用快速压缩机研究乙醇燃料的HCCI燃烧特性

第14卷第4期燃烧科学与技术Vol. 14 No 42008年8月Journal of Combustion Science and TechnologyAug.2008用快速压缩机研究乙醇燃料的HCCⅠ燃烧特性常国峰,郭英男2,张纪鹏2,王有坤2,刘巽俊2,许思传(1.同济大学汽车学院,上海20002;2.吉林大学内燃机系,长春13002摘要:为进一步了解乙醇燃料的HCCI燃烧特性,利用自主研发的快速压缩机研究了边界条件对乙醇燃料HCCI燃烧特性的影响试验表明随着充量温度的升高燃烧持续期缩短最高燃烧温度升高放热率最大值增加最大压力升高率增大最大压力升高率出现的时刻提前;随着过量空气系数的增大,可燃混合气的浓度减小,燃烧始点延迟,燃料的最高燃烧温度降低,放热率最大值降低,最大压力升高率降低、出现时刻提前,着火温度降低同时反应速率减慢,燃烧持续期增加关键词:乙醇;均质压燃;燃烧特性;快速压缩机中图分类号:TK401文献标志码:A文章编号: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燃烧技术是内燃机领域内研究的热的 Christensen和英国 Brunel大学对乙醇燃料采用HC点HCI的燃烧始点控制和燃烧速率的控制是 HCCI CI燃烧模式进行了大量的研究.国内也有研究机燃烧中最为关键的问题6,试验表明HCCI燃烧主构对乙醇燃料的HCCI燃烧特性进行研究要受到化学动力学控制,HCI燃烧的着火时刻主在对HCCI燃烧的研究中,不同的燃料在不同的要由混合气的成分、温度和压力的变化历程决定发动机上因受多种因素的影响体现出不同的燃烧特最近,乙醇在HCCI发动机上的应用也受到重视,性因此,采用燃烧边界条件可控的快速压缩机具有良其氧化还原机理已被人们所了解.瑞典Lnd大学好的边界条件控制性能快速压缩机不仅具备良好的中国煤化工收稿日期:2007-0530CNMHG基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2001CB209206)作者简介:常国峰(1976-),男博士通讯作者:常国峰,jteg163.com燃烧科学与技术第14卷第4期边界条件可控性,且具有类似发动机的压缩过程及介时,H2O2的浓度快速下降这个基元反应释放出大量质加温过程的可控边界条件燃烧模拟分析功能,它可的OH自由基,大部分OH自由基同燃料作用生成以按照试验者的要求较准确地控制燃烧边界条件.H2O且放出热量,使混合气的温度升高,导致链反应迅速进行1试验方案图1为过量空气系数和充量温度对乙醇燃料燃烧始点的影响规律.由图可以看出,在相同的过量空气系1.1试验方法数条件下,随着充量温度的升高,燃烧始点提前.根据试验使用快速压缩机,利用快速压缩机活塞阿累尼乌斯定律,温度升高加速了低温反应阶段基元压缩可燃混合气,使可燃混合气燃烧,同时记录缸内的反应的速率常数,即活化了低温反应阶段的热氛围,自压力变化过程和活塞的位移变化过程数据处理方法由基H、H2O2、HO2和OH是乙醇燃烧时的主要产物,同甲醇燃料的处理方法这些自由基对促进点火和燃烧有十分重要的意义,其1.2试验燃料中H2O2和HO2与低温反应放热紧密相关,这些自由乙醇(分子式为CH3CH2OH)是无色、透明、有香基在压缩过程中随着温度的升高逐渐累积,它们的峰味、易挥发的液体,同样是含氧燃料,具有高的辛烷值,值都在着火点附近,即低温反应中生成的H2O2数量热值比甲醇高,汽化潜热较低,乙醇比甲醇更易和汽油和缸内温度决定着高温反应的进行.所以,充量温度升及柴油相溶和乳化因其辛烷值很高而广泛用作汽油高促进了H2O2生成速率致使燃料着火提前抗爆添加剂,由于其含氧量高在柴油机上也得到了广从图中可以看出,充量温度相同时随着过量空气泛应用.表1是乙醇燃料的物理化学性质系数的增加燃烧始点逐渐延迟.