第37卷第3期吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)Vol 37 No. 32007年5月Journal of Jilin University( Engineering and Technology Edition)May 2007乙醇燃料 SI-HCCⅠSI燃燒模式發(fā)動機的工作區(qū)域彭亞平,郭英男,劉金山,黃為釣,譚滿志,許艷軍(吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院,長春130022)摘要:為了研究火花點火和均質(zhì)壓燃兩種燃燒方式的轉(zhuǎn)換,在一臺ZS1105柴油發(fā)動機的基礎(chǔ)上通過改變壓縮比、燃料供給方式和進氣系統(tǒng),采用進氣預(yù)熱成功實現(xiàn)了HCCI和SI兩種燃燒方式的轉(zhuǎn)換。試驗結(jié)果表明:所開發(fā)的雙燃燒模式發(fā)動機運行可靠,可方便地實現(xiàn)火花點火和均質(zhì)壓燃兩種燃燒方式的轉(zhuǎn)換,可作為研究這兩種燃燒方式轉(zhuǎn)換的平臺。確定了乙醇燃料HCCⅠ工作區(qū)域的上、下邊界判斷方法,得到了乙醇燃料 SI-HCCI-SI燃燒的工作區(qū)域。關(guān)鍵詞:動力機械工程;發(fā)動機;乙醇;雙燃燒模式;工作區(qū)域中圖分類號:TK46文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1671-5497(2007)03-050904Operation region of ethanol SI-HCCI-SI combustion mode enginePeng Ya-ping, Guo Ying-nan, Liu Jin-shan, Huang Wei-jun, Tan Man-zhi, Xu Yan-junCollege of Automotive Engineering, Jilin University, Changchun 130022, China)Abstract: In order to investigate the engine combustion mode switchover between the spark ignition(SI) combustion and the homogeneous charge compression ignition(HCCI) combustion, a test enginewas developed from refitting the ZS1105 series production diesel engine by modification of thecompression ratio, the fuel supply system, and the intake system. By means of the adjustment of theintake charge preheating, the dual combustion mode switchover was realized smoothly on the testengine, which can be used as a platform for investigation of such combustion mode switchover. Thecriteria to distinguish the upper and lower boundaries of HCCi combustion were defined and theoperation regions of the ethanol si-HCCi-si combustion modes were obtainedKey words: power machinery and engineering; engine; ethanol; dual combustion mode; operation region均質(zhì)壓燃(HCCⅠ綜合了點燃和壓燃兩種燃容易發(fā)生失火;而發(fā)動機處于大負荷時,由于混合燒方式的優(yōu)點,取消了節(jié)氣門,泵氣損失小,采用氣加濃,過快的化學(xué)反應(yīng)速度將產(chǎn)生爆震燃燒。均質(zhì)稀混合氣壓燃著火,燃燒溫度低,因此NO2因此在全工況范圍內(nèi)實現(xiàn)HCCI燃燒非常困和碳煙排放極低。研究表明,均質(zhì)壓燃燃燒的化難。為了能使發(fā)動機在全工況范圍內(nèi)運行,在學(xué)反應(yīng)速度主要由混合氣的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)控小負荷、大負荷工況下采用SI方式,在中等負荷制1-,燃燒幾乎是同步的,控制HCCI著火燃燒工況下采用HCCI方式是切實可行的方法的方法之一是使用稀混合氣。