究。试验结果表明,在较宽的混合气浓度范围内,乙醇HCCI发动机产生较高的热效率,各EGR率下在当量比为0.11-0.5范围内指示热效率都在30%以上;在HCCI燃烧范田内EGR和当量比的合理组合可以将NO.排放控制在Ig(kW·h)以下;在没有后处理器时,乙醇HCCI燃烧产生较高的HC和CO排放;与ECR率相比,当量比对HC和CO排放的影响更为明显关键词:乙醇;均质压燃;性能;排放An Experimental Study on HCCI Performance of EthanolYang Liping, Guo Yingnan, Li Jun, Wang Liyuan& Liu JinshanL College of Automobile Engineering, Jilin Univcrsity. Changchun 130022; 2. Changchun Normal Unienity, Changchun 130032[Abstract]perimental study on the homogeneous charge compression ignition(HCCI)performance ofa modified single cylinder engine fueled with ethanol is presented. The results show that the HCCI engine with ethanol has higher thermal efficiency at a wide range of fuel/ air ratio, All the indicated thermal efficiencies are higherthan 30% over the whole equivalence ratio range of 0. 11-0. 5 under all egr rate with the highest efficiency reac-hing 60% at 50% EGR rate and 0. 33 equivalence ratio. Within the range of HCCI combustion, proper combinationof EGr rate and equivalence ratio can control the NO, emission level below lg(kw. h). without after-treatmentHCCI combustion with ethanol produces higher level of HC and CO emission. And compared to EGR rate, the e-quivalence ratio has more marked effect on HC and CO emissionKeywords: Ethanol; HCCI; Performance; EmissionsHCC发动机的缺点是:产生较高的未燃HC和前言CO排放;发动机的启动和控制困难;在整个发动机负荷和转速范围内很难控制着火正时,因为HCCI均质混合气压燃(HCCD发动机有较高热效率、发动机没有像柴油机或汽油机通过燃料喷射正时和非常低的NO,和微粒排放,所以受到广泛的关点火正时来控制着火的外部控制,其着火完全受控注1-2。HCCI发动机将火花点火(Sl)汽油机和压于化学动力学因此着火正时主要由燃料成分,混合缩着火(CI)柴油机的优点集于一身,采用S发动机气的化学计量和混合气的热力学状态等参数来控的均匀混合气降低了微粒排放;像柴油机一样,混合制“。针对影响HCCI燃烧参数的研究有很气被压燃,没有节流损失,产生较高的热效率。此多3-。 Thring研究了EGR和当量比的不同组合外,HCCI发动机燃料适应性非常强,除柴油、汽油等并建议在高负荷下使用传统的S模式运行,在部分传统的石油燃料外,大部分代用燃料都可以用于负荷采用HCC模式。lida等人以正丁烷为燃料HCCI燃烧模式。由于采用低压燃料喷射系统,HC-在中国煤化工温度、压缩比和转CI发动机的成本比柴油机低。速对CNMHGim在各种进气温国家重点基础研究发展规划项目(2001CB209206)资助。原稿收到日期为2006年8月22日,修改稿收到日期为2006年12月4日。856汽车工207年(第29卷)第10期度、压力和EGR条件下研究了预混合燃料对HCCl燃烧和排放的影响0。2试验结果及分析乙醇有较高的辛烷值,HCCI发动机将乙醇作为燃料时可以采用大的压缩比,燃烧可以产生较高的2.1平均指示压力P热效率。文中通过FGR和当量比协同控制的方法图2为不同ECR率下P=随当量比的变化关进行了乙醇HCI的试验研究。系。从图中可以看出,各EGR率下p随当量比变化的趋势基本桕同,都随着当量比的增加而先增加试验装置和方法后降低。对于每个固定的EGR率,都有与之对应的最佳当量比,此时发动机产生最大的P当混合气试验装置示意图见图1。较稀时混合气对EGR的容忍能力较大(当量比为EGR管路EGR阀0.1时ECR对P几乎没有影响)。随着混合气变进’加热器浓,P。逐渐增加,当量比在0.33左右,各EGR率下电控喷油器的P值都达到最大,但是各ECR率下的pm之间的差别有所增加。这是因为此时混合气已经达到了爆燃边界,如果没有ECR的加入,爆燃使p=值下乙赠供给泵降,随着EGR的加入,降低了化学反应速度,燃烧正时推迟到最佳位置产生了最高的P=,但是EGR进燃料步增加时,着火时刻过于滞后,使P=降低。