潘江如，張春化，魯亞云

（1.新疆工程學院 機械工程系，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 機械電子工程學院，新疆 烏魯木齊 830013）

0 引言

均質(zhì)壓燃是預混混合氣在壓縮過程中溫度升高達到自燃溫度以后所發(fā)生的燃燒現(xiàn)象[1]．要在發(fā)動機中應用均質(zhì)壓燃有兩個關(guān)鍵：1）向混合氣提供足夠的熱量使之能在壓縮上止點附近達到自燃溫度；2）對混合氣溫度進行控制使之能在最佳曲軸相位達到自燃溫度開始燃燒，過早將使燃燒粗暴和熱效率下降，過晚將會使發(fā)動機失火．均質(zhì)壓燃是一種全新的發(fā)動機燃燒方式．從表面上看，均質(zhì)壓燃發(fā)動機是柴油機和汽油機的結(jié)合：它像點燃式汽油機一樣采用預混的均勻混合氣，又像柴油機一樣利用壓縮過程所產(chǎn)生的熱使混合氣自燃，不需要使用火花塞來點燃．但實際上，均質(zhì)壓燃的燃燒過程與點燃式汽油機以及柴油機的燃燒過程不同．理想的均質(zhì)壓燃是在整個燃燒室內(nèi)同時發(fā)生的燃燒過程，在燃燒過程中物理量在空間的分布是均勻的，僅隨時間變化．因此，均質(zhì)壓燃在理論上不存在擴散現(xiàn)象，是非擴散的燃燒過程．由于缸內(nèi)溫度和氣體成分的分布不可能完全均勻，實際上均質(zhì)壓燃的燃燒過程并不能完全均勻．物理量在空間的分布也不可能完全均勻[2-6]．因此有必要研究一些因素對其燃燒時刻和燃燒相位的影響．本研究通過改變進氣溫度，觀察其改變時對甲醇HCCI燃燒特性和排放的影響，以期為甲醇替代燃料HCCI內(nèi)燃機的深入研究提供一定的參考．本文中所選的工況為過量空氣系數(shù)為 =2.5，發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 100 r/min，甲醇的進氣溫度分別為160℃、140℃和135℃，論文中著火時刻定義為燃燒質(zhì)量分數(shù)為10%的燃料時所對應的曲軸轉(zhuǎn)角，用CA10表示；燃燒持續(xù)期為燃燒質(zhì)量分數(shù)從10%的燃料到90%燃料所經(jīng)歷的曲軸轉(zhuǎn)角，用CA90表示；燃燒質(zhì)量分數(shù)為50%的燃料所對應的曲軸轉(zhuǎn)角用CA50表示．

1 實驗裝置和數(shù)據(jù)處理

1.1 實驗裝置

本試驗用發(fā)動機是一臺兩缸四沖程、強制水冷、自然吸氣、直噴式CT2100Q型柴油機．為實現(xiàn)HCCI燃燒，對該發(fā)動機做了部分改造，將2缸改為HCCI試驗測試缸，其相關(guān)參數(shù)詳見表1，氣缸壓力通過Kistler 6052A型壓電式傳感器測得，經(jīng)過5019B型電荷放大器傳至日本小野生產(chǎn)的CB566燃燒分析儀，曲軸轉(zhuǎn)角信號光電傳感器測得，經(jīng)PA-500型信號發(fā)生器傳至燃燒分析儀．扭矩的測量則是由FST2C（CW25）型電渦流測功機測得．尾氣的測量采用的是AVL公司的Digas4000，可以測量CO、HC、CO2、NO和O25種氣體．為實現(xiàn)燃料與空氣的均質(zhì)混合，并且能獨立、精確地控制二缸的供油量，給二缸單獨安裝一套燃料供給系統(tǒng)，在二缸的進氣管上加裝了一套電控燃料噴射系統(tǒng)．噴油系統(tǒng)由噴油器、電動油泵、油壓調(diào)節(jié)器、噴油控制單元和霍爾傳感器組成．電控噴油器安裝在距離進氣口60cm處，為均質(zhì)混合氣的形成提供足夠的時間．用霍爾傳感器產(chǎn)生的脈沖信號作為噴油系統(tǒng)的噴油觸發(fā)信號，霍爾傳感器安裝在驅(qū)動柴油發(fā)動機的油泵齒輪上．根據(jù)乙醇要實現(xiàn)HCCI燃燒對進氣溫度的要求，本文的試驗選擇了市場上成熟的進氣溫度加熱系統(tǒng)，所選擇的功率為2 kW，串聯(lián)在二缸的進氣管路中，能夠?qū)崿F(xiàn)試驗所需的進氣溫度水平．試驗證明，該進氣加熱系統(tǒng)能滿足穩(wěn)定工況下對進氣溫度的加熱要求，通過閉環(huán)控制把溫度控制在設定溫度的±1℃內(nèi)．能夠在較短的時間內(nèi)把進氣從環(huán)境溫度加熱到目標溫度時，在改變發(fā)動機工況的同時，改變進氣溫度所需時間較短，滿足試驗對進氣溫度的要求．試驗測試系統(tǒng)詳見圖1．