但過稀的混合基于此,作者介紹了一套雙燃燒模式的發(fā)動氣在小負荷時發(fā)動機難以形成穩(wěn)定的著火條件,機系V凵中國煤化工荷以及大負荷條收稿日期:2006-04-03CNMHG基金項目:“973”國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃資助項目(2001CB209206);國家自然科學(xué)基金資助項目(50476007)作者簡介:彭亞平(1980-),男博士研究生研究方向:內(nèi)燃機新能源與代用燃料技術(shù)Emal:sinai2002@163.com通訊聯(lián)系人:劉金山(1963-),男,教授研究方向:內(nèi)燃機新能源及代用燃料E-mail:jiandingzhan@)jlu.edu.cn510吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)第37卷件下采用火花點火方式工作,在中等負荷下采用功能將情輪軸原來手搖起動的一端經(jīng)過加工與HCCI燃燒方式運行。并確定了 SI-HCCI-SI燃分電器精確連接,保證發(fā)動機工作過程中分電器燒的工作區(qū)域。能正常工作?；鸹ㄈ惭b在原機的噴油器位置,1試驗用發(fā)動機將原來缸蓋上的噴油器孔經(jīng)過攻絲后裝上火花塞,為了避免缸外跳火,選用了絕緣性能好的點火試驗使用的發(fā)動機是在ZS1105柴油機的基線。通過試驗確定了發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速、不同負荷礎(chǔ)上改造而成的,ZS1105柴油機的技術(shù)參數(shù)為:下的最佳點火提前角。氣缸直徑為105mm;活塞行程為115mm;單缸1.4進氣預(yù)熱系統(tǒng)和進氣系統(tǒng)排量為0.99L;壓縮比為17;額定功率/額定轉(zhuǎn)速在壓縮比一定的發(fā)動機上要實現(xiàn)低十六烷值為13.3kW/2200/min-1;進氣門開、關(guān)角度分燃料的HCCI燃燒,采用進氣預(yù)熱系統(tǒng)加熱進氣別為14°和43°;排氣門開、關(guān)角度分別為43°和使混合氣的壓縮終了溫度達到自燃溫度以上,保14°。為了使該發(fā)動機能夠?qū)崿F(xiàn)SI/HCCI雙燃燒證其能自燃著火燃燒是一種行之有效的方法0。模式,而在中等負荷采用HCCⅠ燃燒模式,對發(fā)動為此設(shè)計了一套電加熱裝置。該裝置是由普通市機的壓縮比、燃料供給系統(tǒng)和進氣系統(tǒng)進行了改售的柴油機空氣加熱器改造而成的,設(shè)計功率可進,并增加了點火系統(tǒng)和缸內(nèi)壓力采集系統(tǒng)。在發(fā)動機全速、全負荷運行時把進氣溫度加熱到1.1壓縮比的選擇350℃?？諝饧訜崞髌ぷ髟砣鐖D1所示),對于低十六烷值的乙醇燃料而言,HCCI燃單片功率為1.8kW,外接電壓為24V,通過調(diào)整燒模式需要較大的壓縮比,但在大負荷時,采用火加熱功率實現(xiàn)對進氣溫度的控制。但是,當(dāng)發(fā)動花點火燃燒模式時,過大的壓縮比將產(chǎn)生爆震燃機工作在大負荷時,必須從HCCI工作方式切換燒。因此為了兼顧兩種燃燒模式,本研究通過試到SI工作方式。如果此時依然采用熱空氣,同樣驗最后將發(fā)動機的壓縮比確定為11.8會導(dǎo)致爆震,因此改進了原機的進氣系統(tǒng),如圖21.2燃料供給系統(tǒng)所示。發(fā)動機在冷起動、小負荷以及大負荷工況為了形成乙醇燃料的均質(zhì)混合氣,且能獨立、時,調(diào)整聯(lián)動閥,關(guān)閉熱氣通道打開冷氣通道,缸精確地控制試驗的供油量,在進氣管上加裝了一內(nèi)吸人冷空氣。在中等負荷工況時,打開熱氣通套電控低壓燃料噴射系統(tǒng),在進氣道內(nèi)形成均勻道,關(guān)閉冷氣通道,缸內(nèi)吸入熱空氣。選用直徑為混合氣。本裝置的油軌、油泵和噴油器均與CA-46mm的節(jié)氣門來控制發(fā)動機的負荷大小。6102汽油機噴射系統(tǒng)中的相同,乙醇燃料噴射量可根據(jù)試驗要求自由控制。采用 Intel公司80C196KC型16位單片機作為整個控制系統(tǒng)的電控單元。其特點是最高可以選用16MHz晶振,運行速度快,一個狀態(tài)周期僅為125ns。具有4個高速輸入和4個高速輸出口(HSI/HSO),高速輸入口最多可記下8個外部事件的發(fā)生時間,高速輸出口可以懸掛起8個輸出控制事件,按規(guī)電壓為24v,每個電阻的功率為18kW定時間觸發(fā),容易實現(xiàn)實時控制。具有8個AD通道除可采用10位轉(zhuǎn)換方式外,還可以采用8圖1加熱器工作原理示意圖位轉(zhuǎn)換方式,以加快轉(zhuǎn)換過程。具有豐富的中斷Fig. 