乙醇燃料SI-HCCI-SI燃烧模式转换过程的研究

第25卷(2007)第4期内燃机学报Transactions of CSICEVol.25(2007)No.4文章编号:1000-0909(2007)04-0311-0525050乙醇燃料SI-HCCI-SI燃烧模式转换过程的研究郭英男,彭亚平,谭满志,黄为钧,刘发发,李华(吉林大学内燃机系,吉林长春130022)摘要:在一台单缸试验机上进行了乙醇燃料均质压燃(HCI)和火花点燃(SI)两种燃烧模式相互转换的试验研究。结果表明,采用进气热管理系统,可以实现乙醇燃料在两种燃烧方式间的转换。在S向HCCI转换过程中,由于混合气瞬间变稀,而高温热气进到缸内有一定的时间,转速和平均有效压力下降,经过约4个工作循环后,随着高温热气连续、均匀地进到缸内,实现了连续稳定的HCCI燃烧,因此转速和平均有效压力上升,并且很快达到稳定。在HCC向SI转换过程中,由于存在火花点火,对混合气的温度不是很敏感,因此过渡时间减少,发动机很快达到稳定状态。关键词:乙醇;均质压燃;燃烧模式转换;快速热管理系统中图分类号:TK401文献标志码:AStudy on the Transition Mode of Ethanol SI-HCCI-SI Combustion ModeTransitionGUO Ying-nan, PENG Ya-ping TAN Man-zhi, HUANG Wei-jun, LIU Fa-fa, LI HuaDepartment of Intermal Combustion Engine, Jilin University, Changchun 130022, China)Abstract: Mode transition of ethanol combustion between homogeneous charge compression ignition(HCCI)and spark ignition( SI)was investigated in a single cylinder diesel engine. Experimental resultsshowed that combustion mode transition could be realized with the Fast-Thermo Management system, Dur-ng the transition process form SI to HCCI, the mixture becomes the leaner and a time is needed for thehomogeneous charge of high temperature entering into the cylinder, leading to decrease in engine speedand mean effective pressure. After 4 cycles, with the entering of high temperature intake charge into thecylinder, the HCCI combustion is realized and increases the engine speed and the mean effective pressureand engine is operated stably. During the transition process form HCCI to SI, with aid of spark ignitionthe transition period decreases and engine quickly gets its stable operationKeywords: Ethanol; HCCI; Combustion mode transition; Fast-thermo management system引言化学反应动力学的影响,过浓和过稀的混合气将分别导致爆震燃烧和失火,因此发动机工作在HCCI发动机采用均质压燃(HCCI)方式工作时,均质混模式下的运行范围较窄。在发动机冷起动、怠速工况合气在压缩行程末期实现压燃,混合气在缸内几乎是时,难以形成HCI稳定燃烧所需要的条件;在大负荷同时着火,不存在火焰传播。由于采用的是均匀的稀工况时,由于混合气变浓,燃烧反应速度加快,出现爆混合气,缸内燃烧温度低,NO,和碳烟的排放极低,因震燃烧,因此难以在全工况范围内采用HCCI方式工此被认为是一种能同时满足降低油耗和排放的新型燃作,在实际应用中采用HCCI和传统的S或压燃(CI烧方式。燃烧方式结合的方法是解决HCCI工作范围窄的方案从上世纪70年代首次提出HCCl的概念-2),到之目前为止全球范围内已经开展了广泛的试验和模拟研究。研究表明,HCCI的着火与燃烧主要是受混合气的ThYHE中国煤化工烧模式转换的是CNMHG动机上进行了关于收稿日期200612-17;修回日期:20003.19。