復合HCCI與進氣道噴射HCCI燃燒特性及運行范圍對比

張超，張春化，薛樂

(長安大學汽車學院，交通新能源應用與汽車節(jié)能陜西省重點實驗室，陜西 西安　710064)

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復合HCCI與進氣道噴射HCCI燃燒特性及運行范圍對比

張超，張春化，薛樂

(長安大學汽車學院，交通新能源應用與汽車節(jié)能陜西省重點實驗室，陜西 西安710064)

摘要：【目的】 為了進一步改善HCCI的燃燒狀況，并拓展其運行范圍.【方法】 對缸內直噴與進氣道噴射結合下的復合HCCI和僅進氣道噴射模式下的HCCI發(fā)動機的燃燒特性及運行范圍進行了對比.【結果】 復合HCCI的峰值缸內壓力、峰值缸內溫度和峰值瞬時放熱率均有所升高，且對應的曲軸轉角有所提前，表明燃燒時刻有所提前.其中，峰值缸內壓力較單純進氣道噴射時升高了0.6 MPa，峰值壓力對應的曲軸轉角平均值提前了1.2 ° CA，燃燒持續(xù)期也縮短至10 ° CA左右.【結論】 缸內直噴正庚烷可明顯改善正丁醇HCCI的燃燒狀況，降低HCCI的循環(huán)變動，在一定程度上控制正丁醇HCCI的燃燒相位，使得平均指示壓力和指示熱效率有所提高，并且使得HCCI發(fā)動機的運行范圍得到拓展.

關鍵詞：復合HCCI；正庚烷；正丁醇；燃燒特性；運行范圍

均質充量壓縮著火(HCCI)燃燒方式是對傳統(tǒng)燃燒方式的突破，它結合了點燃式發(fā)動機和壓燃式發(fā)動機的優(yōu)點而受到廣泛關注和研究.但在另一方面，HCCI存在燃燒過程不能準確控制和運行范圍狹窄等難題[1-2].大量研究表明這主要是由于HCCI的燃燒過程主要受化學反應動力學控制[3].介于此，國內外學者提出多種改善措施,例如進氣增壓[4]、廢氣再循環(huán)(EGR)[5-7]、結合理化特性互補的燃料以及利用復合燃燒模式[8]等.馬駿駿等[9]研究了正庚烷復合HCCI的燃燒特性，發(fā)現(xiàn)復合HCCI燃燒方式能夠有效拓展HCCI的運行范圍.Fang等[10]研究了預噴射量對HCCI-DI復合燃燒發(fā)動機的影響，發(fā)現(xiàn)隨著預噴射量的增加NO排放顯著降低.Wang等[11]研究了二甲醚在復合燃燒模式下的發(fā)動機燃燒特性，結果表明發(fā)動機速度和負荷范圍都得到擴大.Das等[12]研究了復合模式(HCCI-DI)下發(fā)動機的燃燒穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)采用復合模式(HCCI-DI)使發(fā)動機低負荷運行范圍得到了明顯拓展.

本文將正丁醇/正庚烷雙燃料復合HCCI燃燒模式(進氣道噴射正丁醇和缸內直噴正庚烷)與僅進氣道噴射正丁醇的HCCI模式進行對比研究，以期為改善HCCI的燃燒狀況和拓展其運行范圍提供依據(jù).

1試驗裝置及方法

試驗發(fā)動機由一臺雙缸四沖程、自然吸氣、強制水冷的柴油機(CT2100Q)改造而成，主要參數(shù)如表1所示.

表1　發(fā)動機主要參數(shù)

試驗使用正丁醇與正庚烷2種燃料.醇類燃料中，丁醇相比甲醇及乙醇，熱值較高；相比柴油和汽油其汽化潛熱較大，故燃燒溫度較低，有利于降低NOx的生成.雖然醇類燃料抗爆性較好，但其發(fā)火性較差.由此，試驗選取了發(fā)火性較好的正庚烷作為缸內直噴燃料，正丁醇作為進氣道噴射燃料.正庚烷作為一種基礎燃料，其性質與柴油相似，但發(fā)火性要遠遠優(yōu)于柴油，因此其作為柴油的替代研究物得到了內燃機工作者的廣泛關注.正丁醇和正庚烷兩種燃料的物性參數(shù)見表2.

