乙醇燃料均质压燃的燃烧循环变动

第37卷第2期吉林大学学报(工学版)Vol. 37 No. 22007年3月Journal of Jilin University (Engineering and T echnology Edition)Mar. 2007乙醇燃料均质压燃的燃烧循环变动彭亚平',郭英男',黄为钧',谭满志',董磊'，王 志伟2(1.吉林大学汽车工程学院，长春130022; 2.车辆排放与节能重庆市市级重点实验室,重庆400039)摘要:在一台由CA6110柴油机改造而成的单缸发动机上进行了乙醇燃料均质压燃燃烧循环变动的研究。结果表明:随着过量空气系数增大,最大燃烧压力、平均指示压力、燃烧持续期的循环变动均增大,燃烧始点的标准偏差减小。随着进气温度的升高，最大燃烧压力升高，而平均指示压力先升高后下降。两者的循环变动均减小，燃烧始点的循环变动增大，燃烧持续期缩短,循环变动减小。引入适量的EGR能显著地改善燃烧速率，降低最大压升率，但EGR过大会使混合气不能稳定、连续地着火燃烧。关键词;动力机械工程;乙醇;燃烧;均质压燃;循环变动中图分类号:TK464文献标识码:A文章编号:1671-5497<2007 )02-0301-06Cycle-by-cycle variation of ethanol homogeneouscharge compression ignition combustionPeng Ya-ping' ,Guo Ying nan'，Huang w eirjun' ,Tan Man -zhi' ,Dong Leil ,Wang Zhi-wei(1. College of Automolive Engineering ，Jilin University .Changchun 130022 ,China; 2. Chongqing City Key Laboraloryof Vehicle Enmission and Energy，Chongqing 400039 ,China)Abstract: The cycle-by cycle variations of the ethano! homogeneous charge compression ignition( HCCI) combustion have been investigated in a single cylinder engine modified from a CA6110 dieselengine. The experiment results show that as the air/fuel ratio increases, all of the cycle- by- cyclevariations of the maximum pressure, the mean indicated pressure, and the combustion duration periodincrease, but the stand deviation of start of combustion (SOC) decreases. As the intake chargetemperature rises, the maximum pressure increases, but the mean indicated pressure increases firstlyand then drops, and their cycle- by-cycle variations decrease; the cycle-by- cycle variation of the SOCincreases, and combustion duration period shortens, its variation decreases. Proper amount EGRinducted can dramatically enhance the combustion rate and decrease the pressure rise rate，but toomuch EGR would result in unstable even intermittent combustion.Key words: power machinery and engineering; ethanol ;combustion; HCCI;cycle by-cycle variation发动机燃烧循环变动是反映发动机工作过程的循环变动,则可以改善发动机的工作平稳性和中燃烧稳定性的重要参数。如果消除了气缸压力燃油经济性,同时还可降低发动机的排气污染。中国煤化工收稿日期:200603-16.YHCNMHG基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(2001CB209206).作者简介:彭亚平(1980 -),男,博士研究生.研究方向:新能源与节能技术. E mail: sinfei2002@ 163. com通讯联系人:郭英男(1946-),男,教授,博士生导师.