乙醇燃料HCCI发动机燃烧特性研究

第25卷(2007)第1期内燃机学报Transactions of CSICEVol.25(2007)No.1文章编号:1000-0909(2007)01-0030-0725005乙醇燃料HCCI发动机燃烧特性研究张岩,何邦全,谢辉,赵华(天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津300072)摘要:应用调整进排气门相位控制缸内残余废气率策略,在 Ricardo Hydra四冲程进气道喷射单缸试验机上实现了无水乙醇燃料的均质压燃,获得了运行工况范围,并分析研究了空燃比、转速和气门相位对乙醇燃料均质压燃的燃烧特性。结果表明:乙醇燃料的均质压燃的可运行范围仍然受到爆震、换气过程及失火的限制,但在高速及稀燃区域得到拓展;其着火时刻及燃烧持续期依赖于气门定时、空燃比及转速。关键词:均质压燃;乙醇;燃烧;汽油机中图分类号:TK411.29文献标志码:AThe Combustion Characteristics of an HCCI Engine Fuelled with EthanolZHANG Yan, HE Bang-quan, XIE Hui, ZHAO HuaState Key Laboratory of Engines, Tianjin University, Tianjin 300072, ChinAbstract: With the utilization of valve timing strategy in inlet and exhaust valve control, the Homogene-ous Charge Compression Ignition( HCCI)combustion was achieved by adjusting the amount of trapped residuals with the negative valve overlap in a Ricardo Hydra four-stroke port fuel injection engine fueled withhanol The effect of ethanol on HCCI combustion characteristics at different air-fuel ratios, enginespeeds and valve timings was investigated. The results indicate that HCCI ethanol combustion can be a-chieved by varying the inlet and exhaust valve timings. The operation range of an HCCI engine fuelled withethanol can be extended to the high speed and lean burn conditions. Meanwhile, ignition timing and com-bustion duration are dependent on valve timing, lambda and speedsKeywords: HCCI; Ethanol; Combustion; Gasoline engine问题引言从上世纪20年代开始,代用燃料的概念就被提均质充量压缩着火(HCC)燃烧模式是一种新型出,到70年代得到广泛接受。由于石油资源的有的燃烧方式,有着不同于传统汽油机及柴油机的燃烧限性并随着人们的开采和利用而日益减少,如今代用过程。工作于HCCI燃烧模式的发动机(HCCI发动燃料(特别是可再生燃料)已受到国内外内燃机界的机)在进气和压缩行程中形成均质混合气,当活塞到关注。乙醇作为可再生含氧燃料,具有辛烷值高、抗爆达上止点附近时均质混合气被压缩产生自燃着火。性好等特点。研究表明乙醇是实现HCCI燃烧的理想HCI燃然烧模式可大大提高汽油机部分负荷时的燃油燃料之一,但是基于内部废气再循环策略下的乙醇经济性,同时在无催化器的条件下显著降低发动机的HCl发动机的燃烧研究开展得还比较少。为此,本文NO,排放2。HCI发动机集成了传统火花点燃式在 Ricardo Hydra四冲程进气道喷射发动机上通过内发动机及压燃式发动机的优点,被认为是新一代内燃部废气再循环的方法研究空燃比、转速和气门定时对机的代表。