用快速壓縮機研究乙醇燃料的HCCI燃燒特性

第14卷第4期燃燒科學(xué)與技術(shù)Vol. 14 No 42008年8月Journal of Combustion Science and TechnologyAug.2008用快速壓縮機研究乙醇燃料的HCCⅠ燃燒特性常國峰,郭英男2,張紀鵬2,王有坤2,劉巽俊2,許思傳(1.同濟大學(xué)汽車(chē)學(xué)院,上海20002;2.吉林大學(xué)內燃機系,長(cháng)春13002摘要:為進(jìn)一步了解乙醇燃料的HCCI燃燒特性,利用自主研發(fā)的快速壓縮機研究了邊界條件對乙醇燃料HCCI燃燒特性的影響試驗表明隨著(zhù)充量溫度的升高燃燒持續期縮短最高燃燒溫度升高放熱率最大值增加最大壓力升高率增大最大壓力升高率出現的時(shí)刻提前;隨著(zhù)過(guò)量空氣系數的增大,可燃混合氣的濃度減小,燃燒始點(diǎn)延遲,燃料的最高燃燒溫度降低,放熱率最大值降低,最大壓力升高率降低、出現時(shí)刻提前,著(zhù)火溫度降低同時(shí)反應速率減慢,燃燒持續期增加關(guān)鍵詞:乙醇;均質(zhì)壓燃;燃燒特性;快速壓縮機中圖分類(lèi)號:TK401文獻標志碼:A文章編號:10068740(2008)04030505Combustion Characteristics of Ethanol HCCi by RapidCompression MachineCHANG Guo-feng, GUO Ying-nan, ZHANG Ji-peng, WANG You-kun, LIU Xun-jun', XU Si-chuan(1. School of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai 200092, China2. Department of Intermal Combustion Engine, Jilin University, Changchun 130022, China)Abstract: In order to study the high RON fuel HCCI combustion behavior, the effects of boundary conditions on the ethanolcombustion were experimentally studied with a self-developed rapid compression machine. The results showed that with theincrease of charge temperature, ignition timing advances, combustion duration decreasescombustion temperaturerises,maximum heat release rate increases, maximum pressure rise rate increases and its phase advances. As equivalentair-fuel ratio increases, combustible mixture becomes leaner, ignition point delays, chemical reaction rate decrease, igni-tion temperature rises, maximum combustion temperature decreases, maximum heat release rate decreases, combustion du-ration increases, maximum pressure rise rate decreases and its phase delaysKey words: ethanol; homogenous charge compression ignition( HCCI); combustion characteristics; rapid compression machine目前,HCCI燃燒技術(shù)是內燃機領(lǐng)域內研究的熱的 Christensen和英國 Brunel大學(xué)對乙醇燃料采用HC點(diǎn)HCI的燃燒始點(diǎn)控制和燃燒速率的控制是 HCCI CI燃燒模式進(jìn)行了大量的研究.國內也有研究機燃燒中最為關(guān)鍵的問(wèn)題6,試驗表明HCCI燃燒主構對乙醇燃料的HCCI燃燒特性進(jìn)行研究要受到化學(xué)動(dòng)力學(xué)控制,HCI燃燒的著(zhù)火時(shí)刻主在對HCCI燃燒的研究中,不同的燃料在不同的要由混合氣的成分、溫度和壓力的變化歷程決定發(fā)動(dòng)機上因受多種因素的影響體現出不同的燃燒特最近,乙醇在HCCI發(fā)動(dòng)機上的應用也受到重視,性因此,采用燃燒邊界條件可控的快速壓縮機具有良其氧化還原機理已被人們所了解.