第14卷第4期燃燒科學(xué)與技術(shù)Vol. 14 No 42008年8月Journal of Combustion Science and TechnologyAug.2008用快速壓縮機(jī)研究乙醇燃料的HCCⅠ燃燒特性常國(guó)峰,郭英男2,張紀(jì)鵬2,王有坤2,劉巽俊2,許思傳(1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院,上海20002;2.吉林大學(xué)內(nèi)燃機(jī)系,長(zhǎng)春13002摘要:為進(jìn)一步了解乙醇燃料的HCCI燃燒特性,利用自主研發(fā)的快速壓縮機(jī)研究了邊界條件對(duì)乙醇燃料HCCI燃燒特性的影響試驗(yàn)表明隨著充量溫度的升高燃燒持續(xù)期縮短最高燃燒溫度升高放熱率最大值增加最大壓力升高率增大最大壓力升高率出現(xiàn)的時(shí)刻提前;隨著過量空氣系數(shù)的增大,可燃混合氣的濃度減小,燃燒始點(diǎn)延遲,燃料的最高燃燒溫度降低,放熱率最大值降低,最大壓力升高率降低、出現(xiàn)時(shí)刻提前,著火溫度降低同時(shí)反應(yīng)速率減慢,燃燒持續(xù)期增加關(guān)鍵詞:乙醇;均質(zhì)壓燃;燃燒特性;快速壓縮機(jī)中圖分類號(hào):TK401文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):10068740(2008)04030505Combustion Characteristics of Ethanol HCCi by RapidCompression MachineCHANG Guo-feng, GUO Ying-nan, ZHANG Ji-peng, WANG You-kun, LIU Xun-jun', XU Si-chuan(1. School of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai 200092, China2. Department of Intermal Combustion Engine, Jilin University, Changchun 130022, China)Abstract: In order to study the high RON fuel HCCI combustion behavior, the effects of boundary conditions on the ethanolcombustion were experimentally studied with a self-developed rapid compression machine. The results showed that with theincrease of charge temperature, ignition timing advances, combustion duration decreasescombustion temperaturerises,maximum heat release rate increases, maximum pressure rise rate increases and its phase advances. As equivalentair-fuel ratio increases, combustible mixture becomes leaner, ignition point delays, chemical reaction rate decrease, igni-tion temperature rises, maximum combustion temperature decreases, maximum heat release rate decreases, combustion du-ration increases, maximum pressure rise rate decreases and its phase delaysKey words: ethanol; homogenous charge compression ignition( HCCI); combustion characteristics; rapid compression machine目前,HCCI燃燒技術(shù)是內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域內(nèi)研究的熱的 Christensen和英國(guó) Brunel大學(xué)對(duì)乙醇燃料采用HC點(diǎn)HCI的燃燒始點(diǎn)控制和燃燒速率的控制是 HCCI CI燃燒模式進(jìn)行了大量的研究.