表2　正丁醇及正庚烷的物性參數(shù)

試驗系統(tǒng)布置如圖1所示.其中1#缸保持原柴油機運行模式，2#缸通過在進氣道增加了PI噴油器來實現(xiàn)HCCI燃燒模式，并且在2#缸頂部安裝了DI噴油器構建直噴系統(tǒng).2個噴油器都具有各自的控制單元，可以精確控制燃料的噴射量.需要注意的是，2個缸具有獨立的進排氣系統(tǒng).直噴系統(tǒng)的高壓燃油通過高壓氮氣進行加壓.試驗時，由1#缸柴油機模式起動發(fā)動機并暖機，待發(fā)動機達到正常運行溫度后，切斷1#缸柴油供給的同時使2#缸以HCCI方式運行；待HCCI運行平穩(wěn)后，連續(xù)測量60個工作循環(huán)并將信號由壓力傳感器經電荷放大器傳輸至KiBox燃燒分析儀.為了便于對比，試驗中首先將缸內直噴相位和缸內直噴壓力分別保持在φin=340 °CA和Pin=6 MPa，在試驗中保持較低的進氣溫度為Tin=130 ℃，以研究缸內直噴系統(tǒng)對低進氣溫度下的燃燒及發(fā)動機運行范圍的影響.

試驗中，用峰值壓力的循環(huán)變動系數(shù)COVPmax來表示循環(huán)變動的強弱程度，其值ICOV計算如下：

(1)

由于試驗中使用了2種不同的燃料，因此無法直接得出混合之后的混合氣的過量空氣系數(shù)，因此有必要計算出總體的過量空氣系數(shù)，即兩種燃料混合以后的過量空氣系數(shù).假設進氣道噴射的循環(huán)噴油質量(正丁醇)為mb，缸內直噴在一個循環(huán)內的缸內直噴燃料(正庚烷)質量為mh.實際發(fā)動機運行過程中，空氣的循環(huán)進氣體量為mair.由此而得出，總體的過量空氣系數(shù)為

(2)

圖1　試驗系統(tǒng)Fig.1　Schematic of engine test system

2結果與分析

2.1燃燒特性的對比

圖2所示為2種模式下缸內壓力、壓力升高率的對比.可以看出，在加入缸內直噴系統(tǒng)以后，缸內壓力峰值較單純進氣道噴射時升高了0.6 MPa，且其峰值出現(xiàn)的位置略有提前；壓力升高率峰值也有所增加，且其峰值的位置也有所提前.原因在于，僅在進氣道噴射的情況下，因為進氣溫度較低(為130 ℃)，正丁醇與空氣形成均質混合氣質量較差，并且較低的進氣溫度使得缸內化學反應的過程受到影響，因此導致缸內混合氣著火稍晚；而在缸內直噴正庚烷后，由于正庚烷十六烷值高、發(fā)火性好，首先燃燒并引燃正丁醇，導致缸內壓力和壓力升高率及其峰值均升高.

圖2　缸內壓力和壓力升高率的對比Fig.2　Cylinder pressure and pressure rise rate

圖3所示為2種模式下放熱率的對比.可以看出，復合HCCI的放熱率峰值有所增大，且其所對應的相位也略有提前.在缸內直噴的參與下，缸內混合氣中大部分燃料仍為正丁醇，而正庚烷只占少量，但正庚烷的低熱值大于正丁醇，因此少量正庚烷的參與可導致瞬時放熱率峰值的增加；又由于正庚烷十六烷值較高，因此缸內混合氣的發(fā)火性被提高，所以混合氣燃燒的整個放熱過程略有提前.即使在130 ℃較低的進氣溫度下，缸內直噴對于改善單純進氣道噴射的HCCI燃燒仍有較明顯的效果.

圖3　瞬時放熱率的對比Fig.3　Heat release rate

圖4所示為2種模式下缸內溫度的對比.可以看出，復合HCCI噴射模式下，缸內溫度峰值略有增加，但總體上，2種模式下缸內溫度的差異不顯著.這主要是因為正庚烷具有明顯的負溫度系數(shù)現(xiàn)象[13]，即在低溫區(qū)與高溫區(qū)中間的階段，隨著混合氣的燃燒，鏈傳遞反應替代了鏈分支反應，主要以HO2·+HO2·=H2O2+O2反應為主，生成物如H2O2等較為穩(wěn)定，因此整個系統(tǒng)的反應速率被降低，導致系統(tǒng)的溫度上升較為緩慢，而中溫區(qū)反應·C7H14OOH→C7H14+HO2、·C7H14OOH→C7H14O+·OH、·C7H14OOH→C4H9CHO+C2H4+·OH和·C7H14OOH→C3H7CHO+C3H6+·OH等對低溫氧化有較大的抑制作用.另外，由于此時進氣溫度為130 ℃，同樣也影響了化學反應的速率和放熱過程，因此綜合影響的結果表現(xiàn)為缸內溫度峰值增加量較小，缸內溫度在相位上與進氣道噴射模式時差異相對較小.

