乙醇燃料均質(zhì)壓燃發(fā)動(dòng)機的試驗研究

第35卷第6期吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)Vol 35 No 62005年11月Journal of Jilin University( Engineering and Technology Edition)Nov.2005文章編號:1671-5497(2005)06-0596-05乙醇燃料均質(zhì)壓燃發(fā)動(dòng)機的試驗研究劉金山,黃為鈞,郭英男,譚滿(mǎn)志,楊立平(吉林大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院,長(cháng)春130022)摘要:利用進(jìn)氣預熱和廢氣再循環(huán)(EGR)控制方法,在由CA6110柴油機改造的單缸發(fā)動(dòng)機上進(jìn)行了以乙醇為燃料的均質(zhì)混合氣壓燃( Homogeneous Charge Compression Ignition,HCCI)試驗研究。結果表明:在過(guò)量空氣系數A=1~9時(shí),發(fā)動(dòng)機可以實(shí)現HCCI燃燒,但由過(guò)量空氣系數和ECR率表示的HCCⅠ工作范圍受爆震和部分燃燒的限制。乙醇燃料HCCⅠ燃燒最大平均指示壓力可達到0.6MPa,指示效率可達到60%。在HCCI燃燒中只產(chǎn)生少量的NO2,但是未燃HC和CO的排放較高。關(guān)鍵詞:動(dòng)力機械工程;HCCI燃燒;過(guò)量空氣系數;EGR;燃燒邊界中圖分類(lèi)號:TK411.71文獻標識碼:AExperimental Study on Homogeneous Charge CompressionIgnition Engine Fueled with EthanolLIU Jin-shan, HUANG Wei-jun, GUO Ying-nan, TAN Man-zhi, YANG Li-pingCollege of Automotive Engineering, Jilin University, Changchun 130022, China)Abstract: The experimental study on homogenous charge compression ignition( HCCI )engine fueled withethanol was carried out on a single-cylinder engine modified from the CA6110 diesel engine. The preheatingintake air and EGR were taken as the control parameters of fuel ignition. The results show that HCCI can beobtained in the range of air/fuel equivalence ratio A =1-9, but the HCCI operation range expressed by A andEGR ratio is limited by knock and partial combustion. The maximum obtainable indicated mean pressure ofHCCI combustion of the ethanol is 0. 6 MPa, and the indicated thermal efficiency is 60%. Only little NO, isformed, but the unburned HC and Co emissions are significantKey words: power machinery engineering; HCCI combustion; air/fuel equivalence ratio; EGR; combustion放,因此提出了第三種燃燒方式—均質(zhì)混合氣0引言壓燃(HCCD)。1979年, Onishil1最早在二行程發(fā)動(dòng)機上進(jìn)行了HCCI試驗研究,當時(shí)稱(chēng)這種燃燒傳統的壓燃式發(fā)動(dòng)機(CI)和點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機方式為活化執紅圍燃格ATAC)。1983年,Najp(SI)都不能保證既有高的熱效率又有較低的排和F中國煤化工動(dòng)機上也可以實(shí)現CNMHG收稿日期:200540425基金項目:國家重點(diǎn)基礎研究發(fā)展規劃項目(200lcB09206)作者簡(jiǎn)介:劉金山(1963-),男,副教授研究方向:內燃機新能源及代用燃料.E-mail:jiandingzhan@jedu.cn通扔膜憂(yōu):郭英男(1946-),男,教授博士生導師研究方向:內燃機新能源及代用燃料Emal: guoyu@ jlu edt第6期劉金山,等:乙醇燃料均質(zhì)壓燃發(fā)動(dòng)機的試驗研究59HCCI燃燒。