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模式下進氣溫度對燃燒和排放特性的影響

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)

【目的】 改善均質(zhì)壓燃(HCCI)的燃燒狀況，降低排放.【方法】 試驗在一臺改裝的HCCI發(fā)動機上通過增加缸內(nèi)直噴系統(tǒng)，研究進氣溫度對HCCI發(fā)動機的燃燒、排放特性及其對性能的影響.【結(jié)果】 進氣溫度對缸內(nèi)壓力和壓力升高率及瞬時放熱率的影響十分顯著，缸內(nèi)壓力、壓力升高率及瞬時放熱率的峰值都隨著進氣溫度的升高而增大(缸內(nèi)壓力變化的最大值約1.5 MPa，瞬時放熱率的差值最大約為0.05 kJ/℃A)，且其出現(xiàn)的曲軸轉(zhuǎn)角位置都有所提前.復合HCCI模式下，隨著進氣溫度的升高，CO和HC的排放都有所降低，NOx的排放先降低后升高(進氣溫度為140 ℃時接近零排放)，但總體處在較低的范圍.【結(jié)論】 進氣溫度對HCCI發(fā)動機影響比較顯著，進氣溫度的提高有利于HCCI的燃燒，使得發(fā)動機的性能得到提升，排放得到改善.

復合HCCI；進氣溫度；燃燒特性；排放特性；發(fā)動機性能

隨著對均質(zhì)充量壓縮著火(homogeneous charge compression ignition,HCCI)燃燒方式研究的不斷深入，人們認識到它是對傳統(tǒng)燃燒方式的突破，因為HCCI結(jié)合了點燃式發(fā)動機和壓燃式發(fā)動機的優(yōu)點.但另一方面，HCCI存在燃燒缺乏直接準確的控制手段，并且其運行范圍狹窄[1-2]，這主要是由于HCCI的燃燒過程主要受化學反應動力學的控制[3].基于此，國內(nèi)外學者提出多種改善措施，例如可變氣門定時策略[4]、廢氣再循環(huán)(EGR)[5-6]、結(jié)合理化特性互補的燃料以及利用復合燃燒模式等[7-8].馬駿駿等[9]研究了正庚烷復合均質(zhì)壓燃的燃燒與排放特性，發(fā)現(xiàn)復合HCCI燃燒方式能夠有效降低HC的排放，并拓展HCCI的運行范圍.馬帥營等[10]在復合HCCI模式下對改善尾氣排放及發(fā)動機運行工況進行了研究，結(jié)果顯示在汽油/柴油雙燃料模式中高負荷可同時降低NOx和碳煙排放，并且可通過提高柴油比例來向低負荷運行工況拓展.Wang等[11]研究了復合HCCI燃燒模式下燃用二甲醚發(fā)動機的燃燒特性，并實現(xiàn)了發(fā)動機運行范圍的拓展.

本文提出燃用正丁醇/正庚烷雙燃料復合HCCI燃燒模式(進氣道噴射正丁醇，氣缸內(nèi)直噴正庚烷)，主要研究不同進氣溫度下復合HCCI的燃燒特性、排放特性以及對發(fā)動機性能的影響，從而為改善HCCI的燃燒和排放及優(yōu)化發(fā)動機運行邊界條件提供依據(jù).

1　設備及方法

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

表1　發(fā)動機主要參數(shù)Tab.1　Main parameters of the test engine

試驗燃料為正丁醇和正庚烷.醇類燃料中，正丁醇熱值較高，汽化潛熱較大，但其發(fā)火性較差.相反正庚烷的十六烷值較大，發(fā)火性好.由此根據(jù)理化特性互補的思想，試驗選取十六烷值較高的正庚烷作為缸內(nèi)直噴燃料，選取正丁醇為進氣道噴射燃料.正丁醇、正庚烷的物性參數(shù)見表2.

表2　正丁醇及正庚烷的物性參數(shù)Tab.2　Properties of n-butanol and n-heptane fuels

試驗系統(tǒng)布置如圖1所示.1#缸保持原柴油機模式運行，2#缸在進氣道加裝了PI噴油器來實現(xiàn)HCCI燃燒模式，并且在其頂部加裝了DI噴油器構(gòu)建直噴系統(tǒng).兩個噴油器都有各自的控制單元，可實現(xiàn)燃料噴射量的精確控制，并且兩個缸具有獨立的進、排氣系統(tǒng).直噴系統(tǒng)的高壓燃油通過高壓氮氣來實現(xiàn)加壓.試驗時，先由柴油機模式啟動發(fā)動機，待暖機后，切斷1#缸柴油供給的同時使2#缸以復合HCCI模式運行；待復合HCCI運行平穩(wěn)后，測量連續(xù)50個工作循環(huán)的缸壓信號，并將信號由壓力傳感器經(jīng)電荷放大器傳輸至KiBox燃燒分析儀.試驗中保持發(fā)動機轉(zhuǎn)速n=1 200 r/min，總體混合氣過量空氣系數(shù)λt=1.15不變，缸內(nèi)直噴壓力Pinject=6 MPa，缸內(nèi)直噴相位φin=340°CA，通過改變進氣溫度來探究其對復合HCCI燃燒、排放及發(fā)動機性能的影響.

