第13卷第6期然燒科學(xué)與技術(shù)Vol 13 No 62007年12月Joumal of Combustion Science and TechnologyDec.2007火花點(diǎn)火對(duì)乙醇燃料SI/HCCI燃燒模式轉(zhuǎn)換平穩(wěn)性的影響彭亞平1,郭英男,譚滿志',黃為鉤',梁曉明,范秀英2(1.吉林大學(xué)內(nèi)燃機(jī)工程系,長(zhǎng)春130022;2.空軍航空大學(xué)特種專業(yè)系,長(zhǎng)春130022)摘要:在一臺(tái)經(jīng)過改進(jìn)的單缸機(jī)上分別實(shí)現(xiàn)了乙醇燃料均質(zhì)壓燃和火花點(diǎn)燃兩種燃燒方式,獲得了乙醇燃料兩種燃燒方式各自的工作區(qū)域,并在不同工況實(shí)現(xiàn)了兩種燃燒模式相互轉(zhuǎn)換.為了改善 SUHCCI燃燒模式轉(zhuǎn)換時(shí)的平順性,考察了邊界條件工況下火花點(diǎn)火對(duì)燃燒模式轉(zhuǎn)換的影響研究結(jié)果表明,在HCCI燃燒臨界溫度附近,引入火花點(diǎn)火能明顯改善乙醇HCCI的燃燒穩(wěn)定性降低了燃燒循環(huán)變動(dòng).在SHCα燃燒模式轉(zhuǎn)換過程中,引入火花點(diǎn)火相當(dāng)于向缸內(nèi)混合氣添加部分額外能量,以點(diǎn)燃混合氣,進(jìn)而改善了HCCI和S相互轉(zhuǎn)換時(shí)的平穩(wěn)性關(guān)鍵詞:乙醇;均質(zhì)壓燃;模式轉(zhuǎn)換;平穩(wěn)性中圖分類號(hào):TK421文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):10068740(2007)060521-04Effects of Spark Ignition on Smoothness of Ethanol SI/HCCICombustion mode TransitionPENG Ya-ping, GUO Ying-nan, TAN Man-zhi', HUANG Wei-jun, LIANG Xiao-ming, FAN Xiu-ying(1. Department of Intemal Combustion Engine, Jilin Universi2. Department of Special Type Specialty, Aviation University of Air Force, Changchun 130022, China)Abstract: The spark ignition(SI)and homogeneous charge compression ignition(HCCi) have been realized in a modified singlecylinder engine. The operation regions of the two combustion modes have been defined, and SI/HCCI combustion mode transitionsunder different operation conditions have been performed. The effects of spark on the combustion mode transition have been inves-tigated in order to improve the smoothness of the transition. The results show that HCCI combustion stahility has been improvedgreatly and the combustion cycle-by-cycle variations decrease when the spark is utilized in the critical temperature operation conditions. During the transition process, the utilization of spark is equivalent to adding extra energy into the cylinder to ignite the mix-ture, hence, the smoothness of the combustion mode transition has been enhencedKeywords: ethanol; homogeneous charge compression ignition; combustion mode transition; smoothness均質(zhì)壓燃(HCI)的高熱效率和超低NO與碳煙混合燃燒模式發(fā)動(dòng)機(jī),是解決HCCI燃燒方式工作范排放已經(jīng)引起了全世界廣大內(nèi)燃機(jī)工作者的關(guān)注,自圍窄的方法之一提出之日起,研究人員已經(jīng)對(duì)HCCI開展了廣泛的研最早提出火花點(diǎn)火SI/HCCI混合燃燒模式概念的究15,并已經(jīng)取得了階段性成果早期的研究表明, Thring,在一臺(tái)四沖程的發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了HC試驗(yàn)研以轉(zhuǎn)速和負(fù)荷表示的HCCI燃燒方式工作范圍小6,如究,并提出了發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)和大負(fù)荷工況采用S、在中何拓寬HCCI的工作區(qū)域是當(dāng)前HCCI研究過程中的等負(fù)荷工況采用HCI燃燒方式的混合燃燒模式思難題之一,在不能實(shí)現(xiàn)HCCI的工況范圍內(nèi)采用傳統(tǒng)想在此基礎(chǔ)上, Ishibashi等人9和 