研究方向:新能源与节能技术. E-tmail: guoyn@jlu. edu. cn●302●吉林大学学报(工学版)第37卷-般来说柴油机的循环变动较小而汽油机的循环1.2试验方 法变动较大,因此燃烧循环变动的研究一直以来都试验过程中发动机转速稳定在1200 r/ min,是汽油机研究的一个重要课题1.2]。均质压燃通过调整电加热器的加热功率实现进气温度的改(HCCI)是- -种结合了点燃式和压燃式两种燃烧变,在不同进气温度、过量空气系数中。和EGR率方式各自优点的新型燃烧方式，它具有高的热效工况下对乙醇燃料HCCI进行了试验研究。率和极低的NO,排放,已经成为当前的研究热EGR率(%)是通过FGA-4100汽车排放分析仪点。研究表明,HCCI的着火与燃烧受燃料与空测量进、排气管的CO2体积浓度进行计算气的化学反应动力学控制,其燃烧过程只能通过.D:、TEGR =D。. X 100%(1)间接手段实现控制，如进气温度、废气再循环(EGR)等[3-5]。研究发现，HCCI燃烧的循环变式中:D,和D。分别为进、排气道中CO2的浓度。动影响HCCI的工作区[6-8],因此对其进行深人.燃烧循环变动表示的方法有很多,常用的表研究可以为均质压燃的燃烧过程控制策略提供-一示方法是采集示功图。根据示功图计算最高气缸些指导。为此,本文对进气温度、过量空气系数和压力相应于最高压力的曲轴转角、最大压力升高EGR三个参数对乙醇燃料HCCI燃烧的循环变比和相应于最大压力升高比的曲轴转角。相比较动的影响进行了研究。而言,平均指示压力被认为是评价燃烧循环变动的最佳参数[。本文根据示功图计算了平均指示1试验装置和试验方法压力的循环变动系数1.1 试验装置0OVp;= o x 100%(2)试验在--台由CA6110柴油机改造而成的乙醇HCCI单缸试验机上进行,缸径为110 mm,行式中:P 为多个循环平均指示压力的平均值;8。程为120 mm,压缩比为17,燃烧室形状为田型，为平均指示压力的标准偏差。额定功率和额定转速分别为19.5 kW和2900 r/类似地,还计算了缸内最大燃烧压力P加wx 的min。循环变动系数以及着火始点和50%放热位置的.图1为试验装置简图。循环变动标准差。本文以燃烧总放热量的10%、50%和90%确立燃烧始点p.oe 、中so以及燃烧终点位置,燃烧持续期中为燃烧始点和终点之间的曲轴转角,把压缩上止点称为360°曲轴转角。6002试验结果及分析2.1过量空气系数对循环变动的影响1-发动机; 2-气缸压力采集系统; 3- 缸压传感器:图2为进气温度为150 C、不同过量空气系4-乙醇喷嘴: 5- 电控燃料喷射系统; 6- 加热器;7-稳压箱: 8~空气流量计数时燃烧压力参数的变动情况,横线代表平均值。从图2(a)、(b)可以看出,随着过量空气系数图1试验装置简圉的减小,pmx和p的平均值增大,pmx和p的循环Fig. 1 Sketch map of the test apparatus燃料供给采用一套电控进气道喷射系统实.变动系数变小，p反映出的循环变动比Prmx 反映现,喷油嘴安装在靠近发动机进气道位置,采用进出的效果好。由图2(c)可知，缸内最大燃烧压力气预热的方式对进到缸内的新鲜空气进行预热，的曲轴转角随过量空气系数的减小而显著提前。在进气管上安装了一个稳压箱,以减小进气脉动图3为不同过量空气系数时燃烧特征参数的对测量空气流量的影响,空气流量计安装在稳压“图中可川看到，随着过量空气箱的入口位置。系数MH中国煤化工二差增大,最大放热气缸压力采集系统由安装在缸盖上的AVL率增. CNM H G减小，燃烧持续期GM12D型缸压传感器、电荷放大器、高速数据采.缩短,其循环变动也减小，而对应于最大燃烧压力集板和相应的数据采集软件组成。试验中各工况的中o和中so的位置提前,但pmm和p与两者的位点连续采集60个工作循环用于循环变动的分析。置关系不大。第2期彭亚平,等:乙醇燃料均质压燃的燃烧循环变动●303●)「370p8一36号sfg3614十0-3.8 COVpma = 1.63%35|wwwMwAwwv2t+ 4.-5.9 COVPmax = 2.15%35010203040506002030 4050 60循环数(a) poe(a) Pnax0.900.850.80pAVAwMAAJAM 4AwM大3550.65. + φ.-5.9δ-108%十p-3.8 CoVp= 1.0%0.60←φ-=5.9 COVp= 1.37%35001020304050600.550.5040560(b) pao循环數(b) p;0AAwwWA.st→φ-=3.8 Qma = 6.56%一φ.=5,9 Qmx = 10.56%是70306.0.:二ξgs 20[oVvwAAMw.5.00.5t0io0 30450355357 359361 363 365 367 369 371中(°CA)(c) dQmmn/d0(o) Paex vs中图2不同过最t空气系数时燃烧压力参数的循环变动情况8tFig. 2 Variation of combustion pressure under different15air/fuel equivalence ratios由着火理论可知，混合气的着火温度随混合气的浓度升高而下降。