火花點(diǎn)火對乙醇燃料SI/HCCI燃燒模式轉換平穩性的影響

第13卷第6期然燒科學(xué)與技術(shù)Vol 13 No 62007年12月Joumal of Combustion Science and TechnologyDec.2007火花點(diǎn)火對乙醇燃料SI/HCCI燃燒模式轉換平穩性的影響彭亞平1,郭英男,譚滿(mǎn)志',黃為鉤',梁曉明,范秀英2(1.吉林大學(xué)內燃機工程系,長(cháng)春130022;2.空軍航空大學(xué)特種專(zhuān)業(yè)系,長(cháng)春130022)摘要:在一臺經(jīng)過(guò)改進(jìn)的單缸機上分別實(shí)現了乙醇燃料均質(zhì)壓燃和火花點(diǎn)燃兩種燃燒方式,獲得了乙醇燃料兩種燃燒方式各自的工作區域,并在不同工況實(shí)現了兩種燃燒模式相互轉換.為了改善 SUHCCI燃燒模式轉換時(shí)的平順性,考察了邊界條件工況下火花點(diǎn)火對燃燒模式轉換的影響研究結果表明,在HCCI燃燒臨界溫度附近,引入火花點(diǎn)火能明顯改善乙醇HCCI的燃燒穩定性降低了燃燒循環(huán)變動(dòng).在SHCα燃燒模式轉換過(guò)程中,引入火花點(diǎn)火相當于向缸內混合氣添加部分額外能量,以點(diǎn)燃混合氣,進(jìn)而改善了HCCI和S相互轉換時(shí)的平穩性關(guān)鍵詞:乙醇;均質(zhì)壓燃;模式轉換;平穩性中圖分類(lèi)號:TK421文獻標志碼:A文章編號: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均質(zhì)壓燃(HCI)的高熱效率和超低NO與碳煙混合燃燒模式發(fā)動(dòng)機,是解決HCCI燃燒方式工作范排放已經(jīng)引起了全世界廣大內燃機工作者的關(guān)注,自圍窄的方法之一提出之日起,研究人員已經(jīng)對HCCI開(kāi)展了廣泛的研最早提出火花點(diǎn)火SI/HCCI混合燃燒模式概念的究15,并已經(jīng)取得了階段性成果早期的研究表明, Thring,在一臺四沖程的發(fā)動(dòng)機上進(jìn)行了HC試驗研以轉速和負荷表示的HCCI燃燒方式工作范圍小6,如究,并提出了發(fā)動(dòng)機在起動(dòng)和大負荷工況采用S、在中何拓寬HCCI的工作區域是當前HCCI研究過(guò)程中的等負荷工況采用HCI燃燒方式的混合燃燒模式思難題之一,在不能實(shí)現HCCI的工況范圍內采用傳統想在此基礎上, Ishibashi等人9和 Blundel等人等的燃燒方式工作,其余工況下采用H燃燒方式,即在中國煤化工和HC兩種燃燒方CNMHG收稿日期:2007-052基金項目:國家重點(diǎn)基礎研究發(fā)展計劃(973)資助項目(200CB209206);國家自然科學(xué)基金資助項目(5047607)作者簡(jiǎn)介:彭亞平(1980),男,博士研究生,inei@ email. jlu,odu.cm通訊作者:郭英男,goyn@j,ch,cm522燃燒科學(xué)與技術(shù)第13卷第6期式的轉換Kimm等人在四沖程發(fā)動(dòng)機進(jìn)行了壓縮表1發(fā)動(dòng)機主要類(lèi)型與技術(shù)參數著(zhù)火D和HCCI燃燒模式轉換.Jan等人采用可變技術(shù)參數指標壓縮比和預熱混合氣相結合的技術(shù)手段在多缸機上研型單缸、水冷、a燃燒室究了引入火花對HCCI和SI進(jìn)行燃燒模式轉換平穩性05以及燃燒穩定性的影響.Xu等人采用廢氣再循環(huán)沖程/m(EGR)研究了HCCI和SI間燃燒模式的轉換排量幾L壓縮比118筆者通過(guò)自行設計開(kāi)發(fā)的快速熱管理系統在一臺標定轉速/(rmin-1)2200改進(jìn)的單缸機上實(shí)現了乙醇燃料HCCI和S兩種燃燒獲得了各自的工作區域并在不同工況點(diǎn)實(shí)現了兩12試驗方法種燃燒模式的相互轉換,研究了乙醇HCCI燃燒臨界試驗時(shí),發(fā)動(dòng)機首先采用S方式起動(dòng)和熱機,此溫度工況下火花點(diǎn)火對燃燒穩定性的影響進(jìn)一步考時(shí)聯(lián)動(dòng)閥A全開(kāi),聯(lián)動(dòng)閥B關(guān)閉,缸內吸入溫度為室察了火花輔助點(diǎn)燃對混合燃燒模式SHcC燃燒模式溫的空氣,發(fā)動(dòng)機負荷由主節氣門(mén)控制,發(fā)動(dòng)機在小負轉換平穩性的影響荷工況工作、熱機,熱機的同時(shí)打開(kāi)熱管理系統,當冷試驗裝置和方法卻水溫達到80℃,進(jìn)氣溫度超過(guò)220℃,切換進(jìn)氣通道,聯(lián)動(dòng)閥A關(guān)閉,聯(lián)動(dòng)閥B全開(kāi),進(jìn)到缸內的為經(jīng)過(guò)1.1試驗裝置預熱的均勻混合氣,節氣門(mén)全開(kāi),關(guān)閉火花點(diǎn)火,實(shí)現試驗是在一臺經(jīng)過(guò)改進(jìn)的單缸機上完成的發(fā)動(dòng)HCO燃燒機的技術(shù)參數見(jiàn)表1.為了在同一臺發(fā)動(dòng)機上實(shí)現HC發(fā)動(dòng)機工作在HCCI方式時(shí),負荷調節方式與柴CI和S兩種燃燒模式,把原機的壓縮比從17降低到油機相同,均為質(zhì)調節隨著(zhù)負荷的增加,噴油量增加,18增加了一套電控點(diǎn)火系統采用自行開(kāi)發(fā)的電控混合氣逐漸變濃燃燒速度加快當噴油量增大到某進(jìn)氣道噴射方式噴射乙醇形成均勻混合氣在進(jìn)氣道值時(shí),由于化學(xué)反應速度過(guò)快,將出現爆震燃燒繼續的前端安裝自行開(kāi)發(fā)的快速熱管理系統加熱進(jìn)氣,實(shí)加濃混合氣,爆震增強將對發(fā)動(dòng)機產(chǎn)生損壞因此在現乙醇的HCCI燃燒同時(shí)為了實(shí)現S燃燒,改進(jìn)了發(fā)試驗過(guò)程中,通過(guò)安裝在缸體上的爆震傳感器監測缸動(dòng)機的進(jìn)氣系統試驗系統的詳細改進(jìn)見(jiàn)文獻[4,試內燃燒情況,當該傳感器輸出電壓急劇增大時(shí),即驗裝置簡(jiǎn)圖如圖1所示認為出現爆震燃燒,將這一邊界定義為爆震邊界.負荷減小,噴油量減少,混合氣變稀,缸內最高燃燒溫度降快速熱管理系統火花塞模式轉換控制裝置11大氣加熱器聯(lián)動(dòng)閥主節氣門(mén)(氣動(dòng)控制)Horiba廢氣分析儀進(jìn)氣溫度單片機高速采集卡中國煤化工缸壓采集計算機噴油觸發(fā)信號CNMHG圖1試驗裝置示意200年12月彭亞平等:火花點(diǎn)火對乙醇燃料 SUHCCI燃燒模式轉換平穩性的影響523低,發(fā)動(dòng)機轉矩減小,當油量減小至過(guò)量空氣系數超過(guò)22火花點(diǎn)火對乙醇HCCI燃燒穩定性的影響6時(shí),混合氣過(guò)稀,出現失火,發(fā)動(dòng)機工作不穩,將這一研究過(guò)程中,在乙醇HCCI燃燒臨界溫度工況,進(jìn)邊界定義為失火邊界行了火花點(diǎn)火對HCCI燃燒穩定性影響的研究,圖3給如前所述,由HCCI燃燒特點(diǎn)決定的其功率輸出出了1200r/min、點(diǎn)火提前角為30CA、p為02MPa不能滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機大負荷工況條件下的功率要求,而小有無(wú)火花點(diǎn)火時(shí),缸內連續示功圖的對比從圖中可以負荷條件下難以形成HCI燃燒所需的條件,因此,發(fā)看到,無(wú)火花點(diǎn)火時(shí),正常燃燒和失火交替出現,燃燒動(dòng)機采用 SI/HCCI復合燃燒方式是一種可行的方法.