乙醇燃料SI-HCCI-SI燃燒模式轉換過(guò)程的研究

第25卷(2007)第4期內燃機學(xué)報Transactions of CSICEVol.25(2007)No.4文章編號:1000-0909(2007)04-0311-0525050乙醇燃料SI-HCCI-SI燃燒模式轉換過(guò)程的研究郭英男,彭亞平,譚滿(mǎn)志,黃為鈞,劉發(fā)發(fā),李華(吉林大學(xué)內燃機系,吉林長(cháng)春130022)摘要:在一臺單缸試驗機上進(jìn)行了乙醇燃料均質(zhì)壓燃(HCI)和火花點(diǎn)燃(SI)兩種燃燒模式相互轉換的試驗研究。結果表明,采用進(jìn)氣熱管理系統,可以實(shí)現乙醇燃料在兩種燃燒方式間的轉換。在S向HCCI轉換過(guò)程中,由于混合氣瞬間變稀,而高溫熱氣進(jìn)到缸內有一定的時(shí)間,轉速和平均有效壓力下降,經(jīng)過(guò)約4個(gè)工作循環(huán)后,隨著(zhù)高溫熱氣連續、均勻地進(jìn)到缸內,實(shí)現了連續穩定的HCCI燃燒,因此轉速和平均有效壓力上升,并且很快達到穩定。在HCC向SI轉換過(guò)程中,由于存在火花點(diǎn)火,對混合氣的溫度不是很敏感,因此過(guò)渡時(shí)間減少,發(fā)動(dòng)機很快達到穩定狀態(tài)。關(guān)鍵詞:乙醇;均質(zhì)壓燃;燃燒模式轉換;快速熱管理系統中圖分類(lèi)號:TK401文獻標志碼:AStudy on the Transition Mode of Ethanol SI-HCCI-SI Combustion ModeTransitionGUO Ying-nan, PENG Ya-ping TAN Man-zhi, HUANG Wei-jun, LIU Fa-fa, LI HuaDepartment of Intermal Combustion Engine, Jilin University, Changchun 130022, China)Abstract: Mode transition of ethanol combustion between homogeneous charge compression ignition(HCCI)and spark ignition( SI)was investigated in a single cylinder diesel engine. Experimental resultsshowed that combustion mode transition could be realized with the Fast-Thermo Management system, Dur-ng the transition process form SI to HCCI, the mixture becomes the leaner and a time is needed for thehomogeneous charge of high temperature entering into the cylinder, leading to decrease in engine speedand mean effective pressure. After 4 cycles, with the entering of high temperature intake charge into thecylinder, the HCCI combustion is realized and increases the engine speed and the mean effective pressureand engine is operated stably. During the transition process form HCCI to SI, with aid of spark ignitionthe transition period decreases and engine quickly gets its stable operationKeywords: Ethanol; HCCI; Combustion mode transition; Fast-thermo management system引言化學(xué)反應動(dòng)力學(xué)的影響,過(guò)濃和過(guò)稀的混合氣將分別導致爆震燃燒和失火,因此發(fā)動(dòng)機工作在HCCI發(fā)動(dòng)機采用均質(zhì)壓燃(HCCI)方式工作時(shí),均質(zhì)混模式下的運行范圍較窄。在發(fā)動(dòng)機冷起動(dòng)、怠速工況合氣在壓縮行程末期實(shí)現壓燃,混合氣在缸內幾乎是時(shí),難以形成HCI穩定燃燒所需要的條件;在大負荷同時(shí)著(zhù)火,不存在火焰傳播。由于采用的是均勻的稀工況時(shí),由于混合氣變濃,燃燒反應速度加快,出現爆混合氣,缸內燃燒溫度低,NO,和碳煙的排放極低,因震燃燒,因此難以在全工況范圍內采用HCCI方式工此被認為是一種能同時(shí)滿(mǎn)足降低油耗和排放的新型燃作,在實(shí)際應用中采用HCCI和傳統的S或壓燃(CI燒方式。燃燒方式結合的方法是解決HCCI工作范圍窄的方案從上世紀70年代首次提出HCCl的概念-2),到之目前為止全球范圍內已經(jīng)開(kāi)展了廣泛的試驗和模擬研究。