因此,过量空气系数越小，←0, -3.8 COVφa s 8.59%←0-=5.9 COVφs= 11.73%意味着混合气的着火温度越低，单位体积内的有效碰撞次数越多,从而使燃烧提前,放热率增大，燃烧速率大,燃烧的稳定性提高。120 302.2进气温度对循环变动的影响中国煤化工图4为过量空气系数为3.8时不同进气温度条件下的燃烧压力参数的循环变动情况。从图中YHCNMHG燃烧特征参数的可以看到,随着进气温度的升高,pmux的平均值增Fig.3 Variation of combustion characteristic parameters大,而p是先增大后减小,但两者的循环变动均under different air/fuel equivalence ratios减小。图4(c)为不同进气温度时缸内最大燃烧，304●吉林大学学报(工学版)第37卷8.5p3808.375AA主E7.5g 370= loC =131%z 7.C3656.05..355 rWAAAA人 AA5.020304060350 b1030 40 60循环数(a) Pmss(a)中心r0.90r380 |十T= 110C δ.= 0.93%0.85士110C COVp:-1.74%一T= 160C δ= 1.41%十160C COVp-i .05%370wMWAwN《365rorb0.75-3600.70-35wWwwwtA AA3500.65L502(40(b) p:(b>$s90r二:10号.-14.74%8.07.5 t中面ir0叶0_ξ 7.0.110Ci 606.5*130C点6.0●160C5.s5-0f/30-4.s55370中(CCA)(c) Pmax以中《c) dQmux/ do图4不同进气温度时燃烧压力的循环变动情况Fig.4 Variation of combustion pressure under differentintake temperatures压力的相位,显然提高进气温度将使Pmux出现相? 15位提前。喜10-"VVT图5为不同进气温度时燃烧特征参数随循环十-110C COV中s =2338%数的变化情况。进气温度越高,燃烧始点pmc位置Tim=130C COV中s= 18.32%T=160C COVqs = 18.16%和中3o位置的标准偏差越大,最大放热率先升高后4C下降,且循环变动减小，但燃烧持续期逐渐缩短,燃烧持续期的循环变动也降低,这进--步说明提:(d)中高进气温度可以提高燃烧的稳定性。图5不同进气温度时燃烧特征参数的循环变动情况进气温度增高,单位体积内活化分子的数目aracteristic parameters中国煤化工erntures急剧增大,因此有效碰撞也增多,反应速率也急剧增大。同时,燃烧的着火延迟期缩短,因此燃烧提2.,YRCNMHG晌.前,缸内最大燃烧压力升高，燃烧持续期缩短,但图6为过量空气系数为3. 8、进气温度为150温度过高时燃烧过早,使压缩负功增加,因此使得C时,EGR率对燃烧压力参数循环变动的影响。平均指示压力下降。从图6(a)、(b)中可以看出,在进气温度和过量空第2期彭亚平,等:乙醇燃料均质压燃的燃烧循环变动●305●力升高率,但同时会使燃烧的循环变动增大。引人EGR不仅降低了氧的浓度,同时缸内EOR=40%MECR-81% COVpmes = 9.75%380r75-2365]=370wwMWAA1020304050 60循环数355一IECR81%8=2.4%(a) Pmx .35025060士IEoR=0% COVp:= 1.0%0.85(a)中oe0.800.753900.70385|0.653800.60至3750.55 t喜370f,0.50 L3654C十MEGR=0% δ∞0.75%(b)机-7EGR=40% 点=109%TIEGR- 80...11111.. 0%(b)4so70p二1IECR=0% COV9gmx=6.56%EGR-40% COVgmex =7.91%0+ EGR=81% COVqmas -69.4%4-Es0isofpofAAooAta号40140S30356 358 360 362 364 366 368 370 372 374中/(°CA)20叶(c)Pm vs中1ofVVVVVWV弋图6不同EGR率时燃烧压力参数的循环变动情况30 40Fig, 6 Variation of combustion pressure under different循环数.EGR ratios(c) dQmx/d8气系数-一定时,随着EGR率的增大，pmx和p的50r+ IEGR= 0% CONDs 1051%平均值减小,但pmx和p的循环变动都增大。结NEGR- 81% COV8, = 46.6%合图6(c),当EGR率为81%时,缸内燃烧压力和压缩压力基本上没有差别,偶尔出现波动,说明此10f时缸内混合气基本.上很难实现连续着火。图7为不同EGR率时燃烧特征参数的循环变动情况。EGR率越大,中和中so越滞后,并且两10叶者的循环变动标准差增大,最大放热率降低,最大中国煤化工40放热率的循环变动增大,燃烧持续期增加,燃烧持续期的变动也增大。从图中可以看出,当EGRHCNM HG为81%时pmx和p.