火花点火对乙醇燃料SI/HCCI燃烧模式转换平稳性的影响

第13卷第6期然烧科学与技术Vol 13 No 62007年12月Joumal of Combustion Science and TechnologyDec.2007火花点火对乙醇燃料SI/HCCI燃烧模式转换平稳性的影响彭亚平1,郭英男,谭满志',黄为钩',梁晓明,范秀英2(1.吉林大学内燃机工程系,长春130022;2.空军航空大学特种专业系,长春130022)摘要:在一台经过改进的单缸机上分别实现了乙醇燃料均质压燃和火花点燃两种燃烧方式,获得了乙醇燃料两种燃烧方式各自的工作区域,并在不同工况实现了两种燃烧模式相互转换.为了改善 SUHCCI燃烧模式转换时的平顺性,考察了边界条件工况下火花点火对燃烧模式转换的影响研究结果表明,在HCCI燃烧临界温度附近,引入火花点火能明显改善乙醇HCCI的燃烧稳定性降低了燃烧循环变动.在SHCα燃烧模式转换过程中,引入火花点火相当于向缸内混合气添加部分额外能量,以点燃混合气,进而改善了HCCI和S相互转换时的平稳性关键词:乙醇;均质压燃;模式转换;平稳性中图分类号:TK421文献标志码:A文章编号:10068740(2007)060521-04Effects of Spark Ignition on Smoothness of Ethanol SI/HCCICombustion mode TransitionPENG Ya-ping, GUO Ying-nan, TAN Man-zhi', HUANG Wei-jun, LIANG Xiao-ming, FAN Xiu-ying(1. Department of Intemal Combustion Engine, Jilin Universi2. Department of Special Type Specialty, Aviation University of Air Force, Changchun 130022, China)Abstract: The spark ignition(SI)and homogeneous charge compression ignition(HCCi) have been realized in a modified singlecylinder engine. The operation regions of the two combustion modes have been defined, and SI/HCCI combustion mode transitionsunder different operation conditions have been performed. The effects of spark on the combustion mode transition have been inves-tigated in order to improve the smoothness of the transition. The results show that HCCI combustion stahility has been improvedgreatly and the combustion cycle-by-cycle variations decrease when the spark is utilized in the critical temperature operation conditions. During the transition process, the utilization of spark is equivalent to adding extra energy into the cylinder to ignite the mix-ture, hence, the smoothness of the combustion mode transition has been enhencedKeywords: ethanol; homogeneous charge compression ignition; combustion mode transition; smoothness均质压燃(HCI)的高热效率和超低NO与碳烟混合燃烧模式发动机,是解决HCCI燃烧方式工作范排放已经引起了全世界广大内燃机工作者的关注,自围窄的方法之一提出之日起,研究人员已经对HCCI开展了广泛的研最早提出火花点火SI/HCCI混合燃烧模式概念的究15,并已经取得了阶段性成果早期的研究表明, Thring,在一台四冲程的发动机上进行了HC试验研以转速和负荷表示的HCCI燃烧方式工作范围小6,如究,并提出了发动机在起动和大负荷工况采用S、在中何拓宽HCCI的工作区域是当前HCCI研究过程中的等负荷工况采用HCI燃烧方式的混合燃烧模式思难题之一,在不能实现HCCI的工况范围内采用传统想在此基础上, Ishibashi等人9和 Blundel等人等的燃烧方式工作,其余工况下采用H燃烧方式,即在中国煤化工和HC两种燃烧方CNMHG收稿日期:2007-052基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(200CB209206);国家自然科学基金资助项目(5047607)作者简介:彭亚平(1980),男,博士研究生,inei@ email. jlu,odu.cm通讯作者:郭英男,goyn@j,ch,cm522燃烧科学与技术第13卷第6期式的转换Kimm等人在四冲程发动机进行了压缩表1发动机主要类型与技术参数着火D和HCCI燃烧模式转换.Jan等人采用可变技术参数指标压缩比和预热混合气相结合的技术手段在多缸机上研型单缸、水冷、a燃烧室究了引入火花对HCCI和SI进行燃烧模式转换平稳性05以及燃烧稳定性的影响.Xu等人采用废气再循环冲程/m(EGR)研究了HCCI和SI间燃烧模式的转换排量几L压缩比118笔者通过自行设计开发的快速热管理系统在一台标定转速/(rmin-1)2200改进的单缸机上实现了乙醇燃料HCCI和S两种燃烧获得了各自的工作区域并在不同工况点实现了两12试验方法种燃烧模式的相互转换,研究了乙醇HCCI燃烧临界试验时,发动机首先采用S方式起动和热机,此温度工况下火花点火对燃烧稳定性的影响进一步考时联动阀A全开,联动阀B关闭,缸内吸入温度为室察了火花辅助点燃对混合燃烧模式SHcC燃烧模式温的空气,发动机负荷由主节气门控制,发动机在小负转换平稳性的影响荷工况工作、热机,热机的同时打开热管理系统,当冷试验装置和方法却水温达到80℃,进气温度超过220℃,切换进气通道,联动阀A关闭,联动阀B全开,进到缸内的为经过1.1试验装置预热的均匀混合气,节气门全开,关闭火花点火,实现试验是在一台经过改进的单缸机上完成的发动HCO燃烧机的技术参数见表1.