这是因为其他条件不变的情况下,过量空气系数增加时,燃料的浓度随之降表1乙醇燃料的物理化学特性低,分子间碰撞几率减少,低温反应阶段化学反应速率项目指标项目指标」降低,OH自由基生成数量减少,为了达到燃料的着火汽化潜热/(J·kg-1)8372温度,稀的混合物需要更长的低温反应时间来积累热含碳量/%汽化温度/K351.7量所以,随着过量空气系数增加,低温反应阶段的持含氢量/%自燃温度K65.4续期延长着火随之延迟含氧量/%34.739理论空燃比分子量辛烷值■一T=363K相对密度(293K)十六烷值一▲-T=383K(kg·m3)2试验数据及分析2.1边界条件对燃烧始点的影响过量空气系数乙醇燃料的燃烧过程涉及57种组分、383个基元反应在燃烧过程中,乙醇燃料主要是以分解和脱氢两图1过量空气系数对燃烧始点的影响种途径来消耗,其基元反应主要包括C,HS OH HO, =Y+H2O2从图中可以看出,当充量温度由363K升高到H,02,=OH +OH383K时,燃烧始点约提前了25ms.可见混合气的充C2,OH +OH=Y +H,o量温度对燃料燃烧始点的影响明显.在过量空气系数Y+o=X+ho由4变化到7时燃烧始点约延迟了5ms.燃烧始点主H+0=HO要与充量温度有关,受过量空气系数影响相对较小.其式中:Y为乙醇脱氢之后的组分;X为Y脱氢之后的原中国煤化工应途径的选择随温度组分最乙醇燃烧是双阶段燃烧,由低温反应阶段和高温2CNMHG的影响反应阶段组成着火开始是在累积的过氧化氢H2O2图2为过量空气系数和充量温度对放热率最大值高速率分解为OH自由基的时候当OH自由基生成的影响规律由图可以看出,在相同过量空气系数的条2008年8月常国峰等:用快速压缩机研究乙醇燃料的HCCI燃烧特性件下,随着充量温度的升高,放热率最大值增加.这是使着火点提前,最终加速了高温反应的进行,燃烧持续由于充量温度的增加燃料低温反应速率增加,充量温期缩短,可以提高热效率度高的混合气产生了数量更多的自由基并且释放出更多的热量所以当燃料进入高温反应后,充量温度高的混合气会有更高的反应速率,释放更多热量因此,充量温度的升高使主放热过程提前,放热速率加快,放热率峰值增加在相同充量温度条件下,随着过量空气系数的增0099加,放热率最大值减小过量空气系数增加,燃料的浓度减小,混合气着火时刻延迟,低温反应阶段积聚的355360365370375380385H2O2浓度比较低,OH自由基浓度较小,由于HCCI都是运行在稀混合气下,因而燃料的浓度决定高温反应图3过量空气系数和充量温度对燃烧持续期的影响速率.所以过量空气系数增加,燃烧速率降低,放热率最大值降低24边界条件对燃烧最高温度的影响图中显示当充量温度由363K变化到383K时,图4为过量空气系数和充量温度对燃烧温度最大放热率最大值约升高了20J/ms.如图中所示,过量空值的影响规律由图可以看出,可燃混合气的充量温度气系数由4变化到7时放热率最大值约减小了30Jms.对HCCI燃烧温度影响明显,在相同过量空气系数条可以看出过量空气系数对放热率最大值影响比较明显.件下,随着充量温度的升高,燃烧温度逐渐增加.充量温度越高燃烧温度最大值越大.图中显示,当充量温度由353K变化到383K时,最高燃烧温度增加了约一▲-A=5200K这是因为温度对燃烧过程的影响非常明显,高温可以使燃料的化学键断裂,增加分子的运动速率,使化学反应的数量和速率都明显提高,释放热量更多,增加燃烧温度.所以,燃烧最高温度随着充量温度的升髙而不断升高365370375380385充量温度/Kl600图2充量温度对放热率最大值的影响4=52.3边界条件对燃烧持续期的影响图3为过量空气系数和充量温度对燃烧持续期的影响规律由图中可以看出,在相同过量空气系数条件下,随着充量温度的升髙,燃烧持续期变短.燃烧持续350355360365370375380385期主要受火焰传播速度的影响,火焰传播速度又受混充量温度/K合气浓度和温度、燃料特性以及混合气运动等因素的图4过量空气系数和充量温度对燃烧温度最大值的影响影响.HCCI燃烧属于多点同时着火,燃烧持续期比传统的内燃机燃烧方式要短很多.充量温度的增加,使低相同充量温度下,当过量空气系数由2变化到5温反应时产生的自由基数量增多,着火点增多,所以燃时,燃烧最高温度降低约600K.这是由于随着过量空烧速率增加,燃烧持续期缩短.