第37卷第2期吉林大學學報(工學版)Vol. 37 No. 22007年3月Journal of Jilin University (Engineering and T echnology Edition)Mar. 2007乙醇燃料均質(zhì)壓燃的燃燒循環(huán)變動彭亞平',郭英男',黃為鈞',譚滿志',董磊'，王 志偉2(1.吉林大學汽車工程學院，長春130022; 2.車輛排放與節(jié)能重慶市市級重點實驗室,重慶400039)摘要:在一臺由CA6110柴油機改造而成的單缸發(fā)動機上進行了乙醇燃料均質(zhì)壓燃燃燒循環(huán)變動的研究。結(jié)果表明:隨著過量空氣系數(shù)增大,最大燃燒壓力、平均指示壓力、燃燒持續(xù)期的循環(huán)變動均增大,燃燒始點的標準偏差減小。隨著進氣溫度的升高，最大燃燒壓力升高，而平均指示壓力先升高后下降。兩者的循環(huán)變動均減小，燃燒始點的循環(huán)變動增大，燃燒持續(xù)期縮短,循環(huán)變動減小。引入適量的EGR能顯著地改善燃燒速率，降低最大壓升率，但EGR過大會使混合氣不能穩(wěn)定、連續(xù)地著火燃燒。關(guān)鍵詞;動力機械工程;乙醇;燃燒;均質(zhì)壓燃;循環(huán)變動中圖分類號:TK464文獻標識碼:A文章編號:1671-5497<2007 )02-0301-06Cycle-by-cycle variation of ethanol homogeneouscharge compression ignition combustionPeng Ya-ping' ,Guo Ying nan'，Huang w eirjun' ,Tan Man -zhi' ,Dong Leil ,Wang Zhi-wei(1. College of Automolive Engineering ，Jilin University .Changchun 130022 ,China; 2. Chongqing City Key Laboraloryof Vehicle Enmission and Energy，Chongqing 400039 ,China)Abstract: The cycle-by cycle variations of the ethano! homogeneous charge compression ignition( HCCI) combustion have been investigated in a single cylinder engine modified from a CA6110 dieselengine. The experiment results show that as the air/fuel ratio increases, all of the cycle- by- cyclevariations of the maximum pressure, the mean indicated pressure, and the combustion duration periodincrease, but the stand deviation of start of combustion (SOC) decreases. As the intake chargetemperature rises, the maximum pressure increases, but the mean indicated pressure increases firstlyand then drops, and their cycle- by-cycle variations decrease; the cycle-by- cycle variation of the SOCincreases, and combustion duration period shortens, its variation decreases. Proper amount EGRinducted can dramatically enhance the combustion rate and decrease the pressure rise rate，but toomuch EGR would result in unstable even intermittent combustion.Key words: power machinery and engineering; ethanol ;combustion; HCCI;cycle by-cycle variation發(fā)動機燃燒循環(huán)變動是反映發(fā)動機工作過程的循環(huán)變動,則可以改善發(fā)動機的工作平穩(wěn)性和中燃燒穩(wěn)定性的重要參數(shù)。