乙醇恬沽丑的响,进一步了解乙醇燃虽然HCCI发动机有着诱人的前景但HCl发动料对中国煤化工燃烧特性的影响,更机还存在着火时刻控制困难、运行工况范围小等好CNMHG收稿日期:2006-03-17;修回日期:2006-07-12基金项目:国家重点基础研究发展规划资助项目(2001CB209204);国家自然科学基金资助项目(50476064)。作者简介:张岩博土研究生,E-mal: zhangyan@ tju. edu007年1月张岩等:乙醇燃料HCCI发动机燃烧特性研究试验装置和试验过程空燃比的精确控制。在每个试验点,用奇石乐6125B压电晶体传感器配合5011B电荷放大器连续采集100试验用发动机为 Ricardo Hydra四冲程进气道喷个循环的缸内压力,并求出其平均值,用于分析。同射单缸试验机,其具体参数及试验条件见表1。时,用精度为±1%的涡街流量计测量进气流量。为了消除冷却水和润滑油温度的差异对敏感的表1发动机参数及试验条件HCCI燃烧造成的影响,试验过程中冷却水温和油温被Tab. 1 Engine specifications and test conditions严格控制在(80±1)℃和(55±1)℃。参数的值试验时节气门始终保持全开,这大大减小了一直缸径/mm抑制传统汽油机热效率的泵吸损失。开始试验时,发行程/mm动机首先由交流电力测功机倒拖至一稳定转速,并以非量t/mL火花点燃模式使发动机着火,用于在气缸内产生足够压缩比量的高温残余废气。几个循环后,关闭火花塞点火系气门数统,发动机即可在HCCⅠ模式下稳定运行。通过调节转速/(r/min)<6500测功机和喷油脉宽,HCCI发动机就可在不同的转速及吸气方式自然吸气空燃比下运行。为了得到更好的雾化效果,在气道上进气温度℃安装了 Delphi公司生产的4喷孔喷油器。使用的燃料为无水乙醇,其纯度在99%以上。为了在发动机上能够实现HCI燃烧原机的凸2试验结果及分析轮轴被替换成重新设计的小升程和短持续期凸轮轴,气门升程曲线及主要参数见图1和表2。凸轮轴直接2.1乙醇燃料的HCCI运行工况范围驱动气门运动。通过手动调节正时齿轮带与凸轮轴之对于传统的汽油和柴油燃料,由于均质压燃多点间的相对位置,达到所需的负气门重叠角,在气缸内留同时着火的特性发动机在高负荷运行时,缸内压力升住足够的残余废气,控制燃烧过程。高率急剧增加,发动机振动和燃烧噪声均达到不可接受的程度。而在低负荷时,缸内燃烧温度过低,导致2.0CO与HC排放急剧增加,因此,HCIl燃烧的可运行工况范围极其有限。到目前为止,与乙醇燃料均质压燃相关的研究很少,为此,在四冲程气道喷射单缸试验机上通过调整进排气门定时、转速、空燃比的方法实现了无水乙醇燃料的均质压燃,并获得了其运行工况范围,如图2所示。为了便于理解,在图上给出了各个边界点的过量空气系数φ值。排气门进气门曲轴转角/°CA爆震极限图1气门升程曲线换气极限Fig. 1 valve lift curves=0.993表2进排气凸轮主要设计参数乏出长1.115Tab 2 Valve design parameters1.292失火极限1.19设计参数进气排气1.389气门最大升程/mm250030003500中国煤化工气门开启持续期/°CAl10CNMHG运行工况范围Fig 2 HCCI combustion operating envelope试验发动机与30kW的交流电力测功机相连,在of ethanol排气管上安装了线性氣传感器(精度为±1.5%)确保内燃机学报第25卷第1期从图2可以看出,乙醇燃料的HCCI燃烧可以在限向低残余废气率方向拓展了800~3000r/min的转速范围内稳定运行。HCCI发动机的运行范围,以平均指示压力(IMEP)表示,受到爆燃极限、换气极限和失火极限的限制。在1500r/失火区域min时IMEP的范围最宽,在1000m/ min imeP达到最大值0.419MPa,在3000r/ min meP达到最小值14爆0.059MPa。爆燃的产生是由于放热过快导致压力振荡12。失火的原因是由于缸内残余废气率过大混合气在部分循环不能着火;同样,混合气浓度过稀也是造10爆震极成失火的原因。小升程的凸轮轴使发动机在高速时产缸内残余废气率/%生换气极限。图3缸内残余废气率与过量空气系数坐标虽然乙醇燃料属于典型的高辛烷值燃料,对爆震下的全部试验工况点有明显的抑制作用,但在发动机的低速高负荷工况仍Fig 3 RGF-AFR operating range: data points然会有粗暴的燃烧现象产生。