甲醇/乙醇/汽油HCCI燃烧和排放特性对比

第25卷(200)第3期内燃机学报Transactions of CSICEvol.25(2007)No.3文章编号:1000-0909(2007)03-0223-0625036甲醇/乙醇/汽油HCCI燃烧和排放特性对比魏志鹏,谢辉,何邦全,赵华(天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津30002)摘要:在Rado单缸四冲程汽油机上采用内部废气再循环策略实现了汽油、乙醇和甲醇的HcCI燃烧,并对比了这3种燃料HCC的燃烧和排放特性。结果表明在HCCI燃烧模式下醇类燃料与汽油相比有更多的燃料参与了低温反应,有利于化学动力学反应的进行因此醇类燃料提前着火时刻缩短燃烧持续期降低发动机的燃烧温度;在相同的发动机转速和空燃比条件下醇类燃料可以极大地降低发动机的NO,排放特别是甲醇的NO,排放最低可达2x10°;并且醇类燃料更有利于稀燃适用于中高速的发动机工况。关键词:HCCl;汽油;乙醇;甲醇;燃烧;排放中图分类号:TK4189文献标志码:AComparison of Combustion and Emission Characteristics of HCCICombustion Fueled with Methanol. Ethanol and GasolineWEI Zhi-peng, XIE Hui, HE Bang-quan, ZHAO HuaState Key Laboratory of Engines, Tianjin University, Tianjin 300072, China)Abstract: With intemal exhaust gas recirculation strategy, the HCCI combustion was achieved in a Ricar-do four-stroke single cylinder gasoline engine fuelled with gasoline, ethanol and methanol respectivelyand the combustion and emission characteristics of these fuels were compared. Study results showed thatcompared with gasoline, more alcohol fuel took part in low temperature reactions, and chemical kineticaction was greatly improved. Therefore, alcohols can largely advance the ignition timing, reduce combuscan largely reduce NO, emissions, especially in the case of methanol where No, emission was only 2 x10. Alcohols are good at lean combustion, and it suitable for high-speed operation conditioKeywords: HCCI; Gasoline; Ethanol; Methanol; Combustion; Emissio引言SI燃烧相比有较高的热效率和低的NO,排放,因此HCCI在发动机上的应用有着广阔的发展前景。在汽均质混合气压燃着火(HCCI)燃烧是一种新型的油机中HCCI燃烧主要受爆震、失火和部分燃烧的限燃烧方式,它不同于传统的火花点火(S)和压燃(CI)制2),而且和传统的S燃烧相比可运行范围比燃烧而是有S均质混合气特点,又有CI压缩着火的较小。特点。在HCCI发动机中,可燃混合气是在进气过程醇类燃料(主要是甲醇、乙醇)被认为是最有希望中形成的,而且被认为是均匀分布的;当活塞到达上止的替代燃料,而且研究表明醇类燃料有降低发动机点附近时,这些混合气由于高温而在整个燃烧室内自NO,和HC排放的性能,主要是由于醇类燃料有着和燃着火。这种燃烧方式由于燃烧持续期短大部分的汽油、柴油等不同的反应方式4。为了更好地了解燃烧发生在上止点附近提高了发动机的热效率;燃烧醇类燃料在汽油HCCI发动机中对燃烧和排放性能的温度低,从而也降低了No排放。