乙醇燃料均质压燃发动机的试验研究

第35卷第6期吉林大学学报(工学版)Vol 35 No 62005年11月Journal of Jilin University( Engineering and Technology Edition)Nov.2005文章编号:1671-5497(2005)06-0596-05乙醇燃料均质压燃发动机的试验研究刘金山,黄为钧,郭英男,谭满志,杨立平(吉林大学汽车工程学院,长春130022)摘要:利用进气预热和废气再循环(EGR)控制方法,在由CA6110柴油机改造的单缸发动机上进行了以乙醇为燃料的均质混合气压燃( Homogeneous Charge Compression Ignition,HCCI)试验研究。结果表明:在过量空气系数A=1~9时,发动机可以实现HCCI燃烧,但由过量空气系数和ECR率表示的HCCⅠ工作范围受爆震和部分燃烧的限制。乙醇燃料HCCⅠ燃烧最大平均指示压力可达到0.6MPa,指示效率可达到60%。在HCCI燃烧中只产生少量的NO2,但是未燃HC和CO的排放较高。关键词:动力机械工程;HCCI燃烧;过量空气系数;EGR;燃烧边界中图分类号:TK411.71文献标识码: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,因此提出了第三种燃烧方式—均质混合气0引言压燃(HCCD)。1979年, Onishil1最早在二行程发动机上进行了HCCI试验研究,当时称这种燃烧传统的压燃式发动机(CI)和点燃式发动机方式为活化执紅围燃格ATAC)。1983年,Najp(SI)都不能保证既有高的热效率又有较低的排和F中国煤化工动机上也可以实现CNMHG收稿日期:200540425基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(200lcB09206)作者简介:刘金山(1963-),男,副教授研究方向:内燃机新能源及代用燃料.E-mail:jiandingzhan@jedu.cn通扔膜憂:郭英男(1946-),男,教授博士生导师研究方向:内燃机新能源及代用燃料Emal: guoyu@ jlu edt第6期刘金山,等:乙醇燃料均质压燃发动机的试验研究59HCCI燃烧。19%6年, Aoyama3等人作了预混合油门执行器控制喷油脉宽。通过转速和喷油脉宽气压燃(PCCI)试验,并把PCI发动机、柴油机和两个信号来计算每小时的喷油量,油量值通过显直喷汽油机的试验结果进行对比。表明在最佳入示仪表显示。处PCCI燃烧燃料消耗量最低,NO,排放最低,但(3)EGR系统HC排放很高。1998年, Magnus Christensen等为了降低HCCI的燃烧速率,必须加入EGR。人研究了混合气质量对HCCⅠ燃烧的影响。2001本试验中采用的是外部EGR,废气通过连接进排年, Aaron Oakley3等人用汽油、甲醇和乙醇为燃气的管路引人到进气管,EGR量由管路中间的阀料进行了被称为CAI的燃烧试验,得出了每种燃门控制。因为该HCCI发动机的进气系统中没有料CAI燃烧的工作区域MAP图。节气门,通过进排气管之间的压力差引人废气,在无论是ATAC、PCCI还是CAI,实际上都是均大负荷时不能实现试验所需的大的EGR率,为此质混合气压缩着火燃烧,因此本文称之为HCCI在排气管上安装了一个阀门,通过调解阀门的开燃烧。由于HCCI燃烧既有高的热效率,又有极低度来调解排气背压,从而调解EGR率。试验系统的NO排放,并且几乎不产生碳烟已成为当今简图如图1所示。世界各国内燃机界研究的热点68。乙醇燃料是EGR管路EGR阀种可再生的生物能源,也是最有希望的内燃机空气流量计加热器替代燃料。因此,作者以乙醇为燃料进行了均质电控喷油器压燃(HCCI)试验研究。h人三1试验仪器、设备及过程乙感供给为面缸积油P排气背压阀1.1试验仪器及设备洛阳南峰机械制造厂生产的CW-260型电涡图1试验装置结构简图流测功机,佛山分析仪器厂生产的FGA4100型Fig 1 Structure schematic of the test apparatus排气分析仪,西门子公司生产的共振型爆震传感12试验过程器,开封节流装置分厂生产的孔板式空气流量计。发动机起动后,使发动机转速恒定在1200r试验发动机采用改造后的自然吸气、直列、四min,由前5缸拖动第6缸,当水温和油温均达到冲程、水冷式单缸柴油机,即把一台CA6110柴油85±5℃,并且进气预热温度达到预置值10℃机的第6缸的进排气系统、供油系统独立出来,燃后,记录下第6缸不喷乙醇时发动机前5缸的扭用乙醇燃料。前5缸仍燃用柴油来拖动第6缸。矩。第6缸开始喷油后,由于测功机在恒定转速燃烧室为w型,缸径ⅹ冲程为110mm×120mm,下运行,所以发动机的输出扭矩会增加,记录下第单缸排量为1.14L,压缩比为17:1。