乙醇燃料均質(zhì)壓燃的燃燒循環(huán)變動(dòng)

第37卷第2期吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)Vol. 37 No. 22007年3月Journal of Jilin University (Engineering and T echnology Edition)Mar. 2007乙醇燃料均質(zhì)壓燃的燃燒循環(huán)變動(dòng)彭亞平',郭英男',黃為鈞',譚滿(mǎn)志',董磊'，王 志偉2(1.吉林大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院，長(cháng)春130022; 2.車(chē)輛排放與節能重慶市市級重點(diǎn)實(shí)驗室,重慶400039)摘要:在一臺由CA6110柴油機改造而成的單缸發(fā)動(dòng)機上進(jìn)行了乙醇燃料均質(zhì)壓燃燃燒循環(huán)變動(dòng)的研究。結果表明:隨著(zhù)過(guò)量空氣系數增大,最大燃燒壓力、平均指示壓力、燃燒持續期的循環(huán)變動(dòng)均增大,燃燒始點(diǎn)的標準偏差減小。隨著(zhù)進(jìn)氣溫度的升高，最大燃燒壓力升高，而平均指示壓力先升高后下降。兩者的循環(huán)變動(dòng)均減小，燃燒始點(diǎn)的循環(huán)變動(dòng)增大，燃燒持續期縮短,循環(huán)變動(dòng)減小。引入適量的EGR能顯著(zhù)地改善燃燒速率，降低最大壓升率，但EGR過(guò)大會(huì )使混合氣不能穩定、連續地著(zhù)火燃燒。關(guān)鍵詞;動(dòng)力機械工程;乙醇;燃燒;均質(zhì)壓燃;循環(huán)變動(dòng)中圖分類(lèi)號:TK464文獻標識碼:A文章編號: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發(fā)動(dòng)機燃燒循環(huán)變動(dòng)是反映發(fā)動(dòng)機工作過(guò)程的循環(huán)變動(dòng),則可以改善發(fā)動(dòng)機的工作平穩性和中燃燒穩定性的重要參數。如果消除了氣缸壓力燃油經(jīng)濟性,同時(shí)還可降低發(fā)動(dòng)機的排氣污染。中國煤化工收稿日期:200603-16.YHCNMHG基金項目:國家重點(diǎn)基礎研究發(fā)展規劃項目(2001CB209206).作者簡(jiǎn)介:彭亞平(1980 -),男,博士研究生.研究方向:新能源與節能技術(shù). E mail: sinfei2002@ 163. com通訊聯(lián)系人:郭英男(1946-),男,教授,博士生導師.研究方向:新能源與節能技術(shù). E-tmail: guoyn@jlu. edu. cn●302●吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)第37卷-般來(lái)說(shuō)柴油機的循環(huán)變動(dòng)較小而汽油機的循環(huán)1.2試驗方 法變動(dòng)較大,因此燃燒循環(huán)變動(dòng)的研究一直以來(lái)都試驗過(guò)程中發(fā)動(dòng)機轉速穩定在1200 r/ min,是汽油機研究的一個(gè)重要課題1.2]。均質(zhì)壓燃通過(guò)調整電加熱器的加熱功率實(shí)現進(jìn)氣溫度的改(HCCI)是- -種結合了點(diǎn)燃式和壓燃式兩種燃燒變,在不同進(jìn)氣溫度、過(guò)量空氣系數中。和EGR率方式各自?xún)?yōu)點(diǎn)的新型燃燒方式，它具有高的熱效工況下對乙醇燃料HCCI進(jìn)行了試驗研究。率和極低的NO,排放,已經(jīng)成為當前的研究熱EGR率(%)是通過(guò)FGA-4100汽車(chē)排放分析儀點(diǎn)。研究表明,HCCI的著(zhù)火與燃燒受燃料與空測量進(jìn)、排氣管的CO2體積濃度進(jìn)行計算氣的化學(xué)反應動(dòng)力學(xué)控制,其燃燒過(guò)程只能通過(guò).D:、TEGR =D。. X 100%(1)間接手段實(shí)現控制，如進(jìn)氣溫度、廢氣再循環(huán)(EGR)等[3-5]。研究發(fā)現，HCCI燃燒的循環(huán)變式中:D,和D。分別為進(jìn)、排氣道中CO2的濃度。動(dòng)影響HCCI的工作區[6-8],因此對其進(jìn)行深人.燃燒循環(huán)變動(dòng)表示的方法有很多,常用的表研究可以為均質(zhì)壓燃的燃燒過(guò)程控制策略提供-一示方法是采集示功圖。根據示功圖計算最高氣缸些指導。