甲醇/乙醇/汽油HCCI燃燒和排放特性對比

第25卷(200)第3期內燃機學(xué)報Transactions of CSICEvol.25(2007)No.3文章編號:1000-0909(2007)03-0223-0625036甲醇/乙醇/汽油HCCI燃燒和排放特性對比魏志鵬,謝輝,何邦全,趙華(天津大學(xué)內燃機燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室,天津30002)摘要:在Rado單缸四沖程汽油機上采用內部廢氣再循環(huán)策略實(shí)現了汽油、乙醇和甲醇的HcCI燃燒,并對比了這3種燃料HCC的燃燒和排放特性。結果表明在HCCI燃燒模式下醇類(lèi)燃料與汽油相比有更多的燃料參與了低溫反應,有利于化學(xué)動(dòng)力學(xué)反應的進(jìn)行因此醇類(lèi)燃料提前著(zhù)火時(shí)刻縮短燃燒持續期降低發(fā)動(dòng)機的燃燒溫度;在相同的發(fā)動(dòng)機轉速和空燃比條件下醇類(lèi)燃料可以極大地降低發(fā)動(dòng)機的NO,排放特別是甲醇的NO,排放最低可達2x10°;并且醇類(lèi)燃料更有利于稀燃適用于中高速的發(fā)動(dòng)機工況。關(guān)鍵詞:HCCl;汽油;乙醇;甲醇;燃燒;排放中圖分類(lèi)號:TK4189文獻標志碼:AComparison of Combustion and Emission Characteristics of HCCICombustion Fueled with Methanol. Ethanol and GasolineWEI Zhi-peng, XIE Hui, HE Bang-quan, ZHAO HuaState Key Laboratory of Engines, Tianjin University, Tianjin 300072, China)Abstract: With intemal exhaust gas recirculation strategy, the HCCI combustion was achieved in a Ricar-do four-stroke single cylinder gasoline engine fuelled with gasoline, ethanol and methanol respectivelyand the combustion and emission characteristics of these fuels were compared. Study results showed thatcompared with gasoline, more alcohol fuel took part in low temperature reactions, and chemical kineticaction was greatly improved. Therefore, alcohols can largely advance the ignition timing, reduce combuscan largely reduce NO, emissions, especially in the case of methanol where No, emission was only 2 x10. Alcohols are good at lean combustion, and it suitable for high-speed operation conditioKeywords: HCCI; Gasoline; Ethanol; Methanol; Combustion; Emissio引言SI燃燒相比有較高的熱效率和低的NO,排放,因此HCCI在發(fā)動(dòng)機上的應用有著(zhù)廣闊的發(fā)展前景。在汽均質(zhì)混合氣壓燃著(zhù)火(HCCI)燃燒是一種新型的油機中HCCI燃燒主要受爆震、失火和部分燃燒的限燃燒方式,它不同于傳統的火花點(diǎn)火(S)和壓燃(CI)制2),而且和傳統的S燃燒相比可運行范圍比燃燒而是有S均質(zhì)混合氣特點(diǎn),又有CI壓縮著(zhù)火的較小。特點(diǎn)。在HCCI發(fā)動(dòng)機中,可燃混合氣是在進(jìn)氣過(guò)程醇類(lèi)燃料(主要是甲醇、乙醇)被認為是最有希望中形成的,而且被認為是均勻分布的;當活塞到達上止的替代燃料,而且研究表明醇類(lèi)燃料有降低發(fā)動(dòng)機點(diǎn)附近時(shí),這些混合氣由于高溫而在整個(gè)燃燒室內自NO,和HC排放的性能,主要是由于醇類(lèi)燃料有著(zhù)和燃著(zhù)火。