表1 試驗測試缸相關(guān)參數(shù)Tab.1 Parameters of test cylinder

1.2 數(shù)據(jù)處理

表現(xiàn)燃燒循環(huán)變動的參數(shù)很多，大體上可以分為3類：1）氣缸壓力；2）與燃燒有關(guān)的參數(shù)；3）與火焰前鋒面位置相關(guān)的參數(shù)，如火焰半徑．由于壓力參數(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)的定義，用峰值壓力定義本文的循環(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)的最大燃燒壓力和每個循環(huán)最大燃燒壓力出現(xiàn)時刻的統(tǒng)計進行分析，比較不同參數(shù)變化對甲醇HCCI燃燒穩(wěn)定性和循環(huán)變動的影響．

圖1 試驗測試系統(tǒng)Fig.1 Test system

2 試驗結(jié)果分析

2.1 進氣溫度對甲醇HCCI壓力和壓力升高率的影響

進氣溫度對甲醇缸內(nèi)壓力和壓力升高率的影響如圖2．相關(guān)的試驗表明，大多數(shù)的化學反應速率是隨著溫度升高而迅速加快，范特荷夫（Van'thoff）得出反應速率隨溫度升高而加快的近似規(guī)律：對于一般反應來講，當溫度升高10℃，則化學反應速率在其他條件不變的情況下將增加2～4倍[7]．其他條件不變，隨著進氣溫度的升高，活化分子的數(shù)目增多，分子碰撞的幾率增大，化學反應速率增大，反應時間縮短，甲醇峰值壓力增大，甲醇峰值壓力對應的曲軸轉(zhuǎn)角提前，壓力升高率的變化規(guī)律與缸壓變化規(guī)律相同．

2.2 進氣溫度對甲醇HCCI缸內(nèi)溫度和放熱率的影響

圖2 缸壓隨進氣溫度的變化Fig.2 Cylinder pressurechanging with varying inlet temperature

圖3 缸內(nèi)溫度和瞬時放熱率隨進氣溫度的變化Fig.3 Thechanging of cylinder temperatureand instantaneousheat releaseratewith varying inlet temperature

圖3 為進氣溫度對缸內(nèi)溫度的影響，即隨著進氣溫度的升高，缸內(nèi)溫度升高，缸內(nèi)峰值溫度出現(xiàn)的時刻提前，這是由于在一定的溫度下，氣體分子總是處于運動中，隨著進氣溫度增高，燃料本身的溫度升高，活化分子的數(shù)量變多，運動速度同時增大，化學反應變快，壓縮終了的混合氣溫度也相應升高，使自燃時刻提前．

進氣溫度對瞬時放熱率的影響見圖3，進氣溫度升高，甲醇的瞬時放熱率增大，這是由燃料的特性決定的，甲醇是單一沸點的化合物，且碳原子數(shù)目較少，進氣溫度升高后更容易生成醛類，其瞬時放熱率增大[8]．