瑞典Lnd大學(xué)好的邊界條件控制性能快速壓縮機不僅具備良好的中國煤化工收稿日期:2007-0530CNMHG基金項目:國家重點(diǎn)基礎研究發(fā)展計劃(973)資助項目(2001CB209206)作者簡(jiǎn)介:常國峰(1976-),男博士通訊作者:常國峰,jteg163.com燃燒科學(xué)與技術(shù)第14卷第4期邊界條件可控性,且具有類(lèi)似發(fā)動(dòng)機的壓縮過(guò)程及介時(shí),H2O2的濃度快速下降這個(gè)基元反應釋放出大量質(zhì)加溫過(guò)程的可控邊界條件燃燒模擬分析功能,它可的OH自由基,大部分OH自由基同燃料作用生成以按照試驗者的要求較準確地控制燃燒邊界條件.H2O且放出熱量,使混合氣的溫度升高,導致鏈反應迅速進(jìn)行1試驗方案圖1為過(guò)量空氣系數和充量溫度對乙醇燃料燃燒始點(diǎn)的影響規律.由圖可以看出,在相同的過(guò)量空氣系1.1試驗方法數條件下,隨著(zhù)充量溫度的升高,燃燒始點(diǎn)提前.根據試驗使用快速壓縮機,利用快速壓縮機活塞阿累尼烏斯定律,溫度升高加速了低溫反應階段基元壓縮可燃混合氣,使可燃混合氣燃燒,同時(shí)記錄缸內的反應的速率常數,即活化了低溫反應階段的熱氛圍,自壓力變化過(guò)程和活塞的位移變化過(guò)程數據處理方法由基H、H2O2、HO2和OH是乙醇燃燒時(shí)的主要產(chǎn)物,同甲醇燃料的處理方法這些自由基對促進(jìn)點(diǎn)火和燃燒有十分重要的意義,其1.2試驗燃料中H2O2和HO2與低溫反應放熱緊密相關(guān),這些自由乙醇(分子式為CH3CH2OH)是無(wú)色、透明、有香基在壓縮過(guò)程中隨著(zhù)溫度的升高逐漸累積,它們的峰味、易揮發(fā)的液體,同樣是含氧燃料,具有高的辛烷值,值都在著(zhù)火點(diǎn)附近,即低溫反應中生成的H2O2數量熱值比甲醇高,汽化潛熱較低,乙醇比甲醇更易和汽油和缸內溫度決定著(zhù)高溫反應的進(jìn)行.所以,充量溫度升及柴油相溶和乳化因其辛烷值很高而廣泛用作汽油高促進(jìn)了H2O2生成速率致使燃料著(zhù)火提前抗爆添加劑,由于其含氧量高在柴油機上也得到了廣從圖中可以看出,充量溫度相同時(shí)隨著(zhù)過(guò)量空氣泛應用.表1是乙醇燃料的物理化學(xué)性質(zhì)系數的增加燃燒始點(diǎn)逐漸延遲.這是因為其他條件不變的情況下,過(guò)量空氣系數增加時(shí),燃料的濃度隨之降表1乙醇燃料的物理化學(xué)特性低,分子間碰撞幾率減少,低溫反應階段化學(xué)反應速率項目指標項目指標」降低,OH自由基生成數量減少,為了達到燃料的著(zhù)火汽化潛熱/(J·kg-1)8372溫度,稀的混合物需要更長(cháng)的低溫反應時(shí)間來(lái)積累熱含碳量/%汽化溫度/K351.7量所以,隨著(zhù)過(guò)量空氣系數增加,低溫反應階段的持含氫量/%自燃溫度K65.4續期延長(cháng)著(zhù)火隨之延遲含氧量/%34.739理論空燃比分子量辛烷值■一T=363K相對密度(293K)十六烷值一▲-T=383K(kg·m3)2試驗數據及分析2.1邊界條件對燃燒始點(diǎn)的影響過(guò)量空氣系數乙醇燃料的燃燒過(guò)程涉及57種組分、383個(gè)基元反應在燃燒過(guò)程中,乙醇燃料主要是以分解和脫氫兩圖1過(guò)量空氣系數對燃燒始點(diǎn)的影響種途徑來(lái)消耗,其基元反應主要包括C,HS OH HO, =Y+H2O2從圖中可以看出,當充量溫度由363K升高到H,02,=OH +OH383K時(shí),燃燒始點(diǎn)約提前了25ms.可見(jiàn)混合氣的充C2,OH +OH=Y +H,o量溫度對燃料燃燒始點(diǎn)的影響明顯.在過(guò)量空氣系數Y+o=X+ho由4變化到7時(shí)燃燒始點(diǎn)約延遲了5ms.燃燒始點(diǎn)主H+0=HO要與充量溫度有關(guān),受過(guò)量空氣系數影響相對較小.其式中:Y為乙醇脫氫之后的組分;X為Y脫氫之后的原中國煤化工應途徑的選擇隨溫度組分最乙醇燃燒是雙階段燃燒,由低溫反應階段和高溫2CNMHG的影響反應階段組成著(zhù)火開(kāi)始是在累積的過(guò)氧化氫H2O2圖2為過(guò)量空氣系數和充量溫度對放熱率最大值高速率分解為OH自由基的時(shí)候當OH自由基生成的影響規律由圖可以看出,在相同過(guò)量空氣系數的條2008年8月常國峰等:用快速壓縮機研究乙醇燃料的HCCI燃燒特性件下,隨著(zhù)充量溫度的升高,放熱率最大值增加.