为了成功实6缸喷油后发动机的扭矩。第6缸喷油前后发动现HCCI燃烧,作者对发动机进行了如下改造:机的扭矩之差即为第6缸的指示扭矩,由此可计(1)进气预热系统算出第6缸的指示功率。通过测量进排气管中由于乙醇燃料十六烷值低且有较高的汽化潜CO2的体积分数算得EGR率。热,为了保证在压缩终了时混合气能可靠地燃烧通过安装在进气管上的一组加热片对进气预热。2试验结果及分析在加热片后端安装温度传感器测量加热后空气的温度。通过该温度传感器的反馈信号控制电源的2.1HCCI可达到的A及平均指示压力加热功率,从而把空气加热温度控制在预置温度V凵中国煤化工气的稀释比要高,附近。才能CNMHG合理的缓慢燃烧(2)电控喷油系统本试验采用空气和EGR作为稀释剂。HCCI可以试验釆用单独的电控喷油系统为第6缸供达到的λ如图2所示。从图中可以看到,乙醇燃油。用安装在喷油泵凸轮轴上的转速传感器采集料在λ=1~9时可以获得稳定的HCCI燃烧。当转速信级悉集一个转速信号喷油嘴喷一次油,A>3时,空气的稀释已足够,不需要ECR就可实598吉林大学学报(工学版)第35卷失火限制线无EGR加EGR876543210爆震限制线010203040506070EGR率/%图2过量空气系数A和平均指示压力的关系图3HCCI的工作范围(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,化学反应已被“冻结”了。结果产生部分燃现HCI燃烧。当λ<3时,空气的稀释已不能有烧甚至失火,造成CO、HC的排放增加,热效率下效地控制化学反应速率,不加入EGR则会产生爆降。震燃烧(敲缸),必须加入EGR才可能获得HCCI2.3发动机动力性和经济性的分析燃烧。当A=1时,Pm达到最大(0.6MPa)。EGR(1)平均指示压力pm再增加,将产生不完全燃烧,CO排放升高,指示热平均指示压力的变化如图4所示。从图中可效率降低。所以,将λ=1确定为浓限。当A>9时,由于混合气过稀燃烧速度慢,燃烧产生的净放热量少,无法维持稳定的HCCI燃烧,所以产生不完全燃烧,甚至失火。这时HC和CO的排放都非常高,指示热效率低于30%。因此,将λ=9确定为稀限。2.2HCCI的运行区域由于HCCI的燃烧一部分仅靠空气稀释获得,另一部分是靠空气和EGR共同稀释获得。为了研究λ和EGR率对HCCⅠ燃烧的影响,固定进气温度和压缩比是必要的。但这种做法的缺点是燃烧正时不能在全部HCCI工作范围内达到优0102030405060708090100EGR率/%化,因为燃烧定时与压缩比进气温度、空燃比和EGR率有直接关系。图3给出了用过量空气系图4平均指示压力p数入和EGR率的范围表示的HCCI的工作范围。Fig 4 Indicated Mean Efective Pressure Pmi从图3中可以看到,HCCI的工作范围受爆震燃烧以看出,pm随着过量空气系数的降低而增加,在和部分燃烧(包括失火)的限制。由爆震限制线Hcn工作区域内,m最大可达到06MPa。在混和部分燃烧限制线将工作区分为3个部分:①爆合气较浓时,D。随着ECR的增加先增大然后减震区;②部分燃烧区;③HCCI区。小,并且在A一定时有一个最佳的EGR率,这时爆震限制确定了敲缸区(爆震区)。在λ较达到最大值0.6MPa。而在稀混合气条件下小且EGR率较小时,混合气稀释程度不够,燃烧中国煤化工时反应速度过快而产生敲缸。CNMHG部分燃烧限制定义了失火区。当λ较小且有EGR存在时,由于混合气中氧气含量不足,产HCCI区域内指示热效率n:的变化如图5所示。从图中可以看出,HCCI燃烧有较高的η值,气秀蠍嫠温度降低,号致燃料在达到完全燃烧7最大可达0%,并且在HC区域内有一个最生不完全燃烧甚至失火现象。当A较大时,混合第6期刘金山,等:乙醇燃料均质压燃发动机的试验研究599g/(kWh)的等NO,排放曲线包围的区域),在该区域外,EGR率一定时,无论λ增加还是减小987都会导致NO,排放的增加,当λ接近部分燃烧边界或爆震限制边界时,NO,排放量最高。这是由于在爆震边界线附近,燃烧速度快,燃烧温度髙,使得NO,排放增加。在部分燃烧限制线附近,虽6543210然NO,浓度较小,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的排放情况如图7所示。虽然HCCI燃烧有极低的NO,排放,但是HC和CO排放却很102030405060708090100高。从图中可以看出,随着混合气逐渐变稀,CO10图5指示热效率Fig 5 Indicated Thermal efriciency n i8佳的效率区(0.36),n随EGR的变化不明显2.4排放性分析3210(1)NO,排放NO2的排放情况如图6所示。