汽車工程2007年(第29卷)第10期 Automotive Engineering2007(Vol.29)No.102007198乙醇均質(zhì)壓燃性能的試驗(yàn)研究楊立平,郭英男,李君,王立媛2,劉金山(1.吉林大學(xué)汽車學(xué)院,長(zhǎng)春1300222長(zhǎng)春師范學(xué)院,長(zhǎng)春130032)摘要]在一臺(tái)改造的單缸發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了乙醇燃料均質(zhì)壓燃的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明,在較寬的混合氣濃度范圍內(nèi),乙醇CC發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生較高的熱效率,各EGR率下在當(dāng)最比為0.11-0.5范圍內(nèi)指示熱效率都在30%以上;在HCC燃燒范圍內(nèi),EGR和當(dāng)量比的合理組合可以將NO,排放控制在g/(kW·h)以下;在沒(méi)有后處理器時(shí),乙醇HCC燃燒產(chǎn)生較高的HC和CO排放;EGR率相比,當(dāng)量比對(duì)HC和CO排放的影響更為明顯。關(guān)鍵詞:乙醇;均質(zhì)壓燃;性能;排放 An Experimental Study on HCCI Performance of Ethanol Yang Liping', Guo Yingnan', Li Jun', Wang Liyuan'& Liu Jinshan' 1. College of Automobile Engineering. Jitin University, Changchuun 130022: 2. Changchun Normal Univeraity, Changchun 130032 [Abstract] An experimental study on the homogeneous charge compression ignition (HCCI)performance of a modified single cylinder engine fueled with ethanol is presented. The results show that the HCCI engine with etha- nol has higher thermal efficiency at a wide range of fuel/air ratio. All the indicated thermal efficiencies are higher than 30% over the whole equivalence ratio range of 0. 11-0. 5 under all EGR rate with the highest efficiency reac- hing 60% at 50% EGR rate and 0. 33 equivalence ratio Within the range of HCCI combustion, proper combination of EGR rate and equivalence ratio can control the NO, emission level below Ig/(kw.). Without after-treatment, HCCI combustion with ethanol produces higher level of HC and CO emission. And compared to ECR rate, the quivalence ratio has more marked effect on HC and CO emission Keywords: Ethanol; HCCI; Performance;EmissionsHCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)是:產(chǎn)生較高的未燃HC和前言CO排放;發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和控制困難;在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)很難控制著火正時(shí),因?yàn)镠CCI均質(zhì)混合氣壓燃(HCCI)發(fā)動(dòng)機(jī)有較高熱效率發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有像柴油機(jī)或汽油機(jī)通過(guò)燃料噴射正時(shí)和非常低的NO和微粒排放,所以受到廣泛的關(guān)點(diǎn)火正時(shí)來(lái)控制著火的外部控制,其著火完全受控注1-2。HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)將火花點(diǎn)火(SI)汽油機(jī)和壓于化學(xué)動(dòng)力學(xué)因此著火正時(shí)主要由燃料成分,混合縮著火(CI)柴油機(jī)的優(yōu)點(diǎn)集于一身,采用S發(fā)動(dòng)機(jī)氣的化學(xué)計(jì)量和混合氣的熱力學(xué)狀態(tài)等參數(shù)來(lái)控的均勻混合氣降低了微粒排放;像柴油機(jī)一樣,混合制針對(duì)影響HCC燃燒參數(shù)的研究有很氣被壓燃,沒(méi)有節(jié)流損失,產(chǎn)生較高的熱效率。