這種燃燒方式由于燃燒持續期短大部分的汽油、柴油等不同的反應方式4。為了更好地了解燃燒發(fā)生在上止點(diǎn)附近提高了發(fā)動(dòng)機的熱效率;燃燒醇類(lèi)燃料在汽油HCCI發(fā)動(dòng)機中對燃燒和排放性能的溫度低,從而也降低了No排放。HCCI燃燒和傳統影響立時(shí)用7酸的缺和排放的特點(diǎn)進(jìn)行了詳中國煤化工收稿日期:2006-07-21;修回日期:2006-12-1l。CNMHG基金項目:國家重點(diǎn)基礎研究發(fā)展規劃資助項目(2001cB209200)。作者簡(jiǎn)介;魏志鵬,碩士研究生,E-mil;weia1234@eou224內燃機學(xué)報第25卷第3期細地分析,并通過(guò)對汽油燃燒和排放特性的對比,更深并且在開(kāi)始的若干循環(huán)內采用SI模式這樣可以在氣入地了解甲醇、乙醇在HCCI汽油機上和汽油所表現缸內留住一定量的高溫廢氣;然后關(guān)掉火花點(diǎn)火,使發(fā)出來(lái)的差異。動(dòng)機在HCCI模式下運行。改變發(fā)動(dòng)機的運轉工況1試驗設備和試驗過(guò)程采集各個(gè)工況下的數據點(diǎn)。試驗中所用到的燃料為甲醇、乙醇和汽油,其性質(zhì)如表2所示。本試驗所采用的是 Ricardo Hydra四沖程、單缸汽油機,具體參數如表1所示。衰2燃料性質(zhì)Tab. 2 The property of the fuels表1單缸機參數燃油密度/低熱值Tab. 1 The specification of the single-cylinder engine類(lèi)型(km)(Myk)(Mg)辛烷值m(H):m(C)2.019.916單缸枳(四沖程)乙醇789.326.7880.854缸徑/mm汽油760.043.9-4440.31-0.34931.8-2.0排量/mL壓縮比每缸氣門(mén)數2試驗結果和分析轉速/(r/min)<650021甲醇、乙醇、汽油的著(zhù)火時(shí)刻的分析進(jìn)氣壓力自然吸氣著(zhù)火時(shí)刻(CA10),定義為燃料燃燒10%時(shí)所對應噴射方式進(jìn)氣道噴射的曲軸轉角。在HCCI燃燒模式下,著(zhù)火時(shí)刻并不像噴射壓力/MPa傳統的汽油機和柴油機那樣受火花點(diǎn)火和噴油時(shí)刻的控制而是受化學(xué)動(dòng)力學(xué)的控制并且經(jīng)過(guò)驗證表明在為了實(shí)現HCI燃燒,在研究中采用了缸內廢氣進(jìn)氣過(guò)程中混合氣的渦流和湍流對HCCI燃燒的影響再循環(huán)(IGR),利用高溫廢氣來(lái)加熱新鮮混合氣,從非常小。而使混合氣在壓縮上止點(diǎn)附近達到自燃溫度,實(shí)現甲醇、乙醇和汽油的著(zhù)火時(shí)刻在不同排氣門(mén)相位HCCI燃燒。其中IFGR的計算公式為和轉速下的對比如圖1所示,這里進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟(IVo相位相對于上止點(diǎn)和排氣門(mén)關(guān)閉(EVC)相位對稱(chēng),并mIEGRne m +m且過(guò)量空氣系數中。=1。圖1a反映了排氣門(mén)相位對式中:m。是一個(gè)循環(huán)的殘余廢氣質(zhì)量;m和m1是同CA10的影響?？梢钥闯?無(wú)論采用哪種燃料,著(zhù)火時(shí)一個(gè)循環(huán)的新鮮空氣質(zhì)量和進(jìn)入氣缸內的燃油質(zhì)量?？屉S著(zhù)排氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻相位的提前而提前。這主要是要在排氣過(guò)程中留住大量的高溫廢氣需要一個(gè)較大由于排氣門(mén)關(guān)閉越早在排氣過(guò)程中,就會(huì )有更多的廢的進(jìn)排氣門(mén)重疊負角,即通過(guò)在排氣過(guò)程中排氣門(mén)早氣留在氣缸內,而相對于進(jìn)氣過(guò)程中,能夠進(jìn)入氣缸內關(guān)和在進(jìn)氣過(guò)程中進(jìn)氣門(mén)晚開(kāi)的方式來(lái)留住一定量的的新鮮充量就會(huì )減少,因此進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí),氣缸內混合高溫廢氣。