汽車工程007年(第29卷)第10期tomotive Enginee2007(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)院長春13002;2.長春師范學(xué)院,長春130032)[摘要]在一臺(tái)改造的單缸發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了乙醅燃料均質(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HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生較高的熱效率,各EGR率下在當(dāng)量比為0.11-0.5范圍內(nèi)指示熱效率都在30%以上;在HCCI燃燒范田內(nèi)EGR和當(dāng)量比的合理組合可以將NO.排放控制在Ig(kW·h)以下;在沒有后處理器時(shí),乙醇HCCI燃燒產(chǎn)生較高的HC和CO排放;與ECR率相比,當(dāng)量比對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 EthanolYang Liping, Guo Yingnan, Li Jun, Wang Liyuan& Liu JinshanL College of Automobile Engineering, Jilin Univcrsity. Changchun 130022; 2. Changchun Normal Unienity, Changchun 130032[Abstract]perimental study on the homogeneous charge compression ignition(HCCI)performance ofa modified single cylinder engine fueled with ethanol is presented. The results show that the HCCI engine with ethanol has higher thermal efficiency at a wide range of fuel/ air ratio, All the indicated thermal efficiencies are higherthan 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 combinationof EGr rate and equivalence ratio can control the NO, emission level below lg(kw. h). without after-treatmentHCCI combustion with ethanol produces higher level of HC and CO emission. And compared to EGR rate, the e-quivalence ratio has more marked effect on HC and CO emissionKeywords: Ethanol; HCCI; Performance; EmissionsHCC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(HCCD發(fā)動(dòng)機(jī)有較高熱效率、發(fā)動(dòng)機(jī)沒有像柴油機(jī)或汽油機(jī)通過燃料噴射正時(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(Sl)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“。針對影響HCCI燃燒參數(shù)的研究有很氣被壓燃,沒有節(jié)流損失,產(chǎn)生較高的熱效率。此多3-。 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。lida等人以正丁烷為燃料HCCI燃燒模式。由于采用低壓燃料噴射系統(tǒng),HC-在中國煤化工溫度、壓縮比和轉(zhuǎn)CI發(fā)動(dòng)機(jī)的成本比柴油機(jī)低。速對CNMHGim在各種進(jìn)氣溫國家重點(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207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HCCl燃燒和排放的影響0。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FGR和當(dāng)量比協(xié)同控制的方法圖2為不同ECR率下P=隨當(dāng)量比的變化關(guān)進(jìn)行了乙醇HCI的試驗(yàn)研究。系。從圖中可以看出,各EGR率下p隨當(dāng)量比變化的趨勢基本桕同,都隨著當(dāng)量比的增加而先增加試驗(yàn)裝置和方法后降低。對于每個(gè)固定的EGR率,都有與之對應(yīng)的最佳當(dāng)量比,此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生最大的P當(dāng)混合氣試驗(yàn)裝置示意圖見圖1。較稀時(shí)混合氣對EGR的容忍能力較大(當(dāng)量比為EGR管路EGR閥0.1時(shí)ECR對P幾乎沒有影響)。隨著混合氣變進(jìn)’加熱器濃,P。逐漸增加,當(dāng)量比在0.33左右,各EGR率下電控噴油器的P值都達(dá)到最大,但是各ECR率下的pm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,如果沒有ECR的加入,爆燃使p=值下乙贈(zèng)供給泵降,隨著EGR的加入,降低了化學(xué)反應(yīng)速度,燃燒正時(shí)推遲到最佳位置產(chǎn)生了最高的P=,但是EGR進(jìn)燃料步增加時(shí),著火時(shí)刻過于滯后,使P=降低。當(dāng)混合氣進(jìn)一步加濃時(shí),如果EGR率過低則對燃燒反應(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pm的降低,但是試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)由cA610柴油發(fā)動(dòng)機(jī)改造而成的EGR率過高則會(huì)使氧濃度降低,燃燒不充分,P=值單缸HCCI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06EGR-30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率=50%05EGR率=70%數(shù):缸徑為110mm;行程為120mm;壓縮比為17;燃燒室為a形。為了實(shí)現(xiàn)HCCI燃燒,發(fā)動(dòng)機(jī)作如下改動(dòng)(1)進(jìn)氣預(yù)熱部分乙醇燃料十六烷值低且有較高的汽化潛熱,為了保證噴入進(jìn)氣管的乙醇能夠0.00.200.300400.50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)熱通過安裝在進(jìn)氣管上的組加熱片來實(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T)噴油部分取消發(fā)動(dòng)機(jī)第6缸噴油器,在圖3是不同EGR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)的對比圖。從圖中可以看出乙醇HCCI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)量比在過油門執(zhí)行器控制噴油脈寬。011-0.5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連接進(jìn)排氣管的管路將廢氣引入進(jìn)氣增V凵中國煤化工在稀混合氣區(qū)各管,EGR量由管路中間的閥門控制,為了實(shí)現(xiàn)較大EGCNMHG在當(dāng)量比為02的EGR率在排氣管上安裝了一個(gè)閥門通過調(diào)整033之間。當(dāng)EGR率為50%、當(dāng)量比為033時(shí)最閥門的開度來調(diào)整排氣背壓,從而實(shí)現(xiàn)所需ECR率。