从图中可以看EGR率/%出,在整个HCCI区域内只产生极低的NO,排放,在绝大部分区域内NO,排放低于1g/(kW·h)。图7HCCI区域内的CO排放Fig 7 Indicated Specific CO EmissionsNO2排放有一个最低的区域(NO排放为0.2in hcci的排放逐渐增加。当λ恒定时,随着EGR率的增加,CO的排放也逐渐增加,并且在HCCI区域的98765右侧最高处,即在最小负荷和最大EGR处(当EGR率>60%,过量空气系数接近部分燃烧边界),CO的排放达到最大值280g/(kW·h)。过大的A和过高的EGR率都会导致CO排放的迅速增加。这是因为过稀混合气和过大的EGR率3210都会导致燃烧速度变慢,缸内燃烧温度下降,不利于CO的氧化,所以CO的排放增加。从图中还可以看到,当A<6时,EGR对CO排放的影响很小01020304050607080901只是EGR率/%变得HH中国煤化工,由于混合气开始CNMHG使CO排放稍有增加图6HCCI区域内的NO2排放(3)HC排放Fig 6 Indicated specific NO, emissionsHC的排放情况如图8所示。由于在试验中in HCCI region采用佛山五组分排气分析仪(用丙烷标定),并且600吉林大学学报(工学版第35卷(3)乙醇燃料HCCI燃烧的最大平均指示压力可以达到0.6MPa(4)工作区域内有一个最佳HCCI运行区域,指示热效率可以达到60%。(5)HCCI燃烧只产生少量的NO,,但是在大部分HCCI工作区域内,未燃的HC和CO排放都较高。参考文献: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图8HCCI区域内的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醇类燃料发动机HC总排放对FD法的响应一般Experimental Study on Premixed-Charge Compression是石油燃料发动机排出未燃烃的80%,所以在Ignition Gasoline Engine[ C]//SAE Paper 960081计算中已经对测量得到的未燃HC排放值进行了换算。从图中可以看出,HC的排放受A和EGR[4] CHRISTENSEN Magics, JOHANSSON Bengt. Influ的影响都很大。当EGR一定时,随着λ的增加ence of Mixture Quality on Homogeneous ChargeHC排放迅速增加;当接近部分燃烧边界时,HCCompression Ignition[ C]//SAE Pap排放达到最大值30g(kW·h)。但是当A<35 OAKLEY Aaron, ZHAO Hua, LADOMMATOS且EGR>40%时,随着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。这是由于此时混合气较浓,且EGR率较大,Engine[C]//SAE 2001-01-1030产生了不完全燃烧。当EGR率<60%时,EGR[6 OGAWA Hideyuki, MIY AMOTO Noboru, KANEKO对HC的排放影响不大。而当EGR率>60%、ANaoya. Combustion Control and Operating Range定时,HC排放随EGR率的增大而增加。Expansion in an HCCI Engine with Selective Use ofFuels with Different Low-Temperature Oxidation3结论Characteristics[C]//SAE 2003-01-1827[7] HARALDSSON Goran, TUNESTAL Per, JOHANSSON(1)以乙醇为燃料,在一台经过改造的柴油Bengt. HCCI Combustion Phasing with Closed-Loop发动机上,在进气预热(150℃)和加入EGR的条Combustion Control Using Variable Compression Ratioin a Multi Cylinder Engine[C]/SAE 2003-01件下,在λ=1~9时可以实现HCCI燃烧。(2)由过量空气系数和EGR率表示的HCCI[8]HARALDSSON GOran, TUNESTAL Per, JOHANSSON的工作范围受到爆震限制和部分燃烧(包括失Bengt. HCCI Closed-Loop Combustion Control Using火)限制。爆震限制线和部分燃烧限制线包围的Fast Thermal Management [C]//SAE 2004-01区域为HCCI工作区。943中国煤化工责任编辑陈永杰)CNMHG