19%6年, Aoyama3等人作了預混合油門(mén)執行器控制噴油脈寬。通過(guò)轉速和噴油脈寬氣壓燃(PCCI)試驗,并把PCI發(fā)動(dòng)機、柴油機和兩個(gè)信號來(lái)計算每小時(shí)的噴油量,油量值通過(guò)顯直噴汽油機的試驗結果進(jìn)行對比。表明在最佳入示儀表顯示。處PCCI燃燒燃料消耗量最低,NO,排放最低,但(3)EGR系統HC排放很高。1998年, Magnus Christensen等為了降低HCCI的燃燒速率,必須加入EGR。人研究了混合氣質(zhì)量對HCCⅠ燃燒的影響。2001本試驗中采用的是外部EGR,廢氣通過(guò)連接進(jìn)排年, Aaron Oakley3等人用汽油、甲醇和乙醇為燃氣的管路引人到進(jìn)氣管,EGR量由管路中間的閥料進(jìn)行了被稱(chēng)為CAI的燃燒試驗,得出了每種燃門(mén)控制。因為該HCCI發(fā)動(dòng)機的進(jìn)氣系統中沒(méi)有料CAI燃燒的工作區域MAP圖。節氣門(mén),通過(guò)進(jìn)排氣管之間的壓力差引人廢氣,在無(wú)論是ATAC、PCCI還是CAI,實(shí)際上都是均大負荷時(shí)不能實(shí)現試驗所需的大的EGR率,為此質(zhì)混合氣壓縮著(zhù)火燃燒,因此本文稱(chēng)之為HCCI在排氣管上安裝了一個(gè)閥門(mén),通過(guò)調解閥門(mén)的開(kāi)燃燒。由于HCCI燃燒既有高的熱效率,又有極低度來(lái)調解排氣背壓,從而調解EGR率。試驗系統的NO排放,并且幾乎不產(chǎn)生碳煙已成為當今簡(jiǎn)圖如圖1所示。世界各國內燃機界研究的熱點(diǎn)68。乙醇燃料是EGR管路EGR閥種可再生的生物能源,也是最有希望的內燃機空氣流量計加熱器替代燃料。因此,作者以乙醇為燃料進(jìn)行了均質(zhì)電控噴油器壓燃(HCCI)試驗研究。h人三1試驗儀器、設備及過(guò)程乙感供給為面缸積油P排氣背壓閥1.1試驗儀器及設備洛陽(yáng)南峰機械制造廠(chǎng)生產(chǎn)的CW-260型電渦圖1試驗裝置結構簡(jiǎn)圖流測功機,佛山分析儀器廠(chǎng)生產(chǎn)的FGA4100型Fig 1 Structure schematic of the test apparatus排氣分析儀,西門(mén)子公司生產(chǎn)的共振型爆震傳感12試驗過(guò)程器,開(kāi)封節流裝置分廠(chǎng)生產(chǎn)的孔板式空氣流量計。發(fā)動(dòng)機起動(dòng)后,使發(fā)動(dòng)機轉速恒定在1200r試驗發(fā)動(dòng)機采用改造后的自然吸氣、直列、四min,由前5缸拖動(dòng)第6缸,當水溫和油溫均達到?jīng)_程、水冷式單缸柴油機,即把一臺CA6110柴油85±5℃,并且進(jìn)氣預熱溫度達到預置值10℃機的第6缸的進(jìn)排氣系統、供油系統獨立出來(lái),燃后,記錄下第6缸不噴乙醇時(shí)發(fā)動(dòng)機前5缸的扭用乙醇燃料。前5缸仍燃用柴油來(lái)拖動(dòng)第6缸。矩。第6缸開(kāi)始噴油后,由于測功機在恒定轉速燃燒室為w型,缸徑ⅹ沖程為110mm×120mm,下運行,所以發(fā)動(dòng)機的輸出扭矩會(huì )增加,記錄下第單缸排量為1.14L,壓縮比為17:1。為了成功實(shí)6缸噴油后發(fā)動(dòng)機的扭矩。第6缸噴油前后發(fā)動(dòng)現HCCI燃燒,作者對發(fā)動(dòng)機進(jìn)行了如下改造:機的扭矩之差即為第6缸的指示扭矩,由此可計(1)進(jìn)氣預熱系統算出第6缸的指示功率。通過(guò)測量進(jìn)排氣管中由于乙醇燃料十六烷值低且有較高的汽化潛CO2的體積分數算得EGR率。熱,為了保證在壓縮終了時(shí)混合氣能可靠地燃燒通過(guò)安裝在進(jìn)氣管上的一組加熱片對進(jìn)氣預熱。2試驗結果及分析在加熱片后端安裝溫度傳感器測量加熱后空氣的溫度。通過(guò)該溫度傳感器的反饋信號控制電源的2.1HCCI可達到的A及平均指示壓力加熱功率,從而把空氣加熱溫度控制在預置溫度V凵中國煤化工氣的稀釋比要高,附近。才能CNMHG合理的緩慢燃燒(2)電控噴油系統本試驗采用空氣和EGR作為稀釋劑。HCCI可以試驗釆用單獨的電控噴油系統為第6缸供達到的λ如圖2所示。從圖中可以看到,乙醇燃油。用安裝在噴油泵凸輪軸上的轉速傳感器采集料在λ=1~9時(shí)可以獲得穩定的HCCI燃燒。當轉速信級悉集一個(gè)轉速信號噴油嘴噴一次油,A>3時(shí),空氣的稀釋已足夠,不需要ECR就可實(shí)598吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)第35卷失火限制線(xiàn)無(wú)EGR加EGR876543210爆震限制線(xiàn)010203040506070EGR率/%圖2過(guò)量空氣系數A和平均指示壓力的關(guān)系圖3HCCI的工作范圍(n=1200r/min)Fig 2 Excessive air coefficient A versus indicatedFig 3 Operation range of HCCI(n=1200 r/m)mean effective pressure以前,化學(xué)反應已被“凍結”了。