乙醇燃料均質(zhì)壓燃(HCCI)燃燒邊界

第11卷第4期燃燒科學(xué)與技術(shù)005年8月Journal of Combustion Science and TechnologyAug.2005乙醇燃料均質(zhì)壓燃(HCCⅠ)燃燒邊界劉金山,郭英男,譚滿(mǎn)志,李盛成,黃維鈞吉林大學(xué)內燃機系,長(cháng)春130022)摘要∶在一個(gè)單缸排量為1.14Ⅰ壓縮比為17:1的自然吸氣發(fā)動(dòng)機上使用乙醇燃料采用進(jìn)氣道低壓噴射進(jìn)行了HCI燃燒區域的實(shí)驗研究.結果表明在進(jìn)氣溫度為150℃時(shí)乙醇燃料可以在較寬的范圍內(φ,=1-9)實(shí)現HCI燃燒并且以過(guò)量空氣系數為標志存在著(zhù)明顯的邊界.當過(guò)量空氣系數d>9時(shí)燃燒不完全、甚至熄火=9為該實(shí)驗條件下的稀燃界限當過(guò)量空氣系數d<3時(shí)不加ER則產(chǎn)生爆震燃燒加入EGR則爆震現象消失可以實(shí)現HCI燃燒小。=3為該實(shí)驗雜件下的爆震限.當過(guò)量空氣系數φ。<1時(shí)加入較多的EGR可以實(shí)現HCCI燃燒但由于燃燒不完全CO排放大幅度增加指示效率下降。=1為該實(shí)驗條件下的濃燃界限.關(guān)鍵詞:乙醇;均質(zhì)壓燃;邊界;過(guò)量空氣系數中圖分類(lèi)號:TK464文獻標志碼:A文章編號:1006-87402005)4-0369-04HCCI Combustion Boundiaries of Ethanol as Engine FuelLIU Jin-shan, GUO Ying-nan TAN Man-zhi, LI Sheng-cheng, HUANG Wei-junDepartment of Internal Combustion Engine, Jilin University Changchun 130022, ChinaAbstract: HCCK homogeneous charge compression ignition )combustion boundaries of ethanol as the fuel of a naturally as-pirated engine with 1. 14 L displacement per cylinder and compression ratio of 17: I was studied experimentally which wasinjected under low pressure into the inlet manifold. The experimental results show that the excess air ratio d, can be regar-ded as a criterion to distingwish HCCI combustion boundaries and HCCI combustion occurs in a wide range of d, =1-9when the intake charge is preheated to 150C. When is larger than 9 the mixture is too lean which is characterized bythe incomplete combustion and even misfire. So d. =9 is the lean limit for the tested conditions When d. is less than 3 andwithout EGR, knock combustion occurs and NO, increases remakably. When EGR is introduced sufficiently knock comdisappears and HCCI combustion is achieved. So =3 is the knock combustion limit for the tested conditionsWhen c, is less than I although HCCI combustion occurs with a large rate of EGR, Co emission increases rapidly and thendicated efficiency decreases because of incomplete combustion. So d, l is the rich limit for the tested conditionsKeywords: ethanol homogeneous charge compression ignition( HCCI); limit excess air ratio均質(zhì)混合氣壓縮著(zhù)火燃燒(HCI)是內燃機一種度較低只產(chǎn)生少量的NO231.