HCCI燃烧和传统影响立时用7酸的缺和排放的特点进行了详中国煤化工收稿日期:2006-07-21;修回日期:2006-12-1l。CNMHG基金项目:国家重点基础研究发展规划资助项目(2001cB209200)。作者简介;魏志鹏,硕士研究生,E-mil;weia1234@eou224内燃机学报第25卷第3期细地分析,并通过对汽油燃烧和排放特性的对比,更深并且在开始的若干循环内采用SI模式这样可以在气入地了解甲醇、乙醇在HCCI汽油机上和汽油所表现缸内留住一定量的高温废气;然后关掉火花点火,使发出来的差异。动机在HCCI模式下运行。改变发动机的运转工况1试验设备和试验过程采集各个工况下的数据点。试验中所用到的燃料为甲醇、乙醇和汽油,其性质如表2所示。本试验所采用的是 Ricardo Hydra四冲程、单缸汽油机,具体参数如表1所示。衰2燃料性质Tab. 2 The property of the fuels表1单缸机参数燃油密度/低热值Tab. 1 The specification of the single-cylinder engine类型(km)(Myk)(Mg)辛烷值m(H):m(C)2.019.916单缸枳(四冲程)乙醇789.326.7880.854缸径/mm汽油760.043.9-4440.31-0.34931.8-2.0排量/mL压缩比每缸气门数2试验结果和分析转速/(r/min)<650021甲醇、乙醇、汽油的着火时刻的分析进气压力自然吸气着火时刻(CA10),定义为燃料燃烧10%时所对应喷射方式进气道喷射的曲轴转角。在HCCI燃烧模式下,着火时刻并不像喷射压力/MPa传统的汽油机和柴油机那样受火花点火和喷油时刻的控制而是受化学动力学的控制并且经过验证表明在为了实现HCI燃烧,在研究中采用了缸内废气进气过程中混合气的涡流和湍流对HCCI燃烧的影响再循环(IGR),利用高温废气来加热新鲜混合气,从非常小。而使混合气在压缩上止点附近达到自燃温度,实现甲醇、乙醇和汽油的着火时刻在不同排气门相位HCCI燃烧。其中IFGR的计算公式为和转速下的对比如图1所示,这里进气门开启(IVo相位相对于上止点和排气门关闭(EVC)相位对称,并mIEGRne m +m且过量空气系数中。=1。图1a反映了排气门相位对式中:m。是一个循环的残余废气质量;m和m1是同CA10的影响。可以看出,无论采用哪种燃料,着火时一个循环的新鲜空气质量和进入气缸内的燃油质量。刻随着排气门关闭时刻相位的提前而提前。这主要是要在排气过程中留住大量的高温废气需要一个较大由于排气门关闭越早在排气过程中,就会有更多的废的进排气门重叠负角,即通过在排气过程中排气门早气留在气缸内,而相对于进气过程中,能够进入气缸内关和在进气过程中进气门晚开的方式来留住一定量的的新鲜充量就会减少,因此进气门关闭时,气缸内混合高温废气。为此,将 Ricardo单缸机的原凸轮轴更换气的温度由于高温废气加热的作用就会越高,这有利成了小升程、小包角的凸轮轴,其参数为:进气凸轮的于低温化学反应的进行,着火时刻就会提前;图1b反升程和持续期分别为17mm和120°CA;排气凸轮的映了发动机转速对着火时刻影响可以看出,发动机转升程和持续期分别为1.5mm和110°CA。实现了发速的升高和排气门相位角的增大有相似的性质,都能动机在HCCI模式下的稳定运行。使着火时刻提前,因为随着发动机转速的升高换气质在整个试验过程中,节气门是全开的这样可以减量变差,残余废气增多,而进气量减少,从而使着火时少泵吸损失,提高发动机的效率。为了确保发动机在刻提前。但是当残余废气率增大到一定程度后,由于HcCI模式下稳定运行,试验时保持油温和水温分别可燃空气减少,致使废气温度变得很低,在这种情况在(55±1)℃和(80±1)℃。发动机和一台30kW的下,着推识(如图1b中的汽油曲线)。交流测功机相连,使发动机在稳定转速下运行。空燃中国煤化工发动机工况下,醇比的大小是由ETAS公司的线性氧传感器来测量的,类燃料CNMHG着火时刻这主要试验中通过调整喷油脉宽的方法来调节空燃比。是由于醇类燃料有着和汽油不同的化学反应性质,并试验开始时,调节进、排气凸轮轴到合适的相位,且在低温反应阶段放出定的热量来提高混合气的温2007年5月志鹏等甲醇/乙醇/汽油HCCI燃烧和排放特性对比225·度增加化学反应的速度物质的浓度减少,和氧化因子结合发生化学反应的速率也相应地下降,着火持续期也就变长。