國(guó)內(nèi)也有研究機(jī)燃燒中最為關(guān)鍵的問題6,試驗(yàn)表明HCCI燃燒主構(gòu)對(duì)乙醇燃料的HCCI燃燒特性進(jìn)行研究要受到化學(xué)動(dòng)力學(xué)控制,HCI燃燒的著火時(shí)刻主在對(duì)HCCI燃燒的研究中,不同的燃料在不同的要由混合氣的成分、溫度和壓力的變化歷程決定發(fā)動(dòng)機(jī)上因受多種因素的影響體現(xiàn)出不同的燃燒特最近,乙醇在HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用也受到重視,性因此,采用燃燒邊界條件可控的快速壓縮機(jī)具有良其氧化還原機(jī)理已被人們所了解.瑞典Lnd大學(xué)好的邊界條件控制性能快速壓縮機(jī)不僅具備良好的中國(guó)煤化工收稿日期:2007-0530CNMHG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(2001CB209206)作者簡(jiǎn)介:常國(guó)峰(1976-),男博士通訊作者:常國(guó)峰,jteg163.com燃燒科學(xué)與技術(shù)第14卷第4期邊界條件可控性,且具有類似發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮過程及介時(shí),H2O2的濃度快速下降這個(gè)基元反應(yīng)釋放出大量質(zhì)加溫過程的可控邊界條件燃燒模擬分析功能,它可的OH自由基,大部分OH自由基同燃料作用生成以按照試驗(yàn)者的要求較準(zhǔn)確地控制燃燒邊界條件.H2O且放出熱量,使混合氣的溫度升高,導(dǎo)致鏈反應(yīng)迅速進(jìn)行1試驗(yàn)方案圖1為過量空氣系數(shù)和充量溫度對(duì)乙醇燃料燃燒始點(diǎn)的影響規(guī)律.由圖可以看出,在相同的過量空氣系1.1試驗(yàn)方法數(shù)條件下,隨著充量溫度的升高,燃燒始點(diǎn)提前.根據(jù)試驗(yàn)使用快速壓縮機(jī),利用快速壓縮機(jī)活塞阿累尼烏斯定律,溫度升高加速了低溫反應(yīng)階段基元壓縮可燃混合氣,使可燃混合氣燃燒,同時(shí)記錄缸內(nèi)的反應(yīng)的速率常數(shù),即活化了低溫反應(yīng)階段的熱氛圍,自壓力變化過程和活塞的位移變化過程數(shù)據(jù)處理方法由基H、H2O2、HO2和OH是乙醇燃燒時(shí)的主要產(chǎn)物,同甲醇燃料的處理方法這些自由基對(duì)促進(jìn)點(diǎn)火和燃燒有十分重要的意義,其1.2試驗(yàn)燃料中H2O2和HO2與低溫反應(yīng)放熱緊密相關(guān),這些自由乙醇(分子式為CH3CH2OH)是無色、透明、有香基在壓縮過程中隨著溫度的升高逐漸累積,它們的峰味、易揮發(fā)的液體,同樣是含氧燃料,具有高的辛烷值,值都在著火點(diǎn)附近,即低溫反應(yīng)中生成的H2O2數(shù)量熱值比甲醇高,汽化潛熱較低,乙醇比甲醇更易和汽油和缸內(nèi)溫度決定著高溫反應(yīng)的進(jìn)行.所以,充量溫度升及柴油相溶和乳化因其辛烷值很高而廣泛用作汽油高促進(jìn)了H2O2生成速率致使燃料著火提前抗爆添加劑,由于其含氧量高在柴油機(jī)上也得到了廣從圖中可以看出,充量溫度相同時(shí)隨著過量空氣泛應(yīng)用.表1是乙醇燃料的物理化學(xué)性質(zhì)系數(shù)的增加燃燒始點(diǎn)逐漸延遲.