此多- Thring研究了EGR和當(dāng)量比的不同組合,外,HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃料適應(yīng)性非常強(qiáng),除柴油、汽油等并建議在高負(fù)荷下使用傳統(tǒng)的S模式運(yùn)行,在部分傳統(tǒng)的石油燃料外,大部分代用燃料都可以用于負(fù)荷采用HCC模式ida等人以正丁烷為燃料HCCl燃燒模式。由于采用低壓燃料噴射系統(tǒng),HC-在一臺(tái)CFR發(fā)動(dòng)機(jī)上研究了進(jìn)氣溫度、壓縮比和轉(zhuǎn)CI發(fā)動(dòng)機(jī)的成本比柴油機(jī)低。速對(duì)HCCI運(yùn)行范圍的影響Kim在各種進(jìn)氣溫國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目(2001CB209206)資助原稿收到日期為2006年8月22日,修改稿收到日期為2006年12月4日。856汽車工程2007年(第29卷)第10期度、壓力和EGR條件下研究了預(yù)混合燃料對(duì)HCCI燃燒和排放的影響。2試驗(yàn)結(jié)果及分析乙醇有較高的辛烷值,HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)將乙醇作為燃料時(shí)可以采用大的壓縮比,燃燒可以產(chǎn)生較高的2.1平均指示壓力p熱效率。文中通過(guò)EGR和當(dāng)量比協(xié)同控制的方法圖2為不同EGR率下p隨當(dāng)量比的變化關(guān)進(jìn)行了乙醇HCCI的試驗(yàn)研究。系。從圖中可以看出,各EGR率下P隨當(dāng)量比變化的趨勢(shì)基本相同,都隨著當(dāng)量比的增加而先增加1試驗(yàn)裝置和方法后降低。對(duì)于每個(gè)固定的EGR率,都有與之對(duì)應(yīng)的最佳當(dāng)量比,此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生最大的Pm當(dāng)混合氣試驗(yàn)裝置示意圖見圖1。較稀時(shí),混合氣對(duì)EGR的容忍能力較大(當(dāng)量比為EGR管路EGR閥0.11時(shí)EGR對(duì)p幾乎沒(méi)有影響)。隨著混合氣變進(jìn)氣加熱器濃,P逐漸增加,當(dāng)量比在0.33左右,各EGR率下空氣流量計(jì)電控噴油器的P值都達(dá)到最大,但是各EGR率下的P之間的差別有所增加。這是因?yàn)榇藭r(shí)混合氣已經(jīng)達(dá)到了爆燃邊界,如果沒(méi)有EGR的加入,爆燃使值下噴油泵乙醇供給為其余5降,隨著EGR的加入,降低了化學(xué)反應(yīng)速度,燃燒正缸供時(shí)推遲到最佳位置,產(chǎn)生了最高的P,但是EGR進(jìn)柴油一步增加時(shí),著火時(shí)刻過(guò)于滯后,使P降低。當(dāng)混合氣進(jìn)一步加濃時(shí),如果EGR率過(guò)低則對(duì)燃燒反應(yīng)圖1試驗(yàn)裝置示意圖的控制不夠,強(qiáng)烈的爆燃會(huì)導(dǎo)致P的降低,但是試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)由CA6110柴油發(fā)動(dòng)機(jī)改造而成的ECR率過(guò)高則會(huì)使氧濃度降低,燃燒不充分,P值單缸HCC發(fā)動(dòng)機(jī),將第6缸的進(jìn)排氣系統(tǒng)同前5缸也降低。相獨(dú)立,去掉第6缸的柴油噴射器,在進(jìn)氣管上安裝 0.7 EGR -EGR-10%一套乙醇燃料噴射系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)第6缸單獨(dú)的進(jìn)排氣、0.gr30%噴油、進(jìn)氣預(yù)熱,獨(dú)立的EGR控制。發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參 -EGR=50%0.5egr7數(shù):缸徑為110mm;行程為120mm;壓縮比為17;燃0.4燒室為ω形。為了實(shí)現(xiàn)HCCI燃燒,發(fā)動(dòng)機(jī)作如下0.3改動(dòng)。(1)進(jìn)氣預(yù)熱部分乙醇燃料十六烷值低且有0.2較高的汽化潛熱,為了保證噴入進(jìn)氣管的乙醇能夠0.10.100.200.300.400.50及時(shí)霧化蒸發(fā)并在壓縮終了混合氣能可靠地著火,當(dāng)量比需要進(jìn)氣預(yù)熱。進(jìn)氣預(yù)熱通過(guò)安裝在進(jìn)氣管上的一組加熱片來(lái)實(shí)現(xiàn),利用一套溫控系統(tǒng)將進(jìn)氣溫度控圖2平均指示壓力制在150℃左右。2.2指示熱效率(2)噴油部分取消發(fā)動(dòng)機(jī)第6缸噴油器,在圖3是不同ECR下指示熱效率隨當(dāng)量比變化第6缸的進(jìn)氣管上安裝了一套獨(dú)立的電控噴油系統(tǒng)的對(duì)比圖。