如果消除了氣缸壓力燃油經(jīng)濟性,同時還可降低發(fā)動機的排氣污染。中國煤化工收稿日期:200603-16.YHCNMHG基金項目:國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項目(2001CB209206).作者簡介:彭亞平(1980 -),男,博士研究生.研究方向:新能源與節(jié)能技術(shù). E mail: sinfei2002@ 163. com通訊聯(lián)系人:郭英男(1946-),男,教授,博士生導師.研究方向:新能源與節(jié)能技術(shù). E-tmail: guoyn@jlu. edu. cn●302●吉林大學學報(工學版)第37卷-般來說柴油機的循環(huán)變動較小而汽油機的循環(huán)1.2試驗方 法變動較大,因此燃燒循環(huán)變動的研究一直以來都試驗過程中發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1200 r/ min,是汽油機研究的一個重要課題1.2]。均質(zhì)壓燃通過調(diào)整電加熱器的加熱功率實現(xiàn)進氣溫度的改(HCCI)是- -種結(jié)合了點燃式和壓燃式兩種燃燒變,在不同進氣溫度、過量空氣系數(shù)中。和EGR率方式各自優(yōu)點的新型燃燒方式，它具有高的熱效工況下對乙醇燃料HCCI進行了試驗研究。率和極低的NO,排放,已經(jīng)成為當前的研究熱EGR率(%)是通過FGA-4100汽車排放分析儀點。研究表明,HCCI的著火與燃燒受燃料與空測量進、排氣管的CO2體積濃度進行計算氣的化學反應動力學控制,其燃燒過程只能通過.D:、TEGR =D。. X 100%(1)間接手段實現(xiàn)控制，如進氣溫度、廢氣再循環(huán)(EGR)等[3-5]。研究發(fā)現(xiàn)，HCCI燃燒的循環(huán)變式中:D,和D。分別為進、排氣道中CO2的濃度。動影響HCCI的工作區(qū)[6-8],因此對其進行深人.燃燒循環(huán)變動表示的方法有很多,常用的表研究可以為均質(zhì)壓燃的燃燒過程控制策略提供-一示方法是采集示功圖。根據(jù)示功圖計算最高氣缸些指導。為此,本文對進氣溫度、過量空氣系數(shù)和壓力相應于最高壓力的曲軸轉(zhuǎn)角、最大壓力升高EGR三個參數(shù)對乙醇燃料HCCI燃燒的循環(huán)變比和相應于最大壓力升高比的曲軸轉(zhuǎn)角。相比較動的影響進行了研究。而言,平均指示壓力被認為是評價燃燒循環(huán)變動的最佳參數(shù)[。本文根據(jù)示功圖計算了平均指示1試驗裝置和試驗方法壓力的循環(huán)變動系數(shù)1.1 試驗裝置0OVp;= o x 100%(2)試驗在--臺由CA6110柴油機改造而成的乙醇HCCI單缸試驗機上進行,缸徑為110 mm,行式中:P 為多個循環(huán)平均指示壓力的平均值;8。程為120 mm,壓縮比為17,燃燒室形狀為田型，為平均指示壓力的標準偏差。額定功率和額定轉(zhuǎn)速分別為19.5 kW和2900 r/類似地,還計算了缸內(nèi)最大燃燒壓力P加wx 的min。循環(huán)變動系數(shù)以及著火始點和50%放熱位置的.圖1為試驗裝置簡圖。循環(huán)變動標準差。本文以燃燒總放熱量的10%、50%和90%確立燃燒始點p.oe 、中so以及燃燒終點位置,燃燒持續(xù)期中為燃燒始點和終點之間的曲軸轉(zhuǎn)角,把壓縮上止點稱為360°曲軸轉(zhuǎn)角。6002試驗結(jié)果及分析2.1過量空氣系數(shù)對循環(huán)變動的影響1-發(fā)動機; 2-氣缸壓力采集系統(tǒng); 3- 缸壓傳感器:圖2為進氣溫度為150 C、不同過量空氣系4-乙醇噴嘴: 5- 電控燃料噴射系統(tǒng); 6- 加熱器;7-穩(wěn)壓箱: 8~空氣流量計數(shù)時燃燒壓力參數(shù)的變動情況,橫線代表平均值。從圖2(a)、(b)可以看出,隨著過量空氣系數(shù)圖1試驗裝置簡圉的減小,pmx和p的平均值增大,pmx和p的循環(huán)Fig. 1 Sketch map of the test apparatus燃料供給采用一套電控進氣道噴射系統(tǒng)實.變動系數(shù)變小，p反映出的循環(huán)變動比Prmx 反映現(xiàn),噴油嘴安裝在靠近發(fā)動機進氣道位置,采用進出的效果好。