這是因?yàn)槠渌麠l件不變的情況下,過量空氣系數(shù)增加時(shí),燃料的濃度隨之降表1乙醇燃料的物理化學(xué)特性低,分子間碰撞幾率減少,低溫反應(yīng)階段化學(xué)反應(yīng)速率項(xiàng)目指標(biāo)項(xiàng)目指標(biāo)」降低,OH自由基生成數(shù)量減少,為了達(dá)到燃料的著火汽化潛熱/(J·kg-1)8372溫度,稀的混合物需要更長(zhǎng)的低溫反應(yīng)時(shí)間來積累熱含碳量/%汽化溫度/K351.7量所以,隨著過量空氣系數(shù)增加,低溫反應(yīng)階段的持含氫量/%自燃溫度K65.4續(xù)期延長(zhǎng)著火隨之延遲含氧量/%34.739理論空燃比分子量辛烷值■一T=363K相對(duì)密度(293K)十六烷值一▲-T=383K(kg·m3)2試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析2.1邊界條件對(duì)燃燒始點(diǎn)的影響過量空氣系數(shù)乙醇燃料的燃燒過程涉及57種組分、383個(gè)基元反應(yīng)在燃燒過程中,乙醇燃料主要是以分解和脫氫兩圖1過量空氣系數(shù)對(duì)燃燒始點(diǎn)的影響種途徑來消耗,其基元反應(yīng)主要包括C,HS OH HO, =Y+H2O2從圖中可以看出,當(dāng)充量溫度由363K升高到H,02,=OH +OH383K時(shí),燃燒始點(diǎn)約提前了25ms.可見混合氣的充C2,OH +OH=Y +H,o量溫度對(duì)燃料燃燒始點(diǎn)的影響明顯.在過量空氣系數(shù)Y+o=X+ho由4變化到7時(shí)燃燒始點(diǎn)約延遲了5ms.燃燒始點(diǎn)主H+0=HO要與充量溫度有關(guān),受過量空氣系數(shù)影響相對(duì)較小.其式中:Y為乙醇脫氫之后的組分;X為Y脫氫之后的原中國(guó)煤化工應(yīng)途徑的選擇隨溫度組分最乙醇燃燒是雙階段燃燒,由低溫反應(yīng)階段和高溫2CNMHG的影響反應(yīng)階段組成著火開始是在累積的過氧化氫H2O2圖2為過量空氣系數(shù)和充量溫度對(duì)放熱率最大值高速率分解為OH自由基的時(shí)候當(dāng)OH自由基生成的影響規(guī)律由圖可以看出,在相同過量空氣系數(shù)的條2008年8月常國(guó)峰等:用快速壓縮機(jī)研究乙醇燃料的HCCI燃燒特性件下,隨著充量溫度的升高,放熱率最大值增加.這是使著火點(diǎn)提前,最終加速了高溫反應(yīng)的進(jìn)行,燃燒持續(xù)由于充量溫度的增加燃料低溫反應(yīng)速率增加,充量溫期縮短,可以提高熱效率度高的混合氣產(chǎn)生了數(shù)量更多的自由基并且釋放出更多的熱量所以當(dāng)燃料進(jìn)入高溫反應(yīng)后,充量溫度高的混合氣會(huì)有更高的反應(yīng)速率,釋放更多熱量因此,充量溫度的升高使主放熱過程提前,放熱速率加快,放熱率峰值增加在相同充量溫度條件下,隨著過量空氣系數(shù)的增0099加,放熱率最大值減小過量空氣系數(shù)增加,燃料的濃度減小,混合氣著火時(shí)刻延遲,低溫反應(yīng)階段積聚的355360365370375380385H2O2濃度比較低,OH自由基濃度較小,由于HCCI都是運(yùn)行在稀混合氣下,因而燃料的濃度決定高溫反應(yīng)圖3過量空氣系數(shù)和充量溫度對(duì)燃燒持續(xù)期的影響速率.所以過量空氣系數(shù)增加,燃燒速率降低,放熱率最大值降低24邊界條件對(duì)燃燒最高溫度的影響圖中顯示當(dāng)充量溫度由363K變化到383K時(shí),圖4為過量空氣系數(shù)和充量溫度對(duì)燃燒溫度最大放熱率最大值約升高了20J/ms.如圖中所示,過量空值的影響規(guī)律由圖可以看出,可燃混合氣的充量溫度氣系數(shù)由4變化到7時(shí)放熱率最大值約減小了30Jms.對(duì)HCCI燃燒溫度影響明顯,在相同過量空氣系數(shù)條可以看出過量空氣系數(shù)對(duì)放熱率最大值影響比較明顯.件下,隨著充量溫度的升高,燃燒溫度逐漸增加.充量溫度越高燃燒溫度最大值越大.