運(yùn)行參數(shù)對甲醇HCCI燃燒穩(wěn)定性和循環(huán)變動(dòng)的影響

潘江如，張春化，魯亞云

（1.新疆工程學(xué)院，新疆 烏 魯木齊 830091；2.長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西 安 710064；3.新疆職業(yè)大學(xué)，新疆 烏 魯木齊 830013）

21世紀(jì)以來，內(nèi)燃機(jī)需要滿足越來越嚴(yán)格的排放法規(guī)，因此，研究人員提出了多種新型燃燒方式，如均質(zhì)壓燃（HCCI）、預(yù)混合充量壓燃（PCCI）、低溫燃燒（LTC）、預(yù)混合分層壓燃（PSCCI）等［1］。均質(zhì)壓燃（HCCI）是燃料與空氣形成的預(yù)混合氣被活塞壓縮、自然著火的燃燒過程，它結(jié)合了傳統(tǒng)壓燃式柴油機(jī)和火花點(diǎn)燃式汽油機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)與柴油機(jī)相當(dāng)?shù)母邿嵝屎推蜋C(jī)的無炭煙排放，NOx排放也極低。均質(zhì)壓燃的燃燒過程主要受化學(xué)動(dòng)力學(xué)控制，其燃燒過程控制目前只能采用一些間接控制方法，如改變空燃比、使用負(fù)氣門重疊技術(shù)、提高進(jìn)氣溫度、混合氣成分控制、離子電流和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合、燃料重整、廢氣再循環(huán)等方法。這些研究主要是圍繞均質(zhì)壓燃的控制策略展開的，對均質(zhì)壓燃燃燒過程控制的研究較少。燃燒循環(huán)變動(dòng)是反映燃燒過程的一個(gè)重要參數(shù)，深入進(jìn)行這方面的研究，可為均質(zhì)壓燃燃燒過程的控制提供借鑒。一般認(rèn)為均質(zhì)壓燃工作方式相對火花點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)而言循環(huán)變動(dòng)較小，目前對HCCI循環(huán)變動(dòng)的研究較少，因此有必要進(jìn)行研究［2－6］。

1 試驗(yàn)裝置和數(shù)據(jù)處理方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)是1臺2缸四沖程、強(qiáng)制水冷、自然吸氣、直噴式CT2100Q柴油機(jī)。為實(shí)現(xiàn)HCCI燃燒，對發(fā)動(dòng)機(jī)作了改造，將第2缸改為HCCI試驗(yàn)測試缸，其相關(guān)參數(shù)見表1。氣缸壓力通過Kistler 6052A壓電式傳感器測得，經(jīng)過5019B電荷放大器傳至CB566燃燒分析儀，曲軸轉(zhuǎn)角信號由光電傳感器獲得，經(jīng)過與燃燒分析儀配套使用的PA－500型信號發(fā)生器傳至燃燒分析儀。發(fā)動(dòng)機(jī)加載和控制由FST2C（CW25）電渦流測功機(jī)完成。試驗(yàn)測試系統(tǒng)見圖1。

表1 HCCI試驗(yàn)測試缸相關(guān)參數(shù)

1.2 數(shù)據(jù)處理

表征燃燒循環(huán)變動(dòng)的參數(shù)很多，大體上可以分為三類：氣缸壓力；與燃燒有關(guān)的參數(shù)；與火焰前鋒面位置相關(guān)的參數(shù)，如火焰半徑。壓力參數(shù)比較容易測量，因此常用它來表征燃燒的循環(huán)變動(dòng)。從壓力參數(shù)出發(fā)，可以定義出度量燃燒循環(huán)變動(dòng)的一個(gè)重要參數(shù)——仿照平均指示壓力變動(dòng)系數(shù)，本研究用峰值壓力定義循環(huán)變動(dòng)系數(shù)（coefficient of variation）［7－10］。

試驗(yàn)中，取甲醇工況下穩(wěn)定運(yùn)行60個(gè)循環(huán)的示功圖，對每個(gè)循環(huán)的最大燃燒壓力及其相位的統(tǒng)計(jì)進(jìn)行分析，比較運(yùn)行參數(shù)變化對甲醇HCCI燃燒穩(wěn)定性和循環(huán)變動(dòng)的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 進(jìn)氣溫度對HCCI燃燒穩(wěn)定性和循環(huán)變動(dòng)的影響