本文使用两种方法将HCCI的运行工况向小负荷拓展。一种方法是使用稀混合气。试验中最稀的混合2.2气门相位对MEP的影响气浓度达到了过量空气系数为1.39。实际上,在过量IMEP是衡量发动机实际循环动力性能的重要指空气系数大于1时,测量得到的空燃比与缸内空燃比标。图4给出了转速为1500r/min时不同进排气门不同,因为上循环残留在缸内的废气中仍然有部分空相位对MEP的影响。很显然,当混合气变稀时,MEP气存在,可以参与这个循环的燃烧。因此,实际的缸内会下降。当空燃比一定的时候排气门关闭( Exhaust空燃比要高于排气管中得出的测量值。另外,由于残 Valve closing,VC)时刻对MEP的影响作用大于进气余废气的稀释作用,燃烧室内混合气在压缩达到自燃门开启( nlet Valve Opening,vo)时刻这是因为EVC之前,有些区域的空燃比会更高。这些区域内产生多点火核的概率会降低,最终产生失火。同时,残余废气的稀释作用同样恶化燃烧过程,也是发生失火的重要原因。另一种方法是通过调节气门定时降低每循环进气量。当然,过低的进气量会损失有效压缩比,混合气在压缩行程中不能被压缩达到乙醇的自燃温度也会导-6.=70° CA BTD0.18w80° CA BTDC致失火。90° CA ATDC图3显示了在缸内残余废气率与过量空气系数坐n=l 500 r/min标下的全部试验工况点。图3中同时也给出了燃用汽0951001.051.101.151.201.251.30过量空气系数油时的爆震极限。缸内残余废气率(F-,)是根据排a)nvo=80° CA ATDO温的测量值和排气门关闭时刻的缸内压力值计算得到,详细的计算方法见参考文献[13],计算公式为023。.-110 CA BTDC6=100° CA BTDC6.-90° CA BTDOmir t mrweln=l 500 r/min式中:m为每循环进气质量,由进气流量计测得;mhm为每循环喷油量,由喷油脉宽标定得到;m-为每循环缸内残余废气质量,可由理想气体状态方程pEvc0.vc=m- dual REY求得。从图3中可以看出,当残余废气率等于50%左右中国煤化工1.151.201.25时,乙醇燃料可以在最稀的空燃比下被压燃。随着缸CNMH(数内残余废气率的增加,稀燃稀限显著下降,这说明缸内b)8vc=95° CA ATDC残余废气的增加严重恶化了燃烧过程。然而,与汽油图4过量空气系数和气门相位对IMEP的影响相比在过量空气系数等于1附近,乙醇燃料的爆震极Fg4 The effects of lambda and valve timings on IMEP07年1月张岩等:乙醇燃料HCCI发动机燃烧特性研究直接控制每循环缸内残余废气的量,排气门关闭时刻=70° CA BTDO越提前缸内残余废气量越多,进而影响下个循环的进018气量,因此缸内残余废气率会增加,其趋势可以从图90°CABTn=1 500 r/min中看出。另外,进气门相位的变化对缸内残余废气百s016分比影响不是很大,所以进气门相位也对IMEP影响较小。正是缸内残余废气率与空燃比的共同作用影响了着火时刻和燃烧持续期,同时对IMEP也产生影响0.12定在图5中还可以看出,当气门相位和转速都恒0.10时,缸内残余废气率会随着混合气变稀而降低。在试0951.001051.101,201.251.30验中,空燃比的改变是通过调整喷油脉宽来实现的,因a)6no=80° CA ATDC此,在其它条件和参数都不变的情况下,仅仅改变空燃0.20比,每循环的进气量(如图6所示)和缸内残余废气量06=110几乎不变。当混合气变稀时,上循环残留在缸内的未0.180vo=100CARDC参与燃烧的空气量增加,这就使得这个循环的残余废0.16月=1500r/min气量在整个混合气中的比例下降,从而缸内残余废气圳0.4率就降低了。80BEvC-70 CA BTDC0.10095100105L.101.151.201.26vc=90° CA BTDC8~哥n=1 500 r/minb)6vc=95° CA ATDC图6过量空气系数和气门相位对进气流量的影响Fig. 6 The effects of lambda and valve timingsmass flow0.951.001051.101.151.201.251.30道后与空气混合形成均质混合气,并被吸入气缸内,在过量空气系数压缩行程中混合气被进一步加热,直到上止点附近发a)6vo=80° CA ATDC生自燃。