当混合气进一步加浓时,如果EGR率过低则对燃烧反应图1试验装置示意图的控制不够,强烈的爆燃会导致pm的降低,但是试验发动机由cA610柴油发动机改造而成的EGR率过高则会使氧浓度降低,燃烧不充分,P=值单缸HCCI发动机,将第6缸的进排气系统同前5缸也降低。相独立,去掉第6缸的柴油喷射器,在进气管上安装一套乙醇燃料喷射系统,实现第6缸单独的进排气06EGR-30喷油进气预热,独立的EGR控制。发动机结构参EGR率=50%05EGR率=70%数:缸径为110mm;行程为120mm;压缩比为17;燃烧室为a形。为了实现HCCI燃烧,发动机作如下改动(1)进气预热部分乙醇燃料十六烷值低且有较高的汽化潜热,为了保证喷入进气管的乙醇能够0.00.200.300400.50及时雾化蒸发并在压缩终了混合气能可靠地着火当量比需要进气预热。进气预热通过安装在进气管上的组加热片来实现,利用一套温控系统将进气温度控图2平均指示压力制在150℃左右。2.2指示热效率T)喷油部分取消发动机第6缸喷油器,在图3是不同EGR下指示热效率随当量比变化第6缸的进气管上安装了一套独立的电控喷油系统的对比图。从图中可以看出乙醇HCCI燃烧在较为第6缸供乙醇利用发动机转速信号触发喷油,通宽的混合气浓度范围内有较高的热效率(当量比在过油门执行器控制喷油脉宽。011-0.5范围内的指示热效率大于30%),且当3)废气再循环部分采用外部EGR降低燃EGR率一定时,指示热效率随着当量比的增加而先烧速率通过连接进排气管的管路将废气引入进气增V凵中国煤化工在稀混合气区各管,EGR量由管路中间的阀门控制,为了实现较大EGCNMHG在当量比为02的EGR率在排气管上安装了一个阀门通过调整033之间。当EGR率为50%、当量比为033时最阀门的开度来调整排气背压,从而实现所需ECR率。大指示热效率可以超过60%,而最低热效率出现在2007(Vo29)No10杨立平,等:乙醇均质压燃性能的试验研究857大EGR率、浓混合气区。因为指示热效率高低取决可以看出EGR率为70%、当量比为0.5时发动机产于燃烧的及时性和燃烧的完全性,当混合气过稀时生了最高的HC排放,但此时已经超出了HCCI运行由于燃烧温度低燃烧不及时使得指示热效率降低,范围,在HCCI运行范围内,最高的HC排放出现在而在浓混合气时大EGR率虽然可以实现HCCI燃当量比为0.1稀混合气条件下,最高值为30g/(kW烧,但是氧浓度降低使燃烧不充分,所以指示热效率·h)。浓混合气时由于高EGR率使燃烧过程缺氧,下降不完全燃烧也导致HC排放增加一EGR率=0+EGRX=1030}-EGR率03:一EGR*=%EGR率=70%EGR啊=0%EGR率=50%EGR*=70%10.0200.300.400.500.100.200.300400.50当量比当最比图3指示热效率图5HC排放2.3NO4排放2.5Co排放图4为各EGR率下NO,排放随当量比的变化图6为各EGR率下CO排放随当量比的变化关关系。从图4中可以看出EGR率<30%、当量比>系。CO排放是燃料未完全燃烧的一个指标。研究0.3时,ECR对化学反应抑制程度不够产生强烈的结果表明,当进气预热温度一定时,当量比对HC爆燃NO,随着当量比的增加而急剧升高。当ECR燃烧产生的C0排放的影响更为明显,O排放随着率>3%时,稀浓混合气燃烧产生的NO.都控制在当量比的增加而先迅速下降然后稍有升高。从图6lg/(kW·h)以下。中可以看出当EGR率<50%时,一定当量比下的CO排放受EGR的影响很小。当ECR率>50%时,EGR率=0EGRAKIO%过高的EGR率使燃烧温度和氧浓度同时降低,导致一EGR率50燃烧恶化,因此EGR对CO排放影响变得明显。一EGR率-70‰EGR半=30EGR率=50%20100.200.300.400.50当最比图4NO.排放0.100200300402.4HC排放当比图5为各EGR率下HC排放随当量比的变化关系。如果HCCI发动机混合气太浓,化学反应过程图6c0排放失控,会引起明显的噪声甚至损坏发动机。因此必须稀释混合气来限制燃烧速率。通过小的当量比或3中国煤化工废气再循环得到的稀释混合气虽然降低了燃烧的化CNMHG学反应速度,实现HCCI燃烧,但是整个HCCI燃烧n当里吒住U.33左右时产生最过程的温度较低,产生了大量HC排放。从图5中大pn值,当量比为01的稀混合气下,Pm受EGR汽车工程200年(第29卷)第10期的影响很小,表明稀混合气有更高的ECR容忍度。ExhauM GaB Recireulation Using a Stochastic Reactor Model[J]的热效率各EGR率下当量比在0.11~0.5的范固如m.. Engine h,200.5(1)(2)乙醇HCCl燃烧在宽广的范围内都有较高teristics of a Natural Gas-fired Homogeneous Charge Compression内热效率都超过30%,并且最高热效率都出现在当Ignition Engine( Peformance Improvement Using EGR)[C]. SAE量比为025~0.33稀混合气区,最佳条件下指示热Paper2001-01-1034.效率值甚至可以超过60%。