乙醇燃料均质压燃的试验研究

第12卷第5期燃烧科学与技术 Vol. 12 No.52006年10月 Journal of Combustion Science and TechnologyOct.2006乙醇燃料均质压燃的试验研究张纪鹏,董光宇,虞浏,常国峰,夏元东(吉林大学汽车学院,长春130025)摘要:利用多功能燃烧弹对乙醇进行均质压燃性能的研究,具有边界条件可控的独特优点在多功能燃烧模拟系统(多功能燃烧弹)中进行了不同混合气温度对燃烧过程及不同空燃比对燃烧过程影响规律的试验研究混合气温度的升高将促使燃烧最高压力最大压力升高率和放热率增加,而且其峰值提前;随空燃比的加大,燃烧压力、压力升高率和燃烧放热率下降,且出现峰值的时刻推迟.关键词:燃烧弹;均质压燃;边界条件中图分类号:TK431文献标志码:A文章编号:1006-8740(2006)05-0419-04 Experimental Study on Alcohol HCCI Combustion ZHANG Ji-peng, DONG Guang-yu, YU Liu, CHANG Guo-feng, XIA Yuan-dong College of Auto Engineering, Jilin University, Changchun 130025, China) Abstract: Study on alcohol HCCI combustion characteristics was conducted on a multi-functional combustion bomb so that the boundary conditions can be controlled easily. The effects of different intake air-fuel mixture temperatures and different air-fuel ratios on the combustion process were studied in the multi-functional combustion simulation system. It is found that the combustion with higher intake air-fuel mixture temperature and lower air-fuel ratio makes a higher peak cylinder pres- sure increasing ratio and a higher heat release ratios, and the peak heat release ratio will be advanced. Keywords: combustion bomb; homoge ion ignition; boundary conditions为对醇类燃料燃烧边界条件进行系统的研究,笔燃烧弹利用压缩活塞行程的控制使其几何压缩比者开发了具有适应多种燃料、多种着火方式的多功能在7~55内可调燃烧弹的前部可根据试验项目和数燃烧弹.在此基础上,利用多功能燃烧弹对乙醇燃据采集方式的不同更换缸盖缸盖上设置有光学玻璃料均质压燃的相关燃烧特性进行了试验.本试验主要窗3、缸内动态压力传感器、温度传感器、静态压力传围绕直接影响着火过程的混合气浓度及混合气温度边感器、火花塞、燃料喷射器、气体供给阀、排气阀等;燃界条件进行2烧弹可根据需要进行弹体加热和保温,其调温范围从环境温度至200℃.1多功能燃烧弹均质混合气的制备由空气燃料混合器和混合气制备容器完成4,需经过两个过程:首先利用文丘里1.1多功能燃烧弹的工作原理管原理将燃料与空气进行初步混合,并输入到混合气多功能燃烧弹的工作原理如图1所示,动力驱动制备容器中;在容器中经过进一步的加温调制使燃料部分与燃烧弹的压缩活塞相连接,由压缩空气驱动对与空气混合,形成均质状态燃烧弹内的均质混合气进行压缩着火收日期:205-1-基金项目:国家重点基础研究发展规划(973)资助项目(2001CB209206)420燃烧科学与技术第12卷第5期燃气供给系D3 D2喷油系 STF3 STF18点火系2混合气驱动气缸光谱采集分析系统光栅尺瞬态压力Dy光孔控制系统1数据采集燃料/空气预混合器P处理系统 Y3控制阀储气筒 STF2真空3高压气泵图1多功能燃烧弹原理示意1.2多功能燃烧弹的基本技术参数2.1不同混合气温度对燃烧过程的影响6多功能燃烧弹的基本参数如表1所示混合气温度作为HCCI燃烧边界条件之一,对燃烧过程具有非常重要的影响,其研究结果将会指导表1多功能燃烧弹技术参数HCCI在发动机上的应用.