從圖中可以看出,乙醇HCC燃燒在較為第6缸供乙醇,利用發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)觸發(fā)噴油,通寬的混合氣濃度范圍內(nèi)有較高的熱效率(當(dāng)量比在過(guò)油門執(zhí)行器控制噴油脈寬。0.11~0.5范圍內(nèi)的指示熱效率大于30%),且當(dāng)(3)廢氣再循環(huán)部分采用外部EGR降低燃EGR率一定時(shí),指示熱效率隨著當(dāng)量比的增加而先燒速率,通過(guò)連接進(jìn)排氣管的管路將廢氣引入進(jìn)氣增加后降低。最高的熱效率出現(xiàn)在稀混合氣區(qū),各管,EGR量由管路中間的閥門控制,為了實(shí)現(xiàn)較大EGR率下最高的熱效率都出現(xiàn)在當(dāng)量比為0.2~的EGR率,在排氣管上安裝了一個(gè)閥門,通過(guò)調(diào)整0.33之間。當(dāng)EGR率為50%、當(dāng)量比為0.33時(shí)最閥門的開度來(lái)調(diào)整排氣背壓,從而實(shí)現(xiàn)所需EGR率。大指示熱效率可以超過(guò)60%,而最低熱效率出現(xiàn)在2007(Vol.29)no.10楊立平,等:乙醇均質(zhì)壓燃性能的試驗(yàn)研究857大EGR率、濃混合氣區(qū)。因?yàn)橹甘緹嵝矢叩腿Q可以看出EGR率為70%、當(dāng)量比為0.5時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)于燃燒的及時(shí)性和燃燒的完全性,當(dāng)混合氣過(guò)稀時(shí)生了最高的HC排放,但此時(shí)已經(jīng)超出了HCCI運(yùn)行由于燃燒溫度低,燃燒不及時(shí)使得指示熱效率降低,范圍,在HCCI運(yùn)行范圍內(nèi),最高的HC排放出現(xiàn)在而在濃混合氣時(shí)大EGR率雖然可以實(shí)現(xiàn)HCC燃當(dāng)量比為0.11稀混合氣條件下,最高值為30g/(kW燒,但是氧濃度降低使燃燒不充分,所以指示熱效率h)濃混合氣時(shí)由于高ER率使燃燒過(guò)程缺氧,下降。不完全燃燒也導(dǎo)致HC排放增加。 -EGR*-0 -EGR=10% -EGR*=30% -EGR=50%EGR=70% 40-EGR* -EGR-10%2020x-egr-30 -EGR=500010 --EGR=700.100.200.300.400.500.100.200.300.400.5當(dāng)量比當(dāng)景比圖3指示熱效率圖5HC排放2.3NO排放2.5CO排放圖4為各EGR率下NO排放隨當(dāng)量比的變化圖6為各EGR率下CO排放隨當(dāng)量比的變化關(guān)關(guān)系從圖4中可以看出EGR率<30%、當(dāng)量比>系。CO排放是燃料未完全燃燒的一個(gè)指標(biāo)。研究0.3時(shí),EGR對(duì)化學(xué)反應(yīng)抑制程度不夠,產(chǎn)生強(qiáng)烈的結(jié)果表明,當(dāng)進(jìn)氣預(yù)熱溫度一定時(shí),當(dāng)量比對(duì)hCCI爆燃,NO,隨著當(dāng)量比的增加而急劇升高。當(dāng)ER燃燒產(chǎn)生的CO排放的影響更為明顯,CO排放隨著率>30%時(shí),稀、濃混合氣燃燒產(chǎn)生的NO都控制在當(dāng)量比的增加而先迅速下降然后稍有升高。從圖61g/(kwh)以下。中可以看出當(dāng)ER率<50%時(shí),一定當(dāng)量比下的 -EGR-0CO排放受EGR的影響很小。當(dāng)ECR率>50%時(shí), -EGRA=過(guò)高的ECR率使燃燒溫度和氧濃度同時(shí)降低,導(dǎo)致r30 -EGR-50%燃燒惡化,因此EGR對(duì)CO排放影響變得明顯。 -EGR=70%300 -EGR*-0250EGR30%200一 -EGR0.100.200.300.400.50當(dāng)比50圖4NO排放0.100.200.300.400.502.4HC排放當(dāng)量比圖5為各EGR率下HC排放隨當(dāng)量比的變化關(guān)系。如果HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣太濃,化學(xué)反應(yīng)過(guò)程圖6CO排放失控,會(huì)引起明顯的噪聲甚至損壞發(fā)動(dòng)機(jī)。因此必須稀釋混合氣來(lái)限制燃燒速率。通過(guò)小的當(dāng)量比或3結(jié)論廢氣再循環(huán)得到的稀釋混合氣雖然降低了燃燒的化學(xué)反應(yīng)速度,實(shí)現(xiàn)HCCI燃燒,但是整個(gè)HCCI燃燒(1)各EGR率下當(dāng)量比在0.33左右時(shí)產(chǎn)生最過(guò)程的溫度較低,產(chǎn)生了大量HC排放。從圖5中大P值,當(dāng)量比為0.11的稀混合氣下p受eG858·汽車工程2007年(第29卷)第10期的影響很小,表明稀混合氣有更高的EGR容忍度。 Exhaus Gas Recireulation Using a Stochastic Reactor Model[]].