6] Martinez-FriasJ, Aceves SM, d al. Equivalence Ratio-EGR Con-(3)通过EGR率和当量比的合理组合可以将trol of HCCI Engine Operation and the Potential for Transition toark-igmitod Operntion[C]. SAE Paper 20013613.HCCI燃烧范围内的NO,排放控制在lg/(kW.h)[7]tow N. Efects of Air/Fuel Ratios and以下,但是HC和CO排放却很高,最大的HC和COEGR Rates on HCCI Combustion of n-Heptane, a Diesel Type Fu-排放出现在当量比为0.11稀混合气条件下,最高el[ C]. SAE Paper 2003-01-0747HC排放可达30g/(kW·h),而CO排放接近300g/【8] Thring R H. homogeneous Charge Compression Ignition(Hc(kW·h),相对于ECR率来说,当量比对HC和COEngines[C]. SAE Paper 892068排放的影响更为明显。[9] Iida M, Hayashi M, Foster D E, et al. Characteristics of Homoge-neous Charge Compresaion Ipmition( HCCI)Engine参考文献Variations in Compression Ratio, Speed, and Intake TemperatureWhile Using n-Butane as a Fuel J]. Journal of Engineering fors, Jo S H, Shoda K, et al. Active TherImo-atmoephericGas Turbines and Power, 2003, 125: 472-478tion( ATAC)- New Combustion Procesa for Intemal Com- (10] Kim Dae Sik, Kim Myung Yoon, Lee Chang Sik. Reduction ofbustion Engine[C]. SAE Paper 790501Nitric Oxides ud Soot by Premixed Fuel in Partial HCCI Engine[2]Najt P M, Foster D E. CompresaioD-Ignited Homogeneous Charge[J]. Joumal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2006[3] Aceves Salvador M, Daniel L,al. HCCI Combustion:: analysis(1]刘金山,黄为约邦英男等乙醇燃料均质压燃发动机的试验and Experiments[ C]. Society of Automotive Engineen Cover-研究门吉林大学学报(工学版),2005,35(6):596-600stry Meeting, Washington, DC, May[12] Christensen M, Johanson B. Infuence of Mixture Quality on Homo-[4 Bhave A, Balthasar M, Kraft M, et al. Analysis of a Natural Gascous Charge Compresion Ignition[C]. SAE Paper 982454Fuelled Homogeneous Charge Compression Ignition Engine with(上接第872页)164和115℃;不通电加热时C0的T如为20℃;分陶瓷更优异的抗热震性能可以用作电加热催化剂别施加1020和30W电功率后Ts降低到140、100的载体。和86℃;在不通电加热条件下,进气温度为390时(2)SiC泡沫陶瓷载体的电加热作用可以提高HC的转化率达到90%,当施加10、20和30W电功柴油机排气中HC和CO在低温时的转化效率。率后转化率为90%时进气温度分别为340、280和205℃;在不通电加热时,CO转化率达到90%时进参考文献气温度为225℃,分别施加1020和30W电功率后,[李青李刚柴油机的排气净化催化剂与有关技术,贵金达到90%转化率的进气温度降为160、105和90℃属,200(21):54-56可见,HC和CO的起燃温度曲线由于SC泡沫陶瓷[2]张庆勇王浩溶胶凝胶法在碳化硅表面浸涂氧化铝薄膜的研究[J].硅酸盐通报3002(2):63-66载体通电加热发生了很大变化Tx和T都有了大幅(3】 Hock ronald M, manto Robert1 Automobile Exhaust Catalyst度降低。这说明SC泡沫陶瓷载体的加热效果非常[J]. Applied Catalysis A: Genera1, 2001, 221: 443-457.明显使反应气体温度迅速上升。[4]吴庆祝,刘永先李福功等泡沫陶瓷及其应用[J].陶瓷2002(2):12-14.3结论[5]王建昕傅立新黎维彬汽车排气污染治理及催化器[M]北京:化学工业出版社,2000234中国煤化工能M北京清华大(1)SC泡沫陶瓷具有三维连通网状结构,具有比金属导体更合适的导电率比壁流式堇青石蜂窝CNMHG