因此,HCI发动机的着火时刻完全依赖于混合气的浓度,压缩过程中的温度、压力历程以及其特定800-n0=ll0° CA BTDO燃油、空气和废气三者组成的混合气所经历的低温化1v0=100° CA BTDC学反应过程。6mo=90° CA BTDC=1500r/min目前,对燃烧始点的定义各有不同,文献[14]认为:燃烧始点可以用燃烧时的缸压曲线与倒拖时的压力曲线在压缩行程中的一个脱离点来定义。图7对比了在2000r/min时乙醇HCCI燃烧与纯空气倒拖时的示功图。可以看出着火与倒拖的缸压曲线脱离点距0951001.051.101.151.201.25压缩上止点很远,显然不是燃烧始点。这是由于HCCI过量空气系数发动机在压缩行程从进气门关闭到压燃着火这一阶段6xvc=95° CA ATDC内,缸内混合气为新鲜均质充量及上循环缸内残余的图5过量空气系数和气门相位对缸内废气的混合气,此时工质热容比较大,压缩时压力升高残余废气率的影响得比较慢,而倒拖时缸内工质为纯空气,可以近似理Fig. 5 The effects of lambda and valve timings解为中国煤化工气体绝热压缩过程相似CNMHG另外一种定义燃烧始点的方法是,采用一个循环2.3蓍火时刻与燃烧持续期内缸内燃料燃烧了一个百分数时的曲轴转角作为燃烧在进气道喷射的HCCI发动机上,燃料喷入进气始点。内燃机学报第25卷第1期从图8中还可以发现一个有趣的现象,转速在1000r/min和1500r/min时,着火时刻随排气门的早关而提前,而当转速到2000/min和2500r/min时着火时刻随排气门早关而推后。由此可见缸内废气作用的两重性,即在加热新鲜充量的同时,废气自身的比热容比较大,与新鲜充量混合后使混合气的热容值上升,在压缩行程中,混合气温度升高速率会变慢,达到着火温度的时刻也会延迟。因此,缸内残余废气的加150曲轴转角/CA热与吸热作用是同时存在,并相互抑制的,随残余废气图7HCCI与倒拖缸内压力曲线对比率的变化其中一种作用会变得比较明显。在缸内残余Fig 7 In-cylinder pressure curves of HCCI combustio废气率较低时,加热作用比较明显;当缸内残余废气率and motored operation升高后,吸热作用开始逐渐上升到主导地位。这种现象可以从图9的放热率曲线中更加清晰地看出。当发通过废气加热新鲜充量实现HCCI的燃烧过程分动机以1000r/min的转速运行时,随着排气门关闭角为两个阶段:低温放热阶段和高温放热阶段。而从的提前,缸内残余废气率升高,着火时刻也相应提前。缸内压力计算得到的燃烧了10%的燃料时的曲轴转然而,当转速升至1500r/min时,着火时刻随排气广角,记为CA10,正好是处于低温放热结束和高温放热相位提前而提前的想象已经不是很明显,虽然Bvc=开始的时刻。与CAl和CA5相比,CA10具有波动小80 CA BTDC时的放热率曲线要高于v=90CABT的特点,因此,本文选用它作为燃烧始点。DC时,但后者放热却开始得早。到发动机转速升高到图8显示了气门相位和空燃比对着火时刻的影2000r/min时,情况已经与1000/min时完全相反。响。可以看出,在给定的进排气门相位角和转速下,随着过量空气系数中的增加,着火时刻滞后,这是由于n=l 500 r/minHCCI燃烧方式具有多点同时着火的特性,混合气浓度n=2000r/mi越稀燃烧温度越低,废气的加热作用减小,因此着火也就越推迟;在相同φ,下,随着转速的升高,着火时刻提前,这是由于转速升高后,每循环进气量减少,缸内残余废气百分比上升,另外,高速时的散热量也减小,在压缩行程混合气更容易提前达到自燃温度。这也充分说明了上一循环残留在缸内的废气加热作用是15-10-50510152十分明显。曲轴转角/°CAe.=90° CA BTDOno=80° CA ATDC图9转速和气门相位对放热率的影响=1500r/mFig 9 The effects of speed and valve timingsn=1000 r/minheat release rate图10显示了缸内残余废气率随转速上升的趋势,n=2 500 r/min因为在固定的气门相位下,转速增加,每循环有效进排气时间会减少,导致充气效率下降,残余废气率上升;过量空气系数同时当一密叶随着排气门早关,气·一c-70° CA BTDC“c=80° CA BTDC门重中国煤某化工气率上升。