图2b反映了转速对燃烧持续期的影响。转速对持续期的影响可以2F -2000r/min会需认为是残余废气率和发动机转速作用的双重影响。当发动机转速升高时,一方面是残余废气率的升高,当残余废气系数在一定范围内时,残余废气的增加会缩短燃烧持续期;另一方面,假如燃料燃烧的速度不变,由于转速的升高,从燃料燃烧10%到90%所对应曲轴转角增加,因此燃烧持续期变长。排气门关闭时刻/·cAIv上止点后80°cAEVc:上止点前800c「p上止点后矿CA=2000r/min过量空气系数12转速/(r/min)Ⅳvo上止点后80°cAEvC:上止点前80°cA图1甲醇、乙醇和汽油着火始点的对比ig. 1 The comparison of ignition timing among methanol2.2甲醇、乙醇、汽油的着火持续期分析在HcCI燃烧模式下,定义燃烧持续期为燃料燃15002000烧10%到燃烧90%所对应的曲轴转角。从图2中可以转速/(r/min)看出,在给定的进、排气门定时下,醇类燃料的燃烧持续期和汽油的相比比较短。这是因为燃烧持续期和着火始刻有一定的关系,图1中甲醇、乙醇的着火时刻都Ivo:上止点后80°cA是发生在上止点之前,而汽油的着火时刻相对滞后。EvC:上止点前80°活塞上行时,由于燃料燃烧放热和气体被压缩的双重n=2 000 r/min作用,致使醇类混合气的温度更高,所以燃烧速率加快,燃烧持续期缩短。另外从放热率图2c中可以看出,醇类燃料(特别是甲醇)放热比较集中而且比汽油的提前,因而汽油的着火持续期就会比醇类燃料的长。从图2a中可以看出:燃烧持续期随空燃比的增大而增加,这主要是由于空燃比增大时,混合气越稀,而且在试验中进入气缸的新鲜空气量几乎保持不变,进入气M凵中国煤化工缸内的燃料也就越少,因而释放的热量也就减少,缸内CNMHG续期的对比的燃烧温度就越低,排气温度也越低,因此以后循环由Fig. 2 The comparison of combustion duration am于气缸内温度低,反应速率也就变慢;另外,由于可燃methanol, ethanol and gasoline226机学报第25卷第3期23气缸压力、温度历程的分析应中由于有更多的燃料参与反应而在高温燃烧时,参从图3a压力曲线中可以看出,在上止点附近,甲与燃烧的燃料相对比较少;此外在当量空燃比和设定醇、乙醇的缸压要明显高于汽油的缸压,而且最大压力的发动机条件下,醇类燃料燃烧和汽油的相比会产生的时刻要早于汽油的最大压力时刻;图3b中的缸内温更多的CO2和H2O蒸气,这些物质具有比较高的热度曲线是基于理想气体的状态方程并且由缸压数据计容,在同样的放热条件下,燃烧温度会比较低。算得到的。24甲醇、乙醇、汽油的发动机负荷和HCCI燃烧的其计算公式为工况范围HCCI的工况范围比较小,这主要受到爆震部分燃烧和失火的限制;而且在汽油机HCCI燃烧模式下,Ivo:上止点后90°CA上止点采用了大量的残余废气再循环,这也使能够进入气缸Evc:上止点前80°内的新鲜充量受到了比较大的限制,从而也决定了在3.0Fn-2000r/min乙醇HCCI燃烧模式下,发动机负荷和工况范围受到了很251甲醇大的限制。图4中对比了燃用甲醇、乙醇和汽油时的发动机负荷和可运行的HCCI工况范围。从图4a中可以看出对于每种燃料来说,当空燃比转速不变时发动机的负荷随气门负的重叠角的增大而减小,这主要是因为曲轴转角PCA气门负的重叠角越大,留在缸内的残余废气就越多进气量就越少,因此发动机的负荷也就越小。从图4b中可以看出无论是哪种燃料,可运行的速度范围为80020vo:上止点后90°CAr/min-3500r/min,平均指示压力不超过0.5MPa,可EvC:上止点前80°见HCI燃烧更适用于中低速小负荷的工况。通过对醇比甲醇、乙醇和汽油的工况范围,可以看出汽油更适用嚼1200于较低转速的工况(可以工作在800r/min),而且在此转速下,负荷的变化范围也是最大的(0.25MPa到0.5MPa)。采用甲醇时,发动机不能在800m/min的转速n-2 000r/min下运行,因为在此转速下进气比较充分而且由于甲醇的汽化潜热比较大,进气门关闭时,缸内混合气温度曲轴转角产cA低,因而不能着火。甲醇的可运行速度能够达到3500r/min,而且它也是在这3种燃料中唯一能够在此转速图3甲醇、乙醇和汽油的缸内压力和温度历程的比较下工作的燃料。