圖4　缸內溫度的對比Fig.4　Cylinder temperature

圖5所示為2種模式下燃燒時刻及燃燒持續(xù)期的對比.可以看出，燃燒始點CA05、燃燒中點CA50在加入缸內直噴模式后均有所提前，燃燒持續(xù)期有所縮短.隨著正庚烷直噴進入氣缸內，缸內混合氣的發(fā)火性變好，即使在進氣溫度為130 ℃混合氣分子碰撞劇烈程度較低時，燃燒始點位置仍然被提前，相應的燃燒中點也被提前，整個燃燒持續(xù)期也縮短至10 °CA左右.充分說明，正庚烷參與燃燒使得整個燃燒過程得到了一定的控制.

圖5　燃燒時刻的對比Fig.5　Combustion phase

圖6所示為2種模式下峰值壓力循環(huán)變動及其相位分布的對比.從圖6-A可以看出，在進氣溫度Tin=130 ℃時，復合HCCI的峰值壓力的循環(huán)變動系數(shù)變小，峰值壓力的平均值明顯增加，這主要因為正庚烷有較強的發(fā)火性且其低熱值較大，同時正庚烷的汽化潛熱比正丁醇要小，因此峰值壓力得到明顯提升.從圖6-B可以看出，缸內直噴正庚烷使得峰值壓力對應的曲軸轉角平均值提前了1.2 °CA.從圖6可以得出，當發(fā)動機轉速保持在1 200 r/min時，缸內直噴系統(tǒng)的加入可使得HCCI在較低的進氣溫度下運行更加穩(wěn)定.

為了更進一步研究缸內直噴正庚烷對燃燒循環(huán)變動的影響，在試驗中進氣溫度設置為Tin=160 ℃、缸內直噴相位φin=340 °CA和缸內直噴壓力Pin=6 MPa，試驗針對較高轉速的情況下，有無正庚烷缸內直噴系統(tǒng)情況下燃燒的循環(huán)變動作以對比分析.

圖6　峰值壓力循環(huán)變動及相位分布的對比Fig.6　Cyclic variation

圖7所示為較高轉速下2種模式峰值壓力燃燒循環(huán)變動及其相位分布的對比.從圖7-A可以看出，在轉速為1 400 r/min時，復合HCCI噴射模式較無缸內直噴參與下循環(huán)變動系數(shù)明顯減小，這是因為正庚烷的參與使得燃燒進行的更加穩(wěn)定和迅速，上循環(huán)對下循環(huán)燃燒的不良影響減小，因此循環(huán)變動系數(shù)顯著減小.從圖7-B可以看出，峰值壓力出現(xiàn)的曲軸轉角在缸內直噴參與下時有所提前，這是因為正庚烷的發(fā)火性良好，使得燃燒始點和燃燒過程提前，峰值壓力出現(xiàn)的位置也相應被提前.圖7與圖6對比可知，復合HCCI模式在高轉速時循環(huán)變動系數(shù)明顯降低，由2.02%降低至1.09%；而在僅進氣道噴射HCCI模式在高轉速時循環(huán)變動系數(shù)只有微弱降低，由5.26%降低至5.23%.由此可得，復合HCCI模式對高轉速范圍的拓展較明顯.

2.2運行范圍的比較

圖8所示為以總過量空氣系數(shù)和轉速表示的HCCI發(fā)動機運行范圍.可以看出，復合HCCI燃燒對過量空氣系數(shù)的拓展較為明顯，這主要是由于即使總體混合氣濃度較稀，但此時缸內混合氣有正庚烷和正丁醇2種燃料，而單純正丁醇燃料時著火性能較差，在混合氣過稀時無法正常著火.由于正庚烷的加入，使得總體混合氣過量空氣系數(shù)減小，盡管混合氣較濃，但仍可以在復合HCCI模式下燃燒.在轉速方面，正庚烷缸內直噴也對轉速的運行范圍有一定的拓展作用，特別是在混合氣較稀時優(yōu)勢比較明顯，單純正丁醇進氣道噴射情況下，由于混合氣較稀無法正常著火，而在正庚烷缸內直噴參與后，復合HCCI發(fā)動機可正常運行.這說明了正庚烷缸內直噴對于正丁醇HCCI的混合氣過量空氣系數(shù)及轉速運行范圍的拓展有較為明顯的效果.