因此,基6vc-90° CA BTDCe=80° CA ATDOCNMH实现HCI燃烧,可以图8过量空气系数和气门相位对CA10的影响通过调整排气门相位控制内部EGR的多少,来达到控Fig 8 The effects of lambda and valve timings制着火时刻的目的。200年1月张岩等:乙醇燃料HccI发动机燃烧特性研究35力平均值的比值。它是度量燃烧循环变动的一个重要参数。COV的计算表达式为赵长x100%6u-70° CA BTDO6.-80° CA BTDC合6r=90° CA BTDC式中:wp为平均指示压力的标准偏差;Pwp为平均指6.-80° CA ATDC示压力的平均值10001500200025003000从整体上看,在大多数试验工况点下, COV在转速/r/min10%以下。如图12所示,在固定的转速下,COvw随图10转速和气门相位对缸内残余废气的影响过量空气系数的改变略有上升,只是在稀边界上迅速Fig 10 The effects of speed and valve上升,其原因归咎于稀混合气及缸内残余废气导致的着火时刻的滞后和燃烧速率的下降。从图12中还可看到,COV随转速变化明显,转速升高, COV也燃烧持续期(CA10~CA90)定义为10%燃料燃烧到90%燃料燃烧所经历的曲轴转角。图1主要分析升高。这是由于当转速升高后,缸内残余废气增加,很容易发生温度、压力及浓度的不均匀,使着火时刻和放了不同排气门相位及空燃比对燃烧持续期的影响。可热速率发生变化导致缸内压力发生波动,COVw迅以看出,燃烧持续期同时受到缸内残余废气率及空燃比的控制。在固定的气门相位及转速下,随中的增速升高。加,混合气浓度变稀,燃烧过程中缸内温度降低,使燃烧速率下降,燃烧持续期延长;在过量空气系数为1附近时,当转速升高、排气门早关,缸内残余废气率从58%升高到75%,燃烧持续期也从4.8°CA上升到r/ min78CA因此,缸内残余废气率和空燃比的共同作用-o-n=2 000 r/ minLA-n=l r/min决定了缸内混合气燃烧温度及燃烧速率,同时控制了燃烧持续期的长短。0.951.001.051.00L.151.201.25过量空气系数图12过量空气系数对循环变动的影响n=2000r/Fig 12 The effect of lambda on COV,n=1500 r/min-o-B-80CA BTDC3结论b.=90° CA BTDOOn-80° CA ATDC(1)乙醇燃料HCCI发动机运行工况范围受爆震、换气过程和失火的控制。t量空气系数(2)乙醇燃料可以在较稀的混合气浓度下实现图11过量空气系数对燃烧持续期的影响HCCI燃烧,并且使HCCI可运行工况范围向着高速Fig 11 The effect of lambda on combustion duration拓展。(3)乙醇燃料HCI发动机的着火时刻和燃烧2.4燃烧循环变动持续期依赖于气门相位、转速和过量空气系数。燃烧循环变动是由于混合气浓度和温度分布的不kC动机的循环变动受转速均匀,使燃料的燃烧速度和完全燃烧的程度受到影响中国煤化工然比范围内,过量空气导致缸内压力出现波动。在传统的火花点火(S)发动系数CNMHG不大。机上,通常在小负荷和高稀释情况下循环变动较大平均指示压力变动系数(COVw, Coefficient o参考文献:Variation)是平均指示压力的标准偏差与平均指示压1) Onishi s, Hong Jo S, Shoda K,etl. Active Thermo-At内燃机学报第25卷第1期mosphere Combustion(ATAC)-A New Combustion Process20014013608,2001for Intemal Combustion Engines[C]. SAE Paper 790501, [10] Zhao F, Asmus T, Assanis D, et al. Homogeneous Charge1979Compression Ignition Engines: Key Research[2] Noguchi M, Tanaka Y, Tanaka T, et al. A Study on Gaso-ment Issues[M]. Warrendale PA: Society of Automotiveline Engine Combustion by Observation of Intermediate Re-Engineers, 2003, 241-242active Products during