2.3 進氣溫度對甲醇對燃燒始點和燃燒持續(xù)期的影響

進氣溫度對燃燒始點的影響如圖4所示，由于進氣溫度為140℃時，此時CA10的對應的曲軸轉(zhuǎn)角為0℃A，CA10的值在圖中沒有顯示．隨著進氣溫度的升高，燃燒始點提前，甲醇的汽化潛熱較大，熱容也較大，這就需要更多熱量才能實現(xiàn)甲醇著火所需的溫度，這是因為HCCI的自燃著火受化學反應動力學的控制．研究表明，缸內(nèi)溫度高于900 K以前，甲醇燃料就開始分解出CH2O、OH和H2O等基，隨著溫度的進一步升高，甲醇進一步分解，反應速率變快，生成更多的CH2O，同時CH2O通過多步鏈式反應釋放出大量的OH基[9-10]．這些反應都是放熱反應，促使著火發(fā)生．在整個反應過程中，甲醛對整個反應的加速作用非常明顯，使得反應能夠在較低溫度下進行．甲醇氧化生成甲醛所需的初始溫度很低，使得甲醛濃度很高，有利于燃料自燃[11]．

圖4 CA10、CA50和CA90隨進氣溫度的變化Fig.4 Thechanging of CA10,CA50and CA90 with varying inlet temperature

進氣溫度對甲醇CA50的影響如圖4．進氣溫度升高，甲醇CA50所對應的曲軸轉(zhuǎn)角提前，這是因為燃燒過程中涉及的大多數(shù)基元反應是雙分子反應，即兩個分子碰撞并形成兩個不同的分子，分子獲得的能量超過活化能時能夠發(fā)生碰撞，溫度是對活化能影響較大的因素之一，溫度升高后，參與反應的分子數(shù)增加，有利于基元反應，使得燃燒相同質(zhì)量分數(shù)燃料的時間縮短．

進氣溫度對甲醇CA90的影響如圖4．進氣溫度升高，甲醇燃料的燃燒持續(xù)期縮短，由于溫度升高，參與反應的各種基數(shù)量增多，燃燒放出的熱量增加，缸內(nèi)溫度升高，燃燒速度變快，所以燃燒持續(xù)期縮短．

2.4 對HCCI排放的影響

在一定初始條件下，進氣溫度對甲醇HCCI燃燒排放的影響如圖5．在沒有燃料氮參與的情況下，氮氧化合物的形成主要是由于空氣中的氮通過以下幾種機理形成：熱力型或澤利多維奇（Zeldovich）機理、費尼莫爾（Fenimore）或快速型機理和N2O中間體機理，有越來越多的證據(jù)表明還有第4種機理即NNH的機理[12-13]．甲醇的NO排放為零，其原因為NO的形成與溫度和其在高溫區(qū)停留的時間有很大的關(guān)系，由于在本文的工況中，混合氣已經(jīng)稀薄，自身所含有的能量有限，當進氣溫度為140℃、110℃和160℃時，缸內(nèi)的峰值溫度較低，NO達到凍結(jié)溫度，不利于NO 排放的形成，NO 排放應該是遵循N2O中間體機理，因此NO排放為零．

甲醇的CO和HC排放隨著進氣溫度的升高而下降，這是因為進氣溫度升高以后，反應速率提高，產(chǎn)生的自由基較多，缸內(nèi)的溫度升高，有利于CO氧化成CO2．排氣中的未燃碳氫是燃燒效率降低的一個標準，隨著進氣溫度的升高，HC的排放下降，這是因為溫度升高以后，淬冷效應減小，燃燒速度加快，燃燒效率提高，使得狹縫中殘留的HC和壁面潤滑油膜所產(chǎn)生的未燃HC參與燃燒，不完全燃燒及失火現(xiàn)象減少．同時進氣溫度升高，燃燒效率的提高造成排氣溫度升高，使得一部分未燃HC在排氣管中被氧化．

圖5 排放隨進氣溫度的變化Fig.5 Thechanging of emissionswith varying inlet temperature

3 結(jié)論

1）進氣溫度升高，缸內(nèi)壓力和壓力升高率都增大，進氣溫度過高壓力升高率太大，發(fā)動機有工作粗暴的傾向．

2）進氣溫度升高，缸內(nèi)溫度和瞬時放熱率變大，甲醇自燃時刻提前．

3）CH2O在甲醇HCCI燃燒中扮演著十分重要的角色，溫度升高，甲醇分解成CH2O的速率加快，從而造成OH基數(shù)量增加，使得燃燒始點提前，燃燒持續(xù)期縮短．

4）甲醇HCCI燃燒的NO排放很低，在本文的實驗中，其值一直為零，對進氣溫度不敏感，隨著進氣溫度升高，燃燒效率提高，HC和CO排放迅速降低．

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