乙醇燃料SI-HCCI-SI燃燒模式發(fā)動(dòng)機的工作區域

第37卷第3期吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)Vol 37 No. 32007年5月Journal of Jilin University( Engineering and Technology Edition)May 2007乙醇燃料 SI-HCCⅠSI燃燒模式發(fā)動(dòng)機的工作區域彭亞平,郭英男,劉金山,黃為釣,譚滿(mǎn)志,許艷軍(吉林大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院,長(cháng)春130022)摘要:為了研究火花點(diǎn)火和均質(zhì)壓燃兩種燃燒方式的轉換,在一臺ZS1105柴油發(fā)動(dòng)機的基礎上通過(guò)改變壓縮比、燃料供給方式和進(jìn)氣系統,采用進(jìn)氣預熱成功實(shí)現了HCCI和SI兩種燃燒方式的轉換。試驗結果表明:所開(kāi)發(fā)的雙燃燒模式發(fā)動(dòng)機運行可靠,可方便地實(shí)現火花點(diǎn)火和均質(zhì)壓燃兩種燃燒方式的轉換,可作為研究這兩種燃燒方式轉換的平臺。確定了乙醇燃料HCCⅠ工作區域的上、下邊界判斷方法,得到了乙醇燃料 SI-HCCI-SI燃燒的工作區域。關(guān)鍵詞:動(dòng)力機械工程;發(fā)動(dòng)機;乙醇;雙燃燒模式;工作區域中圖分類(lèi)號:TK46文獻標識碼:A文章編號:1671-5497(2007)03-050904Operation region of ethanol SI-HCCI-SI combustion mode enginePeng Ya-ping, Guo Ying-nan, Liu Jin-shan, Huang Wei-jun, Tan Man-zhi, Xu Yan-junCollege of Automotive Engineering, Jilin University, Changchun 130022, China)Abstract: In order to investigate the engine combustion mode switchover between the spark ignition(SI) combustion and the homogeneous charge compression ignition(HCCI) combustion, a test enginewas developed from refitting the ZS1105 series production diesel engine by modification of thecompression ratio, the fuel supply system, and the intake system. By means of the adjustment of theintake charge preheating, the dual combustion mode switchover was realized smoothly on the testengine, which can be used as a platform for investigation of such combustion mode switchover. Thecriteria to distinguish the upper and lower boundaries of HCCi combustion were defined and theoperation regions of the ethanol si-HCCi-si combustion modes were obtainedKey words: power machinery and engineering; engine; ethanol; dual combustion mode; operation region均質(zhì)壓燃(HCCⅠ綜合了點(diǎn)燃和壓燃兩種燃容易發(fā)生失火;而發(fā)動(dòng)機處于大負荷時(shí),由于混合燒方式的優(yōu)點(diǎn),取消了節氣門(mén),泵氣損失小,采用氣加濃,過(guò)快的化學(xué)反應速度將產(chǎn)生爆震燃燒。均質(zhì)稀混合氣壓燃著(zhù)火,燃燒溫度低,因此NO2因此在全工況范圍內實(shí)現HCCI燃燒非常困和碳煙排放極低。研究表明,均質(zhì)壓燃燃燒的化難。為了能使發(fā)動(dòng)機在全工況范圍內運行,在學(xué)反應速度主要由混合氣的化學(xué)反應動(dòng)力學(xué)控小負荷、大負荷工況下采用SI方式,在中等負荷制1-,燃燒幾乎是同步的,控制HCCI著(zhù)火燃燒工況下采用HCCI方式是切實(shí)可行的方法的方法之一是使用稀混合氣。