Combustion[ C]. SAE Paper 790840, [11] Dec J. A Computational Study of the Effect of Low FuelLoading and EGR on Heat Release Rates and Combustion[3] Najt P, Foster D E. Compression-Ignited HomogeneousLimits in HCCI Engines[C]. SAE Paper 2002-01-1309Charge Combustion[ C]. SAE Paper 830264, 19832002.[4] Thring R H. Homogenous Charge Compression Ignition [12] Bhave A, Kraft M, Mauss F, et al. Evaluating the EGR( HCCI)Engines[C]. SAE Paper 892068, 1989AFR Operating Range of a HCCI Engine[ C]. SAE Paper[5] Cairns A, Blaxill H. The Effects of Combined Internal and2005010161,2005External Exhaust Gas Recirculation on Gasoline Controlled [13] He B Q, Xie H, Zhang Y, et al. An Experimental StudyAuto-Igmition[C]. SAE Paper 2005-01-0133, 200on HCCI Combustion in a Four-Stroke Gasoline Engine with[6] lida N. Combustion Analysis of Methanol-Fuelled ActiveReduced Valve Lift Operations[C]. SAE Paper 2005-01Thermo-Atmosphere Combustion ATAC Engine Using3736,2005Spectroscopic Observation[ C]. SAE Paper 940684, 1994. [14] Milovanovic N, Chen R, Tumer J. Influence of the Varia[7 Christensen M, Johansson B. Influence of Mixture Qualityble Valve Timing Strategy on the Control of a Homogenon Homogenous Charge Compression Ignition[ C]. SAE Pa-Charge Compression (HCCI )Engine [C]. SAE Paperper982454,1998200401-1899,2004[ 8] Oakley A, Zhao H, Ladommatos N. Dilution Effects on the [15] Heywood J B. Intemal Combustion Engine FundamentalsControlled Auto-Ignition( CAl)Combustion of Hydrocarbon[M]. New York McGraw-Hill Book Companynd Alcohol Fuels[C]. SAE Paper 2001-01-3606, 2001[9] LiJ, Zhao H, Ladommatos N, et al. Research and Develop- [16] Qin Xie H, Zhang Y, et al. A Combustion Heat Releasement of Controlled Auto-Ignition( CAI)Combustion in a 4Correlation for CAl Combustion Simulation in 4-Stroke Gas-Stroke Multi-Cylinder Gasoline Engine [C]. SAE Paperoline Engines[ C]. SAE Paper 2005-01-0183, 2005.中国煤化工CNMHG