汽油在速度较高时表现的性能比较Fg,3 The comparison of in-cylinder pressure and temper.差,在3000v/min时,平均指示压力(IMEP)的调节范ature history among methanol, ethanol and gasoline围非常小;乙醇燃料虽然不能工作在3500r/min,但是在3000r/min时,IMEP可以从0.05MPa变化到从图3b中可以明显看出在燃烧始点前,甲醇混合0.2MPa,因此醇类燃料更适应于较高转速的工况。气的温度明显高于汽油混合气,乙醇混合气的温度也略微高于汽油,这说明了在低温反应阶段,有更多的甲醇、乙醇分子参与了低温反应并放出了一定的热量,同时也为高温反应准备了更多的活化因子,因此甲醇、乙醇的着火时刻比汽油的要早,燃烧持续期也相应的比汽油的要短。更有趣的是,在图3a中,汽油燃烧的最高压力比甲醇、乙醇的低;而在图3b中,汽油燃烧的最中国煤化工高温度和甲醇、乙醇相比却是最高的。这主要是由于CNMHG在低温反应阶段,甲醇、乙醇混合气的温度比汽油的负的气门重叠角PCA高,因此散热损失也比较多;另外醇类混合气在低温反2007年5月魏志鹏等:甲醇乙醇/汽油HCCI燃烧和排放特性对比V上止点后80°CAEvC:上止点前80°cA150020002500300035004000转速/(r/min)过量空气系数图4不同燃料的发动机负荷和HCCI工况范围的比较IVo:上止点后90°cAFig 4 The comparison of engine load and HCCI operationEvc:上止点前80°cArange among different fuelsn=2 000r/ min2.5NO和HC、CO排放的分析2.5.1NO排放HCCI燃烧最吸引人的地方之一就是NO4排放很低,和传统的火花点火燃烧相比,可以降低NO,排放90%以上,。其主要原因就是在HCCI燃烧模式下,过量空气系数采用了大量的废气再循环,可燃混合气比较少,燃烧温度低,NO,排放也就比较低。图5展示了在不同进排图5甲醇、乙醇和汽油的NO,排放的对比气门相位下甲醇、乙醇和汽油的NO排放之间的对Fig. 5 The comparison of No, emission among methanol比。从图中可以明显看出无论采用哪一种燃料,NOethanol and gasoline排放都非常低(不超过16×10-6)。甲醇的NO,排放是最低的,这是因为甲醇燃烧温度和汽油、乙醇的相比比较低;此外,甲醇的物理化学性质和低NO,排放也Ⅳvo上止点后80°CAEvC:上止点前80°cA有很大的关系,甲醇的汽化潜热是最高的,而且低热值比较低致使燃烧温度也比较低。这3个原因也就导n=2 000r/min致了燃用甲醇时的NO4排放是最低的。在图5中论是釆用汽油、乙醇还是甲醇NO,排放都是随着空燃比的增加而减少,这主要是由于当空燃比增加时进入气缸内的燃料的质量减少,因此燃烧的温度降低,NO排放减少。对比图5,可以看出,在相同的排气门相位2过量空气系数下,随着进气门相位的增加,NO,排放会有所升高,因为从进排气门对称的位置略微增加进气门开启时刻时,进气量会增加,因而导致燃烧时燃烧温度升高,50o上止点后在HCC燃烧模式下,C和CO的排放都比较·ac止点商8NO,排放增加。甲醇2.5.2HC和CO排放300高,这是由于HCCI燃烧温度比较低,燃料不能被完全氧化。图6反映了在不同空燃比下甲醇、乙醇和汽油的HC排放的对比和cO排放的对比。可以看出无论中国煤化工在哪个相位下,甲醇的HC排放都是最低的,主要是由CNMH于甲醇在和氧反应的过程中有更大的活性,另一方面过量空气系数甲醇的含氧量在这3种燃料中是最高的,因此在同样第25卷第3期Ⅳvo上止点后80cA(2)汽油燃烧时的最大压力与甲醇、乙醇燃烧EvC:上止点前80°cA乙时的相比是最低的,而最高燃烧温度是最高的,这也造n=2000r/mi成了汽油的NO,排放比较高。甲醇正好和汽油的相反,甲醇燃烧时的最大压力是最高的然而由于散热损失、残余废气量及其性质等的作用,最高燃烧温度却是最低的。