1 Schematic of heater operation principles源及全雙工串行口,可以與計算機進行通信,對控1.5缸內(nèi)壓力采集系統(tǒng)制參數(shù)進行在線調(diào)整修改,監(jiān)測發(fā)動機運行狀況進行燃燒分析以及了解兩種燃燒模式轉(zhuǎn)1.3點火系統(tǒng)換時中國煤化工安裝缸壓傳感器由于基礎(chǔ)發(fā)動機沒有點火系統(tǒng),為此在原機同時CNMHG曲軸的前端安裝上加裝了一套點火系統(tǒng)?；A(chǔ)發(fā)動機齒輪箱內(nèi)惰了LF-102.4BMC05E型光電編碼器。該編碼器輪的轉(zhuǎn)速恰好為曲軸轉(zhuǎn)速的一半,滿足分電器對的光柵盤產(chǎn)生的角度信號為方波信號,頻率為轉(zhuǎn)速的要求,因此廢除了原來惰齒輪的手搖起動720次/轉(zhuǎn),分辨率為0.5°曲軸轉(zhuǎn)角,光柵盤上同第3期彭亞平,等:乙醇燃料SI- HCCI-SI燃燒模式發(fā)動機的工作區(qū)城·511·傳感器的輸出?？擅黠@看到,無爆震時傳感器的冷氣通道電壓輸出為士1V,有爆震時輸出電壓幅值明顯進氣溫度1增大,據(jù)此確定乙醇燃料HCCI燃燒工作區(qū)的上邊界;在小負荷時,過稀的混合氣使HCCI燃燒不加熱器穩(wěn)定,甚至失火,因此可根據(jù)是否失火確定乙醇燃熱氣通道料HCCI燃燒工作區(qū)的下邊界。在HCCI工作區(qū)節(jié)氣門空氣流量計的上、下邊界之外的區(qū)域采用SI燃燒方式。依照進到缸內(nèi)上述方法,作者進行了不同轉(zhuǎn)速下的乙醇燃料HCCI和SI兩種燃燒模式轉(zhuǎn)換的試驗,計算了平圖2進氣系統(tǒng)簡圖均有效壓力(BMEP),得到了以發(fā)動機轉(zhuǎn)速Fig 2 Schematic of intake systemBMEP表示的乙醇燃料 SI-HCCI-SI燃燒工作區(qū)時設(shè)有曲軸上止點觸發(fā)信號。采用 AVL GM2D城型缸壓傳感器,同時配用電荷放大器、高速數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)據(jù)采集軟件進行缸內(nèi)燃燒壓力的采集。2試驗裝置和方法強烈燥展點無爆震點試驗裝置簡圖如圖3所示。試驗時,發(fā)動機采用正?；鸹c火的方式起動,此時調(diào)整聯(lián)動閥發(fā)動機噴油嘴機計算機進氣系統(tǒng)進氣溫度2圖41200r/min時有無爆震時傳惑器的電壓輸出光電編碼器Fig 4 Voltage outputs of knock sensor with without高速數(shù)據(jù)采集nock at 1200 r/min相感造大器3試驗結(jié)果圖3試驗裝置簡圖Fig 3 Schematic of experimental set-up為了使發(fā)動機在SI方式下的工作狀態(tài)最佳,關(guān)閉加熱器通道,使空氣通過冷空氣通道進到缸首先確定最佳點火提前角脈譜(見圖5)。內(nèi)。發(fā)動機起動后,使用節(jié)氣門采用量調(diào)節(jié)方式進行暖機和在小負荷區(qū)域工作。在熱機的同時打開加熱器進行加熱,當(dāng)進氣溫度2超過220℃時,調(diào)整聯(lián)動閥,關(guān)閉冷氣通道,打開熱氣通道,缸內(nèi)吸入熱空氣。將發(fā)動機的節(jié)氣門開到最大,關(guān)閉火花點火,即可實現(xiàn)HCCI燃燒發(fā)動機工作在HCCI方式時,負荷的調(diào)節(jié)采用質(zhì)調(diào)節(jié)。隨著負荷的增加,混合氣逐漸變濃,達到某一值時,由于化學(xué)反應(yīng)速度過快,將出現(xiàn)爆震燃燒,這就是HCCI工作方式的上限,因此試驗過中國煤化工10程中使用共振型爆震傳感器對燃燒狀況進行實時CNMHG監(jiān)測。該傳感器的輸出信號是一個電壓信號,與圖5點火提前角脈譜正常燃燒相比,有爆震時該輸出信號的幅值大幅Fig 5 Map of ignite advance angle度增加。圖4為1200r/min時有無爆震時爆震512·吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)第37卷圖6是以發(fā)動機轉(zhuǎn)速n和平均有效壓力[4] Najt P M, Foster D E Compression ignited homogeBMEP表示的乙醇燃料SI- HCCISI的工作區(qū)neous charge combustion[C]//SAE 830264, 1983.域。由圖可見,此時乙醇HCCI燃燒的負荷上限51劉金山,黃為鉤,郭英男,等乙醇燃料均質(zhì)壓燃發(fā)接近0.5MPa,混合氣再加濃將產(chǎn)生強烈的爆震動機的試驗研究[].吉林大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版,2005燃燒,HCCI燃燒負荷的下限為0.1~0.2MPa,35(6):596-600混合氣過稀將導(dǎo)致失火。