循環(huán)波動(dòng)r大,發(fā)動(dòng)機不穩,轉速和轉矩上下跳動(dòng);有基于此,在當前試驗系統中,在兩個(gè)邊界進(jìn)行 SI/HCCI火花點(diǎn)火時(shí),由于電火花點(diǎn)燃了火花塞附近的混合氣燃燒模式轉換時(shí)發(fā)現,在爆震邊界附近,缸內燃燒溫度缸內溫度升高,引燃了缸內其他未燃混合氣,基本上消要比失火邊界處高得多,且缸內混合氣燃空比要比失除了失火循環(huán)的產(chǎn)生,燃燒循環(huán)變動(dòng)減小.與文獻[15]火邊界大,本試驗系統中的電火花能量對于乙醇HCCI一樣,進(jìn)一步提高進(jìn)氣溫度,該電火花的能量對于改善燃燒的影響不明顯,故在失火邊界進(jìn)行了1200r/min、HCI燃燒的穩定性作用不明顯1300r/min以及1500r/min三個(gè)轉速工況的試驗,考察火花點(diǎn)火臨界溫度條件下對于改善乙醇HCCI燃燒火花點(diǎn)火穩定性的作用,同時(shí)進(jìn)行了火花點(diǎn)火對 SUHCCI燃燒模式轉換平穩性影響的試驗研究試驗過(guò)程中,采用 AVL GM12D型缸壓傳感器、無(wú)火花點(diǎn)火r8.7%AVL電荷放大器、光電編碼器、PCI1800高速數據采集卡以及相應的采集軟件,采集不同工況的示功圖采用PCI8l8HG數據采集卡與缸壓同步記錄了轉換過(guò)程中80-6040-20020p/°CA的發(fā)動(dòng)機轉速和轉矩,計算平均有效壓力圖3火花點(diǎn)火對HCCI燃燒穩定性的影響2試驗結果及分析23火花點(diǎn)火對S/HCCI燃燒模式轉換的影響2.1 SIHCCI混合燃燒模式的工作區域臨界溫度工況,引入火花點(diǎn)火改善了乙醇HCCI圖2給出了以轉速n和平均有效壓力p表示的乙的燃燒穩定性,因此,本研究進(jìn)一步討論了火花輔助點(diǎn)火對整個(gè) SI/HCCI燃燒模式轉換的影響.圖4為發(fā)動(dòng)醇燃料SHCI混合燃燒模式的工作范圍從圖中可機轉速1200mim時(shí)失火邊界處,有無(wú)火花點(diǎn)火對乙以看到隨著(zhù)發(fā)動(dòng)機轉速的升高,乙醇HCⅠ燃燒的工醇燃料失火邊界 SI/HCCI燃燒模式轉換的燃燒穩定性作范圍逐漸變窄這是由于轉速升高平均機械損失壓的影響從圖中可以看到,與沒(méi)有火花點(diǎn)火的情況相力隨之增大,導致p下降本試驗條件下,僅靠空氣稀比,存在火花點(diǎn)火時(shí)原本不能壓燃、著(zhù)火、燃燒的稀混釋,乙醇HCI燃燒的p峰值達到0.06MPa,再加濃合氣在電火花的引燃作用下著(zhù)火燃燒減少了失火循混合氣將產(chǎn)生爆震燃嬈,HC燃燒p的下限為環(huán)產(chǎn)生的機率,改善了乙醇SUHC燃燒模式轉換過(guò)006~0.20MPa,混合氣過(guò)稀將出現失火在兩個(gè)邊界渡過(guò)程的燃燒在1300rmn和1500rmin轉速下,試負荷改變時(shí),必須進(jìn)行燃燒模式轉換驗記錄的 SI/HCCI轉換過(guò)程中的缸內壓力進(jìn)一步表明,火花點(diǎn)火的確能改善SHCI燃燒模式轉換過(guò)渡過(guò)程的平穩性24火花點(diǎn)火對轉換過(guò)程中轉速和p的影響爆震邊界圖5為發(fā)動(dòng)機轉速1200r/min、點(diǎn)火提前角為30°CA時(shí),失火邊界有無(wú)火花點(diǎn)火對 SWHCCI燃燒模式轉HCCI工L作區換過(guò)失火邊界SL工作區中國煤化工火花點(diǎn)火明顯改善了120014001600燃燒,因此,過(guò)渡過(guò)程n/rmin)中發(fā)CNMR低,過(guò)渡過(guò)程的持續圖2乙醇SI和HCCI燃燒的工作區域時(shí)間縮短524燃燒科學(xué)與技術(shù)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-無(wú)火花點(diǎn)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]//圖4火花點(diǎn)火對SU/HC轉換過(guò)渡過(guò)程的影響SAE Paper. Detroit, Michigan, USA, 2005, 