甲醇HCCI峰值壓力循環(huán)變動(dòng)及相位隨溫度的變化見圖2和圖3，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速n＝1 100r／min，過量空氣系數(shù)a＝2.5。由圖可看出，進(jìn)氣溫度為140℃時(shí)，峰值壓力值最大；當(dāng)進(jìn)氣溫度為160℃時(shí)，循環(huán)變動(dòng)變大，循環(huán)變動(dòng)系數(shù)為12.9%。這主要因?yàn)樵黾舆M(jìn)氣溫度可以增大反應(yīng)速率，低溫和高溫峰值放熱率均增大并相應(yīng)提前，燃燒持續(xù)期也隨之縮短，甲醇在較高進(jìn)氣溫度下的燃燒速度變快，每個(gè)循環(huán)燃燒出現(xiàn)的時(shí)刻不同，造成峰值壓力變動(dòng)較大。隨著進(jìn)氣溫度的增加，甲醇著火時(shí)刻過早，燃燒放熱速率過快，發(fā)生了一定程度的爆震燃燒現(xiàn)象，前一循環(huán)的爆震燃燒又影響到后一循環(huán)的燃燒，從而發(fā)生較大的峰值壓力循環(huán)變動(dòng)。但是，隨著進(jìn)氣溫度的升高，峰值壓力相位越來越集中，其平均值趨向于一致，進(jìn)氣溫度為140℃和160℃時(shí)的峰值壓力相位平均值相差0.49°，這也說明調(diào)節(jié)進(jìn)氣溫度可作為控制燃燒時(shí)刻的一種方法。

2.2 過量空氣系數(shù)對HCCI燃燒穩(wěn)定性和循環(huán)變動(dòng)的影響

過量空氣系數(shù)對甲醇峰HCCI值壓力循環(huán)變動(dòng)和峰值壓力相位的影響見圖4和圖5，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速n＝1 100r／min，進(jìn)氣溫度t＝160℃。過量空氣系數(shù)對甲醇HCCI燃燒循環(huán)變動(dòng)的影響較為顯著，過量空氣系數(shù)由2.0增大到2.5，峰值壓力的循環(huán)變動(dòng)系數(shù)明顯增大，同時(shí)峰值壓力相位分布較為分散，每個(gè)循環(huán)的峰值壓力相位偏離平均值。過量空氣系數(shù)較小時(shí)，峰值壓力的循環(huán)變動(dòng)系數(shù)較小，同時(shí)峰值壓力相位集中，所有循環(huán)峰值壓力相位在平均值±1.5°范圍內(nèi)波動(dòng)。

由著火理論可知，混合氣的著火溫度隨著過量空氣系數(shù)減?。椿旌蠚庾儩猓┒档?。同時(shí)，甲醇汽化潛熱較大，其汽化需要較多的能量，也會(huì)造成混合氣溫度降低。過量空氣系數(shù)較小a＝2），意味混合氣的著火溫度降低，由于甲醇汽化潛熱產(chǎn)生的混合氣溫度降低的影響小于過量空氣系數(shù)減小對混合氣著火溫度的影響，因此，混合氣單位體積內(nèi)有效碰撞的次數(shù)增多，使得燃燒?度增大，循環(huán)變動(dòng)系數(shù)較小，燃燒的穩(wěn)定性較高。過量空氣系數(shù)較大（a＝2.5和a＝3）時(shí)，混合氣較稀，單位體積所含燃料量少，放熱速率較慢，使得反應(yīng)速率下降，循環(huán)變動(dòng)系數(shù)變大，燃燒的穩(wěn)定性下降，發(fā)生不完全燃燒的可能性大。過量空氣系數(shù)較大時(shí)，混合氣的熱容作用卻相對較大，部分燃燒和失火的發(fā)生概率增大，燃燒穩(wěn)定性?a＝2.0時(shí)，相對于a＝2.5和a＝3.0，對混合氣溫度的影響的容忍度較高，不易產(chǎn)生不完全燃燒，此時(shí)，燃燒循環(huán)變動(dòng)最小。

