張超，張春化，薛樂

(長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，交通新能源應(yīng)用與汽車節(jié)能陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安　710064)

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復(fù)合HCCI與進(jìn)氣道噴射HCCI燃燒特性及運(yùn)行范圍對(duì)比

張超，張春化，薛樂

(長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，交通新能源應(yīng)用與汽車節(jié)能陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710064)

摘要：【目的】 為了進(jìn)一步改善HCCI的燃燒狀況，并拓展其運(yùn)行范圍.【方法】 對(duì)缸內(nèi)直噴與進(jìn)氣道噴射結(jié)合下的復(fù)合HCCI和僅進(jìn)氣道噴射模式下的HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性及運(yùn)行范圍進(jìn)行了對(duì)比.【結(jié)果】 復(fù)合HCCI的峰值缸內(nèi)壓力、峰值缸內(nèi)溫度和峰值瞬時(shí)放熱率均有所升高，且對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角有所提前，表明燃燒時(shí)刻有所提前.其中，峰值缸內(nèi)壓力較單純進(jìn)氣道噴射時(shí)升高了0.6 MPa，峰值壓力對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)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(jié)論】 缸內(nèi)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(dòng)，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(dòng)機(jī)的運(yùn)行范圍得到拓展.

關(guān)鍵詞：復(fù)合HCCI；正庚烷；正丁醇；燃燒特性；運(yùn)行范圍

均質(zhì)充量壓縮著火(HCCI)燃燒方式是對(duì)傳統(tǒng)燃燒方式的突破，它結(jié)合了點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)和壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注和研究.但在另一方面，HCCI存在燃燒過(guò)程不能準(zhǔn)確控制和運(yùn)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(guò)程主要受化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)控制[3].介于此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出多種改善措施,例如進(jìn)氣增壓[4]、廢氣再循環(huán)(EGR)[5-7]、結(jié)合理化特性互補(bǔ)的燃料以及利用復(fù)合燃燒模式[8]等.馬駿駿等[9]研究了正庚烷復(fù)合HCCI的燃燒特性，發(fā)現(xiàn)復(fù)合HCCI燃燒方式能夠有效拓展HCCI的運(yùn)行范圍.Fang等[10]研究了預(yù)噴射量對(duì)HCCI-DI復(fù)合燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，發(fā)現(xiàn)隨著預(yù)噴射量的增加NO排放顯著降低.Wang等[11]研究了二甲醚在復(fù)合燃燒模式下的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性，結(jié)果表明發(fā)動(dòng)機(jī)速度和負(fù)荷范圍都得到擴(kuò)大.Das等[12]研究了復(fù)合模式(HCCI-DI)下發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)采用復(fù)合模式(HCCI-DI)使發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行范圍得到了明顯拓展.

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

1試驗(yàn)裝置及方法

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)由一臺(tái)雙缸四沖程、自然吸氣、強(qiáng)制水冷的柴油機(jī)(CT2100Q)改造而成，主要參數(shù)如表1所示.

表1　發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

試驗(yàn)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(yàn)選取了發(fā)火性較好的正庚烷作為缸內(nèi)直噴燃料，正丁醇作為進(jìn)氣道噴射燃料.正庚烷作為一種基礎(chǔ)燃料，其性質(zhì)與柴油相似，但發(fā)火性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于柴油，因此其作為柴油的替代研究物得到了內(nèi)燃機(jī)工作者的廣泛關(guān)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(yàn)系統(tǒng)布置如圖1所示.其中1#缸保持原柴油機(jī)運(yùn)行模式，2#缸通過(guò)在進(jìn)氣道增加了PI噴油器來(lái)實(shí)現(xiàn)HCCI燃燒模式，并且在2#缸頂部安裝了DI噴油器構(gòu)建直噴系統(tǒng).2個(gè)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(gè)缸具有獨(dú)立的進(jìn)排氣系統(tǒng).直噴系統(tǒng)的高壓燃油通過(guò)高壓氮?dú)膺M(jìn)行加壓.試驗(yàn)時(shí)，由1#缸柴油機(jī)模式起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)并暖機(jī)，待發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到正常運(yùn)行溫度后，切斷1#缸柴油供給的同時(shí)使2#缸以HCCI方式運(yùn)行；待HCCI運(yùn)行平穩(wěn)后，連續(xù)測(cè)量60個(gè)工作循環(huán)并將信號(hào)由壓力傳感器經(jīng)電荷放大器傳輸至KiBox燃燒分析儀.為了便于對(duì)比，試驗(yàn)中首先將缸內(nèi)直噴相位和缸內(nèi)直噴壓力分別保持在φin=340 °CA和Pin=6 MPa，在試驗(yàn)中保持較低的進(jìn)氣溫度為Tin=130 ℃，以研究缸內(nèi)直噴系統(tǒng)對(duì)低進(jìn)氣溫度下的燃燒及發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行范圍的影響.

