潘江如，張春化，魯亞云

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

21世紀以來，內(nèi)燃機需要滿足越來越嚴格的排放法規(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）、預混合充量壓燃（PCCI）、低溫燃燒（LTC）、預混合分層壓燃（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)壓燃式柴油機和火花點燃式汽油機的優(yōu)點，能實現(xiàn)與柴油機相當?shù)母邿嵝屎推蜋C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動力學控制，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、使用負氣門重疊技術(shù)、提高進氣溫度、混合氣成分控制、離子電流和神經(jīng)網(wǎng)絡相結(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)變動是反映燃燒過程的一個重要參數(shù)，深入進行這方面的研究，可為均質(zhì)壓燃燃燒過程的控制提供借鑒。一般認為均質(zhì)壓燃工作方式相對火花點火式發(fā)動機而言循環(huán)變動較小，目前對HCCI循環(huán)變動的研究較少，因此有必要進行研究［2－6］。

1 試驗裝置和數(shù)據(jù)處理方法

1.1 試驗裝置

試驗用發(fā)動機是1臺2缸四沖程、強制水冷、自然吸氣、直噴式CT2100Q柴油機。為實現(xiàn)HCCI燃燒，對發(fā)動機作了改造，將第2缸改為HCCI試驗測試缸，其相關參數(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)動機加載和控制由FST2C（CW25）電渦流測功機完成。試驗測試系統(tǒng)見圖1。

表1 HCCI試驗測試缸相關參數(shù)

1.2 數(shù)據(jù)處理

表征燃燒循環(huán)變動的參數(shù)很多，大體上可以分為三類：氣缸壓力；與燃燒有關的參數(shù)；與火焰前鋒面位置相關的參數(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。從壓力參數(shù)出發(fā)，可以定義出度量燃燒循環(huán)變動的一個重要參數(shù)——仿照平均指示壓力變動系數(shù)，本研究用峰值壓力定義循環(huán)變動系數(shù)（coefficient of variation）［7－10］。

試驗中，取甲醇工況下穩(wěn)定運行60個循環(huán)的示功圖，對每個循環(huán)的最大燃燒壓力及其相位的統(tǒng)計進行分析，比較運行參數(shù)變化對甲醇HCCI燃燒穩(wěn)定性和循環(huán)變動的影響。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 進氣溫度對HCCI燃燒穩(wěn)定性和循環(huán)變動的影響

甲醇HCCI峰值壓力循環(huán)變動及相位隨溫度的變化見圖2和圖3，試驗轉(zhuǎn)速n＝1 100r／min，過量空氣系數(shù)a＝2.5。由圖可看出，進氣溫度為140℃時，峰值壓力值最大；當進氣溫度為160℃時，循環(huán)變動變大，循環(huán)變動系數(shù)為12.9%。這主要因為增加進氣溫度可以增大反應速率，低溫和高溫峰值放熱率均增大并相應提前，燃燒持續(xù)期也隨之縮短，甲醇在較高進氣溫度下的燃燒速度變快，每個循環(huán)燃燒出現(xiàn)的時刻不同，造成峰值壓力變動較大。隨著進氣溫度的增加，甲醇著火時刻過早，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。但是，隨著進氣溫度的升高，峰值壓力相位越來越集中，其平均值趨向于一致，進氣溫度為140℃和160℃時的峰值壓力相位平均值相差0.49°，這也說明調(diào)節(jié)進氣溫度可作為控制燃燒時刻的一種方法。

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

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

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，甲醇汽化潛熱較大，其汽化需要較多的能量，也會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，混合氣較稀，單位體積所含燃料量少，放熱速率較慢，使得反應速率下降，循環(huán)變動系數(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，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，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，燃燒循環(huán)變動最小。

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

轉(zhuǎn)速對甲醇HCCI峰值壓力循環(huán)變動和峰值壓力相位的影響見圖6和圖7，進氣溫度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)變動逐漸降低。在n＝1 300r／min時，峰值壓力最大，其平均值為7.41MPa，但是其循環(huán)波動不大；在n＝700r／min時，峰值壓力最小，其平均值為3.42MPa，但是其循環(huán)波動較大，循環(huán)變動系數(shù)為12.54%。分析原因：一方面，HCCI發(fā)動機前一個循環(huán)的燃燒過程對后一個循環(huán)有影響，若上一個工作循環(huán)著火遲，則下一個工作循環(huán)的著火時刻較早；另一方面，一些循環(huán)的最高燃燒壓力較大，其對下一個循環(huán)的影響較為顯著，使得循環(huán)間的波動變大。轉(zhuǎn)速過低時，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，進氣溫度為160℃，a＝2時，n＝1 300r／min是較優(yōu)的轉(zhuǎn)速，此時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）隨著進氣溫度的升高，甲醇HCCI燃燒的循環(huán)變動變大，最大燃燒壓力分布越來越集中，進氣溫度為140℃和160℃時的峰值壓力相位平均值相差0.49°，說明調(diào)節(jié)進氣溫度可作為控制燃燒時刻的一種方法；

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

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

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