為此,本文對進(jìn)氣溫度、過(guò)量空氣系數和壓力相應于最高壓力的曲軸轉角、最大壓力升高EGR三個(gè)參數對乙醇燃料HCCI燃燒的循環(huán)變比和相應于最大壓力升高比的曲軸轉角。相比較動(dòng)的影響進(jìn)行了研究。而言,平均指示壓力被認為是評價(jià)燃燒循環(huán)變動(dòng)的最佳參數[。本文根據示功圖計算了平均指示1試驗裝置和試驗方法壓力的循環(huán)變動(dòng)系數1.1 試驗裝置0OVp;= o x 100%(2)試驗在--臺由CA6110柴油機改造而成的乙醇HCCI單缸試驗機上進(jìn)行,缸徑為110 mm,行式中:P 為多個(gè)循環(huán)平均指示壓力的平均值;8。程為120 mm,壓縮比為17,燃燒室形狀為田型，為平均指示壓力的標準偏差。額定功率和額定轉速分別為19.5 kW和2900 r/類(lèi)似地,還計算了缸內最大燃燒壓力P加wx 的min。循環(huán)變動(dòng)系數以及著(zhù)火始點(diǎn)和50%放熱位置的.圖1為試驗裝置簡(jiǎn)圖。循環(huán)變動(dòng)標準差。本文以燃燒總放熱量的10%、50%和90%確立燃燒始點(diǎn)p.oe 、中so以及燃燒終點(diǎn)位置,燃燒持續期中為燃燒始點(diǎn)和終點(diǎn)之間的曲軸轉角,把壓縮上止點(diǎn)稱(chēng)為360°曲軸轉角。6002試驗結果及分析2.1過(guò)量空氣系數對循環(huán)變動(dòng)的影響1-發(fā)動(dòng)機; 2-氣缸壓力采集系統; 3- 缸壓傳感器:圖2為進(jìn)氣溫度為150 C、不同過(guò)量空氣系4-乙醇噴嘴: 5- 電控燃料噴射系統; 6- 加熱器;7-穩壓箱: 8~空氣流量計數時(shí)燃燒壓力參數的變動(dòng)情況,橫線(xiàn)代表平均值。從圖2(a)、(b)可以看出,隨著(zhù)過(guò)量空氣系數圖1試驗裝置簡(jiǎn)圉的減小,pmx和p的平均值增大,pmx和p的循環(huán)Fig. 1 Sketch map of the test apparatus燃料供給采用一套電控進(jìn)氣道噴射系統實(shí).變動(dòng)系數變小，p反映出的循環(huán)變動(dòng)比Prmx 反映現,噴油嘴安裝在靠近發(fā)動(dòng)機進(jìn)氣道位置,采用進(jìn)出的效果好。由圖2(c)可知，缸內最大燃燒壓力氣預熱的方式對進(jìn)到缸內的新鮮空氣進(jìn)行預熱，的曲軸轉角隨過(guò)量空氣系數的減小而顯著(zhù)提前。在進(jìn)氣管上安裝了一個(gè)穩壓箱,以減小進(jìn)氣脈動(dòng)圖3為不同過(guò)量空氣系數時(shí)燃燒特征參數的對測量空氣流量的影響,空氣流量計安裝在穩壓“圖中可川看到，隨著(zhù)過(guò)量空氣箱的入口位置。系數MH中國煤化工二差增大,最大放熱氣缸壓力采集系統由安裝在缸蓋上的AVL率增. CNM H G減小，燃燒持續期GM12D型缸壓傳感器、電荷放大器、高速數據采.縮短,其循環(huán)變動(dòng)也減小，而對應于最大燃燒壓力集板和相應的數據采集軟件組成。試驗中各工況的中o和中so的位置提前,但pmm和p與兩者的位點(diǎn)連續采集60個(gè)工作循環(huán)用于循環(huán)變動(dòng)的分析。置關(guān)系不大。第2期彭亞平,等:乙醇燃料均質(zhì)壓燃的燃燒循環(huán)變動(dòng)●303●)「370p8一36號sfg3614十0-3.8 COVpma = 1.63%35|wwwMwAwwv2t+ 4.-5.9 COVPmax = 2.15%35010203040506002030 4050 60循環(huán)數(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循環(huán)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中圖2不同過(guò)最t空氣系數時(shí)燃燒壓力參數的循環(huán)變動(dòng)情況8tFig. 2 Variation of combustion pressure under different15air/fuel equivalence ratios由著(zhù)火理論可知，混合氣的著(zhù)火溫度隨混合氣的濃度升高而下降。因此,過(guò)量空氣系數越小，←0, -3.8 COVφa s 8.59%←0-=5.9 COVφs= 11.73%意味著(zhù)混合氣的著(zhù)火溫度越低，單位體積內的有效碰撞次數越多,從而使燃燒提前,放熱率增大，燃燒速率大,燃燒的穩定性提高。120 302.2進(jìn)氣溫度對循環(huán)變動(dòng)的影響中國煤化工圖4為過(guò)量空氣系數為3.8時(shí)不同進(jìn)氣溫度條件下的燃燒壓力參數的循環(huán)變動(dòng)情況。