研究表明,HCCI的著(zhù)火與燃燒主要是受混合氣的ThYHE中國煤化工燒模式轉換的是CNMHG動(dòng)機上進(jìn)行了關(guān)于收稿日期200612-17;修回日期:20003.19。01CB2020)基金項目:國家重點(diǎn)基礎研究發(fā)展規劃資助項目作者簡(jiǎn)介:郭英男,教授,E-mail; guoyu@ju.edu312內燃機學(xué)報第25卷第4期HCCI燃燒的試驗,并提出了當發(fā)動(dòng)機在起動(dòng)工況和大為了避免乙醇燃料工作在S方式下發(fā)生爆震,將原機負荷條件下采用傳統的SI燃燒方式部分負荷工況下的壓縮比從17降為11.8,另外在原機上加裝了點(diǎn)火采用HCCI燃燒方式工作。 Koopmans et al”采用全可系統。采用電控進(jìn)氣道燃料噴射的方法形成均勻混合變氣門(mén)定時(shí)機構在一臺 Volvo5缸機上進(jìn)行了HCI氣。在壓縮比一定的發(fā)動(dòng)機上,對于高辛烷值燃料而和SI兩種燃燒模式的轉換。研究表明,在燃燒模式轉言,采用進(jìn)氣預熱的方法是實(shí)現HCCI燃燒的主要途換過(guò)程中的缸內燃燒壓力與穩態(tài)時(shí)的相比有很大的差徑之一,為此在進(jìn)氣道上加裝一套自行開(kāi)發(fā)的快速熱別,必須對燃燒模式轉換的控制策略進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化管理系統,實(shí)現對進(jìn)氣溫度的控制。當發(fā)動(dòng)機工作才能改善燃燒模式轉換的平穩性。 Fuerhapter et al在HCCI燃燒模式下時(shí)發(fā)動(dòng)機全開(kāi)節氣門(mén),而工作在在一臺配備可變凸輪相位的單缸機上也開(kāi)展了燃燒模SI模式下時(shí),通過(guò)節氣門(mén)實(shí)現負荷控制,為了實(shí)現SI式轉換的試驗研究,他們的研究發(fā)現,為了使模式轉換和HCCI燃燒模式的轉換,在試驗發(fā)動(dòng)機的進(jìn)氣道上過(guò)程變得更加平穩,有必要對燃燒模式轉換時(shí)的控制加裝一套模式轉換控制裝置。試驗裝置簡(jiǎn)圖如圖1所策略進(jìn)行優(yōu)化。同樣,盡管在其它發(fā)動(dòng)機上也實(shí)現了示,試驗發(fā)動(dòng)機主要技術(shù)參數見(jiàn)表1。HCCI和SI間燃燒模式的轉換2,但到目前為止有表1試驗發(fā)動(dòng)機技術(shù)參數關(guān)燃燒模式轉換的資料總體來(lái)說(shuō)還是很少的。Tab 1 Engine specifications本文在發(fā)動(dòng)機冷起動(dòng)、小負荷以及大負荷工況下類(lèi)四沖程、單缸、水冷采用SI,在中等負荷下采用HCCI方式,獲得了乙醇燃缸徑/mm料HCCI和S兩種燃燒方式的工作區域,采用快速熱管理系統實(shí)現了乙醇燃料HCCI和SI燃燒模式的轉單缸排量L換,并在此基礎上研究了不同工況下SI與HCCI相互壓縮比11.8:1轉換過(guò)程,得到了燃燒模式轉換的實(shí)現方法、控制手段進(jìn)氣門(mén)開(kāi)/° CA BTDC和初步結果。排氣門(mén)關(guān)/° CA ATDO1試驗裝置和方法° CA ABDC排氣門(mén)開(kāi)/° CA BBDC1.1試驗用發(fā)動(dòng)機燃燒室形狀試驗發(fā)動(dòng)機是在ZS105單缸機的基礎上通過(guò)改標定轉速/(r/min)2200進(jìn),實(shí)現了乙醇燃料SI和HCCI兩種燃燒模式。首先快速熱管理系統模式轉換控制裝置熱空氣閥冷空氣閥火花塞噴嘴排氣溫度傳感器熱(氣動(dòng)控制)豐節氣廢氣分析儀噴油觸發(fā)信號中國煤化工CNMHG圖1試驗裝置簡(jiǎn)圖2007年7月郭英男等:乙醇燃料SI-HCCI-SI燃燒模式轉換過(guò)程的研究31312試驗方法此邊界為失火邊界。當發(fā)動(dòng)機工作在失火邊界和爆震試驗過(guò)程中,發(fā)動(dòng)機首先采用S方式起動(dòng)和熱邊界附近時(shí),必須進(jìn)行燃燒模式的切換。機,此時(shí)發(fā)動(dòng)機的負荷由主節氣門(mén)控制,模式轉換控制2.2失火邊界附近HCCI和SI相互轉換裝置中的熱空氣閥全關(guān),冷空氣閥全開(kāi),缸內吸入的是圖3為失火邊界附近SI向HCCI轉換時(shí)的缸內壓溫度為室溫的空氣。在熱機的過(guò)程中,接通熱管理系力和轉速、轉矩的變化情況。從圖中可以看到燃燒模統的電源,對加熱器中的空氣進(jìn)行預熱。當發(fā)動(dòng)機冷式不可能在1個(gè)工作循環(huán)內實(shí)現轉換。當噴油量不變卻水溫達到80℃,進(jìn)氣溫度傳感器監測溫度超過(guò)220時(shí),HCCI燃燒時(shí)的壓力要比SI燃燒時(shí)的高,轉矩有所℃,調節燃燒模式轉換控制裝置,全開(kāi)熱空氣閥,冷空增加。在轉換過(guò)程中,缸內壓力發(fā)生了4個(gè)循環(huán)的變氣閥全關(guān),缸內吸入熱空氣,同時(shí)全開(kāi)主節氣門(mén),切斷動(dòng),這是由于在轉換為HCCI運行時(shí),進(jìn)氣加熱器和進(jìn)火花點(diǎn)火,即可獲得HCCI燃燒。