为了在同一台发动机上实现HC发动机工作在HCCI方式时,负荷调节方式与柴CI和S两种燃烧模式,把原机的压缩比从17降低到油机相同,均为质调节随着负荷的增加,喷油量增加,18增加了一套电控点火系统采用自行开发的电控混合气逐渐变浓燃烧速度加快当喷油量增大到某进气道喷射方式喷射乙醇形成均匀混合气在进气道值时,由于化学反应速度过快,将出现爆震燃烧继续的前端安装自行开发的快速热管理系统加热进气,实加浓混合气,爆震增强将对发动机产生损坏因此在现乙醇的HCCI燃烧同时为了实现S燃烧,改进了发试验过程中,通过安装在缸体上的爆震传感器监测缸动机的进气系统试验系统的详细改进见文献[4,试内燃烧情况,当该传感器输出电压急剧增大时,即验装置简图如图1所示认为出现爆震燃烧,将这一边界定义为爆震边界.负荷减小,喷油量减少,混合气变稀,缸内最高燃烧温度降快速热管理系统火花塞模式转换控制装置11大气加热器联动阀主节气门(气动控制)Horiba废气分析仪进气温度单片机高速采集卡中国煤化工缸压采集计算机喷油触发信号CNMHG图1试验装置示意200年12月彭亚平等:火花点火对乙醇燃料 SUHCCI燃烧模式转换平稳性的影响523低,发动机转矩减小,当油量减小至过量空气系数超过22火花点火对乙醇HCCI燃烧稳定性的影响6时,混合气过稀,出现失火,发动机工作不稳,将这一研究过程中,在乙醇HCCI燃烧临界温度工况,进边界定义为失火边界行了火花点火对HCCI燃烧稳定性影响的研究,图3给如前所述,由HCCI燃烧特点决定的其功率输出出了1200r/min、点火提前角为30CA、p为02MPa不能满足发动机大负荷工况条件下的功率要求,而小有无火花点火时,缸内连续示功图的对比从图中可以负荷条件下难以形成HCI燃烧所需的条件,因此,发看到,无火花点火时,正常燃烧和失火交替出现,燃烧动机采用 SI/HCCI复合燃烧方式是一种可行的方法.循环波动r大,发动机不稳,转速和转矩上下跳动;有基于此,在当前试验系统中,在两个边界进行 SI/HCCI火花点火时,由于电火花点燃了火花塞附近的混合气燃烧模式转换时发现,在爆震边界附近,缸内燃烧温度缸内温度升高,引燃了缸内其他未燃混合气,基本上消要比失火边界处高得多,且缸内混合气燃空比要比失除了失火循环的产生,燃烧循环变动减小.与文献[15]火边界大,本试验系统中的电火花能量对于乙醇HCCI一样,进一步提高进气温度,该电火花的能量对于改善燃烧的影响不明显,故在失火边界进行了1200r/min、HCI燃烧的稳定性作用不明显1300r/min以及1500r/min三个转速工况的试验,考察火花点火临界温度条件下对于改善乙醇HCCI燃烧火花点火稳定性的作用,同时进行了火花点火对 SUHCCI燃烧模式转换平稳性影响的试验研究试验过程中,采用 AVL GM12D型缸压传感器、无火花点火r8.7%AVL电荷放大器、光电编码器、PCI1800高速数据采集卡以及相应的采集软件,采集不同工况的示功图采用PCI8l8HG数据采集卡与缸压同步记录了转换过程中80-6040-20020p/°CA的发动机转速和转矩,计算平均有效压力图3火花点火对HCCI燃烧稳定性的影响2试验结果及分析23火花点火对S/HCCI燃烧模式转换的影响2.1 SIHCCI混合燃烧模式的工作区域临界温度工况,引入火花点火改善了乙醇HCCI图2给出了以转速n和平均有效压力p表示的乙的燃烧稳定性,因此,本研究进一步讨论了火花辅助点火对整个 SI/HCCI燃烧模式转换的影响.图4为发动醇燃料SHCI混合燃烧模式的工作范围从图中可机转速1200mim时失火边界处,有无火花点火对乙以看到随着发动机转速的升高,乙醇HCⅠ燃烧的工醇燃料失火边界 SI/HCCI燃烧模式转换的燃烧稳定性作范围逐渐变窄这是由于转速升高平均机械损失压的影响从图中可以看到,与没有火花点火的情况相力随之增大,导致p下降本试验条件下,仅靠空气稀比,存在火花点火时原本不能压燃、着火、燃烧的稀混释,乙醇HCI燃烧的p峰值达到0.06MPa,再加浓合气在电火花的引燃作用下着火燃烧减少了失火循混合气将产生爆震燃娆,HC燃烧p的下限为环产生的机率,改善了乙醇SUHC燃烧模式转换过006~0.20MPa,混合气过稀将出现失火在两个边界渡过程的燃烧在1300rmn和1500rmin转速下,试负荷改变时,必须进行燃烧模式转换验记录的 SI/HCCI转换过程中的缸内压力进一步表明,火花点火的确能改善SHCI燃烧模式转换过渡过程的平稳性24火花点火对转换过程中转速和p的影响爆震边界图5为发动机转速1200r/min、点火提前角为30°CA时,失火边界有无火花点火对 SWHCCI燃烧模式转HCCI工L作区换过失火边界SL工作区中国煤化工火花点火明显改善了120014001600燃烧,因此,过渡过程n/rmin)中发CNMR低,过渡过程的持续图2乙醇SI和HCCI燃烧的工作区域时间缩短524燃烧科学与技术第13卷第6期2001-01-1895[4] Marriott C, Reitz R. Experimental investigation of direct injection-gasoline for premixed compression ignited combustion phasing control[ C] //SAE Paper. Warendale, USA, 2002,2002-无火花点火01-0418[5] Zhao Hua, Ma Tom, Li Jian, et al. Performance and