大指示熱效率可以超過60%,而最低熱效率出現(xiàn)在2007(Vo29)No10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)HCCI燃當(dāng)量比為0.1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EGR率使燃燒過程缺氧,下降不完全燃燒也導(dǎo)致HC排放增加一EGR率=0+EGRX=1030}-EGR率03:一EGR*=%EGR率=70%EGR啊=0%EGR率=50%EGR*=70%10.0200.300.400.500.100.200.300400.50當(dāng)量比當(dāng)最比圖3指示熱效率圖5HC排放2.3NO4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),ECR對化學(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HC爆燃NO,隨著當(dāng)量比的增加而急劇升高。當(dāng)ECR燃燒產(chǎn)生的C0排放的影響更為明顯,O排放隨著率>3%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6lg/(kW·h)以下。中可以看出當(dāng)EGR率<50%時(shí),一定當(dāng)量比下的CO排放受EGR的影響很小。當(dāng)ECR率>50%時(shí),EGR率=0EGRAKIO%過高的EGR率使燃燒溫度和氧濃度同時(shí)降低,導(dǎo)致一EGR率50燃燒惡化,因此EGR對CO排放影響變得明顯。一EGR率-70‰EGR半=30EGR率=50%20100.200.300.400.50當(dāng)最比圖4NO.排放0.100200300402.4HC排放當(dāng)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)過程圖6c0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限制燃燒速率。通過小的當(dāng)量比或3中國煤化工廢氣再循環(huán)得到的稀釋混合氣雖然降低了燃燒的化CNMHG學(xué)反應(yīng)速度,實(shí)現(xiàn)HCCI燃燒,但是整個(gè)HCCI燃燒n當(dāng)里吒住U.33左右時(shí)產(chǎn)生最過程的溫度較低,產(chǎn)生了大量HC排放。從圖5中大pn值,當(dāng)量比為01的稀混合氣下,Pm受EGR汽車工程200年(第29卷)第10期的影響很小,表明稀混合氣有更高的ECR容忍度。ExhauM GaB Recireulation Using a Stochastic Reactor Model[J]的熱效率各EGR率下當(dāng)量比在0.11~0.5的范固如m.. Engine h,200.5(1)(2)乙醇HCCl燃燒在寬廣的范圍內(nèi)都有較高teristics of a Natural Gas-fired Homogeneous Charge Compression內(nèi)熱效率都超過30%,并且最高熱效率都出現(xiàn)在當(dāng)Ignition Engine( Peformance Improvement Using EGR)[C]. SAE量比為025~0.33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60%。6] Martinez-FriasJ, Aceves SM, d al. Equivalence Ratio-EGR Con-(3)通過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 toark-igmitod Operntion[C]. SAE Paper 20013613.HCCI燃燒范圍內(nèi)的NO,排放控制在lg/(kW.h)[7]tow N. Efects of Air/Fuel Ratios and以下,但是HC和CO排放卻很高,最大的HC和COEGR Rates on HCCI Combustion 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 2003-01-0747HC排放可達(dá)30g/(kW·h),而CO排放接近300g/【8] Thring R H. homogeneous Charge Compression Ignition(Hc(kW·h),相對于ECR率來說,當(dāng)量比對HC和COEngines[C]. SAE Paper 892068排放的影響更為明顯。[9] Iida M, Hayashi M, Foster D E, et al. Characteristics of Homoge-neous Charge Compresaion Ipmition( HCCI)Engine參考文獻(xiàn)Variations in Compression Ratio, Speed, and Intake TemperatureWhile Using n-Butane as a Fuel J]. Journal of Engineering fors, Jo S H, Shoda K, et al. Active TherImo-atmoephericGas Turbines and Power, 2003, 125: 472-478tion( ATAC)- New Combustion Procesa for Intemal Com- (10] Kim Dae Sik, Kim Myung Yoon, Lee Chang Sik. Reduction ofbustion Engine[C]. SAE Paper 790501Nitric Oxides ud Soot by Premixed Fuel in Partial HCCI Engine[2]Najt P M, Foster D E. CompresaioD-Ignited Homogeneous Charge[J]. Joumal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2006[3] Aceves Salvador M, Daniel L,al. HCCI Combustion:: analysis(1]劉金山,黃為約邦英男等乙醇燃料均質(zhì)壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)and Experiments[ C]. Society of Automotive Engineen Cover-研究門吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2005,35(6):596-600stry Meeting, Washington, DC, May[12] Christensen M, Johanson B. Infuence of Mixture Quality on Homo-[4 Bhave A, Balthasar M, Kraft M, et al. Analysis of a Natural Gascous Charge Compresion Ignition[C]. SAE Paper 982454Fuelled Homogeneous Charge Compression Ignition Engine with(上接第872頁)164和115℃;不通電加熱時(shí)C0的T如為20℃;分陶瓷更優(yōu)異的抗熱震性能可以用作電加熱催化劑別施加1020和30W電功率后Ts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)SiC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205℃;在不通電加熱時(shí),CO轉(zhuǎn)化率達(dá)到90%時(shí)進(jìn)參考文獻(xiàn)氣溫度為225℃,分別施加1020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),貴金達(dá)到90%轉(zhuǎn)化率的進(jìn)氣溫度降為160、105和90℃屬,200(21):54-56可見,HC和CO的起燃溫度曲線由于SC泡沫陶瓷[2]張慶勇王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)3002(2):63-66載體通電加熱發(fā)生了很大變化Tx和T都有了大幅(3】 Hock ronald M, manto Robert1 Automobile Exhaust Catalyst度降低。這說明SC泡沫陶瓷載體的加熱效果非常[J]. Applied Catalysis A: Genera1, 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2002(2):12-14.3結(jié)論[5]王建昕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,2000234中國煤化工能M北京清華大(1)SC泡沫陶瓷具有三維連通網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),具有比金屬導(dǎo)體更合適的導(dǎo)電率比壁流式堇青石蜂窩CNMHG