Blundel等人等的燃燒方式工作,其余工況下采用H燃燒方式,即在中國(guó)煤化工和HC兩種燃燒方CNMHG收稿日期:2007-052基金項(xiàng)目:國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目(200CB209206);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(5047607)作者簡(jiǎn)介:彭亞平(1980),男,博士研究生,inei@ email. jlu,odu.cm通訊作者:郭英男,goyn@j,ch,cm522燃燒科學(xué)與技術(shù)第13卷第6期式的轉(zhuǎn)換Kimm等人在四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了壓縮表1發(fā)動(dòng)機(jī)主要類型與技術(shù)參數(shù)著火D和HCCI燃燒模式轉(zhuǎn)換.Jan等人采用可變技術(shù)參數(shù)指標(biāo)壓縮比和預(yù)熱混合氣相結(jié)合的技術(shù)手段在多缸機(jī)上研型單缸、水冷、a燃燒室究了引入火花對(duì)HCCI和SI進(jìn)行燃燒模式轉(zhuǎn)換平穩(wěn)性05以及燃燒穩(wěn)定性的影響.Xu等人采用廢氣再循環(huán)沖程/m(EGR)研究了HCCI和SI間燃燒模式的轉(zhuǎn)換排量幾L壓縮比118筆者通過自行設(shè)計(jì)開發(fā)的快速熱管理系統(tǒng)在一臺(tái)標(biāo)定轉(zhuǎn)速/(rmin-1)2200改進(jìn)的單缸機(jī)上實(shí)現(xiàn)了乙醇燃料HCCI和S兩種燃燒獲得了各自的工作區(qū)域并在不同工況點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了兩12試驗(yàn)方法種燃燒模式的相互轉(zhuǎn)換,研究了乙醇HCCI燃燒臨界試驗(yàn)時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)首先采用S方式起動(dòng)和熱機(jī),此溫度工況下火花點(diǎn)火對(duì)燃燒穩(wěn)定性的影響進(jìn)一步考時(shí)聯(lián)動(dòng)閥A全開,聯(lián)動(dòng)閥B關(guān)閉,缸內(nèi)吸入溫度為室察了火花輔助點(diǎn)燃對(duì)混合燃燒模式SHcC燃燒模式溫的空氣,發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷由主節(jié)氣門控制,發(fā)動(dòng)機(jī)在小負(fù)轉(zhuǎn)換平穩(wěn)性的影響荷工況工作、熱機(jī),熱機(jī)的同時(shí)打開熱管理系統(tǒng),當(dāng)冷試驗(yàn)裝置和方法卻水溫達(dá)到80℃,進(jìn)氣溫度超過220℃,切換進(jìn)氣通道,聯(lián)動(dòng)閥A關(guān)閉,聯(lián)動(dòng)閥B全開,進(jìn)到缸內(nèi)的為經(jīng)過1.1試驗(yàn)裝置預(yù)熱的均勻混合氣,節(jié)氣門全開,關(guān)閉火花點(diǎn)火,實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)是在一臺(tái)經(jīng)過改進(jìn)的單缸機(jī)上完成的發(fā)動(dòng)HCO燃燒機(jī)的技術(shù)參數(shù)見表1.為了在同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)現(xiàn)HC發(fā)動(dòng)機(jī)工作在HCCI方式時(shí),負(fù)荷調(diào)節(jié)方式與柴CI和S兩種燃燒模式,把原機(jī)的壓縮比從17降低到油機(jī)相同,均為質(zhì)調(diào)節(jié)隨著負(fù)荷的增加,噴油量增加,18增加了一套電控點(diǎn)火系統(tǒng)采用自行開發(fā)的電控混合氣逐漸變濃燃燒速度加快當(dāng)噴油量增大到某進(jìn)氣道噴射方式噴射乙醇形成均勻混合氣在進(jìn)氣道值時(shí),由于化學(xué)反應(yīng)速度過快,將出現(xiàn)爆震燃燒繼續(xù)的前端安裝自行開發(fā)的快速熱管理系統(tǒng)加熱進(jìn)氣,實(shí)加濃混合氣,爆震增強(qiáng)將對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生損壞因此在現(xiàn)乙醇的HCCI燃燒同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)S燃燒,改進(jìn)了發(fā)試驗(yàn)過程中,通過安裝在缸體上的爆震傳感器監(jiān)測(cè)缸動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)試驗(yàn)系統(tǒng)的詳細(xì)改進(jìn)見文獻(xiàn)[4,試內(nèi)燃燒情況,當(dāng)該傳感器輸出電壓急劇增大時(shí),即驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖如圖1所示認(rèn)為出現(xiàn)爆震燃燒,將這一邊界定義為爆震邊界.