但過(guò)稀的混合基于此,作者介紹了一套雙燃燒模式的發(fā)動(dòng)氣在小負荷時(shí)發(fā)動(dòng)機難以形成穩定的著(zhù)火條件,機系V凵中國煤化工荷以及大負荷條收稿日期:2006-04-03CNMHG基金項目:“973”國家重點(diǎn)基礎研究發(fā)展規劃資助項目(2001CB209206);國家自然科學(xué)基金資助項目(50476007)作者簡(jiǎn)介:彭亞平(1980-),男博士研究生研究方向:內燃機新能源與代用燃料技術(shù)Emal:sinai2002@163.com通訊聯(lián)系人:劉金山(1963-),男,教授研究方向:內燃機新能源及代用燃料E-mail:jiandingzhan@)jlu.edu.cn510吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)第37卷件下采用火花點(diǎn)火方式工作,在中等負荷下采用功能將情輪軸原來(lái)手搖起動(dòng)的一端經(jīng)過(guò)加工與HCCI燃燒方式運行。并確定了 SI-HCCI-SI燃分電器精確連接,保證發(fā)動(dòng)機工作過(guò)程中分電器燒的工作區域。能正常工作?；鸹ㄈ惭b在原機的噴油器位置,1試驗用發(fā)動(dòng)機將原來(lái)缸蓋上的噴油器孔經(jīng)過(guò)攻絲后裝上火花塞,為了避免缸外跳火,選用了絕緣性能好的點(diǎn)火試驗使用的發(fā)動(dòng)機是在ZS1105柴油機的基線(xiàn)。通過(guò)試驗確定了發(fā)動(dòng)機不同轉速、不同負荷礎上改造而成的,ZS1105柴油機的技術(shù)參數為:下的最佳點(diǎn)火提前角。氣缸直徑為105mm;活塞行程為115mm;單缸1.4進(jìn)氣預熱系統和進(jìn)氣系統排量為0.99L;壓縮比為17;額定功率/額定轉速在壓縮比一定的發(fā)動(dòng)機上要實(shí)現低十六烷值為13.3kW/2200/min-1;進(jìn)氣門(mén)開(kāi)、關(guān)角度分燃料的HCCI燃燒,采用進(jìn)氣預熱系統加熱進(jìn)氣別為14°和43°;排氣門(mén)開(kāi)、關(guān)角度分別為43°和使混合氣的壓縮終了溫度達到自燃溫度以上,保14°。為了使該發(fā)動(dòng)機能夠實(shí)現SI/HCCI雙燃燒證其能自燃著(zhù)火燃燒是一種行之有效的方法0。模式,而在中等負荷采用HCCⅠ燃燒模式,對發(fā)動(dòng)為此設計了一套電加熱裝置。該裝置是由普通市機的壓縮比、燃料供給系統和進(jìn)氣系統進(jìn)行了改售的柴油機空氣加熱器改造而成的,設計功率可進(jìn),并增加了點(diǎn)火系統和缸內壓力采集系統。在發(fā)動(dòng)機全速、全負荷運行時(shí)把進(jìn)氣溫度加熱到1.1壓縮比的選擇350℃?？諝饧訜崞髌ぷ髟砣鐖D1所示),對于低十六烷值的乙醇燃料而言,HCCI燃單片功率為1.8kW,外接電壓為24V,通過(guò)調整燒模式需要較大的壓縮比,但在大負荷時(shí),采用火加熱功率實(shí)現對進(jìn)氣溫度的控制。但是,當發(fā)動(dòng)花點(diǎn)火燃燒模式時(shí),過(guò)大的壓縮比將產(chǎn)生爆震燃機工作在大負荷時(shí),必須從HCCI工作方式切換燒。因此為了兼顧兩種燃燒模式,本研究通過(guò)試到SI工作方式。如果此時(shí)依然采用熱空氣,同樣驗最后將發(fā)動(dòng)機的壓縮比確定為11.8會(huì )導致爆震,因此改進(jìn)了原機的進(jìn)氣系統,如圖21.2燃料供給系統所示。發(fā)動(dòng)機在冷起動(dòng)、小負荷以及大負荷工況為了形成乙醇燃料的均質(zhì)混合氣,且能獨立、時(shí),調整聯(lián)動(dòng)閥,關(guān)閉熱氣通道打開(kāi)冷氣通道,缸精確地控制試驗的供油量,在進(jìn)氣管上加裝了一內吸人冷空氣。在中等負荷工況時(shí),打開(kāi)熱氣通套電控低壓燃料噴射系統,在進(jìn)氣道內形成均勻道,關(guān)閉冷氣通道,缸內吸入熱空氣。選用直徑為混合氣。本裝置的油軌、油泵和噴油器均與CA-46mm的節氣門(mén)來(lái)控制發(fā)動(dòng)機的負荷大小。6102汽油機噴射系統中的相同,乙醇燃料噴射量可根據試驗要求自由控制。采用 Intel公司80C196KC型16位單片機作為整個(gè)控制系統的電控單元。其特點(diǎn)是最高可以選用16MHz晶振,運行速度快,一個(gè)狀態(tài)周期僅為125ns。具有4個(gè)高速輸入和4個(gè)高速輸出口(HSI/HSO),高速輸入口最多可記下8個(gè)外部事件的發(fā)生時(shí)間,高速輸出口可以懸掛起8個(gè)輸出控制事件,按規電壓為24v,每個(gè)電阻的功率為18kW定時(shí)間觸發(fā),容易實(shí)現實(shí)時(shí)控制。具有8個(gè)AD通道除可采用10位轉換方式外,還可以采用8圖1加熱器工作原理示意圖位轉換方式,以加快轉換過(guò)程。具有豐富的中斷Fig. 1 Schematic of heater operation principles源及全雙工串行口,可以與計算機進(jìn)行通信,對控1.5缸內壓力采集系統制參數進(jìn)行在線(xiàn)調整修改,監測發(fā)動(dòng)機運行狀況進(jìn)行燃燒分析以及了解兩種燃燒模式轉1.3點(diǎn)火系統換時(shí)中國煤化工安裝缸壓傳感器由于基礎發(fā)動(dòng)機沒(méi)有點(diǎn)火系統,為此在原機同時(shí)CNMHG曲軸的前端安裝上加裝了一套點(diǎn)火系統?；A發(fā)動(dòng)機齒輪箱內惰了LF-102.4BMC05E型光電編碼器。