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，即

(1)

試驗中使用了正丁醇、正庚烷兩種燃料，需要計算出兩種燃料混合后的總體過量空氣系數(shù).假設進氣道噴射的循環(huán)噴油質(zhì)量(正丁醇)為mb，缸內(nèi)直噴正庚烷的循環(huán)噴油質(zhì)量為mh.實際發(fā)動機運行過程中，循環(huán)進氣體量為mair.由此可得出，總體過量空氣系數(shù)為

(2)

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

2　結(jié)果與分析

2.1對燃燒特性的影響

如圖2所示，在復合HCCI模式下，進氣溫度對缸內(nèi)壓力和壓力升高率的影響較為明顯，隨著進氣溫度的升高，缸內(nèi)壓力和壓力升高率的峰值隨之增加，其出現(xiàn)的曲軸轉(zhuǎn)角位置均有所提前.

在復合HCCI模式下，進氣溫度從120°C升高至160 ℃時，缸內(nèi)壓力變化的最大值約為1.5 MPa.主要是由于進氣溫度的變化對正庚烷的影響明顯，即便是較小的溫度變化也會造成燃燒的較大變化，正庚烷的低溫反應會隨著進氣溫度的變化而產(chǎn)生明顯變化，以至于后續(xù)活性基的積累、高溫區(qū)的反應都產(chǎn)生較大的差異，從而導致缸內(nèi)壓力和壓力升高率產(chǎn)生顯著變化.

圖2　進氣溫度對缸內(nèi)壓力和壓力升高率的影響Fig.2　In-cylinder pressure and pressure rise rate under different intake temperatures

如圖3所示，隨著進氣溫度的升高，瞬時放熱率的峰值顯著增大，其對應的曲軸轉(zhuǎn)角出現(xiàn)的位置相應提前.主要是由于進氣溫度的升高，導致正庚烷氧化反應劇烈，顯示出正庚烷低熱值較大的特點，從而能夠明顯影響燃燒和放熱過程，瞬時放熱率的差值最大可達到0.05 kJ/°CA.

由圖4可知，隨著進氣溫度的升高，缸內(nèi)溫度隨之增大，缸內(nèi)溫度峰值出現(xiàn)的時刻相應提前.這主要是由于，隨著進氣溫度的升高，燃料混合氣本身的溫度被提高，使得活化分子的數(shù)量增多，分子運動的速率加快，分子碰撞幾率增大，化學反應速率相應變快，反應時間縮短，從而使得壓縮終了溫度升高，著火時刻提前.

由圖5可知，在復合HCCI模式下，隨著進氣溫度的升高，燃燒始點(CA05)和燃燒中點(CA50)都有所提前，燃燒持續(xù)期有所縮短.這主要是由于，隨著進氣溫度的升高，壓縮同期的溫度相應被提高，使得低溫反應階段活化基生成速率加快，促使燃料化學反應速率加快；另一方面，溫度的升高，使得反應物活性增大，分子間碰撞幾率增大，由此產(chǎn)生的高溫為鏈式反應提供足夠的能量，加快了燃燒的發(fā)生，使燃燒時刻提前.進氣溫度的升高會加大燃燒的劇烈程度，從而使燃燒持續(xù)期縮短.

圖3　進氣溫度對瞬時放熱率的影響Fig.3　Heat release rate under different intake temperatures

圖4　進氣溫度對缸內(nèi)溫度的影響Fig.4　In-cylinder temperature under different intake temperatures

圖5　進氣溫度對燃燒時刻及燃燒持續(xù)期的影響Fig.5　Combustion phase under different intake temperatures

由圖6可知，在復合HCCI模式下，隨著進氣溫度的升高，燃燒循環(huán)變動逐漸減小，這是由于進氣溫度的升高，有利于提高混合氣的混合均勻程度，并且使得混合氣更容易著火，燃料燃燒組織情況變好，缸內(nèi)混合氣能夠更快更完全地燃燒，燃燒質(zhì)量變好.隨著進氣溫度的升高，峰值壓力出現(xiàn)的位置也有所提前，這是因為溫度的升高有利于提升混合氣的發(fā)火性，使得燃燒始點和燃燒過程提前，峰值壓力出現(xiàn)的位置也相應提前.