2005-01-0156[7 Koopmans L, Lundgren S, Backlund 0, et al. Demonstrating a04}火花點(diǎn)火SI-HCCI-SI mode change on a volvo 5-cylinder electronic valve0.3無(wú)火花control engine[ C]//SAE Paper.Detroit, Michigan, USA2003,2003-010753火花點(diǎn)[8] Thring R H. Homogeneous charge compression ignited(HCCI1250無(wú)火花點(diǎn)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圖5火花點(diǎn)火對轉換過(guò)程中轉速和p的影響[10] Blundell D, Tumer J, Duret P, et al. Design and evaluation ofautomotive engine[C]//3結論trot, Michigan, USA, 2003, 2003-01-040[Il] Kimura S, Ogawa H, Muranaka S, et al. New combustion con-(1)采用快速熱管理系統成功實(shí)現了乙醇燃料cept for ultra-clean and high efficiency small DI diesel enginesHCαI燃燒,確定了SI和HCCI兩種燃燒方式的工作范[C] //SAE Paper. Toronto, Ontario, Canada, 1999, 1999-01圍,在乙醇燃料HCCI燃燒的爆震邊界處,p最大可達到0.506MPn在失火邊界處,p為0.06-0.20MP,在12 Jari Hyvoner, Goran haraldsson, Bengt Johansson. Operating不同工況下成功實(shí)現了兩種燃燒的相互轉換tion mode transfer to SI in a multi-cylinder VCR-HCCI engine(2)在HCCI燃燒的臨界溫度工況下,使用火花輔[C] //SAE Paper. Detroit, Michigan, USA, 2005, 2005-01助點(diǎn)火后,能明顯改善HCCI燃燒的穩定性,減小循環(huán)變動(dòng)溫度升高,電火花的作用不明顯[13] Xu Hongming, Simon Rudolph, Liu Zhi, et al. An imvestigatio(3)火花輔助點(diǎn)火能改善失火邊界 SI/HCCI燃燒into the operating mode transitions of a homogeneous charge模式轉換的平穩性,但不能完全消除波動(dòng)因此,結合pression ignition engine using EGR trapping[ C] //SAE Pap其他的控制手段實(shí)現 SIHCCI混合燃燒模式的平穩過(guò)Detroit, Michigan, USA, 2004, 2004-01-1911渡是必要的[14]彭亞平,郭英男,劉金山,等.乙醇燃料SI-HCCI雙燃燒模式發(fā)動(dòng)機的工作區域[J].吉林大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版參考文獻: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,帥石金,等.火花點(diǎn)火對缸內直噴汽油機HCCI燃燒的影響[].內燃機學(xué)報,2005,23(2):105-gine operation with residual gas trapping[ J]. Fuel,2005, 84中國煤化工2372-2379CNMHin, et al. 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