這是使著(zhù)火點(diǎn)提前,最終加速了高溫反應的進(jìn)行,燃燒持續由于充量溫度的增加燃料低溫反應速率增加,充量溫期縮短,可以提高熱效率度高的混合氣產(chǎn)生了數量更多的自由基并且釋放出更多的熱量所以當燃料進(jìn)入高溫反應后,充量溫度高的混合氣會(huì )有更高的反應速率,釋放更多熱量因此,充量溫度的升高使主放熱過(guò)程提前,放熱速率加快,放熱率峰值增加在相同充量溫度條件下,隨著(zhù)過(guò)量空氣系數的增0099加,放熱率最大值減小過(guò)量空氣系數增加,燃料的濃度減小,混合氣著(zhù)火時(shí)刻延遲,低溫反應階段積聚的355360365370375380385H2O2濃度比較低,OH自由基濃度較小,由于HCCI都是運行在稀混合氣下,因而燃料的濃度決定高溫反應圖3過(guò)量空氣系數和充量溫度對燃燒持續期的影響速率.所以過(guò)量空氣系數增加,燃燒速率降低,放熱率最大值降低24邊界條件對燃燒最高溫度的影響圖中顯示當充量溫度由363K變化到383K時(shí),圖4為過(guò)量空氣系數和充量溫度對燃燒溫度最大放熱率最大值約升高了20J/ms.如圖中所示,過(guò)量空值的影響規律由圖可以看出,可燃混合氣的充量溫度氣系數由4變化到7時(shí)放熱率最大值約減小了30Jms.對HCCI燃燒溫度影響明顯,在相同過(guò)量空氣系數條可以看出過(guò)量空氣系數對放熱率最大值影響比較明顯.件下,隨著(zhù)充量溫度的升高,燃燒溫度逐漸增加.充量溫度越高燃燒溫度最大值越大.圖中顯示,當充量溫度由353K變化到383K時(shí),最高燃燒溫度增加了約一▲-A=5200K這是因為溫度對燃燒過(guò)程的影響非常明顯,高溫可以使燃料的化學(xué)鍵斷裂,增加分子的運動(dòng)速率,使化學(xué)反應的數量和速率都明顯提高,釋放熱量更多,增加燃燒溫度.所以,燃燒最高溫度隨著(zhù)充量溫度的升髙而不斷升高365370375380385充量溫度/Kl600圖2充量溫度對放熱率最大值的影響4=52.3邊界條件對燃燒持續期的影響圖3為過(guò)量空氣系數和充量溫度對燃燒持續期的影響規律由圖中可以看出,在相同過(guò)量空氣系數條件下,隨著(zhù)充量溫度的升髙,燃燒持續期變短.燃燒持續350355360365370375380385期主要受火焰傳播速度的影響,火焰傳播速度又受混充量溫度/K合氣濃度和溫度、燃料特性以及混合氣運動(dòng)等因素的圖4過(guò)量空氣系數和充量溫度對燃燒溫度最大值的影響影響.HCCI燃燒屬于多點(diǎn)同時(shí)著(zhù)火,燃燒持續期比傳統的內燃機燃燒方式要短很多.充量溫度的增加,使低相同充量溫度下,當過(guò)量空氣系數由2變化到5溫反應時(shí)產(chǎn)生的自由基數量增多,著(zhù)火點(diǎn)增多,所以燃時(shí),燃燒最高溫度降低約600K.這是由于隨著(zhù)過(guò)量空燒速率增加,燃燒持續期縮短.氣系數的增大,混合氣濃度變稀,低溫反應放熱量減圖中還可以看出,在相同的充量溫度條件下,隨著(zhù)少,溫度增加變慢,導致高溫反應速率降低,缸內燃燒過(guò)量空氣系數的減小,燃燒持續期縮短由于試驗中混溫度最大值降低合氣濃度和混合氣運動(dòng)狀態(tài)基本保持不變,所以燃燒25中國煤化工是出現時(shí)刻的影響持續期的差異原因只可能是由于燃料的改變引起了燃2.5,1CNMHG率及出現時(shí)刻的料特性的改變隨著(zhù)乙醇/空氣混合物的濃度增加,從彰響而產(chǎn)生更多的自由基并加大了自由基的碰撞幾率,致圖5為充量溫度對最大壓力升高率及出現時(shí)刻的燃燒科學(xué)與技術(shù)第14卷第4期影響由圖中可以看出,在相同過(guò)量空氣系數(A=3)2.6過(guò)量空氣系數對著(zhù)火溫度的影響的條件下,隨著(zhù)充量溫度的升高,最大壓力升高率逐漸圖7為過(guò)量空氣系數對著(zhù)火溫度的影響規律由升高最大壓力升高率出現時(shí)刻提前這是因為充量溫圖中可以看出,在充量溫度相同時(shí),隨著(zhù)過(guò)量空氣系數度高,氧化還原反應速率加快,使著(zhù)火時(shí)刻提前,最大的增加,著(zhù)火溫度逐漸升高過(guò)量空氣系數由2變化到壓力升高率出現的時(shí)刻也有所提前;同時(shí),燃燒持續期5時(shí),著(zhù)火溫度約提高了30K.這是因為過(guò)量空氣系數縮短,壓力升高率變化加快.充量溫度由353K變化到由2變化到5時(shí),混合氣濃度降低,此時(shí)需要更高的溫383K時(shí),最大壓力升高率約增加了0.25MPa/ms,出度才能使大量的燃料化學(xué)鍵斷裂,產(chǎn)生高溫反應需要現時(shí)刻提前了約30m.