2.2對排放特性的影響

由圖7可知，在復合HCCI模式下，CO和HC的排放均隨進氣溫度的升高而呈現(xiàn)下降趨勢.這主要由于，CO和HC是燃燒的中間產(chǎn)物，溫度的升高會使分子活性增大，加快了混合氣的燃燒速率，并且有利于促使缸內(nèi)混合氣更加完全地燃燒，使得CO和HC被進一步氧化，進而導致它們的排放量有所減少.注意到由于缸內(nèi)直噴正庚烷系統(tǒng)的參與，雖然正丁醇和空氣的均質(zhì)混合氣仍為主體，但總會產(chǎn)生局部混合氣不均勻的現(xiàn)象，局部混合氣過濃或局部溫度過高的問題總是存在的，在進氣溫度為120 ℃時NOx排放的體積分數(shù)為1×10-6，這可能是由于局部溫度過高造成的，但總體而言NOx的排放仍處于非常低的水平.

圖6　進氣溫度對峰值壓力循環(huán)變動的影響Fig.6　Cyclic variation of peak presure under different intake temperatures

圖7　進氣溫度對排放特性的影響Fig.7　Emissions under different intake temperatures

2.3對發(fā)動機性能的影響

由圖8可知，在復合HCCI模式下，指示熱效率及平均指示壓力隨著溫度的升高均呈升高趨勢.從整體而言，在復合HCCI模式下，發(fā)動機的性能參數(shù)都得到了較大的提升，所以控制進氣溫度對HCCI的燃燒至關重要.一方面，進氣溫度的升高相應提高了壓縮同期缸內(nèi)混合氣溫度，使得化學反應速率增大，燃料低溫氧化反應活性增強，有利于提高HCCI的燃燒性能；另一方面，較高的進氣溫度可以改善燃料的霧化性能，提高混合氣的混合均勻程度，有利于

圖8　進氣溫度對發(fā)動機性能參數(shù)的影響Fig.8　Engine performance parameters under different intake temperatures

燃料的燃燒組織，因此平均指示壓力及指示熱效率都得到提升.

3　結(jié)論

在缸內(nèi)直噴系統(tǒng)的參與下，進氣溫度對復合HCCI發(fā)動機的影響較為明顯.

1)隨著進氣溫度的升高，缸內(nèi)壓力、壓力升高率、瞬時放熱率及缸內(nèi)溫度的峰值都有所增加，且其對應的曲軸轉(zhuǎn)角位置也有所提前.

2)隨著進氣溫度升高，燃燒時刻有所提前，燃燒持續(xù)期縮短，循環(huán)變動系數(shù)明顯減小.

3)隨著進氣溫度的升高，CO和未燃HC的排放得到有效降低，NOX的排放仍處于較低水平.

4)隨著進氣溫度的升高，復合HCCI發(fā)動機的指示熱效率和平均指示壓力都有所增加.

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(責任編輯胡文忠)

Effects of intake temperatures on combustion and emission characteristics of compound HCCI engine

ZHANG Chao,ZHANG Chun-hua,XUE Le

(School of Automobile,Chang′an University，Key Laboratory of Shanxi Province for Development and Application of New Transportation Energy,Xi′an 710064，China)

【Objective】 The aim of the test was to improve homogeneous charge compression ignition (HCCI) combustion and reduce the emissions.【Method】 An in-cylinder direct injection (DI) system was set up on a modified HCCI engine to investigate the combustion and emission characteristics and engine performance under variable intake temperatures.【Result】 The results showed that the peak of in-cylinder pressure,pressure rise rate and heat release rate all increased and occurred in advance with the increase of intake temperatures.(The maximum change in-cylinder pressure and the instantaneous heat release rate was about 1.5 MPa and 0.05 kJ/℃ A,respectively.).CO and HC emissions decreased with the increase of intake temperatures,and NOx emissions firstly decreased then increased (the NOx emissions near zero at the intake temperature of 140 ℃),but it still maintained in a lower range.【Conclusion】 The effects of intake temperatures on compound HCCI was significant.With the increase of intake temperatures,HCCI combustion and the engine performance were improved,and the emissions was decreased to some extent.

compound HCCI;intake temperature;combustion characteristics;emission characteristics;engine performance

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

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

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).

2016-03-21；

2016-04-20

U 464

A

1003-4315(2016)04-0139-06