2.3 轉(zhuǎn)速對HCCI燃燒穩(wěn)定性和循環(huán)變動(dòng)的影響

轉(zhuǎn)速對甲醇HCCI峰值壓力循環(huán)變動(dòng)和峰值壓力相位的影響見圖6和圖7，進(jìn)氣溫度t＝160℃，a＝2.0。隨著轉(zhuǎn)速的升高，甲醇峰值壓力變化很大，但循環(huán)變動(dòng)逐漸降低。在n＝1 300r／min時(shí)，峰值壓力最大，其平均值為7.41MPa，但是其循環(huán)波動(dòng)不大；在n＝700r／min時(shí)，峰值壓力最小，其平均值為3.42MPa，但是其循環(huán)波動(dòng)較大，循環(huán)變動(dòng)系數(shù)為12.54%。分析原因：一方面，HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)前一個(gè)循環(huán)的燃燒過程對后一個(gè)循環(huán)有影響，若上一個(gè)工作循環(huán)著火遲，則下一個(gè)工作循環(huán)的著火時(shí)刻較早；另一方面，一些循環(huán)的最高燃燒壓力較大，其對下一個(gè)循環(huán)的影響較為顯著，使得循環(huán)間的波動(dòng)變大。轉(zhuǎn)速過低時(shí)，燃燒持續(xù)期變長，某些循環(huán)出現(xiàn)部分燃燒，循環(huán)變動(dòng)增大。

隨著轉(zhuǎn)速的升高，甲醇峰值壓力相位越來越集中。對于甲醇而言，進(jìn)氣溫度為160℃，a＝2時(shí)，n＝1 300r／min是較優(yōu)的轉(zhuǎn)速，此時(shí)峰值壓力的平均值最大，峰值壓力相位提前，分布在平均值±2°范圍內(nèi)，并且接近正態(tài)分布。

3 結(jié)論

a）隨著進(jìn)氣溫度的升高，甲醇HCCI燃燒的循環(huán)變動(dòng)變大，最大燃燒壓力分布越來越集中，進(jìn)氣溫度為140℃和160℃時(shí)的峰值壓力相位平均值相差0.49°，說明調(diào)節(jié)進(jìn)氣溫度可作為控制燃燒時(shí)刻的一種方法；

b）甲醇HCCI燃燒的循環(huán)變動(dòng)系數(shù)對過量空氣系數(shù)較為敏感；

c）隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，甲醇HCCI燃燒的峰值壓力平均值變大，循環(huán)變動(dòng)系數(shù)變小，峰值壓力相位分布集中，因此，對于甲醇，進(jìn)氣溫度為160℃，a＝2時(shí)，n＝1 300r／min是較優(yōu)轉(zhuǎn)速。

［1］ 堯命發(fā)，劉海峰.均質(zhì)壓燃與低溫燃燒的燃燒技術(shù)研究進(jìn)展與展望［J］.汽車工程學(xué)報(bào)，2012，2（2）：79－90.

［2］ 趙 偉，張春化，佟娟娟，等.EGR對甲醇 HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放的影響［J］.長安大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，32（4）：88－92.

［3］ 吳 晗，張春化，佟娟娟，等.EGR對甲醇 HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)性能和運(yùn)行范圍的影響［J］.長安大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，32（5）：102－106.

［4］ 謝 輝，吳召明，孫艷輝.基于內(nèi)部殘余廢氣的汽油HCCI燃燒過程離子電流特性［J］.天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，41（5）：547－552.

［5］ Ogawa H，Miyamoto N，Kaneko N，et al.Combustion control and operating range expansion with direct injection of reaction suppressors in a premixed DME HCCI engine［C］.SAE Paper 2003－01－0746.

［6］ Martinez－Frias J，Aceves S M，F(xiàn)lowers D，et al.Equivalence ratio EGR control of HCCI engine operation and potential for transition to spark－ignited operation［C］.SAE Paper 2001－01－3613.

［7］ 鄭尊清，堯命發(fā)，張 波，等.均質(zhì)壓燃的燃燒循環(huán)變動(dòng)試驗(yàn)［J］.天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，38（6）：484－489.

［8］ 蔣德明.內(nèi)燃機(jī)燃燒與排放學(xué)［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2002.

［9］ Fujikawa T，Nomura Y，Hattori Y，et al.Analysis of cycle－by－cycle variation in a direct－injection gasoline engine using laser－induced fluorescence technique［J］.International Journal of Engine Research，2003，4（2）：143－153.

［10］ Allenby S，Chang W C，Megaritis A，et al.Hydrogen enrichment：A way to maintain combustion stability in a natural gas fuelled engine with exhaust gas recirculation，the potential of fuel reforming［J］.Proceedings of the IMECHE，Part D：Journal of Automobile Engineering，2001，215（3）：405－418.