因此HCCI燃燒是一種很有前途的替代燃燒方式凵.HcCI燃燒采用壓燃式高效低污染的燃燒方式是當前囯際內燃機界研究的內燃機的著(zhù)火方式使用較高的壓縮比使燃料在足夠熱點(diǎn).但是這種燃燒方式必須使用稀混合氣因而限高的溫度下發(fā)生自燃具有較高的指示熱效率盧一般制了發(fā)動(dòng)機的負荷上限和負荷下限45.為了探索乙壓燃式發(fā)動(dòng)機有所不同使用的是火花點(diǎn)火內燃機的醇燃中國煤化工域找出影響該區域均勻混合氣,燃燒時(shí)不會(huì )產(chǎn)生碳煙.為了控制燃燒速的因素CNMHGCO燃燒區域的研究率HCCI燃燒必須使用非常稀的混合氣缸內燃燒溫筆者使用排重為1.14L壓縮比為17:1的發(fā)*收稿日期:2005-03-24作竭歲周x:生人第英男2370燃燒科學(xué)與技術(shù)第11卷第4期動(dòng)機進(jìn)行了乙醇燃料HCCⅠ燃燒邊界的實(shí)驗.行第6缸實(shí)驗缸)噴油當冷卻水溫、潤滑油溫度達到最佳狀態(tài)(85±5)℃)測取發(fā)動(dòng)機的有效扭實(shí)驗儀器和設備躚(T)和轉速n然后向第6缸進(jìn)氣道嘖入乙醇燃料第6缸開(kāi)始參加工作由于測功機為恒轉速運行,實(shí)驗是在一臺6缸自然吸氣式柴油機基礎上改造這時(shí)的扭距為6缸同時(shí)工作的扭距(T)則第6缸的單缸機上進(jìn)行的即把柴油機第6缸的進(jìn)、排氣及供的指示扭矩為油系統獨立岀來(lái)采用進(jìn)氣管?chē)娚湫纬删鶆蚧旌蠚庥秒娂訜嵯到y預熱進(jìn)入氣缸的空氣.用廢氣再循環(huán)控制第6缸的指示功率為爆震的產(chǎn)生.圖1為實(shí)驗裝置示意實(shí)驗用發(fā)動(dòng)機的主要技術(shù)參數如表1主要設備500儀器如表2第6缸的平均指示壓力為120PPm(6)EGR管路EGR閥Vsi式中:Vs為汽缸工作容積,m3;n為發(fā)動(dòng)機轉速空氣流量計進(jìn)氣加熱器電控噴油器2.2EGR率的確定噴油泵在混合氣較濃時(shí)為防止產(chǎn)生爆震燃燒高比例廢為其余5缸供治氣再循環(huán)(EGR)是必須的.EGR量通過(guò)連接進(jìn)排氣管上的閥門(mén)進(jìn)行調節.EGR率通過(guò)測量進(jìn)排氣中CO乙醇柴油的體積分數計算得到EGR率的定義為圖1實(shí)驗裝置示意Pco, in-cO%Re100%表1實(shí)驗機的主要技術(shù)參數式中m2m為進(jìn)氣總管內氣體CO2的體積分數2h支術(shù)參數描標為周邊環(huán)境大氣中C02的體積分數0為排氣中類(lèi)型自然吸氣、直列、四沖程、水冷CO2的體積分數前5缸缸內噴射柴油第6缸進(jìn)氣道噴射乙醇2.3爆震燃燒與HCCI燃燒的區分燃燒室形式HCCⅠ燃燒與爆震燃燒雖然都是可燃混合氣的自缸徑x行程/mm110×195燃但是兩者存在著(zhù)明顯的區別.HCCⅠ是可控燃燒速單缸排量/L率的自燃缸內壓力是均勻的無(wú)沖擊波產(chǎn)生、缸內最壓縮比17:1高燃燒溫度較低因此№O,排放極低.而爆震燃燒是表2實(shí)驗設備及儀器不可控燃燒速率的自燃北學(xué)反應速度極快壓力來(lái)不生產(chǎn)廠(chǎng)家及膨脹伴隨沖擊波產(chǎn)生,缸內最高燃燒溫度較高電渦流測功機洛陽(yáng)南峰機械制造廠(chǎng)NO.排放較高.因此可用以下兩種方法區分爆震燃燒油耗儀DF-313日本小野測器和HCCⅠ燃燒.排氣分析儀FGA-4100佛山分析儀器廠(chǎng)2.3.1用爆震傳感器輸出的電壓信號區分爆震傳感器共振型西門(mén)子公司圖2給出了轉速n=2000r/min時(shí)爆震燃燒與空氣流量計孔板式開(kāi)封儀表廠(chǎng)HCCⅠ燃燒情況下爆震傳感器輸出電壓信號的峰值U隨循環(huán)次數的變化關(guān)系曲線(xiàn)2實(shí)驗方法與實(shí)驗條件中國煤化工下爆震傳感器輸出電壓峰值CNMHG時(shí)爆震傳感器輸出信2.1實(shí)驗氣缸平均指示壓力的計算號的幅值較小在±2Ⅴ之間.