01CB2020)基金项目:国家重点基础研究发展规划资助项目作者简介:郭英男,教授,E-mail; guoyu@ju.edu312内燃机学报第25卷第4期HCCI燃烧的试验,并提出了当发动机在起动工况和大为了避免乙醇燃料工作在S方式下发生爆震,将原机负荷条件下采用传统的SI燃烧方式部分负荷工况下的压缩比从17降为11.8,另外在原机上加装了点火采用HCCI燃烧方式工作。 Koopmans et al”采用全可系统。采用电控进气道燃料喷射的方法形成均匀混合变气门定时机构在一台 Volvo5缸机上进行了HCI气。在压缩比一定的发动机上,对于高辛烷值燃料而和SI两种燃烧模式的转换。研究表明,在燃烧模式转言,采用进气预热的方法是实现HCCI燃烧的主要途换过程中的缸内燃烧压力与稳态时的相比有很大的差径之一,为此在进气道上加装一套自行开发的快速热别,必须对燃烧模式转换的控制策略进行进一步优化管理系统,实现对进气温度的控制。当发动机工作才能改善燃烧模式转换的平稳性。 Fuerhapter et al在HCCI燃烧模式下时发动机全开节气门,而工作在在一台配备可变凸轮相位的单缸机上也开展了燃烧模SI模式下时,通过节气门实现负荷控制,为了实现SI式转换的试验研究,他们的研究发现,为了使模式转换和HCCI燃烧模式的转换,在试验发动机的进气道上过程变得更加平稳,有必要对燃烧模式转换时的控制加装一套模式转换控制装置。试验装置简图如图1所策略进行优化。同样,尽管在其它发动机上也实现了示,试验发动机主要技术参数见表1。HCCI和SI间燃烧模式的转换2,但到目前为止有表1试验发动机技术参数关燃烧模式转换的资料总体来说还是很少的。Tab 1 Engine specifications本文在发动机冷起动、小负荷以及大负荷工况下类四冲程、单缸、水冷采用SI,在中等负荷下采用HCCI方式,获得了乙醇燃缸径/mm料HCCI和S两种燃烧方式的工作区域,采用快速热管理系统实现了乙醇燃料HCCI和SI燃烧模式的转单缸排量L换,并在此基础上研究了不同工况下SI与HCCI相互压缩比11.8:1转换过程,得到了燃烧模式转换的实现方法、控制手段进气门开/° CA BTDC和初步结果。排气门关/° CA ATDO1试验装置和方法° CA ABDC排气门开/° CA BBDC1.1试验用发动机燃烧室形状试验发动机是在ZS105单缸机的基础上通过改标定转速/(r/min)2200进,实现了乙醇燃料SI和HCCI两种燃烧模式。首先快速热管理系统模式转换控制装置热空气阀冷空气阀火花塞喷嘴排气温度传感器热(气动控制)丰节气废气分析仪喷油触发信号中国煤化工CNMHG图1试验装置简图2007年7月郭英男等:乙醇燃料SI-HCCI-SI燃烧模式转换过程的研究31312试验方法此边界为失火边界。当发动机工作在失火边界和爆震试验过程中,发动机首先采用S方式起动和热边界附近时,必须进行燃烧模式的切换。机,此时发动机的负荷由主节气门控制,模式转换控制2.2失火边界附近HCCI和SI相互转换装置中的热空气阀全关,冷空气阀全开,缸内吸入的是图3为失火边界附近SI向HCCI转换时的缸内压温度为室温的空气。在热机的过程中,接通热管理系力和转速、转矩的变化情况。从图中可以看到燃烧模统的电源,对加热器中的空气进行预热。当发动机冷式不可能在1个工作循环内实现转换。当喷油量不变却水温达到80℃,进气温度传感器监测温度超过220时,HCCI燃烧时的压力要比SI燃烧时的高,转矩有所℃,调节燃烧模式转换控制装置,全开热空气阀,冷空增加。在转换过程中,缸内压力发生了4个循环的变气阀全关,缸内吸入热空气,同时全开主节气门,切断动,这是由于在转换为HCCI运行时,进气加热器和进火花点火,即可获得HCCI燃烧。在已获得的乙醇燃气口之间有一定距离,存在低温空气,因此产生了失火料SI、HCCI各自工作区的基础上,分别在HCCI工作现象,当连续稳定的高温热气进到缸内后,即可实现稳区的爆震和失火边界进行了两种燃烧模式的相互转换定的HCCI燃烧。的试验研究,爆震边界和失火边界的定义与参考文献[14]的相同。采用 AVL GMI2D型缸压传感器、电荷放大器、LF02.4BMCO5E型光电编码器和研华PCI800高速数据过渡过程采集卡采集了1500r/mn时失火和爆震边界附近两种a2.0燃烧模式相互转换时的缸内燃烧压力。在记录示功图的同时,采用研华PCI818HG采集了相同条件下发动机转速和转矩的变化,并计算了平均有效压力。2试验结果及讨论循环数2.1两种燃烧模式的工作区域a)模式转换时缸内压力的变化图2为用转速和平均有效压力(BMEP)表示的该发动机工作在HCCI和S两种模式下各自的工作区。1600从图中可以看到,当发动机工作在HCCI方式下时,其速最大的BMEP达到了0.506MPa,此时已经接近该发-转矩动机工作在SI方式下最大负荷的50%。此时混合气1200进一步加浓将导致爆震燃烧,因此称此边界为爆震边界。如果再加入EGR,那么HCCI的工作上限将进步拓宽。