圖中顯示,當(dāng)充量溫度由353K變化到383K時(shí),最高燃燒溫度增加了約一▲-A=5200K這是因?yàn)闇囟葘?duì)燃燒過程的影響非常明顯,高溫可以使燃料的化學(xué)鍵斷裂,增加分子的運(yùn)動(dòng)速率,使化學(xué)反應(yīng)的數(shù)量和速率都明顯提高,釋放熱量更多,增加燃燒溫度.所以,燃燒最高溫度隨著充量溫度的升髙而不斷升高365370375380385充量溫度/Kl600圖2充量溫度對(duì)放熱率最大值的影響4=52.3邊界條件對(duì)燃燒持續(xù)期的影響圖3為過量空氣系數(shù)和充量溫度對(duì)燃燒持續(xù)期的影響規(guī)律由圖中可以看出,在相同過量空氣系數(shù)條件下,隨著充量溫度的升髙,燃燒持續(xù)期變短.燃燒持續(xù)350355360365370375380385期主要受火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?火焰?zhèn)鞑ニ俣扔质芑斐淞繙囟?K合氣濃度和溫度、燃料特性以及混合氣運(yùn)動(dòng)等因素的圖4過量空氣系數(shù)和充量溫度對(duì)燃燒溫度最大值的影響影響.HCCI燃燒屬于多點(diǎn)同時(shí)著火,燃燒持續(xù)期比傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)燃燒方式要短很多.充量溫度的增加,使低相同充量溫度下,當(dāng)過量空氣系數(shù)由2變化到5溫反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的自由基數(shù)量增多,著火點(diǎn)增多,所以燃時(shí),燃燒最高溫度降低約600K.這是由于隨著過量空燒速率增加,燃燒持續(xù)期縮短.氣系數(shù)的增大,混合氣濃度變稀,低溫反應(yīng)放熱量減圖中還可以看出,在相同的充量溫度條件下,隨著少,溫度增加變慢,導(dǎo)致高溫反應(yīng)速率降低,缸內(nèi)燃燒過量空氣系數(shù)的減小,燃燒持續(xù)期縮短由于試驗(yàn)中混溫度最大值降低合氣濃度和混合氣運(yùn)動(dòng)狀態(tài)基本保持不變,所以燃燒25中國(guó)煤化工是出現(xiàn)時(shí)刻的影響持續(xù)期的差異原因只可能是由于燃料的改變引起了燃2.5,1CNMHG率及出現(xiàn)時(shí)刻的料特性的改變隨著乙醇/空氣混合物的濃度增加,從彰響而產(chǎn)生更多的自由基并加大了自由基的碰撞幾率,致圖5為充量溫度對(duì)最大壓力升高率及出現(xiàn)時(shí)刻的燃燒科學(xué)與技術(shù)第14卷第4期影響由圖中可以看出,在相同過量空氣系數(shù)(A=3)2.6過量空氣系數(shù)對(duì)著火溫度的影響的條件下,隨著充量溫度的升高,最大壓力升高率逐漸圖7為過量空氣系數(shù)對(duì)著火溫度的影響規(guī)律由升高最大壓力升高率出現(xiàn)時(shí)刻提前這是因?yàn)槌淞繙貓D中可以看出,在充量溫度相同時(shí),隨著過量空氣系數(shù)度高,氧化還原反應(yīng)速率加快,使著火時(shí)刻提前,最大的增加,著火溫度逐漸升高過量空氣系數(shù)由2變化到壓力升高率出現(xiàn)的時(shí)刻也有所提前;同時(shí),燃燒持續(xù)期5時(shí),著火溫度約提高了30K.這是因?yàn)檫^量空氣系數(shù)縮短,壓力升高率變化加快.充量溫度由353K變化到由2變化到5時(shí),混合氣濃度降低,此時(shí)需要更高的溫383K時(shí),最大壓力升高率約增加了0.25MPa/ms,出度才能使大量的燃料化學(xué)鍵斷裂,產(chǎn)生高溫反應(yīng)需要現(xiàn)時(shí)刻提前了約30m.可見充量溫度對(duì)壓力升高率的自由基和熱量,并最終觸發(fā)燃料進(jìn)人高溫反應(yīng)階段的影響明顯所以,著火溫度隨著過量空氣系數(shù)的增加而逐漸提高240810一一最大值p一出現(xiàn)時(shí)刻逆長(zhǎng)7802.02.53.03.5404.55.0充恥溫度/K過量空氣系數(shù)圖5充量溫度對(duì)最大壓力升高率及出現(xiàn)時(shí)刻的影響圖7過量空氣系數(shù)對(duì)著火溫度的影響2.52過量空氣系數(shù)對(duì)最大壓力升高率及出現(xiàn)時(shí)刻3結(jié)論的影響圖6為過量空氣系數(shù)對(duì)最大壓力升髙率及出現(xiàn)時(shí)(1)乙醇燃料在HCCI燃燒模式下,隨著可燃混刻的影響由圖中可以看出,在相同充量溫度情況下,合氣充量溫度升高燃料氧化還原反應(yīng)的速率加快燃隨著過量空氣系數(shù)的增加最大壓力升高率變小,最大燒始點(diǎn)提前燃燒持續(xù)期縮短,最高燃燒溫度升高,放壓力升高率出現(xiàn)時(shí)刻推遲當(dāng)過量空氣系數(shù)由2變化熱率最大值增加,最大壓力升高率增大,最大壓力升高到5時(shí),最大壓力升高率約減少了0.7MPa/ms,出現(xiàn)率出現(xiàn)時(shí)刻提前時(shí)刻約延遲了30ms.這是因?yàn)檫^量空氣系數(shù)大的混(2)乙醇燃料在HCCI燃燒模式下,隨著可燃混合合氣著火時(shí)刻延遲燃燒過程中積聚的H2O2濃度比氣過量空氣系數(shù)的增加,燃燒始點(diǎn)延遲過量空氣系數(shù)低,燃燒持續(xù)期時(shí)間長(zhǎng)所以,過量空氣系數(shù)增加,燃增加在高溫階段的燃燒速率降低燃料的最高燃燒溫?zé)俾式档?最大壓力升高率減小,最大壓力升高率度降低,放熱率最大值降低,最大壓力升高率降低最出現(xiàn)時(shí)刻也延遲從圖5和圖6比較看出,壓力升高大壓力升高率出現(xiàn)時(shí)刻延遲,著火溫度升高燃燒持續(xù)率最大值出現(xiàn)時(shí)刻對(duì)過量空氣系數(shù)的改變比較期增加敏感3)混合氣的充量溫度對(duì)乙醇HCCI燃燒著火過程有明顯影響,而混合氣的過量空氣系數(shù)對(duì)乙醇HCCI口一最大燃燒過程中的放熱率最大值影響明顯.充量溫度和過出現(xiàn)時(shí)刻量空氣系數(shù)對(duì)燃燒持續(xù)期影響程度接近相同.說明控制充量溫度和過量空氣系數(shù)是控制乙醇燃料HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)著火時(shí)刻和燃燒過程的重要手段參考文獻(xiàn)過量空氣系數(shù)[1]中國(guó)煤化工mmB. DemonstratinC NMHGomogeneous charge圖6過量空氣系數(shù)對(duì)最大壓力升高率及出現(xiàn)時(shí)刻pression ignition engine with variable compression rati的影響C ]/ SAE Paper. Toronto, Canada, 1999, 1999-01-3679008年8月常國(guó)峰等:用快速壓縮機(jī)研究乙醇燃料的HCCI燃燒特性[2] Martinez-Frias J, Aceves SM, Flowers D, et al. HCCI en-bocharged HCCI engine[ C]// SAE Paper.Detroit,MIgine control by thermal management [C J// SAE PaperUSA,2003,20034010743Baltimore,MD,USA,2000,20001-2869[12]劉金山,郭英男,譚滿志,等.乙醇燃料均質(zhì)壓燃(HC[3] Eng J A, Leppard WR, Sloane T M. The effect of di-terti-cI)燃燒邊界[J].燃燒科學(xué)與技術(shù),2005,11(4):ary butyl peroxide( DTBP)addition to gasoline on HCCI369-372[C]∥′ SAe PCPA. USALiu Jinshan, Guo Yingman, Tan Manzhi, et al. HCCI com003,200301-3170.bustion boundaries of ethanol as engine fuel[ J]. Journal of[4] Alam M, Goto S, Sugiyama K, et al. 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