在大范围内变化，这时候缸图7不同EGR辜时燃烧特征参数的循环变动情况内氧气体积浓度已经很低,因此基本上没有着火Fig. 7 Variation of combustion characteristic parameters燃烧,说明EGR可以抑制化学反应速度,降低压under different EGR ratios.吉林大学学报(工学版)第37卷工质的热容变大,因此最大燃烧压力下降,燃烧推tion and potential for transition to spark ignited op-迟,燃烧持续期延长,循环变动增大[10]。eration[C]// SAE Paper, 2001-01-3613.[ 5 ] Jan Ola OIsson, Per Tunestal,Jonas Ulfviketal. The3结论effect of cooled EGR on emissions and performanceof a turbocharged HCCI engine[C] // SAE Paper,(1)随着过量空气系数增大,px和p;减小，2003 -03-0743.但是两者的循环变动增大，燃烧始点中ooo 位置和[ 6] Persson H, Peiffer R, Hultqvist A,et al, Cylinder-中so位置推迟，两者的循环变动标准差减小,因此to-cylinder and cycle to-cycle variations at HCCI op-采用过量空气系数较小的混合气时,乙醇燃料均eration with trapped residuals[C] // SAE Paper,质压燃燃烧更稳定。2005-01-0130.(2)随着进气温度的升高，Pm增大,p:先增[ 7 ] Hyvonen J, Haraldsson G, Johansson B. Balancing大后下降,循环变动减小，燃烧趋于稳定,但燃烧cylinder to cylinder variations in a multi-cylinder始点.位置和中so位置的循环变动标准偏差增VCR_ .HCCI engine[C]// SAE Paper, 2004-01-1897.[8]刘金山,郭英男,谭满志,等.乙醇燃料内燃机均质压大。燃的工作区域[J].吉林大学学报:工学版，2006 ,36(3)引人EGR能降低缸内最大压力和最大(3) :327-330.压升率，推迟和延长燃烧,但是使循环变动增加。Liu Jin-shan, Guo Ying nan, Tan Man-zhi,et al.采用适量的EGR时能较好地解决最大燃烧压力HCCI operating region of internal combustion engine和燃烧延迟，而EGR过大将导致缸内混合气很with ethanol as fuel[J]. Journal of Jjilin University难连续着火。( Engineering and Technology Edition)， 2006, 36(3):327-330. .参考文献:[9]李兴虎,蒋德明,沈惠贤.火花点火发动机压力循环.[1]周龙保.内燃机学[M].北京:机械工业出版社，变动的评价方法研究[J].内燃机学报,2000,2: 171-1999.174.[ 2 ] Bytter s, Rognvaldsson T , Wickstr N. Estimation ofLi Xing-hu, Jiang Derming, Shen Hui-xian. Studycombustion variability using in-Cylinder ionizationon evaluated methods of pressure cyclic variation inmeasurements[C]// SAE Paper, 2001-01-3485.spark ignition engines[J]. Transactions of CSICE,[ 3 ] Stanglmaier Rudolf H, Roberts Charles E. Homo-2000,2: 171-174.geneous charge compression ignition (HCCI): bene-[10] Zhao H. Understanding the efects of recycled burntfits, compromises and future engine applicationsgases on the controlled autoignition (CAI) combus-[C]//SAE Paper, 1999-01-3682.tion in four stroke gasoline engines[C]// SAE Pa-[ 4 ] MarinezFriasJ, Aceves S M, Flowers D,et al. E-per, 2001-01-3607.quivalence ratio EGR control of HCCI engine opera-中国煤化工MYHCNMHG