試驗(yàn)中，用峰值壓力的循環(huán)變動(dòng)系數(shù)COVPmax來(lái)表示循環(huán)變動(dòng)的強(qiáng)弱程度，其值ICOV計(jì)算如下：

(1)

由于試驗(yàn)中使用了2種不同的燃料，因此無(wú)法直接得出混合之后的混合氣的過(guò)量空氣系數(shù)，因此有必要計(jì)算出總體的過(guò)量空氣系數(shù)，即兩種燃料混合以后的過(guò)量空氣系數(shù).假設(shè)進(jìn)氣道噴射的循環(huán)噴油質(zhì)量(正丁醇)為mb，缸內(nèi)直噴在一個(gè)循環(huán)內(nèi)的缸內(nèi)直噴燃料(正庚烷)質(zhì)量為mh.實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，空氣的循環(huán)進(jìn)氣體量為mair.由此而得出，總體的過(guò)量空氣系數(shù)為

(2)

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

2結(jié)果與分析

2.1燃燒特性的對(duì)比

圖2所示為2種模式下缸內(nèi)壓力、壓力升高率的對(duì)比.可以看出，在加入缸內(nèi)直噴系統(tǒng)以后，缸內(nèi)壓力峰值較單純進(jìn)氣道噴射時(shí)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(jìn)氣道噴射的情況下，因?yàn)檫M(jìn)氣溫度較低(為130 ℃)，正丁醇與空氣形成均質(zhì)混合氣質(zhì)量較差，并且較低的進(jìn)氣溫度使得缸內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程受到影響，因此導(dǎo)致缸內(nèi)混合氣著火稍晚；而在缸內(nèi)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(dǎo)致缸內(nèi)壓力和壓力升高率及其峰值均升高.

圖2　缸內(nèi)壓力和壓力升高率的對(duì)比Fig.2　Cylinder pressure and pressure rise rate

圖3所示為2種模式下放熱率的對(duì)比.可以看出，復(fù)合HCCI的放熱率峰值有所增大，且其所對(duì)應(yīng)的相位也略有提前.在缸內(nèi)直噴的參與下，缸內(nèi)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(dǎo)致瞬時(shí)放熱率峰值的增加；又由于正庚烷十六烷值較高，因此缸內(nèi)混合氣的發(fā)火性被提高，所以混合氣燃燒的整個(gè)放熱過(guò)程略有提前.即使在130 ℃較低的進(jìn)氣溫度下，缸內(nèi)直噴對(duì)于改善單純進(jìn)氣道噴射的HCCI燃燒仍有較明顯的效果.