HCCI燃烧的负荷下限为0.06~0.2MPa,在此边界以下,过稀的混合气将导致发动机失火,因此称30004000数据采集点b)模式转换时转矩和转速的变化图3失火边界 SI-HCCI模式转换缸内压力、转速及转矩全2→外特性边界的变化亠失火边界Fig 3 Variations of cylinder pressure, speed and torquewhen si to hCci at misfire bounda0.2HCCLL作区中国煤化工句SI转换时的示功图16002400转速n(rmin和转CNMHG可以看到,当喷油量不变时,懊式比HUul楔八的血内压力低,转矩有所图2试验发动机两种燃烧方式下的工作区域降低。在转换过程中,存在两个循环的变动,这是由于Fig 2 Operation regions of the engine under SInd Hcci Combustion在转换过程中,节气门迅速关小,混合气变浓,但还是314内燃机学报第25卷第4期无法在一个循环内达到SI模式的着火界限,因此产生了两个循环的波动。转速50010001500200025003000心AUMb)模式转换时转矩和转速的变化图5爆震边界 HCCI-S转换缸内压力转矩及转速的变化循环数Fig 5 Variations of cylinder pressure, speed and torquea)模式转换时缸内压力的变化when HCCI to SI at knock boundary图6是爆震边界附近S向HCCI转换时缸内压力、转矩和转速的变化情况。从图中可以看到,在转换过程中,存在两个循环的失火现象,因此产生了转矩和转矩转速波动。这是由于转换到HCCI模式时,进气加热器和进气门之间存在低温空气,结果产生了两个循环的失火引起的。1000数据采集点过渡过程b)模式转换时转矩和转速的变化图4失火边界 HCCI-SI模式转换缸内压力、转矩及转速的变化Fig 4 Variations of cylinder pressure, speed and torquewhen HCCI o SI at misfire boundary循环数2.3爆震边界附近HCCI和SI相互转换a)模式转换时缸内压力的变化图5为爆震边界附近HCCI向SI转换时的示功图和转速、转矩的变化情况。从图中可以看到,虽然转换很顺利,但是由于SI模式比HCCI模式的缸内压力低,转速转矩降低,产生了转速和转矩的波动。一转矩Mw.oF HCCI两10001000数据采集点中国煤化工惠的变化CNMHG换缸内压力转矩和转速的变化Fig 6 Variations of cylinder pressure, speed and torquea)模式转换时缸内压力的变化when SI to HCCI at knock boundary2007年7月郭英男等:乙醇燃料SI- HCCI-SI燃烧模式转换过程的研究[5] Zur Loye, Brackney, Larry I, et al. United States patent3结论06907870. Multiple Operating Mode Engine and Method of(1)在单缸试验机上采用快速热管理系统,实Operation[ P]. USA, 06907870, June 21, 2005现了乙醇燃料HCCⅠ和S两种燃烧方式,获得了两种[6] Thing R H. Homogeneous Charge Compression Ignited(HC-燃烧方式各自的工作区,成功实现了不同工况下两种CI)Engines[C]. SAE Paper 892068, 1989[7] Koopmans L, Strom H, Lundgren S, et al. Demonstrating a燃烧模式的相互转换。SI-HCCI-SI Mode Change on a Volvo 5-Cylinder Electronic(2)在采用快速热管理系统的条件下,不论是Valve Control Engine[ C]. SAE Paper 2003-01-0753, 2003从S1向HCC,还是从HCCI向Sl,燃烧模式都不可能(8] Fuerhapter, Pick WF, FraidI G K. CSI-Controlled Auto在一个工作循环内实现转换。当喷油量不变时,发动Ignition-The Best Solution for the Fuel Consumption-Versus机工作在HCCI方式下的燃烧压力要高于SI,因此导Emissions Trade-off [C]. SAE Paper 2003-01-0754, 2003致转换过程中发动机转矩产生阶跃,因此需要进一步[9] Nebojsa Milovanovic, Dave Blundell, Stephen Gedge,tal优化模式转换时的控制策略。SI- HCCI-SI Mode Transition at Different Engine OperationConditions[ C]. SAE Paper 2005-01-0156, 2005参考文献[10] Xu Hongming, Simon Rudolph, Liu Zhi, et al. 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