由圖2(c)可知，缸內(nèi)最大燃燒壓力氣預熱的方式對進到缸內(nèi)的新鮮空氣進行預熱，的曲軸轉(zhuǎn)角隨過量空氣系數(shù)的減小而顯著提前。在進氣管上安裝了一個穩(wěn)壓箱,以減小進氣脈動圖3為不同過量空氣系數(shù)時燃燒特征參數(shù)的對測量空氣流量的影響,空氣流量計安裝在穩(wěn)壓“圖中可川看到，隨著過量空氣箱的入口位置。系數(shù)MH中國煤化工二差增大,最大放熱氣缸壓力采集系統(tǒng)由安裝在缸蓋上的AVL率增. CNM H G減小，燃燒持續(xù)期GM12D型缸壓傳感器、電荷放大器、高速數(shù)據(jù)采.縮短,其循環(huán)變動也減小，而對應于最大燃燒壓力集板和相應的數(shù)據(jù)采集軟件組成。試驗中各工況的中o和中so的位置提前,但pmm和p與兩者的位點連續(xù)采集60個工作循環(huán)用于循環(huán)變動的分析。置關(guān)系不大。第2期彭亞平,等:乙醇燃料均質(zhì)壓燃的燃燒循環(huán)變動●303●)「370p8一36號sfg3614十0-3.8 COVpma = 1.63%35|wwwMwAwwv2t+ 4.-5.9 COVPmax = 2.15%35010203040506002030 4050 60循環(huán)數(shù)(a) poe(a) Pnax0.900.850.80pAVAwMAAJAM 4AwM大3550.65. + φ.-5.9δ-108%十p-3.8 CoVp= 1.0%0.60←φ-=5.9 COVp= 1.37%35001020304050600.550.5040560(b) pao循環(huán)數(shù)(b) p;0AAwwWA.st→φ-=3.8 Qma = 6.56%一φ.=5,9 Qmx = 10.56%是70306.0.:二ξgs 20[oVvwAAMw.5.00.5t0io0 30450355357 359361 363 365 367 369 371中(°CA)(c) dQmmn/d0(o) Paex vs中圖2不同過最t空氣系數(shù)時燃燒壓力參數(shù)的循環(huán)變動情況8tFig. 2 Variation of combustion pressure under different15air/fuel equivalence ratios由著火理論可知，混合氣的著火溫度隨混合氣的濃度升高而下降。因此,過量空氣系數(shù)越小，←0, -3.8 COVφa s 8.59%←0-=5.9 COVφs= 11.73%意味著混合氣的著火溫度越低，單位體積內(nèi)的有效碰撞次數(shù)越多,從而使燃燒提前,放熱率增大，燃燒速率大,燃燒的穩(wěn)定性提高。120 302.2進氣溫度對循環(huán)變動的影響中國煤化工圖4為過量空氣系數(shù)為3.8時不同進氣溫度條件下的燃燒壓力參數(shù)的循環(huán)變動情況。從圖中YHCNMHG燃燒特征參數(shù)的可以看到,隨著進氣溫度的升高,pmux的平均值增Fig.3 Variation of combustion characteristic parameters大,而p是先增大后減小,但兩者的循環(huán)變動均under different air/fuel equivalence ratios減小。圖4(c)為不同進氣溫度時缸內(nèi)最大燃燒，304●吉林大學學報(工學版)第37卷8.5p3808.375AA主E7.5g 370= loC =131%z 7.C3656.05..355 rWAAAA人 AA5.020304060350 b1030 40 60循環(huán)數(shù)(a) Pmss(a)中心r0.90r380 |十T= 110C δ.= 0.93%0.85士110C COVp:-1.74%一T= 160C δ= 1.41%十160C COVp-i .05%370wMWAwN《365rorb0.75-3600.70-35wWwwwtA AA3500.65L502(40(b) p:(b>$s90r二:10號.-14.74%8.07.5 t中面ir0葉0_ξ 7.0.110Ci 606.5*130C點6.0●160C5.s5-0f/30-4.s55370中(CCA)(c) Pmax以中《c) dQmux/ do圖4不同進氣溫度時燃燒壓力的循環(huán)變動情況Fig.4 Variation of combustion pressure under differentintake temperatures壓力的相位,顯然提高進氣溫度將使Pmux出現(xiàn)相? 15位提前。