在已獲得的乙醇燃氣口之間有一定距離,存在低溫空氣,因此產(chǎn)生了失火料SI、HCCI各自工作區的基礎上,分別在HCCI工作現象,當連續穩定的高溫熱氣進(jìn)到缸內后,即可實(shí)現穩區的爆震和失火邊界進(jìn)行了兩種燃燒模式的相互轉換定的HCCI燃燒。的試驗研究,爆震邊界和失火邊界的定義與參考文獻[14]的相同。采用 AVL GMI2D型缸壓傳感器、電荷放大器、LF02.4BMCO5E型光電編碼器和研華PCI800高速數據過(guò)渡過(guò)程采集卡采集了1500r/mn時(shí)失火和爆震邊界附近兩種a2.0燃燒模式相互轉換時(shí)的缸內燃燒壓力。在記錄示功圖的同時(shí),采用研華PCI818HG采集了相同條件下發(fā)動(dòng)機轉速和轉矩的變化,并計算了平均有效壓力。2試驗結果及討論循環(huán)數2.1兩種燃燒模式的工作區域a)模式轉換時(shí)缸內壓力的變化圖2為用轉速和平均有效壓力(BMEP)表示的該發(fā)動(dòng)機工作在HCCI和S兩種模式下各自的工作區。1600從圖中可以看到,當發(fā)動(dòng)機工作在HCCI方式下時(shí),其速最大的BMEP達到了0.506MPa,此時(shí)已經(jīng)接近該發(fā)-轉矩動(dòng)機工作在SI方式下最大負荷的50%。此時(shí)混合氣1200進(jìn)一步加濃將導致爆震燃燒,因此稱(chēng)此邊界為爆震邊界。如果再加入EGR,那么HCCI的工作上限將進(jìn)步拓寬。HCCI燃燒的負荷下限為0.06~0.2MPa,在此邊界以下,過(guò)稀的混合氣將導致發(fā)動(dòng)機失火,因此稱(chēng)30004000數據采集點(diǎn)b)模式轉換時(shí)轉矩和轉速的變化圖3失火邊界 SI-HCCI模式轉換缸內壓力、轉速及轉矩全2→外特性邊界的變化亠失火邊界Fig 3 Variations of cylinder pressure, speed and torquewhen si to hCci at misfire bounda0.2HCCLL作區中國煤化工句SI轉換時(shí)的示功圖16002400轉速n(rmin和轉CNMHG可以看到,當噴油量不變時(shí),懊式比HUul楔八的血內壓力低,轉矩有所圖2試驗發(fā)動(dòng)機兩種燃燒方式下的工作區域降低。在轉換過(guò)程中,存在兩個(gè)循環(huán)的變動(dòng),這是由于Fig 2 Operation regions of the engine under SInd Hcci Combustion在轉換過(guò)程中,節氣門(mén)迅速關(guān)小,混合氣變濃,但還是314內燃機學(xué)報第25卷第4期無(wú)法在一個(gè)循環(huán)內達到SI模式的著(zhù)火界限,因此產(chǎn)生了兩個(gè)循環(huán)的波動(dòng)。轉速50010001500200025003000心AUMb)模式轉換時(shí)轉矩和轉速的變化圖5爆震邊界 HCCI-S轉換缸內壓力轉矩及轉速的變化循環(huán)數Fig 5 Variations of cylinder pressure, speed and torquea)模式轉換時(shí)缸內壓力的變化when HCCI to SI at knock boundary圖6是爆震邊界附近S向HCCI轉換時(shí)缸內壓力、轉矩和轉速的變化情況。從圖中可以看到,在轉換過(guò)程中,存在兩個(gè)循環(huán)的失火現象,因此產(chǎn)生了轉矩和轉矩轉速波動(dòng)。這是由于轉換到HCCI模式時(shí),進(jìn)氣加熱器和進(jìn)氣門(mén)之間存在低溫空氣,結果產(chǎn)生了兩個(gè)循環(huán)的失火引起的。1000數據采集點(diǎn)過(guò)渡過(guò)程b)模式轉換時(shí)轉矩和轉速的變化圖4失火邊界 HCCI-SI模式轉換缸內壓力、轉矩及轉速的變化Fig 4 Variations of cylinder pressure, speed and torquewhen HCCI o SI at misfire boundary循環(huán)數2.3爆震邊界附近HCCI和SI相互轉換a)模式轉換時(shí)缸內壓力的變化圖5為爆震邊界附近HCCI向SI轉換時(shí)的示功圖和轉速、轉矩的變化情況。從圖中可以看到,雖然轉換很順利,但是由于SI模式比HCCI模式的缸內壓力低,轉速轉矩降低,產(chǎn)生了轉速和轉矩的波動(dòng)。一轉矩Mw.oF HCCI兩10001000數據采集點(diǎn)中國煤化工惠的變化CNMHG換缸內壓力轉矩和轉速的變化Fig 6 Variations of cylinder pressure, speed and torquea)模式轉換時(shí)缸內壓力的變化when SI to HCCI at knock boundary2007年7月郭英男等:乙醇燃料SI- HCCI-SI燃燒模式轉換過(guò)程的研究[5] Zur Loye, Brackney, Larry I, et al. United States patent3結論06907870. Multiple Operating Mode Engine and Method of(1)在單缸試驗機上采用快速熱管理系統,實(shí)Operation[ P]. USA, 06907870, June 21, 2005現了乙醇燃料HCCⅠ和S兩種燃燒方式,獲得了兩種[6] Thing R H. Homogeneous Charge Compression Ignited(HC-燃燒方式各自的工作區,成功實(shí)現了不同工況下兩種CI)Engines[C]. SAE Paper 892068, 1989[7] Koopmans L, Strom H, Lundgren S, et al. Demonstrating a燃燒模式的相互轉換。