乙醇燃料SI-HCCI-SI燃烧模式发动机的工作区域

第37卷第3期吉林大学学报(工学版)Vol 37 No. 32007年5月Journal of Jilin University( Engineering and Technology Edition)May 2007乙醇燃料 SI-HCCⅠSI燃烧模式发动机的工作区域彭亚平,郭英男,刘金山,黄为钓,谭满志,许艳军(吉林大学汽车工程学院,长春130022)摘要:为了研究火花点火和均质压燃两种燃烧方式的转换,在一台ZS1105柴油发动机的基础上通过改变压缩比、燃料供给方式和进气系统,采用进气预热成功实现了HCCI和SI两种燃烧方式的转换。试验结果表明:所开发的双燃烧模式发动机运行可靠,可方便地实现火花点火和均质压燃两种燃烧方式的转换,可作为研究这两种燃烧方式转换的平台。确定了乙醇燃料HCCⅠ工作区域的上、下边界判断方法,得到了乙醇燃料 SI-HCCI-SI燃烧的工作区域。关键词:动力机械工程;发动机;乙醇;双燃烧模式;工作区域中图分类号:TK46文献标识码:A文章编号:1671-5497(2007)03-050904Operation region of ethanol SI-HCCI-SI combustion mode enginePeng Ya-ping, Guo Ying-nan, Liu Jin-shan, Huang Wei-jun, Tan Man-zhi, Xu Yan-junCollege of Automotive Engineering, Jilin University, Changchun 130022, China)Abstract: In order to investigate the engine combustion mode switchover between the spark ignition(SI) combustion and the homogeneous charge compression ignition(HCCI) combustion, a test enginewas developed from refitting the ZS1105 series production diesel engine by modification of thecompression ratio, the fuel supply system, and the intake system. By means of the adjustment of theintake charge preheating, the dual combustion mode switchover was realized smoothly on the testengine, which can be used as a platform for investigation of such combustion mode switchover. Thecriteria to distinguish the upper and lower boundaries of HCCi combustion were defined and theoperation regions of the ethanol si-HCCi-si combustion modes were obtainedKey words: power machinery and engineering; engine; ethanol; dual combustion mode; operation region均质压燃(HCCⅠ综合了点燃和压燃两种燃容易发生失火;而发动机处于大负荷时,由于混合烧方式的优点,取消了节气门,泵气损失小,采用气加浓,过快的化学反应速度将产生爆震燃烧。均质稀混合气压燃着火,燃烧温度低,因此NO2因此在全工况范围内实现HCCI燃烧非常困和碳烟排放极低。研究表明,均质压燃燃烧的化难。为了能使发动机在全工况范围内运行,在学反应速度主要由混合气的化学反应动力学控小负荷、大负荷工况下采用SI方式,在中等负荷制1-,燃烧几乎是同步的,控制HCCI着火燃烧工况下采用HCCI方式是切实可行的方法的方法之一是使用稀混合气。但过稀的混合基于此,作者介绍了一套双燃烧模式的发动气在小负荷时发动机难以形成稳定的着火条件,机系V凵中国煤化工荷以及大负荷条收稿日期:2006-04-03CNMHG基金项目:“973”国家重点基础研究发展规划资助项目(2001CB209206);国家自然科学基金资助项目(50476007)作者简介:彭亚平(1980-),男博士研究生研究方向:内燃机新能源与代用燃料技术Emal:sinai2002@163.com通讯联系人:刘金山(1963-),男,教授研究方向:内燃机新能源及代用燃料E-mail:jiandingzhan@)jlu.edu.cn510吉林大学学报(工学版)第37卷件下采用火花点火方式工作,在中等负荷下采用功能将情轮轴原来手摇起动的一端经过加工与HCCI燃烧方式运行。并确定了 SI-HCCI-SI燃分电器精确连接,保证发动机工作过程中分电器烧的工作区域。能正常工作。火花塞安装在原机的喷油器位置,1试验用发动机将原来缸盖上的喷油器孔经过攻丝后装上火花塞,为了避免缸外跳火,选用了绝缘性能好的点火试验使用的发动机是在ZS1105柴油机的基线。通过试验确定了发动机不同转速、不同负荷础上改造而成的,ZS1105柴油机的技术参数为:下的最佳点火提前角。