結果產(chǎn)生部分燃現HCI燃燒。當λ<3時(shí),空氣的稀釋已不能有燒甚至失火,造成CO、HC的排放增加,熱效率下效地控制化學(xué)反應速率,不加入EGR則會(huì )產(chǎn)生爆降。震燃燒(敲缸),必須加入EGR才可能獲得HCCI2.3發(fā)動(dòng)機動(dòng)力性和經(jīng)濟性的分析燃燒。當A=1時(shí),Pm達到最大(0.6MPa)。EGR(1)平均指示壓力pm再增加,將產(chǎn)生不完全燃燒,CO排放升高,指示熱平均指示壓力的變化如圖4所示。從圖中可效率降低。所以,將λ=1確定為濃限。當A>9時(shí),由于混合氣過(guò)稀燃燒速度慢,燃燒產(chǎn)生的凈放熱量少,無(wú)法維持穩定的HCCI燃燒,所以產(chǎn)生不完全燃燒,甚至失火。這時(shí)HC和CO的排放都非常高,指示熱效率低于30%。因此,將λ=9確定為稀限。2.2HCCI的運行區域由于HCCI的燃燒一部分僅靠空氣稀釋獲得,另一部分是靠空氣和EGR共同稀釋獲得。為了研究λ和EGR率對HCCⅠ燃燒的影響,固定進(jìn)氣溫度和壓縮比是必要的。但這種做法的缺點(diǎn)是燃燒正時(shí)不能在全部HCCI工作范圍內達到優(yōu)0102030405060708090100EGR率/%化,因為燃燒定時(shí)與壓縮比進(jìn)氣溫度、空燃比和EGR率有直接關(guān)系。圖3給出了用過(guò)量空氣系圖4平均指示壓力p數入和EGR率的范圍表示的HCCI的工作范圍。Fig 4 Indicated Mean Efective Pressure Pmi從圖3中可以看到,HCCI的工作范圍受爆震燃燒以看出,pm隨著(zhù)過(guò)量空氣系數的降低而增加,在和部分燃燒(包括失火)的限制。由爆震限制線(xiàn)Hcn工作區域內,m最大可達到06MPa。在混和部分燃燒限制線(xiàn)將工作區分為3個(gè)部分:①爆合氣較濃時(shí),D。隨著(zhù)ECR的增加先增大然后減震區;②部分燃燒區;③HCCI區。小,并且在A(yíng)一定時(shí)有一個(gè)最佳的EGR率,這時(shí)爆震限制確定了敲缸區(爆震區)。在λ較達到最大值0.6MPa。而在稀混合氣條件下小且EGR率較小時(shí),混合氣稀釋程度不夠,燃燒中國煤化工時(shí)反應速度過(guò)快而產(chǎn)生敲缸。CNMHG部分燃燒限制定義了失火區。當λ較小且有EGR存在時(shí),由于混合氣中氧氣含量不足,產(chǎn)HCCI區域內指示熱效率n:的變化如圖5所示。從圖中可以看出,HCCI燃燒有較高的η值,氣秀蠍嫠溫度降低,號致燃料在達到完全燃燒7最大可達0%,并且在HC區域內有一個(gè)最生不完全燃燒甚至失火現象。當A較大時(shí),混合第6期劉金山,等:乙醇燃料均質(zhì)壓燃發(fā)動(dòng)機的試驗研究599g/(kWh)的等NO,排放曲線(xiàn)包圍的區域),在該區域外,EGR率一定時(shí),無(wú)論λ增加還是減小987都會(huì )導致NO,排放的增加,當λ接近部分燃燒邊界或爆震限制邊界時(shí),NO,排放量最高。這是由于在爆震邊界線(xiàn)附近,燃燒速度快,燃燒溫度髙,使得NO,排放增加。在部分燃燒限制線(xiàn)附近,雖6543210然NO,濃度較小,但是由于指示功率很低,所以NO,的排放反而增加。(2)CO排放CO的排放情況如圖7所示。雖然HCCI燃燒有極低的NO,排放,但是HC和CO排放卻很102030405060708090100高。從圖中可以看出,隨著(zhù)混合氣逐漸變稀,CO10圖5指示熱效率Fig 5 Indicated Thermal efriciency n i8佳的效率區(0.36),n隨EGR的變化不明顯2.4排放性分析3210(1)NO,排放NO2的排放情況如圖6所示。從圖中可以看EGR率/%出,在整個(gè)HCCI區域內只產(chǎn)生極低的NO,排放,在絕大部分區域內NO,排放低于1g/(kW·h)。圖7HCCI區域內的CO排放Fig 7 Indicated Specific CO EmissionsNO2排放有一個(gè)最低的區域(NO排放為0.2in hcci的排放逐漸增加。當λ恒定時(shí),隨著(zhù)EGR率的增加,CO的排放也逐漸增加,并且在HCCI區域的98765右側最高處,即在最小負荷和最大EGR處(當EGR率>60%,過(guò)量空氣系數接近部分燃燒邊界),CO的排放達到最大值280g/(kW·h)。過(guò)大的A和過(guò)高的EGR率都會(huì )導致CO排放的迅速增加。這是因為過(guò)稀混合氣和過(guò)大的EGR率3210都會(huì )導致燃燒速度變慢,缸內燃燒溫度下降,不利于CO的氧化,所以CO的排放增加。