(2)乙醇HCCI燃燒在寬廣的范圍內(nèi)都有較高 Int. J. Engine Res, 2004,5(1).的熱效率,各EGR率下當(dāng)量比在,R011~0.5《mosqMS,0sChckwyuhaa.oncac teristics of a Natural Gas-fired Homogeneous Charge Compreasion內(nèi)熱效率都超過(guò)30%,并且最高熱效率都出現(xiàn)在當(dāng) Ignition Engine( Performance Improvement Using EGR)[ C]. SAE量比為0.25~0.33稀混合氣區(qū),最佳條件下指示熱 Paper2001-01-1034.效率值甚至可以超過(guò)60%。 [6] Martinez-Frias J, Acevee S M, al. Equivalence Ratio-EGR Con-(3)通過(guò)EGR率和當(dāng)量比的合理組合可以將 trol of HCCI Engine Operation and the Potential for Transition toHCC燃燒范圍內(nèi)的NO,排放控制在1g/(kW·h) Spark-ignited Operation[ C]. SAE Paper 2001-01-3613. [7] Peng Z, Zhao H, Ladomumatoe N. Effects of Air/Fuel Ratios and以下,但是HC和CO排放卻很高,最大的HC和CO EGR Rates on HCCI Combust ion of n-Heptane, a Diesel Type Fu-排放出現(xiàn)在當(dāng)量比為0.11稀混合氣條件下,最高 el[C]. SAE Paper 2003-01-074Hc排放可達(dá)30g/(kW·),而CO排放接近300g/8 Thring. Homogencous Charge Compression Ignition()(kW·h),相對(duì)于EGR率來(lái)說(shuō),當(dāng)量比對(duì)HC和CO Engines[C]. SAE Paper 892068.排放的影響更為明顯。 [9] lida M, Hayashi M, Foster D E, et al. 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[12] Chritensen M, loharusnon B. Influence of Miture Quality on Homo [4] Bhave A, Balthasar M, Kraft M, et al. Analysis of a Natural Gas geneous Charge Compression Ignition[ C]. SAE Paper 982A454. Fuelled Homogeneous Charge Compession Ignition Engine with(上接第872頁(yè))164和115℃;不通電加熱時(shí)CO的T0為210℃;陶瓷更優(yōu)異的抗熱震性能,可以用作電加熱催化劑別施加10、20和30W電功率后T0降低到140、100的載體。和86℃;在不通電加熱條件下,進(jìn)氣溫度為390℃時(shí)(2)SC泡沫陶瓷載體的電加熱作用可以提高HC的轉(zhuǎn)化率達(dá)到90%,當(dāng)施加10、20和30W電功柴油機(jī)排氣中HC和CO在低溫時(shí)的轉(zhuǎn)化效率。率后轉(zhuǎn)化率為90%時(shí)進(jìn)氣溫度分別為340、280和參考文獻(xiàn)205℃;在不通電加熱時(shí),CO轉(zhuǎn)化率達(dá)到90%時(shí)進(jìn)氣溫度為225℃,分別施加10、20和30W電功率后李青李剛柴油機(jī)的排氣凈化催化劑與有關(guān)技術(shù)金達(dá)到90%轉(zhuǎn)化率的進(jìn)氣溫度降為160、105和90℃。屬,2000(21):54-56.可見,HC和CO的起燃溫度曲線由于SiC泡沫陶瓷【2]張慶勇,浩溶膠-凝膠法在碳化硅表面浸涂氧化鋁薄膜的研究[J].硅酸鹽通報(bào),2002(2:63-66.載體通電加熱發(fā)生了很大變化,T和T都有了大幅3 Heck Ronald Famauto Robent Automobile Exhaust Catalye度降低。這說(shuō)明SC泡沫陶瓷載體的加熱效果非常 []. Applied Catalysis A: Genenl,2001,221 443-457.明顯,使反應(yīng)氣體溫度迅速上升。4]吳慶祝,劉永先,李福功,等泡沫陶瓷及其應(yīng)用[J]陶瓷,20(2:12-143結(jié)論5]王建,傅立新黎維彬汽車排氣污染治理及催化器[M]北京:化學(xué)工業(yè)出版社2000:234-235.6]關(guān)振鐸,張中太,焦金生.無(wú)機(jī)材料物理性能[M]北京:清華大(1)SiC泡沫陶瓷具有三維連通網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),具有學(xué)出版社,1992:154-162.比金屬導(dǎo)體更合適的導(dǎo)電率,比壁流式青石蜂窩