因此,本研究在对多种过量参数指标空气系数情况下的试验结果进行分析后,认为不同型号RS多功能燃烧弹的过量空气系数对燃烧过程的影响规律具有基本相同活塞最高速度/(m·s-1)5.2的特征,所以本研究在过量空气系数为4时,对不同混压缩比范围7~55合气温度的燃烧过程进行了研究和论述行程采样速率/MHz2.1.1不同混合气温度对燃烧压力的影响动态压力采样速率/MHz11图2为混合气温度对燃烧压力的影响,随着混合弹体温度控制范围(作为压缩型燃烧弹)/℃环境温度200气温度的提高,最高燃烧爆发压力提高,混合气温度在混合气配给系温控范围/℃环境温度~200160℃时其最高燃烧爆发压力比100℃时的高1MPa;单次混合气制备量/m30.018而且最高爆发压力出现的时刻也随混合气温度的提高缸径×行程/mm135×175而提前,混合气温度160℃比100℃的最高压力出现活塞平均速度/(m·-1)3.5点提前约5ms;燃烧时间缩短,燃烧持续时间约缩短最高燃烧压力/MPa1610ms.这一点说明了混合气温度对乙醇的HCCI燃烧行程采样精度/mm0.1过程有着较大的影响动态压力采样精度/%2弹体温度控制范围(定容燃烧弹)/℃环境温度-800160℃混合气配给系压力限制范围/MP0.9140℃混合气体积浓度(燃/空比)配制范围0-0.00320℃100℃2乙醇燃料均质压燃燃烧过程的试验研究510152025 t/ms乙醇均质压燃着火过程既包含着热着火理论过程也包含有链式反应过程.因此,燃烧过程不仅受到图2混合气温度对燃烧压力的影混合气浓度的影响,而且也受到混合气物理边界条件2.1.2不同混合气温度对燃烧压力升高率的影响的影响,本文就不同的混合气温度及混合气浓度对燃图3为不同温度的乙醇均质混合气燃烧的压力升烧过程的影响进行了探2006年10月张纪鹏等:乙醇燃料均质压燃的试验研究421烧过程压力升高率增大,混合气温度为100℃、120燃过程有着巨大的影响对其研究可以了解到混合气℃、140℃和160℃时的最大压力升高率依次为0.22燃烧临界边界,对在发动机上实现HCCI燃烧过程具MPa/ms、0.40Mpa/ms、0.51pa/ms和1.00有重要的指导作用由于温度、混合气浓度对燃烧过程 MPams;最高压力升高率产生的时刻提前,最大压力的影响是双重的,其组合试验边界条件非常广泛,很难升高率依次出现在8.0ms、6.5ms、5.2ms和4.3ms进行全面试验,所以试验是在混合气温度保持140℃、处,温度越高出现的时刻提前量越大这一点充分说明过量空气系数为1、2和4的情况下进行的随着混合气温度的升高,混合气的活化能增加,导致化2.2.1不同过量空气系数对燃烧压力的影响学反应速度增加、链式反应加快,从而导致最大压力升图5为不同过量空气系数对乙醇均质混合气燃烧高率增加、最大压力升高率出现的时间提前压力的影响曲线,在混合气浓度较高的情况下,燃烧的1.1最高压力较高,同时压力曲线较陡.当混合气过量空气160℃系数为4时,燃烧最高压力为5.75MPa;过量空气系0.6140℃数为2时,燃烧最高压力为6.05MPa;而当过量空气120℃系数为1时,燃烧最高压力可达到6.79MPa;随着混合气浓度的增加,燃烧最高爆发压力出现的时间提前,过量空气系数为1、2和4时,最高峰值出现的时刻分0.4101520别为6.4ms、6.9ms和7.6ms.可以看出,混合气浓度/ms对燃烧压力提前程度的影响低于混合气温度的影响,图3混合气温度对压力升高率的影响这说明了均质混合气分子浓度对燃烧过程的影响不及分子能量的影响大,随混合气温度增加,分子能量增2.1.3不同混合气温度对燃烧放热率的影响加,促进了燃烧反应过程活化能的增加,从而导致燃烧图4为不同温度下乙醇均质混合气燃烧过程的放速度的增加热率曲线.图中显示,随着混合气温度的升高,最高放热率增大,温度在100℃、120℃、140℃、160℃时,最-1高放热率分别为7.1kJ/s、23.2kJ/s、27.5kJ/s、44.5--a-2kJ/s,160℃的最高放热率可比100℃的最高放热率增加近5倍;最高放热率的变化规律随温度变化呈非线性关系;放热率峰值出现的时刻随温度增加而提前7,温度在100℃、120℃、140℃、160℃时,第1个放热率峰值所对应时间分别为5ms、2.5ms、2.3ms05101520 t/ms和0ms(出现0值的原因是燃烧弹着火相对时间参考点选取的结果),随温度的增长放热率峰值的提前时图5过量空气系数对燃烧压力的影响间呈逐渐减小趋势这同样说明了混合气温度的升高22.2不同过量空气系数对燃烧压力升高率的影响对乙醇均质压燃燃烧过程产生正向影响图6为不同过量空气系数入对乙醇均质混合气燃160℃烧压力升高率的影响随着混合气浓度的减小,最大压140℃力升高率下降,入为1、2和4时,最大压力升高率分别为1.4MPa/ms、1MPa/ms和0.51MPa/ms;而且峰值20120℃推迟,入=2和入=4的峰值分别比入=1时推迟0.35100℃ms和0.7ms.