從圖中還可以看到,當A<6時(shí),EGR對CO排放的影響很小01020304050607080901只是EGR率/%變得HH中國煤化工,由于混合氣開(kāi)始CNMHG使CO排放稍有增加圖6HCCI區域內的NO2排放(3)HC排放Fig 6 Indicated specific NO, emissionsHC的排放情況如圖8所示。由于在試驗中in HCCI region采用佛山五組分排氣分析儀(用丙烷標定),并且600吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版第35卷(3)乙醇燃料HCCI燃燒的最大平均指示壓力可以達到0.6MPa(4)工作區域內有一個(gè)最佳HCCI運行區域,指示熱效率可以達到60%。(5)HCCI燃燒只產(chǎn)生少量的NO,,但是在大部分HCCI工作區域內,未燃的HC和CO排放都較高。參考文獻:2[1 ONISHI S. Active Thermo Atmosphere Combustion( ATAC )-A New Combustion Process for InternalEGR率/%Combustion Engines[ C]/SAE Paper 790501, 1979[2]NAJP P, FOSTER D E. Compression Ignited圖8HCCI區域內的HC的排放Fig 8 Indicated Specific HC EmissionsHomogeneous Charge Combustion[C]//SAE Paper830264,1983in HCCI region[3] AOYAMA T, HATTORI Y, MIZUTA J, SOTA Y.An醇類(lèi)燃料發(fā)動(dòng)機HC總排放對FD法的響應一般Experimental Study on Premixed-Charge Compression是石油燃料發(fā)動(dòng)機排出未燃烴的80%,所以在Ignition Gasoline Engine[ C]//SAE Paper 960081計算中已經(jīng)對測量得到的未燃HC排放值進(jìn)行了換算。從圖中可以看出,HC的排放受A和EGR[4] CHRISTENSEN Magics, JOHANSSON Bengt. Influ的影響都很大。當EGR一定時(shí),隨著(zhù)λ的增加ence of Mixture Quality on Homogeneous ChargeHC排放迅速增加;當接近部分燃燒邊界時(shí),HCCompression Ignition[ C]//SAE Pap排放達到最大值30g(kW·h)。但是當A<35 OAKLEY Aaron, ZHAO Hua, LADOMMATOS且EGR>40%時(shí),隨著(zhù)λ的降低,HC排放反而增Nicos. Experimental Studies on Controlled AutoIgnition( CAl) Combustion of Gasoline in a 4-stroke加。這是由于此時(shí)混合氣較濃,且EGR率較大,Engine[C]//SAE 2001-01-1030產(chǎn)生了不完全燃燒。當EGR率<60%時(shí),EGR[6 OGAWA Hideyuki, MIY AMOTO Noboru, KANEKO對HC的排放影響不大。而當EGR率>60%、ANaoya. Combustion Control and Operating Range定時(shí),HC排放隨EGR率的增大而增加。Expansion in an HCCI Engine with Selective Use ofFuels with Different Low-Temperature Oxidation3結論Characteristics[C]//SAE 2003-01-1827[7] HARALDSSON Goran, TUNESTAL Per, JOHANSSON(1)以乙醇為燃料,在一臺經(jīng)過(guò)改造的柴油Bengt. HCCI Combustion Phasing with Closed-Loop發(fā)動(dòng)機上,在進(jìn)氣預熱(150℃)和加入EGR的條Combustion Control Using Variable Compression Ratioin a Multi Cylinder Engine[C]/SAE 2003-01件下,在λ=1~9時(shí)可以實(shí)現HCCI燃燒。(2)由過(guò)量空氣系數和EGR率表示的HCCI[8]HARALDSSON GOran, TUNESTAL Per, JOHANSSON的工作范圍受到爆震限制和部分燃燒(包括失Bengt. HCCI Closed-Loop Combustion Control Using火)限制。爆震限制線(xiàn)和部分燃燒限制線(xiàn)包圍的Fast Thermal Management [C]//SAE 2004-01區域為HCCI工作區。943中國煤化工責任編輯陳永杰)CNMHG