圖3　瞬時(shí)放熱率的對(duì)比Fig.3　Heat release rate

圖4所示為2種模式下缸內(nèi)溫度的對(duì)比.可以看出，復(fù)合HCCI噴射模式下，缸內(nèi)溫度峰值略有增加，但總體上，2種模式下缸內(nèi)溫度的差異不顯著.這主要是因?yàn)檎榫哂忻黠@的負(fù)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(yīng)替代了鏈分支反應(yīng)，主要以HO2·+HO2·=H2O2+O2反應(yīng)為主，生成物如H2O2等較為穩(wěn)定，因此整個(gè)系統(tǒng)的反應(yīng)速率被降低，導(dǎo)致系統(tǒng)的溫度上升較為緩慢，而中溫區(qū)反應(yīng)·C7H14OOH→C7H14+HO2、·C7H14OOH→C7H14O+·OH、·C7H14OOH→C4H9CHO+C2H4+·OH和·C7H14OOH→C3H7CHO+C3H6+·OH等對(duì)低溫氧化有較大的抑制作用.另外，由于此時(shí)進(jìn)氣溫度為130 ℃，同樣也影響了化學(xué)反應(yīng)的速率和放熱過(guò)程，因此綜合影響的結(jié)果表現(xiàn)為缸內(nèi)溫度峰值增加量較小，缸內(nèi)溫度在相位上與進(jìn)氣道噴射模式時(shí)差異相對(duì)較小.

圖4　缸內(nèi)溫度的對(duì)比Fig.4　Cylinder temperature

圖5所示為2種模式下燃燒時(shí)刻及燃燒持續(xù)期的對(duì)比.可以看出，燃燒始點(diǎn)CA05、燃燒中點(diǎn)CA50在加入缸內(nèi)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(jìn)入氣缸內(nèi)，缸內(nèi)混合氣的發(fā)火性變好，即使在進(jìn)氣溫度為130 ℃混合氣分子碰撞劇烈程度較低時(shí)，燃燒始點(diǎn)位置仍然被提前，相應(yīng)的燃燒中點(diǎn)也被提前，整個(gè)燃燒持續(xù)期也縮短至10 °CA左右.充分說(shuō)明，正庚烷參與燃燒使得整個(gè)燃燒過(guò)程得到了一定的控制.

圖5　燃燒時(shí)刻的對(duì)比Fig.5　Combustion phase

圖6所示為2種模式下峰值壓力循環(huán)變動(dòng)及其相位分布的對(duì)比.從圖6-A可以看出，在進(jìn)氣溫度Tin=130 ℃時(shí)，復(fù)合HCCI的峰值壓力的循環(huán)變動(dòng)系數(shù)變小，峰值壓力的平均值明顯增加，這主要因?yàn)檎橛休^強(qiáng)的發(fā)火性且其低熱值較大，同時(shí)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(nèi)直噴正庚烷使得峰值壓力對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角平均值提前了1.2 °CA.從圖6可以得出，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速保持在1 200 r/min時(shí)，缸內(nèi)直噴系統(tǒng)的加入可使得HCCI在較低的進(jìn)氣溫度下運(yùn)行更加穩(wěn)定.

為了更進(jìn)一步研究缸內(nèi)直噴正庚烷對(duì)燃燒循環(huán)變動(dòng)的影響，在試驗(yàn)中進(jìn)氣溫度設(shè)置為Tin=160 ℃、缸內(nèi)直噴相位φin=340 °CA和缸內(nèi)直噴壓力Pin=6 MPa，試驗(yàn)針對(duì)較高轉(zhuǎn)速的情況下，有無(wú)正庚烷缸內(nèi)直噴系統(tǒng)情況下燃燒的循環(huán)變動(dòng)作以對(duì)比分析.

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

圖7所示為較高轉(zhuǎn)速下2種模式峰值壓力燃燒循環(huán)變動(dòng)及其相位分布的對(duì)比.從圖7-A可以看出，在轉(zhuǎn)速為1 400 r/min時(shí)，復(fù)合HCCI噴射模式較無(wú)缸內(nèi)直噴參與下循環(huán)變動(dòng)系數(shù)明顯減小，這是因?yàn)檎榈膮⑴c使得燃燒進(jìn)行的更加穩(wěn)定和迅速，上循環(huán)對(duì)下循環(huán)燃燒的不良影響減小，因此循環(huán)變動(dòng)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(zhuǎn)角在缸內(nèi)直噴參與下時(shí)有所提前，這是因?yàn)檎榈陌l(fā)火性良好，使得燃燒始點(diǎn)和燃燒過(guò)程提前，峰值壓力出現(xiàn)的位置也相應(yīng)被提前.圖7與圖6對(duì)比可知，復(fù)合HCCI模式在高轉(zhuǎn)速時(shí)循環(huán)變動(dòng)系數(shù)明顯降低，由2.02%降低至1.09%；而在僅進(jìn)氣道噴射HCCI模式在高轉(zhuǎn)速時(shí)循環(huán)變動(dòng)系數(shù)只有微弱降低，由5.26%降低至5.23%.由此可得，復(fù)合HCCI模式對(duì)高轉(zhuǎn)速范圍的拓展較明顯.