該編碼器輪的轉速恰好為曲軸轉速的一半,滿(mǎn)足分電器對的光柵盤(pán)產(chǎn)生的角度信號為方波信號,頻率為轉速的要求,因此廢除了原來(lái)惰齒輪的手搖起動(dòng)720次/轉,分辨率為0.5°曲軸轉角,光柵盤(pán)上同第3期彭亞平,等:乙醇燃料SI- HCCI-SI燃燒模式發(fā)動(dòng)機的工作區城·511·傳感器的輸出?？擅黠@看到,無(wú)爆震時(shí)傳感器的冷氣通道電壓輸出為士1V,有爆震時(shí)輸出電壓幅值明顯進(jìn)氣溫度1增大,據此確定乙醇燃料HCCI燃燒工作區的上邊界;在小負荷時(shí),過(guò)稀的混合氣使HCCI燃燒不加熱器穩定,甚至失火,因此可根據是否失火確定乙醇燃熱氣通道料HCCI燃燒工作區的下邊界。在HCCI工作區節氣門(mén)空氣流量計的上、下邊界之外的區域采用SI燃燒方式。依照進(jìn)到缸內上述方法,作者進(jìn)行了不同轉速下的乙醇燃料HCCI和SI兩種燃燒模式轉換的試驗,計算了平圖2進(jìn)氣系統簡(jiǎn)圖均有效壓力(BMEP),得到了以發(fā)動(dòng)機轉速Fig 2 Schematic of intake systemBMEP表示的乙醇燃料 SI-HCCI-SI燃燒工作區時(shí)設有曲軸上止點(diǎn)觸發(fā)信號。采用 AVL GM2D城型缸壓傳感器,同時(shí)配用電荷放大器、高速數據采集卡和數據采集軟件進(jìn)行缸內燃燒壓力的采集。2試驗裝置和方法強烈燥展點(diǎn)無(wú)爆震點(diǎn)試驗裝置簡(jiǎn)圖如圖3所示。試驗時(shí),發(fā)動(dòng)機采用正?；鸹c(diǎn)火的方式起動(dòng),此時(shí)調整聯(lián)動(dòng)閥發(fā)動(dòng)機噴油嘴機計算機進(jìn)氣系統進(jìn)氣溫度2圖41200r/min時(shí)有無(wú)爆震時(shí)傳惑器的電壓輸出光電編碼器Fig 4 Voltage outputs of knock sensor with without高速數據采集nock at 1200 r/min相感造大器3試驗結果圖3試驗裝置簡(jiǎn)圖Fig 3 Schematic of experimental set-up為了使發(fā)動(dòng)機在SI方式下的工作狀態(tài)最佳,關(guān)閉加熱器通道,使空氣通過(guò)冷空氣通道進(jìn)到缸首先確定最佳點(diǎn)火提前角脈譜(見(jiàn)圖5)。內。發(fā)動(dòng)機起動(dòng)后,使用節氣門(mén)采用量調節方式進(jìn)行暖機和在小負荷區域工作。在熱機的同時(shí)打開(kāi)加熱器進(jìn)行加熱,當進(jìn)氣溫度2超過(guò)220℃時(shí),調整聯(lián)動(dòng)閥,關(guān)閉冷氣通道,打開(kāi)熱氣通道,缸內吸入熱空氣。將發(fā)動(dòng)機的節氣門(mén)開(kāi)到最大,關(guān)閉火花點(diǎn)火,即可實(shí)現HCCI燃燒發(fā)動(dòng)機工作在HCCI方式時(shí),負荷的調節采用質(zhì)調節。隨著(zhù)負荷的增加,混合氣逐漸變濃,達到某一值時(shí),由于化學(xué)反應速度過(guò)快,將出現爆震燃燒,這就是HCCI工作方式的上限,因此試驗過(guò)中國煤化工10程中使用共振型爆震傳感器對燃燒狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)CNMHG監測。該傳感器的輸出信號是一個(gè)電壓信號,與圖5點(diǎn)火提前角脈譜正常燃燒相比,有爆震時(shí)該輸出信號的幅值大幅Fig 5 Map of ignite advance angle度增加。圖4為1200r/min時(shí)有無(wú)爆震時(shí)爆震512·吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)第37卷圖6是以發(fā)動(dòng)機轉速n和平均有效壓力[4] Najt P M, Foster D E Compression ignited homogeBMEP表示的乙醇燃料SI- HCCISI的工作區neous charge combustion[C]//SAE 830264, 1983.域。由圖可見(jiàn),此時(shí)乙醇HCCI燃燒的負荷上限51劉金山,黃為鉤,郭英男,等乙醇燃料均質(zhì)壓燃發(fā)接近0.5MPa,混合氣再加濃將產(chǎn)生強烈的爆震動(dòng)機的試驗研究[].吉林大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版,2005燃燒,HCCI燃燒負荷的下限為0.1~0.2MPa,35(6):596-600混合氣過(guò)稀將導致失火。因此必須從HCCI方式Liu Jin-shan, Huang Wei-jun, Guo Ying-nan, et al.Experimental study on homogeneous charge com-切換到SI方式。pression ignition engine fueled with ethanol [J]Journal of Jilin University( Engineering and Tech-nology Edition),2005,35(6):596-600.[6]Lucien Koopmans, Hans Strom, Staffan Lundgren0.et al. 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