气缸直径为105mm;活塞行程为115mm;单缸1.4进气预热系统和进气系统排量为0.99L;压缩比为17;额定功率/额定转速在压缩比一定的发动机上要实现低十六烷值为13.3kW/2200/min-1;进气门开、关角度分燃料的HCCI燃烧,采用进气预热系统加热进气别为14°和43°;排气门开、关角度分别为43°和使混合气的压缩终了温度达到自燃温度以上,保14°。为了使该发动机能够实现SI/HCCI双燃烧证其能自燃着火燃烧是一种行之有效的方法0。模式,而在中等负荷采用HCCⅠ燃烧模式,对发动为此设计了一套电加热装置。该装置是由普通市机的压缩比、燃料供给系统和进气系统进行了改售的柴油机空气加热器改造而成的,设计功率可进,并增加了点火系统和缸内压力采集系统。在发动机全速、全负荷运行时把进气温度加热到1.1压缩比的选择350℃。空气加热器片工作原理如图1所示),对于低十六烷值的乙醇燃料而言,HCCI燃单片功率为1.8kW,外接电压为24V,通过调整烧模式需要较大的压缩比,但在大负荷时,采用火加热功率实现对进气温度的控制。但是,当发动花点火燃烧模式时,过大的压缩比将产生爆震燃机工作在大负荷时,必须从HCCI工作方式切换烧。因此为了兼顾两种燃烧模式,本研究通过试到SI工作方式。如果此时依然采用热空气,同样验最后将发动机的压缩比确定为11.8会导致爆震,因此改进了原机的进气系统,如图21.2燃料供给系统所示。发动机在冷起动、小负荷以及大负荷工况为了形成乙醇燃料的均质混合气,且能独立、时,调整联动阀,关闭热气通道打开冷气通道,缸精确地控制试验的供油量,在进气管上加装了一内吸人冷空气。在中等负荷工况时,打开热气通套电控低压燃料喷射系统,在进气道内形成均匀道,关闭冷气通道,缸内吸入热空气。选用直径为混合气。本装置的油轨、油泵和喷油器均与CA-46mm的节气门来控制发动机的负荷大小。6102汽油机喷射系统中的相同,乙醇燃料喷射量可根据试验要求自由控制。采用 Intel公司80C196KC型16位单片机作为整个控制系统的电控单元。其特点是最高可以选用16MHz晶振,运行速度快,一个状态周期仅为125ns。具有4个高速输入和4个高速输出口(HSI/HSO),高速输入口最多可记下8个外部事件的发生时间,高速输出口可以悬挂起8个输出控制事件,按规电压为24v,每个电阻的功率为18kW定时间触发,容易实现实时控制。具有8个AD通道除可采用10位转换方式外,还可以采用8图1加热器工作原理示意图位转换方式,以加快转换过程。具有丰富的中断Fig. 1 Schematic of heater operation principles源及全双工串行口,可以与计算机进行通信,对控1.5缸内压力采集系统制参数进行在线调整修改,监测发动机运行状况进行燃烧分析以及了解两种燃烧模式转1.3点火系统换时中国煤化工安装缸压传感器由于基础发动机没有点火系统,为此在原机同时CNMHG曲轴的前端安装上加装了一套点火系统。基础发动机齿轮箱内惰了LF-102.4BMC05E型光电编码器。该编码器轮的转速恰好为曲轴转速的一半,满足分电器对的光栅盘产生的角度信号为方波信号,频率为转速的要求,因此废除了原来惰齿轮的手摇起动720次/转,分辨率为0.5°曲轴转角,光栅盘上同第3期彭亚平,等:乙醇燃料SI- HCCI-SI燃烧模式发动机的工作区城·511·传感器的输出。可明显看到,无爆震时传感器的冷气通道电压输出为士1V,有爆震时输出电压幅值明显进气温度1增大,据此确定乙醇燃料HCCI燃烧工作区的上边界;在小负荷时,过稀的混合气使HCCI燃烧不加热器稳定,甚至失火,因此可根据是否失火确定乙醇燃热气通道料HCCI燃烧工作区的下边界。在HCCI工作区节气门空气流量计的上、下边界之外的区域采用SI燃烧方式。依照进到缸内上述方法,作者进行了不同转速下的乙醇燃料HCCI和SI两种燃烧模式转换的试验,计算了平图2进气系统简图均有效压力(BMEP),得到了以发动机转速Fig 2 Schematic of intake systemBMEP表示的乙醇燃料 SI-HCCI-SI燃烧工作区时设有曲轴上止点触发信号。采用 AVL GM2D城型缸压传感器,同时配用电荷放大器、高速数据采集卡和数据采集软件进行缸内燃烧压力的采集。2试验装置和方法强烈燥展点无爆震点试验装置简图如图3所示。试验时,发动机采用正常火花点火的方式起动,此时调整联动阀发动机喷油嘴机计算机进气系统进气温度2图41200r/min时有无爆震时传惑器的电压输出光电编码器Fig 4 Voltage outputs of knock sensor with without高速数据采集nock at 1200 r/min相感造大器3试验结果图3试验装置简图Fig 3 Schematic of experimental set-up为了使发动机在SI方式下的工作状态最佳,关闭加热器通道,使空气通过冷空气通道进到缸首先确定最佳点火提前角脉谱(见图5)。内。发动机起动后,使用节气门采用量调节方式进行暖机和在小负荷区域工作。在热机的同时打开加热器进行加热,当进气温度2超过220℃时,调整联动阀,关闭冷气通道,打开热气通道,缸内吸入热空气。将发动机的节气门开到最大,关闭火花点火,即可实现HCCI燃烧发动机工作在HCCI方式时,负荷的调节采用质调节。随着负荷的增加,混合气逐渐变浓,达到某一值时,由于化学反应速度过快,将出现爆震燃烧,这就是HCCI工作方式的上限,因此试验过中国煤化工10程中使用共振型爆震传感器对燃烧状况进行实时CNMHG监测。该传感器的输出信号是一个电压信号,与图5点火提前角脉谱正常燃烧相比,有爆震时该输出信号的幅值大幅Fig 5 Map of ignite advance angle度增加。