為此,將 Ricardo單缸機的原凸輪軸更換氣的溫度由于高溫廢氣加熱的作用就會(huì )越高,這有利成了小升程、小包角的凸輪軸,其參數為:進(jìn)氣凸輪的于低溫化學(xué)反應的進(jìn)行,著(zhù)火時(shí)刻就會(huì )提前;圖1b反升程和持續期分別為17mm和120°CA;排氣凸輪的映了發(fā)動(dòng)機轉速對著(zhù)火時(shí)刻影響可以看出,發(fā)動(dòng)機轉升程和持續期分別為1.5mm和110°CA。實(shí)現了發(fā)速的升高和排氣門(mén)相位角的增大有相似的性質(zhì),都能動(dòng)機在HCCI模式下的穩定運行。使著(zhù)火時(shí)刻提前,因為隨著(zhù)發(fā)動(dòng)機轉速的升高換氣質(zhì)在整個(gè)試驗過(guò)程中,節氣門(mén)是全開(kāi)的這樣可以減量變差,殘余廢氣增多,而進(jìn)氣量減少,從而使著(zhù)火時(shí)少泵吸損失,提高發(fā)動(dòng)機的效率。為了確保發(fā)動(dòng)機在刻提前。但是當殘余廢氣率增大到一定程度后,由于HcCI模式下穩定運行,試驗時(shí)保持油溫和水溫分別可燃空氣減少,致使廢氣溫度變得很低,在這種情況在(55±1)℃和(80±1)℃。發(fā)動(dòng)機和一臺30kW的下,著(zhù)推識(如圖1b中的汽油曲線(xiàn))。交流測功機相連,使發(fā)動(dòng)機在穩定轉速下運行?？杖贾袊夯ぐl(fā)動(dòng)機工況下,醇比的大小是由ETAS公司的線(xiàn)性氧傳感器來(lái)測量的,類(lèi)燃料CNMHG著(zhù)火時(shí)刻這主要試驗中通過(guò)調整噴油脈寬的方法來(lái)調節空燃比。是由于醇類(lèi)燃料有著(zhù)和汽油不同的化學(xué)反應性質(zhì),并試驗開(kāi)始時(shí),調節進(jìn)、排氣凸輪軸到合適的相位,且在低溫反應階段放出定的熱量來(lái)提高混合氣的溫2007年5月志鵬等甲醇/乙醇/汽油HCCI燃燒和排放特性對比225·度增加化學(xué)反應的速度物質(zhì)的濃度減少,和氧化因子結合發(fā)生化學(xué)反應的速率也相應地下降,著(zhù)火持續期也就變長(cháng)。圖2b反映了轉速對燃燒持續期的影響。轉速對持續期的影響可以2F -2000r/min會(huì )需認為是殘余廢氣率和發(fā)動(dòng)機轉速作用的雙重影響。當發(fā)動(dòng)機轉速升高時(shí),一方面是殘余廢氣率的升高,當殘余廢氣系數在一定范圍內時(shí),殘余廢氣的增加會(huì )縮短燃燒持續期;另一方面,假如燃料燃燒的速度不變,由于轉速的升高,從燃料燃燒10%到90%所對應曲軸轉角增加,因此燃燒持續期變長(cháng)。排氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻/·cAIv上止點(diǎn)后80°cAEVc:上止點(diǎn)前800c「p上止點(diǎn)后礦CA=2000r/min過(guò)量空氣系數12轉速/(r/min)Ⅳvo上止點(diǎn)后80°cAEvC:上止點(diǎn)前80°cA圖1甲醇、乙醇和汽油著(zhù)火始點(diǎn)的對比ig. 1 The comparison of ignition timing among methanol2.2甲醇、乙醇、汽油的著(zhù)火持續期分析在HcCI燃燒模式下,定義燃燒持續期為燃料燃15002000燒10%到燃燒90%所對應的曲軸轉角。從圖2中可以轉速/(r/min)看出,在給定的進(jìn)、排氣門(mén)定時(shí)下,醇類(lèi)燃料的燃燒持續期和汽油的相比比較短。這是因為燃燒持續期和著(zhù)火始刻有一定的關(guān)系,圖1中甲醇、乙醇的著(zhù)火時(shí)刻都Ivo:上止點(diǎn)后80°cA是發(fā)生在上止點(diǎn)之前,而汽油的著(zhù)火時(shí)刻相對滯后。EvC:上止點(diǎn)前80°活塞上行時(shí),由于燃料燃燒放熱和氣體被壓縮的雙重n=2 000 r/min作用,致使醇類(lèi)混合氣的溫度更高,所以燃燒速率加快,燃燒持續期縮短。另外從放熱率圖2c中可以看出,醇類(lèi)燃料(特別是甲醇)放熱比較集中而且比汽油的提前,因而汽油的著(zhù)火持續期就會(huì )比醇類(lèi)燃料的長(cháng)。