喜10-"VVT圖5為不同進氣溫度時燃燒特征參數(shù)隨循環(huán)十-110C COV中s =2338%數(shù)的變化情況。進氣溫度越高,燃燒始點pmc位置Tim=130C COV中s= 18.32%T=160C COVqs = 18.16%和中3o位置的標準偏差越大,最大放熱率先升高后4C下降,且循環(huán)變動減小，但燃燒持續(xù)期逐漸縮短,燃燒持續(xù)期的循環(huán)變動也降低,這進--步說明提:(d)中高進氣溫度可以提高燃燒的穩(wěn)定性。圖5不同進氣溫度時燃燒特征參數(shù)的循環(huán)變動情況進氣溫度增高,單位體積內(nèi)活化分子的數(shù)目aracteristic parameters中國煤化工erntures急劇增大,因此有效碰撞也增多,反應速率也急劇增大。同時,燃燒的著火延遲期縮短,因此燃燒提2.,YRCNMHG晌.前,缸內(nèi)最大燃燒壓力升高，燃燒持續(xù)期縮短,但圖6為過量空氣系數(shù)為3. 8、進氣溫度為150溫度過高時燃燒過早,使壓縮負功增加,因此使得C時,EGR率對燃燒壓力參數(shù)循環(huán)變動的影響。平均指示壓力下降。從圖6(a)、(b)中可以看出,在進氣溫度和過量空第2期彭亞平,等:乙醇燃料均質(zhì)壓燃的燃燒循環(huán)變動●305●力升高率,但同時會使燃燒的循環(huán)變動增大。引人EGR不僅降低了氧的濃度,同時缸內(nèi)EOR=40%MECR-81% COVpmes = 9.75%380r75-2365]=370wwMWAA1020304050 60循環(huán)數(shù)355一IECR81%8=2.4%(a) Pmx .35025060士IEoR=0% COVp:= 1.0%0.85(a)中oe0.800.753900.70385|0.653800.60至3750.55 t喜370f,0.50 L3654C十MEGR=0% δ∞0.75%(b)機-7EGR=40% 點=109%TIEGR- 80...11111.. 0%(b)4so70p二1IECR=0% COV9gmx=6.56%EGR-40% COVgmex =7.91%0+ EGR=81% COVqmas -69.4%4-Es0isofpofAAooAta號40140S30356 358 360 362 364 366 368 370 372 374中/(°CA)20葉(c)Pm vs中1ofVVVVVWV弋圖6不同EGR率時燃燒壓力參數(shù)的循環(huán)變動情況30 40Fig, 6 Variation of combustion pressure under different循環(huán)數(shù).EGR ratios(c) dQmx/d8氣系數(shù)-一定時,隨著EGR率的增大，pmx和p的50r+ IEGR= 0% CONDs 1051%平均值減小,但pmx和p的循環(huán)變動都增大。結(jié)NEGR- 81% COV8, = 46.6%合圖6(c),當EGR率為81%時,缸內(nèi)燃燒壓力和壓縮壓力基本上沒有差別,偶爾出現(xiàn)波動,說明此10f時缸內(nèi)混合氣基本.上很難實現(xiàn)連續(xù)著火。圖7為不同EGR率時燃燒特征參數(shù)的循環(huán)變動情況。EGR率越大,中和中so越滯后,并且兩10葉者的循環(huán)變動標準差增大,最大放熱率降低,最大中國煤化工40放熱率的循環(huán)變動增大,燃燒持續(xù)期增加,燃燒持續(xù)期的變動也增大。從圖中可以看出,當EGRHCNM HG為81%時pmx和p.在大范圍內(nèi)變化，這時候缸圖7不同EGR辜時燃燒特征參數(shù)的循環(huán)變動情況內(nèi)氧氣體積濃度已經(jīng)很低,因此基本上沒有著火Fig. 7 Variation of combustion characteristic parameters燃燒,說明EGR可以抑制化學反應速度,降低壓under different EGR ratios.吉林大學學報(工學版)第37卷工質(zhì)的熱容變大,因此最大燃燒壓力下降,燃燒推tion and potential for transition to spark ignited op-遲,燃燒持續(xù)期延長,循環(huán)變動增大[10]。eration[C]// SAE Paper, 2001-01-3613.