可見(jiàn)充量溫度對壓力升高率的自由基和熱量,并最終觸發(fā)燃料進(jìn)人高溫反應階段的影響明顯所以,著(zhù)火溫度隨著(zhù)過(guò)量空氣系數的增加而逐漸提高240810一一最大值p一出現時(shí)刻逆長(cháng)7802.02.53.03.5404.55.0充恥溫度/K過(guò)量空氣系數圖5充量溫度對最大壓力升高率及出現時(shí)刻的影響圖7過(guò)量空氣系數對著(zhù)火溫度的影響2.52過(guò)量空氣系數對最大壓力升高率及出現時(shí)刻3結論的影響圖6為過(guò)量空氣系數對最大壓力升髙率及出現時(shí)(1)乙醇燃料在HCCI燃燒模式下,隨著(zhù)可燃混刻的影響由圖中可以看出,在相同充量溫度情況下,合氣充量溫度升高燃料氧化還原反應的速率加快燃隨著(zhù)過(guò)量空氣系數的增加最大壓力升高率變小,最大燒始點(diǎn)提前燃燒持續期縮短,最高燃燒溫度升高,放壓力升高率出現時(shí)刻推遲當過(guò)量空氣系數由2變化熱率最大值增加,最大壓力升高率增大,最大壓力升高到5時(shí),最大壓力升高率約減少了0.7MPa/ms,出現率出現時(shí)刻提前時(shí)刻約延遲了30ms.這是因為過(guò)量空氣系數大的混(2)乙醇燃料在HCCI燃燒模式下,隨著(zhù)可燃混合合氣著(zhù)火時(shí)刻延遲燃燒過(guò)程中積聚的H2O2濃度比氣過(guò)量空氣系數的增加,燃燒始點(diǎn)延遲過(guò)量空氣系數低,燃燒持續期時(shí)間長(cháng)所以,過(guò)量空氣系數增加,燃增加在高溫階段的燃燒速率降低燃料的最高燃燒溫燒速率降低,最大壓力升高率減小,最大壓力升高率度降低,放熱率最大值降低,最大壓力升高率降低最出現時(shí)刻也延遲從圖5和圖6比較看出,壓力升高大壓力升高率出現時(shí)刻延遲,著(zhù)火溫度升高燃燒持續率最大值出現時(shí)刻對過(guò)量空氣系數的改變比較期增加敏感3)混合氣的充量溫度對乙醇HCCI燃燒著(zhù)火過(guò)程有明顯影響,而混合氣的過(guò)量空氣系數對乙醇HCCI口一最大燃燒過(guò)程中的放熱率最大值影響明顯.充量溫度和過(guò)出現時(shí)刻量空氣系數對燃燒持續期影響程度接近相同.說(shuō)明控制充量溫度和過(guò)量空氣系數是控制乙醇燃料HCCI發(fā)動(dòng)機著(zhù)火時(shí)刻和燃燒過(guò)程的重要手段參考文獻過(guò)量空氣系數[1]中國煤化工mmB. DemonstratinC NMHGomogeneous charge圖6過(guò)量空氣系數對最大壓力升高率及出現時(shí)刻pression ignition engine with variable compression rati的影響C ]/ SAE Paper. Toronto, Canada, 1999, 1999-01-3679008年8月常國峰等:用快速壓縮機研究乙醇燃料的HCCI燃燒特性[2] Martinez-Frias J, Aceves SM, Flowers D, et al. HCCI en-bocharged HCCI engine[ C]// SAE Paper.Detroit,MIgine control by thermal management [C J// SAE PaperUSA,2003,20034010743Baltimore,MD,USA,2000,20001-2869[12]劉金山,郭英男,譚滿(mǎn)志,等.乙醇燃料均質(zhì)壓燃(HC[3] Eng J A, Leppard WR, Sloane T M. The effect of di-terti-cI)燃燒邊界[J].燃燒科學(xué)與技術(shù),2005,11(4):ary butyl peroxide( DTBP)addition to gasoline on HCCI369-372[C]∥′ SAe PCPA. USALiu Jinshan, Guo Yingman, Tan Manzhi, et al. HCCI com003,200301-3170.bustion boundaries of ethanol as engine fuel[ J]. Journal of[4] Alam M, Goto S, Sugiyama K, et al. Performance and e-Combustion Science and Technology, 2005, 11(4): 369-372missions of a di-diesel engine operated with LPG andtion improving additives[ C]//SAE Paper.Antonio[13]常國峰,張紀鵬,郭英男,等.HCCI燃燒模擬試驗裝置USA,2001,2001401-3680自動(dòng)控制系統的研發(fā)[J].