(3)汽油跟甲醇、乙醇相比更适用于低速范围;甲醇更适合于较高转速的工况,并且在试验中可以观过量空气系数察到空燃比可以达到很高而没有失火的现象(4)试验证明在大多数工况下,醇类燃料燃烧与汽油燃烧相比,NO排放比较低;采用甲醇燃料与乙Ⅳvo上止点后90CAEvC:上止点前80°cA乙醇醇汽油相比可以降低THC;在HCCI模式下,燃用乙醇与甲醇、汽油相比不能很好地降低CO排放。参考文献:[1] Zhao H, Peng Z, Williams J, 'et al Understanding theEffects of Recycled Burnt Gases on the Controlled Auto Igni-0.1tion( CAl )Combustion in Four-Stroke Gasiline Engines[C]. SAE Paper2001013607,2001过量空气系数[2]Oakley A, Zhao H, Ladommatos N, et al. Dilution EHectson the Controlled Auto-Ignition(CAl)tion of Hydro-图6甲醇、乙醇和汽油的HC和CO排放的对比carbon and Alcohol Fuels[ C]. SAE Paper 2001-01-3606ig. 6 The comparison of HC and CO emission among2001.methanol, ethanol and gasoline[3] Jeffrey W Hodgson, David K Rick, Margaret V Whalen. Im-proving the Cold Start Performance of Alcohol Fueled En-的空燃比条件下,甲醇在燃烧时对氧气浓度的依赖也gines Using a Rich Combustor Device[C]. SAE Paper981359,1998是最小的,HC排放也比较低。从CO排放图中可以看[4] Seko Toshiyuki, Kuroda Eiji. Combustion Improvement of出无论采用哪种燃料,都存在一个最佳的工况点(过Premixed Charge Compression Ignition Methanol Engine U-量空气系数为1.05附近),这点的CO0排放是最低的,sing Flash Boiling Fuel Injection[ C]. SAE Paper 2001-01这主要是由于当混合气从这一点变浓时,由于氧气的3611,2001.浓度减少,燃料不能被完全氧化;当混合气从这一点变[5] Noguchi M, Tanaka Y, Tanaka T, et al. A Study on Gaso-稀时,燃烧温度会降低,同样燃料由于温度低而不能完line Engine Combustion by Observation of Intermediate Re-全氧化。甲醇、乙醇和汽油的CO排放的差别不是很active Products During Combustion[ C]. SAE Paper 790840明显,并且在试验过程中,可以明显地观察到当空燃比在过量空气系数为1附近和空燃比很大的时候,CO排[6] lida N. Alternative Fuels and Homogeneous Charge Com-放的波动非常大,可见如果采用甲醇、乙醇燃料来降低pression Ignition Combustion Technology [C].SAEPaper972071,1997CO排放并不是一个很好的选择。[7 Aceves S M, Flowers D L, Westbrook C K, et al. A Multi-3结论Zone model for Prediction of hcci combustion and emis-sions[C]. SAE Paper 2000-01-0327, 2000(1)甲醇、乙醇燃料可以很好的在HCCI模式下[8]LJ,zhoH, LadommatoB N,eal. Research and Develop燃烧,着火时刻比汽油要早;而且着火持续期短、放热ment ofControlled Auto-Ignition( CAl)Combustion in a 4率大,这主要是由于醇类燃料和汽油不同的化学反应中国煤化工C].SAE Paper性质所致。CNMHG