負(fù)荷減小,噴油量減少,混合氣變稀,缸內(nèi)最高燃燒溫度降快速熱管理系統(tǒng)火花塞模式轉(zhuǎn)換控制裝置11大氣加熱器聯(lián)動(dòng)閥主節(jié)氣門(氣動(dòng)控制)Horiba廢氣分析儀進(jìn)氣溫度單片機(jī)高速采集卡中國(guó)煤化工缸壓采集計(jì)算機(jī)噴油觸發(fā)信號(hào)CNMHG圖1試驗(yàn)裝置示意200年12月彭亞平等:火花點(diǎn)火對(duì)乙醇燃料 SUHCCI燃燒模式轉(zhuǎn)換平穩(wěn)性的影響523低,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩減小,當(dāng)油量減小至過量空氣系數(shù)超過22火花點(diǎn)火對(duì)乙醇HCCI燃燒穩(wěn)定性的影響6時(shí),混合氣過稀,出現(xiàn)失火,發(fā)動(dòng)機(jī)工作不穩(wěn),將這一研究過程中,在乙醇HCCI燃燒臨界溫度工況,進(jìn)邊界定義為失火邊界行了火花點(diǎn)火對(duì)HCCI燃燒穩(wěn)定性影響的研究,圖3給如前所述,由HCCI燃燒特點(diǎn)決定的其功率輸出出了1200r/min、點(diǎn)火提前角為30CA、p為02MPa不能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)大負(fù)荷工況條件下的功率要求,而小有無火花點(diǎn)火時(shí),缸內(nèi)連續(xù)示功圖的對(duì)比從圖中可以負(fù)荷條件下難以形成HCI燃燒所需的條件,因此,發(fā)看到,無火花點(diǎn)火時(shí),正常燃燒和失火交替出現(xiàn),燃燒動(dòng)機(jī)采用 SI/HCCI復(fù)合燃燒方式是一種可行的方法.循環(huán)波動(dòng)r大,發(fā)動(dòng)機(jī)不穩(wěn),轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩上下跳動(dòng);有基于此,在當(dāng)前試驗(yàn)系統(tǒng)中,在兩個(gè)邊界進(jìn)行 SI/HCCI火花點(diǎn)火時(shí),由于電火花點(diǎn)燃了火花塞附近的混合氣燃燒模式轉(zhuǎn)換時(shí)發(fā)現(xiàn),在爆震邊界附近,缸內(nèi)燃燒溫度缸內(nèi)溫度升高,引燃了缸內(nèi)其他未燃混合氣,基本上消要比失火邊界處高得多,且缸內(nèi)混合氣燃空比要比失除了失火循環(huán)的產(chǎn)生,燃燒循環(huán)變動(dòng)減小.與文獻(xiàn)[15]火邊界大,本試驗(yàn)系統(tǒng)中的電火花能量對(duì)于乙醇HCCI一樣,進(jìn)一步提高進(jìn)氣溫度,該電火花的能量對(duì)于改善燃燒的影響不明顯,故在失火邊界進(jìn)行了1200r/min、HCI燃燒的穩(wěn)定性作用不明顯1300r/min以及1500r/min三個(gè)轉(zhuǎn)速工況的試驗(yàn),考察火花點(diǎn)火臨界溫度條件下對(duì)于改善乙醇HCCI燃燒火花點(diǎn)火穩(wěn)定性的作用,同時(shí)進(jìn)行了火花點(diǎn)火對(duì) SUHCCI燃燒模式轉(zhuǎn)換平穩(wěn)性影響的試驗(yàn)研究試驗(yàn)過程中,采用 AVL GM12D型缸壓傳感器、無火花點(diǎn)火r8.7%AVL電荷放大器、光電編碼器、PCI1800高速數(shù)據(jù)采集卡以及相應(yīng)的采集軟件,采集不同工況的示功圖采用PCI8l8HG數(shù)據(jù)采集卡與缸壓同步記錄了轉(zhuǎn)換過程中80-6040-20020p/°CA的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩,計(jì)算平均有效壓力圖3火花點(diǎn)火對(duì)HCCI燃燒穩(wěn)定性的影響2試驗(yàn)結(jié)果及分析23火花點(diǎn)火對(duì)S/HCCI燃燒模式轉(zhuǎn)換的影響2.1 SIHCCI混合燃燒模式的工作區(qū)域臨界溫度工況,引入火花點(diǎn)火改善了乙醇HCCI圖2給出了以轉(zhuǎn)速n和平均有效壓力p表示的乙的燃燒穩(wěn)定性,因此,本研究進(jìn)一步討論了火花輔助點(diǎn)火對(duì)整個(gè) SI/HCCI燃燒模式轉(zhuǎn)換的影響.圖4為發(fā)動(dòng)醇燃料SHCI混合燃燒模式的工作范圍從圖中可機(jī)轉(zhuǎn)速1200mim時(shí)失火邊界處,有無火花點(diǎn)火對(duì)乙以看到隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高,乙醇HCⅠ燃燒的工醇燃料失火邊界 SI/HCCI燃燒模式轉(zhuǎn)換的燃燒穩(wěn)定性作范圍逐漸變窄這是由于轉(zhuǎn)速升高平均機(jī)械損失壓的影響從圖中可以看到,與沒有火花點(diǎn)火的情況相力隨之增大,導(dǎo)致p下降本試驗(yàn)條件下,僅靠空氣稀比,存在火花點(diǎn)火時(shí)原本不能壓燃、著火、燃燒的稀混釋,乙醇HCI燃燒的p峰值達(dá)到0.06MPa,再加濃合氣在電火花的引燃作用下著火燃燒減少了失火循混合氣將產(chǎn)生爆震燃嬈,HC燃燒p的下限為環(huán)產(chǎn)生的機(jī)率,改善了乙醇SUHC燃燒模式轉(zhuǎn)換過006~0.20MPa,混合氣過稀將出現(xiàn)失火在兩個(gè)邊界渡過程的燃燒在1300rmn和1500rmin轉(zhuǎn)速下,試負(fù)荷改變時(shí),必須進(jìn)行燃燒模式轉(zhuǎn)換驗(yàn)記錄的 