气系数的增大,混合气浓度变稀,低温反应放热量减图中还可以看出,在相同的充量温度条件下,随着少,温度增加变慢,导致高温反应速率降低,缸内燃烧过量空气系数的减小,燃烧持续期缩短由于试验中混温度最大值降低合气浓度和混合气运动状态基本保持不变,所以燃烧25中国煤化工是出现时刻的影响持续期的差异原因只可能是由于燃料的改变引起了燃2.5,1CNMHG率及出现时刻的料特性的改变随着乙醇/空气混合物的浓度增加,从彰响而产生更多的自由基并加大了自由基的碰撞几率,致图5为充量温度对最大压力升高率及出现时刻的燃烧科学与技术第14卷第4期影响由图中可以看出,在相同过量空气系数(A=3)2.6过量空气系数对着火温度的影响的条件下,随着充量温度的升高,最大压力升高率逐渐图7为过量空气系数对着火温度的影响规律由升高最大压力升高率出现时刻提前这是因为充量温图中可以看出,在充量温度相同时,随着过量空气系数度高,氧化还原反应速率加快,使着火时刻提前,最大的增加,着火温度逐渐升高过量空气系数由2变化到压力升高率出现的时刻也有所提前;同时,燃烧持续期5时,着火温度约提高了30K.这是因为过量空气系数缩短,压力升高率变化加快.充量温度由353K变化到由2变化到5时,混合气浓度降低,此时需要更高的温383K时,最大压力升高率约增加了0.25MPa/ms,出度才能使大量的燃料化学键断裂,产生高温反应需要现时刻提前了约30m.可见充量温度对压力升高率的自由基和热量,并最终触发燃料进人高温反应阶段的影响明显所以,着火温度随着过量空气系数的增加而逐渐提高240810一一最大值p一出现时刻逆长7802.02.53.03.5404.55.0充耻温度/K过量空气系数图5充量温度对最大压力升高率及出现时刻的影响图7过量空气系数对著火温度的影响2.52过量空气系数对最大压力升高率及出现时刻3结论的影响图6为过量空气系数对最大压力升髙率及出现时(1)乙醇燃料在HCCI燃烧模式下,随着可燃混刻的影响由图中可以看出,在相同充量温度情况下,合气充量温度升高燃料氧化还原反应的速率加快燃随着过量空气系数的增加最大压力升高率变小,最大烧始点提前燃烧持续期缩短,最高燃烧温度升高,放压力升高率出现时刻推迟当过量空气系数由2变化热率最大值增加,最大压力升高率增大,最大压力升高到5时,最大压力升高率约减少了0.7MPa/ms,出现率出现时刻提前时刻约延迟了30ms.这是因为过量空气系数大的混(2)乙醇燃料在HCCI燃烧模式下,随着可燃混合合气着火时刻延迟燃烧过程中积聚的H2O2浓度比气过量空气系数的增加,燃烧始点延迟过量空气系数低,燃烧持续期时间长所以,过量空气系数增加,燃增加在高温阶段的燃烧速率降低燃料的最高燃烧温烧速率降低,最大压力升高率减小,最大压力升高率度降低,放热率最大值降低,最大压力升高率降低最出现时刻也延迟从图5和图6比较看出,压力升高大压力升高率出现时刻延迟,着火温度升高燃烧持续率最大值出现时刻对过量空气系数的改变比较期增加敏感3)混合气的充量温度对乙醇HCCI燃烧着火过程有明显影响,而混合气的过量空气系数对乙醇HCCI口一最大燃烧过程中的放热率最大值影响明显.充量温度和过出现时刻量空气系数对燃烧持续期影响程度接近相同.说明控制充量温度和过量空气系数是控制乙醇燃料HCCI发动机着火时刻和燃烧过程的重要手段参考文献过量空气系数[1]中国煤化工mmB. DemonstratinC NMHGomogeneous charge图6过量空气系数对最大压力升高率及出现时刻pression ignition engine with variable compression rati的影响C ]/ SAE Paper. Toronto, Canada, 1999, 1999-01-3679008年8月常国峰等:用快速压缩机研究乙醇燃料的HCCI燃烧特性[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]刘金山,郭英男,谭满志,等.乙醇燃料均质压燃(HC[3] Eng J A, Leppard WR, Sloane T M. The effect of di-terti-cI)燃烧边界[J].燃烧科学与技术,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. 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