形成这一结果是因为混合气浓度降低,单位空间的燃料分子数减少,参加化学反应的量减少,1010-5051015202530/ms单位时间释放的能量也减少.2.2.3不同过量空气系数对燃烧放热率的影响图4混合气温度对放热率的影响图7为不同过量空气系数乙醇均质混合气放热率的变化情况与燃烧最高压力及压力升高率的情况相2.2不同过量空气系数对燃烧过程的影响同,随着混合气浓度的减小最大放热率下降,入=1时混合气空燃比作为重要的燃烧边界条件对均质压是十前密值为130k/m时最十放植值为422燃烧科学与技术第12卷第5期90kJ/ms,比入=1的最大放热率下降了近31,而且发压力、压力升高率及放热率的最大值降低,而且峰值峰值位置推迟1.3ms;入=4时最大放热率值为39.5推迟kJ/ms,比入=1的最大放热率下降了近70%,其峰值相(3)混合气浓度对最高燃烧压力提前程度的影响应入=1的情况推后2.9ms.这说明混合气浓度对放低于混合气温度的影响,说明了均质混合气分子浓度热率有较大的影响对燃烧过程的影响不及混合气温度的影响大参考文献:1]虞浏多功能燃烧弹研制[D]长春:吉林大学汽车学院,2005. Yu Liu. Design of the Multifunctional Combustion Bomb [D]. Changchun: College of Auto Engineering, Jilin Univer- sity, 2005 (in Chinese)3.56.59.512.515.52]董光宇乙醇HCC燃烧边界条件的试验研究[D]长春:/ms吉林大学汽车学院,2005.图6过量空气系数对压力升高率的影响 Dong Guangyu. A Study on Alcohol HCCI Combustion Boundary Conditions D ] Changchun: College Auto Engi-150 neering, Jilin University, 2005( in Chinese).-1120---2 [3] Alexander Henle, Gerd Bittlinger, Christoph Benz, et al.=4 Homogeneous operating strategies in a DI diesel engine with90 pent-roof combustion chamber and tumble charge motion:60 Studies on a single-cylinder test-engine and an optical access30 engine[ C] / SAE Paper. Detroit, M1I, USA, 2005, 2005-01-0181.10 [4] Li Liguang, Hu Zongjie, Yu Shui. Characteristics of film e t/ms vaporation for homogeneous charge preparation of typical fu-图7过量空气系数对放热率的彩响 [5] Zheng Jincai, Miller David L, Cemansky Nicholas P, et al.3结论 Two types of autoignition and their engine applications[C]// SAE Paper. Detroit, MI, USA, 2005, 2005-01-0178.(1)混合气浓度一定时,随着介质温度的提高,最[] Nebojsa Milovanovic Dave Blundell Richard Pearson et高燃烧爆发压力提高,而且最高爆发压力出现的时刻 al. Enlarging the ine HCCI en-提前;随着介质温度的升高,燃烧过程压力升高率增 gine by controlling the coolant temperature] / SAE Pa-大,最高压力升高率的产生时刻提前;随着介质温度的 per. Detroit, MI, USA, 2005, 2005-01-0157. [7] Gen Shibata, Koji Oyama, Tomonori Urushihara, et al. Cor-升高,最高放热率增大,放热率的峰值时刻提前 relation of low temperature heat release with fuel composition(2)在介质温度一定时,混合气浓度对乙醇HCCI and HCCI enginge combustion[] / SAE Paper. Detroit, MI,燃烧过程有巨大的影响,随混合气浓度的减小燃烧爆US205200501018