圖7　較高轉速下峰值壓力循環(huán)變動及其相位分布的比較Fig.7　Cyclic variation under high speed

圖8　以λt和轉速表示的HCCI發(fā)動機運行范圍Fig.8　Operation ranges of λtand speed

如圖9所示為以進氣溫度和平均指示壓力表示的HCCI發(fā)動機運行范圍.可以看出，在較低的進氣溫度下，正庚烷缸內直噴參與使得平均指示壓力的下限拓展較為明顯，這是由于正庚烷燃料對較稀混合氣的燃燒運行有較明顯的改善作用，特別在較低的進氣溫度下；另一方面，較高進氣溫度時復合HCCI模式下較濃混合氣的運行范圍也有所增加，這是因為正庚烷在高溫下對正丁醇的助燃作用明顯，兩種燃料對進氣溫度都較為敏感，進而對平均指示壓力上下限均有拓展作用；經分析知，要在更低的進氣溫度下進行正丁醇HCCI的燃燒模式，需要更進一步加大正庚烷的直噴量.綜上所述，缸內直噴少量正庚烷對正丁醇HCCI的燃燒有著明顯的改善作用.

圖9　以進氣溫度和平均指示壓力表示的運行范圍Fig.9　Operation ranges of intake temperature and IMEP

3結論

復合HCCI模式與單純進氣道噴射HCCI相比，正庚烷直噴系統(tǒng)的加入使得：缸內峰值壓力、壓力升高率峰值都有所增加，峰值放熱率有所增大；且其各自對應的曲軸轉角都有所提前.燃燒始點CA05、燃燒中點CA50均有所提前，燃燒持續(xù)期縮短.峰值壓力的循環(huán)變動系數(shù)變小，峰值壓力平均值增大.正庚烷缸內直噴系統(tǒng)的加入不僅使正丁醇HCCI運行更加平穩(wěn)，且使得運行范圍得到較為明顯的拓展.

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(責任編輯李辛)

Comparison of combustion characteristics and operation range between compound HCCI mode and intake pipe injection HCCI mode

ZHANG Chao,ZHANG Chun-hua,XUE Le

(College of Automobile，Key Laboratory of Shanxi Province for Development and Application of New Transportation Energy,Xi’an 710064，China)

Abstract：【Objective】 The aim of this research was to improve homogeneous charge compression ignition (HCCI) combustion and extend the operation range.【Method】 The combustion and operation range were compared between compound HCCI (direct injection and pipe injection combined) and only pipe injection HCCI mode.【Result】 The result showed that the peak of in-cylinder pressure,in-cylinder temperature and instantaneous heat release rate all increased and crank angle also occurred in advance which showed the start timing of combustion was advanced compared to only pipe injection HCCI mode,the peak in-cylinder pressure increased by 0.6 MPa,the crank angle corresponding to the peak pressure was advanced nearly 1.2°CA and the combustion duration reduced about 10°CA.【Conclusion】 It was found that HCCI combustion fuelled with n-butanol was significantly improved by using n-heptane direct injection and cyclic variation was reduced.To some extent,the combustion phase could be controlled,both indicated mean effective pressure(IMEP) and indicated thermal efficiency were improved,so the operation range of compound HCCI was extended.

Key words：compound HCCI;n-heptane;n-butnol;combustion characteristics;operating range

通信作者：張春化，男，教授，博士生導師，研究方向為內燃機代用燃料的應用.E-mail:zchzzz@126.com

基金項目：陜西省自然科學基礎研究計劃項目(2012JQ7031)；中央高校科研業(yè)務費項目(310822151119).

收稿日期：2016-03-16；修回日期：2016-04-08

中圖分類號：U 464

文獻標志碼：A

文章編號：1003-4315(2016)03-0155-06

第一作者：張超(1986-)，男，博士研究生，從事內燃機燃燒及代用燃料方面的研究.E-mail:zhangc6800@163.com