從圖中YHCNMHG燃燒特征參數的可以看到,隨著(zhù)進(jìn)氣溫度的升高,pmux的平均值增Fig.3 Variation of combustion characteristic parameters大,而p是先增大后減小,但兩者的循環(huán)變動(dòng)均under different air/fuel equivalence ratios減小。圖4(c)為不同進(jìn)氣溫度時(shí)缸內最大燃燒，304●吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)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循環(huán)數(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號.-14.74%8.07.5 t中面ir0葉0_ξ 7.0.110Ci 606.5*130C點(diǎn)6.0●160C5.s5-0f/30-4.s55370中(CCA)(c) Pmax以中《c) dQmux/ do圖4不同進(jìn)氣溫度時(shí)燃燒壓力的循環(huán)變動(dòng)情況Fig.4 Variation of combustion pressure under differentintake temperatures壓力的相位,顯然提高進(jìn)氣溫度將使Pmux出現相? 15位提前。喜10-"VVT圖5為不同進(jìn)氣溫度時(shí)燃燒特征參數隨循環(huán)十-110C COV中s =2338%數的變化情況。進(jìn)氣溫度越高,燃燒始點(diǎn)pmc位置Tim=130C COV中s= 18.32%T=160C COVqs = 18.16%和中3o位置的標準偏差越大,最大放熱率先升高后4C下降,且循環(huán)變動(dòng)減小，但燃燒持續期逐漸縮短,燃燒持續期的循環(huán)變動(dòng)也降低,這進(jìn)--步說(shuō)明提:(d)中高進(jìn)氣溫度可以提高燃燒的穩定性。圖5不同進(jìn)氣溫度時(shí)燃燒特征參數的循環(huán)變動(dòng)情況進(jìn)氣溫度增高,單位體積內活化分子的數目aracteristic parameters中國煤化工erntures急劇增大,因此有效碰撞也增多,反應速率也急劇增大。同時(shí),燃燒的著(zhù)火延遲期縮短,因此燃燒提2.,YRCNMHG晌.前,缸內最大燃燒壓力升高，燃燒持續期縮短,但圖6為過(guò)量空氣系數為3. 8、進(jìn)氣溫度為150溫度過(guò)高時(shí)燃燒過(guò)早,使壓縮負功增加,因此使得C時(shí),EGR率對燃燒壓力參數循環(huán)變動(dòng)的影響。平均指示壓力下降。從圖6(a)、(b)中可以看出,在進(jìn)氣溫度和過(guò)量空第2期彭亞平,等:乙醇燃料均質(zhì)壓燃的燃燒循環(huán)變動(dòng)●305●力升高率,但同時(shí)會(huì )使燃燒的循環(huán)變動(dòng)增大。引人EGR不僅降低了氧的濃度,同時(shí)缸內EOR=40%MECR-81% COVpmes = 9.75%380r75-2365]=370wwMWAA1020304050 60循環(huán)數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)機-7EGR=40% 點(diǎn)=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號40140S30356 358 360 362 364 366 368 370 372 374中/(°CA)20葉(c)Pm vs中1ofVVVVVWV弋圖6不同EGR率時(shí)燃燒壓力參數的循環(huán)變動(dòng)情況30 40Fig, 6 Variation of combustion pressure under different循環(huán)數.EGR ratios(c) dQmx/d8氣系數-一定時(shí),隨著(zhù)EGR率的增大，pmx和p的50r+ IEGR= 0% CONDs 1051%平均值減小,但pmx和p的循環(huán)變動(dòng)都增大。結NEGR- 81% COV8, = 46.6%合圖6(c),當EGR率為81%時(shí),缸內燃燒壓力和壓縮壓力基本上沒(méi)有差別,偶爾出現波動(dòng),說(shuō)明此10f時(shí)缸內混合氣基本.上很難實(shí)現連續著(zhù)火。圖7為不同EGR率時(shí)燃燒特征參數的循環(huán)變動(dòng)情況。