內燃機工程,2005,26(6):[5] Daeyup Lee, Shinichi Goto. Chemical kinetic study of a ce.ane number enhancing additive for an LPG di diesel engineChang Guofeng, Zhang Jipeng, Guo Yingnan, et al. Study[c]∥′ SAE Paper. Detroit,M,USA,200,2000of HCCi combustion simulation equipment s automatic con010193trol system[ J]. Chinese Internal Combustion Engine Engi-[6] Rudolf H S, Roberts C E Homogenous charge compressionneering, 2005, 26(6): 4143(in Chinese)tion(HCCI): Benefits, compromises and future engine[14]張紀鵬,虞瀏,董光宇,等.多功能燃燒彈試驗系統的applications C ]//SAE Paper. Toronto, Canada, 1999研究與開(kāi)發(fā)[門(mén)].內燃機工程,2004,25(5):10-1399901-3682Zhang Jipeng, Yu Liu, Dong Guangyu, et al. Study and ex[7] US Department of Energy Efficiency and Renewable Energyploitation of multifunctional engine combustion simulationOfice of Transportation Technologies. Homogeneous Charge[J]. Chinese Internal Combustion Engine Engineering連A.Us2004,25(5):10-13( in ChineseCongress, 2001[15]常國峰,張紀鵬,郭英男,等.快速壓縮機瞬態(tài)數據采集[8]Marino Nick M. a detailed chemical kinetic model for high與處理系統[J].吉林大學(xué)學(xué)報,2006,36(1):31-35temperature ethanol oxidation[ J]. Intemational Journal ofChang Guofeng, Zhang Jipeng, Guo Yingnan, et al. Transi-Chemical Kinetic. 1999. 31: 183-220ent acquisition and processing system for a rapid compression[9 Jan-Ola Olsson, Per Tunestail, Goran Haraldsson, et al. Amachine[J]. Journal of Jilin Uniersity, 2006, 36(1):31turbo charged dual fuel HCCI engine[ C]// SAE Paper. On35(in Chinese)lando,FL,USA,2001,2001-01-1896[16]常國峰,郭英男,張紀鵬,等.采用快速壓縮機對甲醇燃[10] Aaron Oakley, Zhao Hua, Nicos Ladommatos, et al. Dilu-料的HcCI燃燒特性的研究[冂].燃燒科學(xué)與技術(shù),tion effects ontrolled auto-ignition( CAl)combustion008,14(3):233238of hydrocarbon and alcohol fuels[ C]//SAE Paper.AntChang Guofeng, Guo Yingnan, Zhang Jipeng, et al. StTX,USA,2001,200101-3606on HCCI of methanol by rapid compression machine [J][11] Jan-Ola Olsson, Per Tunestail, Jonas Ulvik, et al.TheJounal of Combustion Science and Technology, 2008, 14effect of cooled EGR on emissions and perfor(3): 233-238( in Chinese ).中國煤化工CNMHG