SI/HCCI轉(zhuǎn)換過程中的缸內(nèi)壓力進(jìn)一步表明,火花點(diǎn)火的確能改善SHCI燃燒模式轉(zhuǎn)換過渡過程的平穩(wěn)性24火花點(diǎn)火對(duì)轉(zhuǎn)換過程中轉(zhuǎn)速和p的影響爆震邊界圖5為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1200r/min、點(diǎn)火提前角為30°CA時(shí),失火邊界有無火花點(diǎn)火對(duì) SWHCCI燃燒模式轉(zhuǎn)HCCI工L作區(qū)換過失火邊界SL工作區(qū)中國(guó)煤化工火花點(diǎn)火明顯改善了120014001600燃燒,因此,過渡過程n/rmin)中發(fā)CNMR低,過渡過程的持續(xù)圖2乙醇SI和HCCI燃燒的工作區(qū)域時(shí)間縮短524燃燒科學(xué)與技術(shù)第13卷第6期2001-01-1895[4] Marriott C, Reitz R. 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Improving the exhaust050010001500200025003000emissions of two-stroke engines by applying the activated radicalombustion[ C]//SAE Paper. Detroit, Michigan, USA, 1996圖5火花點(diǎn)火對(duì)轉(zhuǎn)換過程中轉(zhuǎn)速和p的影響[10] Blundell D, Tumer J, Duret P, et al. Design and evaluation ofautomotive engine[C]//3結(jié)論trot, Michigan, USA, 2003, 2003-01-040[Il] Kimura S, Ogawa H, Muranaka S, et al. New combustion con-(1)采用快速熱管理系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了乙醇燃料cept for ultra-clean and high efficiency small DI diesel enginesHCαI燃燒,確定了SI和HCCI兩種燃燒方式的工作范[C] //SAE Paper. Toronto, Ontario, Canada, 1999, 1999-01圍,在乙醇燃料HCCI燃燒的爆震邊界處,p最大可達(dá)到0.506MPn在失火邊界處,p為0.06-0.20MP,在12 Jari Hyvoner, Goran haraldsson, Bengt Johansson. Operating不同工況下成功實(shí)現(xiàn)了兩種燃燒的相互轉(zhuǎn)換tion mode transfer to SI in a multi-cylinder VCR-HCCI engine(2)在HCCI燃燒的臨界溫度工況下,使用火花輔[C] //SAE Paper. Detroit, Michigan, USA, 2005, 2005-01助點(diǎn)火后,能明顯改善HCCI燃燒的穩(wěn)定性,減小循環(huán)變動(dòng)溫度升高,電火花的作用不明顯[13] Xu Hongming, Simon Rudolph, Liu Zhi, et al. An imvestigatio(3)火花輔助點(diǎn)火能改善失火邊界 SI/HCCI燃燒into the operating mode transitions of a homogeneous charge模式轉(zhuǎn)換的平穩(wěn)性,但不能完全消除波動(dòng)因此,結(jié)合pression ignition engine using EGR trapping[ C] //SAE Pap其他的控制手段實(shí)現(xiàn) SIHCCI混合燃燒模式的平穩(wěn)過Detroit, Michigan, USA, 2004, 2004-01-1911渡是必要的[14]彭亞平,郭英男,劉金山,等.乙醇燃料SI-HCCI雙燃燒模式發(fā)動(dòng)機(jī)的工作區(qū)域[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版參考文獻(xiàn):200,37(3):509-512.[1] Onishi S, Souk Hong Jo. Thermo-atmosphere combustion(Ateng Yaping, Guo Yingnan, Liu Jinshan, et al. Operation re-gion of ethanol SI-HCC-SI combustion mode engine[J].JournalAC): A new combustion process for intemal combustion engine[C] //SAE Paper. Detroit, Michigan,USA,1979,790501of Jilin University Engineering and Technology Edition, 200737(3):509-512( in Chinese)2] Yap J D, Karlvosky A, Megaritis M L. 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