analysis of2a 4-stroke multi-cylinder gasoline engine with CAI combustion020040060000C]//SAE Paper. Warendale, USA, 2002, 2002-01-0420[6] Nebojsa Milovanovic, Stephen Gedge, Jamie Tumer SI-HCCI-SImode transition at different engine operating conditions [C]//图4火花点火对SU/HC转换过渡过程的影响SAE Paper. Detroit, Michigan, USA, 2005, 2005-01-0156[7 Koopmans L, Lundgren S, Backlund 0, et al. Demonstrating a04}火花点火SI-HCCI-SI mode change on a volvo 5-cylinder electronic valve0.3无火花control engine[ C]//SAE Paper.Detroit, Michigan, USA2003,2003-010753火花点[8] Thring R H. Homogeneous charge compression ignited(HCCI1250无火花点火engines[ CJ// SAE Paper. Detroit, Michigan, USA, 1989, 892068[9] Ishibashi Y, Isomura S, Kudo 0, et al. Improving the exhaust050010001500200025003000emissions of two-stroke engines by applying the activated radicalombustion[ C]//SAE Paper. Detroit, Michigan, USA, 1996图5火花点火对转换过程中转速和p的影响[10] Blundell D, Tumer J, Duret P, et al. Design and evaluation ofautomotive engine[C]//3结论trot, Michigan, USA, 2003, 2003-01-040[Il] Kimura S, Ogawa H, Muranaka S, et al. New combustion con-(1)采用快速热管理系统成功实现了乙醇燃料cept for ultra-clean and high efficiency small DI diesel enginesHCαI燃烧,确定了SI和HCCI两种燃烧方式的工作范[C] //SAE Paper. Toronto, Ontario, Canada, 1999, 1999-01围,在乙醇燃料HCCI燃烧的爆震边界处,p最大可达到0.506MPn在失火边界处,p为0.06-0.20MP,在12 Jari Hyvoner, Goran haraldsson, Bengt Johansson. Operating不同工况下成功实现了两种燃烧的相互转换tion mode transfer to SI in a multi-cylinder VCR-HCCI engine(2)在HCCI燃烧的临界温度工况下,使用火花辅[C] //SAE Paper. Detroit, Michigan, USA, 2005, 2005-01助点火后,能明显改善HCCI燃烧的稳定性,减小循环变动温度升高,电火花的作用不明显[13] Xu Hongming, Simon Rudolph, Liu Zhi, et al. An imvestigatio(3)火花辅助点火能改善失火边界 SI/HCCI燃烧into the operating mode transitions of a homogeneous charge模式转换的平稳性,但不能完全消除波动因此,结合pression ignition engine using EGR trapping[ C] //SAE Pap其他的控制手段实现 SIHCCI混合燃烧模式的平稳过Detroit, Michigan, USA, 2004, 2004-01-1911渡是必要的[14]彭亚平,郭英男,刘金山,等.乙醇燃料SI-HCCI双燃烧模式发动机的工作区域[J].吉林大学学报:工学版参考文献:200,37(3):509-512.[1] Onishi S, Souk Hong Jo. Thermo-atmosphere combustion(Ateng Yaping, Guo Yingnan, Liu Jinshan, et al. Operation re-gion of ethanol SI-HCC-SI combustion mode engine[J].JournalAC): A new combustion process for intemal combustion engine[C] //SAE Paper. Detroit, Michigan,USA,1979,790501of Jilin University Engineering and Technology Edition, 200737(3):509-512( in Chinese)2] Yap J D, Karlvosky A, Megaritis M L. An investigation into[15]王志,王建昕,帅石金,等.火花点火对缸内直喷汽油机HCCI燃烧的影响[].内燃机学报,2005,23(2):105-gine operation with residual gas trapping[ J]. Fuel,2005, 84中国煤化工2372-2379CNMHin, et al. Eifects[3] Flowers D, Aceves S M, Au M, et al. 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