從圖2a中可以看出:燃燒持續期隨空燃比的增大而增加,這主要是由于空燃比增大時(shí),混合氣越稀,而且在試驗中進(jìn)入氣缸的新鮮空氣量幾乎保持不變,進(jìn)入氣M凵中國煤化工缸內的燃料也就越少,因而釋放的熱量也就減少,缸內CNMHG續期的對比的燃燒溫度就越低,排氣溫度也越低,因此以后循環(huán)由Fig. 2 The comparison of combustion duration am于氣缸內溫度低,反應速率也就變慢;另外,由于可燃methanol, ethanol and gasoline226機學(xué)報第25卷第3期23氣缸壓力、溫度歷程的分析應中由于有更多的燃料參與反應而在高溫燃燒時(shí),參從圖3a壓力曲線(xiàn)中可以看出,在上止點(diǎn)附近,甲與燃燒的燃料相對比較少;此外在當量空燃比和設定醇、乙醇的缸壓要明顯高于汽油的缸壓,而且最大壓力的發(fā)動(dòng)機條件下,醇類(lèi)燃料燃燒和汽油的相比會(huì )產(chǎn)生的時(shí)刻要早于汽油的最大壓力時(shí)刻;圖3b中的缸內溫更多的CO2和H2O蒸氣,這些物質(zhì)具有比較高的熱度曲線(xiàn)是基于理想氣體的狀態(tài)方程并且由缸壓數據計容,在同樣的放熱條件下,燃燒溫度會(huì )比較低。算得到的。24甲醇、乙醇、汽油的發(fā)動(dòng)機負荷和HCCI燃燒的其計算公式為工況范圍HCCI的工況范圍比較小,這主要受到爆震部分燃燒和失火的限制;而且在汽油機HCCI燃燒模式下,Ivo:上止點(diǎn)后90°CA上止點(diǎn)采用了大量的殘余廢氣再循環(huán),這也使能夠進(jìn)入氣缸Evc:上止點(diǎn)前80°內的新鮮充量受到了比較大的限制,從而也決定了在3.0Fn-2000r/min乙醇HCCI燃燒模式下,發(fā)動(dòng)機負荷和工況范圍受到了很251甲醇大的限制。圖4中對比了燃用甲醇、乙醇和汽油時(shí)的發(fā)動(dòng)機負荷和可運行的HCCI工況范圍。從圖4a中可以看出對于每種燃料來(lái)說(shuō),當空燃比轉速不變時(shí)發(fā)動(dòng)機的負荷隨氣門(mén)負的重疊角的增大而減小,這主要是因為曲軸轉角PCA氣門(mén)負的重疊角越大,留在缸內的殘余廢氣就越多進(jìn)氣量就越少,因此發(fā)動(dòng)機的負荷也就越小。從圖4b中可以看出無(wú)論是哪種燃料,可運行的速度范圍為80020vo:上止點(diǎn)后90°CAr/min-3500r/min,平均指示壓力不超過(guò)0.5MPa,可EvC:上止點(diǎn)前80°見(jiàn)HCI燃燒更適用于中低速小負荷的工況。通過(guò)對醇比甲醇、乙醇和汽油的工況范圍,可以看出汽油更適用嚼1200于較低轉速的工況(可以工作在800r/min),而且在此轉速下,負荷的變化范圍也是最大的(0.25MPa到0.5MPa)。采用甲醇時(shí),發(fā)動(dòng)機不能在800m/min的轉速n-2 000r/min下運行,因為在此轉速下進(jìn)氣比較充分而且由于甲醇的汽化潛熱比較大,進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí),缸內混合氣溫度曲軸轉角產(chǎn)cA低,因而不能著(zhù)火。甲醇的可運行速度能夠達到3500r/min,而且它也是在這3種燃料中唯一能夠在此轉速圖3甲醇、乙醇和汽油的缸內壓力和溫度歷程的比較下工作的燃料。汽油在速度較高時(shí)表現的性能比較Fg,3 The comparison of in-cylinder pressure and temper.差,在3000v/min時(shí),平均指示壓力(IMEP)的調節范ature history among methanol, ethanol and gasoline圍非常小;乙醇燃料雖然不能工作在3500r/min,但是在3000r/min時(shí),IMEP可以從0.05MPa變化到從圖3b中可以明顯看出在燃燒始點(diǎn)前,甲醇混合0.2MPa,因此醇類(lèi)燃料更適應于較高轉速的工況。氣的溫度明顯高于汽油混合氣,乙醇混合氣的溫度也略微高于汽油,這說(shuō)明了在低溫反應階段,有更多的甲醇、乙醇分子參與了低溫反應并放出了一定的熱量,同時(shí)也為高溫反應準備了更多的活化因子,因此甲醇、乙醇的著(zhù)火時(shí)刻比汽油的要早,燃燒持續期也相應的比汽油的要短。更有趣的是,在圖3a中,汽油燃燒的最高壓力比甲醇、乙醇的低;而在圖3b中,汽油燃燒的最中國煤化工高溫度和甲醇、乙醇相比卻是最高的。