而爆震燃燒時(shí)傳感器對毎一工況實(shí)驗時(shí)首先使發(fā)動(dòng)機保持恒轉速運輸出信號幅值成倍增加接近±6V且跳躍明顯2005年8月劉金山等乙醇燃料均質(zhì)壓燃(HCCI)燃燒邊界從圖中可以看到有3條邊界線(xiàn)邊界線(xiàn)1和2之間是不加EGR即可以實(shí)現HCCⅠ燃燒的區域邊界2和3之間是加入EGR后可以實(shí)現HCCⅠ燃燒的區域橫坐標和邊界線(xiàn)1之間是熄火區和不穩定工作區域a)爆震燃燒12001400160018002000220024002600n/(r.min)圖4用平均指示壓力表示的HCCI區域與HCCI燃燒情況下爆震傳感器輸出的電壓信號UCheno2.3.2用排氣中NO排放的濃度區分圖3為n=1200r/min時(shí)HCCⅠ燃燒與爆震燃燒圖5用循環(huán)供油量表示的HCCI區域的NO.排放與過(guò)量空氣系數的關(guān)系.由圖可知,當過(guò)量空氣系數d>3時(shí)NO,的排放值很低(100×106以下)為HCCI燃燒.當過(guò)量空氣系數d。<3時(shí)NO的排放值急劇增加為爆震燃燒.150今12001400160018002000220024002600圖6用功率表示的HCCI區域2.533.54.5圖3NO2排放與過(guò)量空氣系數的關(guān)系3實(shí)驗結果及分析中國煤化CNMH3.1乙醇燃料HCCI工作區域圖4~圖7分別給出了不同轉速下以平均指示壓92001400160018002000220024002600力、每循環(huán)供油量、功率和小時(shí)耗油量B表示的HCCIcm失火區無(wú)EGR的HCC區加EGR的HcC區工作區域圖7用小時(shí)耗油量表示的HCCI區域372燃燒科學(xué)與技術(shù)第11卷第4期從圖4可以看出在該實(shí)驗條件下乙醇燃料進(jìn)行HC燃燒時(shí)負荷上限可達0.6MPa1200rmin4結論和0.4MPa/2600r·min-1.高、低速之間的差別,主要由充氣效率隨轉速的增加而降低引起.HCCⅠ燃燒負(1)在壓縮比為17的發(fā)動(dòng)機上使用乙醇燃料采荷下限為0.1MPa當平均指示壓力低于0.1MPa混用進(jìn)氣道低壓噴射形成混合氣進(jìn)氣溫度為150℃在合氣過(guò)稀產(chǎn)生不完全燃燒甚至熄火過(guò)量空氣系數1~9范圍內成功實(shí)現HCCI燃燒HC3.2稀燃界限、爆震限和濃燃界限CI燃燒只產(chǎn)生少量NO.能得到很高的熱效率.從上面的分析中可知,當循環(huán)供油量低于邊界線(xiàn)(2)過(guò)量空氣系數對HCCI的燃燒邊界有著(zhù)顯著(zhù)1時(shí)產(chǎn)生不完全燃燒甚至熄火稱(chēng)邊界線(xiàn)1為HCCⅠ的影響存在明顯的稀燃界限、爆震限和濃燃界限.當燃燒的稀燃界限.當循環(huán)供油量超過(guò)邊界線(xiàn)2時(shí)不加φ,>9時(shí)由于混合氣過(guò)稀發(fā)生熄火現象發(fā)動(dòng)機不EGR則產(chǎn)生爆震燃燒稱(chēng)邊界線(xiàn)2為HCⅠ燃燒的爆能穩定運行φ。=9為該條件下的稀燃界限瀅Φ。<1震限.而當循環(huán)供油量超過(guò)邊界線(xiàn)3時(shí)加入EGR雖時(shí)加入EGR雖然可實(shí)現HCCⅠ燃燒,但由于燃燒不可實(shí)現HCCI燃燒但CO排放大幅度增加指示效率完全CO排放增加詣示效率降低φ。=1為該條件下降低稱(chēng)邊界線(xiàn)3為HCCI燃燒的濃燃界限的濃燃界限當φ<3時(shí)不加EGR則產(chǎn)生爆震燃燒,對應上述3條邊界線(xiàn)的指示效率η和過(guò)量空氣系加入ER可實(shí)現HCCI燃燒.d。=3為該條件下的爆數d。的變化趨勢如圖8和圖9所示從圖中可以看到震限在該實(shí)驗條件下乙醇燃料進(jìn)行HCCI燃燒時(shí)稀燃界(3)使用爆震傳感器和NO排放值可以區分爆限φ≈9爆震限≈3濃燃界限d?！?震燃燒和HCCI燃燒參考文獻爆震限[1] Pucher G R, Gardiner DD. 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