EGR率越大,中和中so越滯后,并且兩10葉者的循環(huán)變動(dòng)標準差增大,最大放熱率降低,最大中國煤化工40放熱率的循環(huán)變動(dòng)增大,燃燒持續期增加,燃燒持續期的變動(dòng)也增大。從圖中可以看出,當EGRHCNM HG為81%時(shí)pmx和p.在大范圍內變化，這時(shí)候缸圖7不同EGR辜時(shí)燃燒特征參數的循環(huán)變動(dòng)情況內氧氣體積濃度已經(jīng)很低,因此基本上沒(méi)有著(zhù)火Fig. 7 Variation of combustion characteristic parameters燃燒,說(shuō)明EGR可以抑制化學(xué)反應速度,降低壓under different EGR ratios.吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)第37卷工質(zhì)的熱容變大,因此最大燃燒壓力下降,燃燒推tion and potential for transition to spark ignited op-遲,燃燒持續期延長(cháng),循環(huán)變動(dòng)增大[10]。eration[C]// SAE Paper, 2001-01-3613.[ 5 ] Jan Ola OIsson, Per Tunestal,Jonas Ulfviketal. The3結論effect of cooled EGR on emissions and performanceof a turbocharged HCCI engine[C] // SAE Paper,(1)隨著(zhù)過(guò)量空氣系數增大,px和p;減小，2003 -03-0743.但是兩者的循環(huán)變動(dòng)增大，燃燒始點(diǎn)中ooo 位置和[ 6] Persson H, Peiffer R, Hultqvist A,et al, Cylinder-中so位置推遲，兩者的循環(huán)變動(dòng)標準差減小,因此to-cylinder and cycle to-cycle variations at HCCI op-采用過(guò)量空氣系數較小的混合氣時(shí),乙醇燃料均eration with trapped residuals[C] // SAE Paper,質(zhì)壓燃燃燒更穩定。2005-01-0130.(2)隨著(zhù)進(jìn)氣溫度的升高，Pm增大,p:先增[ 7 ] Hyvonen J, Haraldsson G, Johansson B. Balancing大后下降,循環(huán)變動(dòng)減小，燃燒趨于穩定,但燃燒cylinder to cylinder variations in a multi-cylinder始點(diǎn).位置和中so位置的循環(huán)變動(dòng)標準偏差增VCR_ .HCCI engine[C]// SAE Paper, 2004-01-1897.[8]劉金山,郭英男,譚滿(mǎn)志,等.乙醇燃料內燃機均質(zhì)壓大。燃的工作區域[J].吉林大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版，2006 ,36(3)引人EGR能降低缸內最大壓力和最大(3) :327-330.壓升率，推遲和延長(cháng)燃燒,但是使循環(huán)變動(dòng)增加。Liu Jin-shan, Guo Ying nan, Tan Man-zhi,et al.采用適量的EGR時(shí)能較好地解決最大燃燒壓力HCCI operating region of internal combustion engine和燃燒延遲，而EGR過(guò)大將導致缸內混合氣很with ethanol as fuel[J]. Journal of Jjilin University難連續著(zhù)火。( Engineering and Technology Edition)， 2006, 36(3):327-330. .參考文獻:[9]李興虎,蔣德明,沈惠賢.火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機壓力循環(huán).[1]周龍保.內燃機學(xué)[M].北京:機械工業(yè)出版社，變動(dòng)的評價(jià)方法研究[J].內燃機學(xué)報,2000,2: 171-1999.174.[ 2 ] Bytter s, Rognvaldsson T , Wickstr N. Estimation ofLi Xing-hu, Jiang Derming, Shen Hui-xian. 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