2.2運(yùn)行范圍的比較

圖8所示為以總過(guò)量空氣系數(shù)和轉(zhuǎn)速表示的HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行范圍.可以看出，復(fù)合HCCI燃燒對(duì)過(guò)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(shí)缸內(nèi)混合氣有正庚烷和正丁醇2種燃料，而單純正丁醇燃料時(shí)著火性能較差，在混合氣過(guò)稀時(shí)無(wú)法正常著火.由于正庚烷的加入，使得總體混合氣過(guò)量空氣系數(shù)減小，盡管混合氣較濃，但仍可以在復(fù)合HCCI模式下燃燒.在轉(zhuǎn)速方面，正庚烷缸內(nèi)直噴也對(duì)轉(zhuǎn)速的運(yùn)行范圍有一定的拓展作用，特別是在混合氣較稀時(shí)優(yōu)勢(shì)比較明顯，單純正丁醇進(jìn)氣道噴射情況下，由于混合氣較稀無(wú)法正常著火，而在正庚烷缸內(nèi)直噴參與后，復(fù)合HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)可正常運(yùn)行.這說(shuō)明了正庚烷缸內(nèi)直噴對(duì)于正丁醇HCCI的混合氣過(guò)量空氣系數(shù)及轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍的拓展有較為明顯的效果.

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

圖8　以λt和轉(zhuǎn)速表示的HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行范圍Fig.8　Operation ranges of λtand speed

如圖9所示為以進(jìn)氣溫度和平均指示壓力表示的HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行范圍.可以看出，在較低的進(jìn)氣溫度下，正庚烷缸內(nèi)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(duì)較稀混合氣的燃燒運(yùn)行有較明顯的改善作用，特別在較低的進(jìn)氣溫度下；另一方面，較高進(jìn)氣溫度時(shí)復(fù)合HCCI模式下較濃混合氣的運(yùn)行范圍也有所增加，這是因?yàn)檎樵诟邷叵聦?duì)正丁醇的助燃作用明顯，兩種燃料對(duì)進(jìn)氣溫度都較為敏感，進(jìn)而對(duì)平均指示壓力上下限均有拓展作用；經(jīng)分析知，要在更低的進(jìn)氣溫度下進(jìn)行正丁醇HCCI的燃燒模式，需要更進(jìn)一步加大正庚烷的直噴量.綜上所述，缸內(nèi)直噴少量正庚烷對(duì)正丁醇HCCI的燃燒有著明顯的改善作用.

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

3結(jié)論

復(fù)合HCCI模式與單純進(jìn)氣道噴射HCCI相比，正庚烷直噴系統(tǒng)的加入使得：缸內(nèi)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(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角都有所提前.燃燒始點(diǎn)CA05、燃燒中點(diǎn)CA50均有所提前，燃燒持續(xù)期縮短.峰值壓力的循環(huán)變動(dòng)系數(shù)變小，峰值壓力平均值增大.正庚烷缸內(nèi)直噴系統(tǒng)的加入不僅使正丁醇HCCI運(yùn)行更加平穩(wěn)，且使得運(yùn)行范圍得到較為明顯的拓展.

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(責(zé)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(dǎo)師，研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)代用燃料的應(yīng)用.E-mail:zchzzz@126.com

基金項(xiàng)目：陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2012JQ7031)；中央高?？蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(310822151119).

收稿日期：2016-03-16；修回日期：2016-04-08

中圖分類號(hào)：U 464

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1003-4315(2016)03-0155-06

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