图4为1200r/min时有无爆震时爆震512·吉林大学学报(工学版)第37卷图6是以发动机转速n和平均有效压力[4] Najt P M, Foster D E Compression ignited homogeBMEP表示的乙醇燃料SI- HCCISI的工作区neous charge combustion[C]//SAE 830264, 1983.域。由图可见,此时乙醇HCCI燃烧的负荷上限51刘金山,黄为钩,郭英男,等乙醇燃料均质压燃发接近0.5MPa,混合气再加浓将产生强烈的爆震动机的试验研究[].吉林大学学报:工学版,2005燃烧,HCCI燃烧负荷的下限为0.1~0.2MPa,35(6):596-600混合气过稀将导致失火。因此必须从HCCI方式Liu Jin-shan, Huang Wei-jun, Guo Ying-nan, et al.Experimental study on homogeneous charge com-切换到SI方式。pression ignition engine fueled with ethanol [J]Journal of Jilin University( Engineering and Tech-nology Edition),2005,35(6):596-600.[6]Lucien Koopmans, Hans Strom, Staffan Lundgren0.et al. Demonstrating a SI-HCCI-SI mode change on0.6a volvo 5-cylinder electronic valve control engine[C]/SAE Paper 2003-01-0753E0.4[7]方俊华,黄震,乔信起,等.均质充量压缩着火发动机HCCI燃烧的研究与进展[].柴油机,2002(6):8-12Fang Jun-hua, Huang Zhen, Qiao Xin-qi, et al. Re-search and development of homogeneous charge0011001200130014001500160017001compression ignition combustion technology [J]Diesel Engine, 2002(6):8-图6乙醇燃料 SI-HCCI-SE工作区域[8]尧命发,郑尊清,沈捷,等.废气再循环对二甲基醚均Fig 6 Operation regions of ethanol SI/HCCI combustion质压燃燃烧过程影响的试验研究[J].内燃机学报04,22(2):104-1094结束语Yao Ming-fa Zheng Zunqing, Shen Jie, et al. Ex-建立的双燃烧模式发动机系统实现了火花点perimental study on the effects of exhaust Gas recir-culation( EGR)on the HCCI combustion of dieth-火燃烧和均质压燃燃烧两种燃烧模式的转换,确yl ether(DME)DJ]. Transactions of CSICE,2004定了乙醇燃料HCCI燃烧工作区域上、下边界的22(2):104-109判断方法,并在此基础上得到了乙醇燃料Sl[9 Multiple operating mode engine and method of operHCCISI燃烧的工作区域,为进一步研究燃烧模ation[P]. United States Patent 06907870. June 21式转换提供了平台。参考文献:[10]彭亚平.进气温度对醇类燃料均质压燃发动机燃烧过程影响的试验研究[D].长春:吉林大学汽车工程[l]U S department of energy efficiency and renewable学院,2005energy office of transportation technologies [Z].Peng Ya-ping. Experimental study of effects of in-Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCD)take charge temperature on ethanol HCCI combusTechnology-A Report to the U COngress, apriltion[D]. Changchun: College of Automotive Engi-2001neering, Jilin University, 2005[2] Christensen M, Johansson B, Amneus P,etal.uper.[1]刘金山,郭英男,谭满志,等.乙醇燃料均质压燃charged homogeneous charge compression ignition(HCCD燃烧边界[J].燃料科学与技术,2005,1[C]∥SAE980787[3] Aceves S, Martinez Frias ], Flowers D, et al. a deLiu Jinshan, Guo Ying-nan, Tan Manzhi, et alcoupled model of detailed fluid mechanics for prediction boundaries of ethanol as enginetion of iso-octane HCCI combustion[C]//SAE Paper中国煤化工 Science and tech2001-01-3612.CNMHG