SI-HCCI-SI Mode Change on a Volvo 5-Cylinder Electronic(2)在采用快速熱管理系統的條件下,不論是Valve Control Engine[ C]. SAE Paper 2003-01-0753, 2003從S1向HCC,還是從HCCI向Sl,燃燒模式都不可能(8] Fuerhapter, Pick WF, FraidI G K. CSI-Controlled Auto在一個(gè)工作循環(huán)內實(shí)現轉換。當噴油量不變時(shí),發(fā)動(dòng)Ignition-The Best Solution for the Fuel Consumption-Versus機工作在HCCI方式下的燃燒壓力要高于SI,因此導Emissions Trade-off [C]. SAE Paper 2003-01-0754, 2003致轉換過(guò)程中發(fā)動(dòng)機轉矩產(chǎn)生階躍,因此需要進(jìn)一步[9] Nebojsa Milovanovic, Dave Blundell, Stephen Gedge,tal優(yōu)化模式轉換時(shí)的控制策略。SI- HCCI-SI Mode Transition at Different Engine OperationConditions[ C]. SAE Paper 2005-01-0156, 2005參考文獻[10] Xu Hongming, Simon Rudolph, Liu Zhi, et al. An Investi-[1] Onishi S, Jo S H. Thermo-Atmosphere Combustion(ATgation into the Operating Mode Transitions of a Homogene-AC)-A New Combustion Process for Internal Combustionous Charge Compression Ignition Engine Using EGR Trap-Engine[C]. SAE Paper 790501, 1979.ping[ C]. SAE Paper 2004-01-1911,2004[2] Noguchi MM, Tanaka Y, Tanaka T, et al. A Study on Gaso-[11] Halim Santoso, Jeff Matthews, Wai K Cheng Managing SI/Combustion by Observation of Intermediate ReHCCI Dual-Mode Engine Operation[C]. SAE Paper 2005.010162,2005active Products during combustion[C]. SAE Paper 7908A0, [12 Jari Hyvonen, Goran Haraldson, Bengt Johansson. Operat-[3] Hultquivst A, Endar U, Johansoning Conditions Using Spark Assisted HCCI Combustion dur-Layers in Homogeneous Charge Compression Ignition ( HC-ing Combustion Mode Transfer to SI in a Multi-CylinderCI)Engine[C]. SAE Paper 2001-01-1032, 2001VCR-HCCI Engine[C]. SAE Paper 2005-01-0109, 2005[4] Hultquivst A, Christensen M, Johansan B, et al. The HCCI [13] Goran Haraldsson, Per Tunestol, Bengt Johansson, et alCombustion Process in a Single Cycle- High Fuel Tracer LIFHCCI Closed-Loop Combustion Control Using Fast Thermaland Chemiluminescence Imaging[ C]. SAE Paper 2002-01Management[ C]. SAE Paper 2004-01-0943, 20040142.2002[14]劉金山郭英男,譚滿(mǎn)志,等.乙醇燃料均質(zhì)壓燃(HCCI)燃燒邊界[J.燃燒科學(xué)與技術(shù),2005,8(4):369-372.中國煤化工CNMHG