[ 5 ] Jan Ola OIsson, Per Tunestal,Jonas Ulfviketal. The3結(jié)論effect of cooled EGR on emissions and performanceof a turbocharged HCCI engine[C] // SAE Paper,(1)隨著過量空氣系數(shù)增大,px和p;減小，2003 -03-0743.但是兩者的循環(huán)變動增大，燃燒始點中ooo 位置和[ 6] Persson H, Peiffer R, Hultqvist A,et al, Cylinder-中so位置推遲，兩者的循環(huán)變動標準差減小,因此to-cylinder and cycle to-cycle variations at HCCI op-采用過量空氣系數(shù)較小的混合氣時,乙醇燃料均eration with trapped residuals[C] // SAE Paper,質(zhì)壓燃燃燒更穩(wěn)定。2005-01-0130.(2)隨著進氣溫度的升高，Pm增大,p:先增[ 7 ] Hyvonen J, Haraldsson G, Johansson B. Balancing大后下降,循環(huán)變動減小，燃燒趨于穩(wěn)定,但燃燒cylinder to cylinder variations in a multi-cylinder始點.位置和中so位置的循環(huán)變動標準偏差增VCR_ .HCCI engine[C]// SAE Paper, 2004-01-1897.[8]劉金山,郭英男,譚滿志,等.乙醇燃料內(nèi)燃機均質(zhì)壓大。燃的工作區(qū)域[J].吉林大學學報:工學版，2006 ,36(3)引人EGR能降低缸內(nèi)最大壓力和最大(3) :327-330.壓升率，推遲和延長燃燒,但是使循環(huán)變動增加。Liu Jin-shan, Guo Ying nan, Tan Man-zhi,et al.采用適量的EGR時能較好地解決最大燃燒壓力HCCI operating region of internal combustion engine和燃燒延遲，而EGR過大將導致缸內(nèi)混合氣很with ethanol as fuel[J]. Journal of Jjilin University難連續(xù)著火。( Engineering and Technology Edition)， 2006, 36(3):327-330. .參考文獻:[9]李興虎,蔣德明,沈惠賢.火花點火發(fā)動機壓力循環(huán).[1]周龍保.內(nèi)燃機學[M].北京:機械工業(yè)出版社，變動的評價方法研究[J].內(nèi)燃機學報,2000,2: 171-1999.174.[ 2 ] Bytter s, Rognvaldsson T , Wickstr N. Estimation ofLi Xing-hu, Jiang Derming, Shen Hui-xian. Studycombustion variability using in-Cylinder ionizationon evaluated methods of pressure cyclic variation inmeasurements[C]// SAE Paper, 2001-01-3485.spark ignition engines[J]. Transactions of CSICE,[ 3 ] Stanglmaier Rudolf H, Roberts Charles E. Homo-2000,2: 171-174.geneous charge compression ignition (HCCI): bene-[10] Zhao H. Understanding the efects of recycled burntfits, compromises and future engine applicationsgases on the controlled autoignition (CAI) combus-[C]//SAE Paper, 1999-01-3682.tion in four stroke gasoline engines[C]// SAE Pa-[ 4 ] MarinezFriasJ, Aceves S M, Flowers D,et al. E-per, 2001-01-3607.quivalence ratio EGR control of HCCI engine opera-中國煤化工MYHCNMHG