因此必須從HCCI方式Liu Jin-shan, Huang Wei-jun, Guo Ying-nan, et al.Experimental study on homogeneous charge com-切換到SI方式。pression ignition engine fueled with ethanol [J]Journal of Jilin University( Engineering and Tech-nology Edition),2005,35(6):596-600.[6]Lucien Koopmans, Hans Strom, Staffan Lundgren0.et al. Demonstrating a SI-HCCI-SI mode change on0.6a volvo 5-cylinder electronic valve control engine[C]/SAE Paper 2003-01-0753E0.4[7]方俊華,黃震,喬信起,等.均質(zhì)充量壓縮著火發(fā)動機HCCI燃燒的研究與進展[].柴油機,2002(6):8-12Fang Jun-hua, Huang Zhen, Qiao Xin-qi, et al. Re-search and development of homogeneous charge0011001200130014001500160017001compression ignition combustion technology [J]Diesel Engine, 2002(6):8-圖6乙醇燃料 SI-HCCI-SE工作區(qū)域[8]堯命發(fā),鄭尊清,沈捷,等.廢氣再循環(huán)對二甲基醚均Fig 6 Operation regions of ethanol SI/HCCI combustion質(zhì)壓燃燃燒過程影響的試驗研究[J].內(nèi)燃機學(xué)報04,22(2):104-1094結(jié)束語Yao Ming-fa Zheng Zunqing, Shen Jie, et al. Ex-建立的雙燃燒模式發(fā)動機系統(tǒng)實現(xiàn)了火花點perimental study on the effects of exhaust Gas recir-culation( EGR)on the HCCI combustion of dieth-火燃燒和均質(zhì)壓燃燃燒兩種燃燒模式的轉(zhuǎn)換,確yl ether(DME)DJ]. Transactions of CSICE,2004定了乙醇燃料HCCI燃燒工作區(qū)域上、下邊界的22(2):104-109判斷方法,并在此基礎(chǔ)上得到了乙醇燃料Sl[9 Multiple operating mode engine and method of operHCCISI燃燒的工作區(qū)域,為進一步研究燃燒模ation[P]. United States Patent 06907870. June 21式轉(zhuǎn)換提供了平臺。參考文獻:[10]彭亞平.進氣溫度對醇類燃料均質(zhì)壓燃發(fā)動機燃燒過程影響的試驗研究[D].長春:吉林大學(xué)汽車工程[l]U S department of energy efficiency and renewable學(xué)院,2005energy office of transportation technologies [Z].Peng Ya-ping. Experimental study of effects of in-Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCD)take charge temperature on ethanol HCCI combusTechnology-A Report to the U COngress, apriltion[D]. Changchun: College of Automotive Engi-2001neering, Jilin University, 2005[2] Christensen M, Johansson B, Amneus P,etal.uper.[1]劉金山,郭英男,譚滿志,等.乙醇燃料均質(zhì)壓燃charged homogeneous charge compression ignition(HCCD燃燒邊界[J].燃料科學(xué)與技術(shù),2005,1[C]∥SAE980787[3] Aceves S, Martinez Frias ], Flowers D, et al. a deLiu Jinshan, Guo Ying-nan, Tan Manzhi, et alcoupled model of detailed fluid mechanics for prediction boundaries of ethanol as enginetion of iso-octane HCCI combustion[C]//SAE Paper中國煤化工 Science and tech2001-01-3612.CNMHG