這主要是由于CNMHG在低溫反應階段,甲醇、乙醇混合氣的溫度比汽油的負的氣門(mén)重疊角PCA高,因此散熱損失也比較多;另外醇類(lèi)混合氣在低溫反2007年5月魏志鵬等:甲醇乙醇/汽油HCCI燃燒和排放特性對比V上止點(diǎn)后80°CAEvC:上止點(diǎn)前80°cA150020002500300035004000轉速/(r/min)過(guò)量空氣系數圖4不同燃料的發(fā)動(dòng)機負荷和HCCI工況范圍的比較IVo:上止點(diǎn)后90°cAFig 4 The comparison of engine load and HCCI operationEvc:上止點(diǎn)前80°cArange among different fuelsn=2 000r/ min2.5NO和HC、CO排放的分析2.5.1NO排放HCCI燃燒最吸引人的地方之一就是NO4排放很低,和傳統的火花點(diǎn)火燃燒相比,可以降低NO,排放90%以上,。其主要原因就是在HCCI燃燒模式下,過(guò)量空氣系數采用了大量的廢氣再循環(huán),可燃混合氣比較少,燃燒溫度低,NO,排放也就比較低。圖5展示了在不同進(jìn)排圖5甲醇、乙醇和汽油的NO,排放的對比氣門(mén)相位下甲醇、乙醇和汽油的NO排放之間的對Fig. 5 The comparison of No, emission among methanol比。從圖中可以明顯看出無(wú)論采用哪一種燃料,NOethanol and gasoline排放都非常低(不超過(guò)16×10-6)。甲醇的NO,排放是最低的,這是因為甲醇燃燒溫度和汽油、乙醇的相比比較低;此外,甲醇的物理化學(xué)性質(zhì)和低NO,排放也Ⅳvo上止點(diǎn)后80°CAEvC:上止點(diǎn)前80°cA有很大的關(guān)系,甲醇的汽化潛熱是最高的,而且低熱值比較低致使燃燒溫度也比較低。這3個(gè)原因也就導n=2 000r/min致了燃用甲醇時(shí)的NO4排放是最低的。在圖5中論是釆用汽油、乙醇還是甲醇NO,排放都是隨著(zhù)空燃比的增加而減少,這主要是由于當空燃比增加時(shí)進(jìn)入氣缸內的燃料的質(zhì)量減少,因此燃燒的溫度降低,NO排放減少。對比圖5,可以看出,在相同的排氣門(mén)相位2過(guò)量空氣系數下,隨著(zhù)進(jìn)氣門(mén)相位的增加,NO,排放會(huì )有所升高,因為從進(jìn)排氣門(mén)對稱(chēng)的位置略微增加進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻時(shí),進(jìn)氣量會(huì )增加,因而導致燃燒時(shí)燃燒溫度升高,50o上止點(diǎn)后在HCC燃燒模式下,C和CO的排放都比較·ac止點(diǎn)商8NO,排放增加。甲醇2.5.2HC和CO排放300高,這是由于HCCI燃燒溫度比較低,燃料不能被完全氧化。圖6反映了在不同空燃比下甲醇、乙醇和汽油的HC排放的對比和cO排放的對比?？梢钥闯鰺o(wú)論中國煤化工在哪個(gè)相位下,甲醇的HC排放都是最低的,主要是由CNMH于甲醇在和氧反應的過(guò)程中有更大的活性,另一方面過(guò)量空氣系數甲醇的含氧量在這3種燃料中是最高的,因此在同樣第25卷第3期Ⅳvo上止點(diǎn)后80cA(2)汽油燃燒時(shí)的最大壓力與甲醇、乙醇燃燒EvC:上止點(diǎn)前80°cA乙時(shí)的相比是最低的,而最高燃燒溫度是最高的,這也造n=2000r/mi成了汽油的NO,排放比較高。甲醇正好和汽油的相反,甲醇燃燒時(shí)的最大壓力是最高的然而由于散熱損失、殘余廢氣量及其性質(zhì)等的作用,最高燃燒溫度卻是最低的。(3)汽油跟甲醇、乙醇相比更適用于低速范圍;甲醇更適合于較高轉速的工況,并且在試驗中可以觀(guān)過(guò)量空氣系數察到空燃比可以達到很高而沒(méi)有失火的現象(4)試驗證明在大多數工況下,醇類(lèi)燃料燃燒與汽油燃燒相比,NO排放比較低;采用甲醇燃料與乙Ⅳvo上止點(diǎn)后90CAEvC:上止點(diǎn)前80°cA乙醇醇汽油相比可以降低THC;在HCCI模式下,燃用乙醇與甲醇、汽油相比不能很好地降低CO排放。參考文獻:[1] Zhao H, Peng Z, Williams J, 'et al Understanding theEffects of Recycled Burnt Gases on the Controlled Auto Igni-0.1tion( CAl )Combustion in Four-Stroke Gasiline Engines[C]. 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