第12卷第5期燃燒科學與技術Vol 12 No 52006年10月Journal of Combustion Science and Technologyoct,2006乙醇燃料均質壓燃的試驗研究張紀鵬,董光宇,虞瀏,常國峰,夏元東(吉林大學汽車學院,長春130025)摘要:利用多功能燃燒彈對乙醇進行均質壓燃性能的研究,具有邊界條件可控的獨特優(yōu)點在多功能燃燒模擬系統(tǒng)(多功能燃燒彈)中進行了不同混合氣溫度對燃燒過程及不同空燃比對燃燒過程影響規(guī)律的試驗研究混合氣溫度的升高將促使燃燒最高壓力、最大壓力升高率和放熱率增加,而且其峰值提前;隨空燃比的加大,燃燒壓力、壓力升高率和燃燒放熱率下降,且出現(xiàn)峰值的時刻推遲關鍵詞:燃燒彈;均質壓燃;邊界條件中圖分類號:TK431文獻標志碼:A文章編號:1006-8740(2006)05-041904Experimental Study on Alcohol HCCI CombustionZHANG Ji-peng, DONG Guang-yu, YU Liu, CHANG Guo-feng, XIA Yuan-dongCollege of Auto Engineering, Jilin University, Changchun 130025, China)Abstract: Study on alcohol HCCI combustion characteristics was conducted on a multi-functional combustion bomb so thatthe boundary conditions can be controlled easily. The effects of different intake air fuel mixture temperatures and different-fuel ratios on the combustion process were studied in the multi-functional combustion simulation system. It is found thatthe combustion with higher intake air fuel mixture temperature and lower air-fuel ratio makes a higher peak cylinder presure increasing ratio and a higher heat release ratios, and the peak heat release ratio will be advancedKeywords: combustion bomb; homogeneous charge compression ignition; boundary conditions為對醇類燃料燃燒邊界條件進行系統(tǒng)的研究,筆燃燒彈利用壓縮活塞行程的控制使其幾何壓縮比者開發(fā)了具有適應多種燃料、多種著火方式的多功能在7~55內可調燃燒彈的前部可根據試驗項目和數(shù)燃燒彈口在此基礎上,利用多功能燃燒彈對乙醇燃據釆集方式的不同更換缸蓋缸蓋上設置有光學玻璃料均質壓燃的相關燃燒特性進行了試驗本試驗主要窗、缸內動態(tài)壓力傳感器溫度傳感器靜態(tài)壓力傳圍繞直接影響著火過程的混合氣濃度及混合氣溫度邊感器、火花塞、燃料噴射器、氣體供給閥、排氣閥等;燃界條件進行2燒彈可根據需要進行彈體加熱和保溫,其調溫范圍從環(huán)境溫度至200℃1多功能燃燒彈均質混合氣的制備由空氣/燃料混合器和混合氣制備容器完成,需經過兩個過程:首先利用文丘里1.1多功能燃燒彈的工作原理管原理將燃料與空氣進行初步混合,并輸入到混合氣多功能燃燒彈的工作原理如圖1所示,動力驅動制備容器中;在容器中經過進一步的加溫調制使燃料部分與燃燒彈的壓縮活塞相連接,由壓縮空氣驅動對與空氣混合,形成均質狀態(tài)燃燒彈內的均質混合氣進行壓縮著火中國煤化工CNMHG收稿日期:2005-11-08基金項目:國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃(973)資助項目(2001CB209206)雋鮫紀鵬(1956-),男,教授,pjhy@sna4燃燒科學與技術第12卷第5期燃氣供給系噴油系STF3點火系驅動氣光譜采集燃料/空氣預混合器處理系統(tǒng)儲氣筒STF2真空泵高壓氣泵圖1多功能燃燒彈原理示意1.2多功能燃燒彈的基本技術參數(shù)2.1不同混合氣溫度對燃燒過程的影響多功能燃燒彈的基本參數(shù)如表1所示混合氣溫度作為HCCI燃燒邊界條件之一,對燃燒過程具有非常重要的影響,其研究結果將會指導表1多功能燃燒彈技術參數(shù)HCCI在發(fā)動機上的應用因此,本研究在對多種過量空氣系數(shù)情況下的試驗結果進行分析后,認為不同Rs多功能燃燒彈的過量空氣系數(shù)對燃燒過程的影響規(guī)律具有基本相同活塞最高速度/(m·s-1)的特征,所以本研究在過量空氣系數(shù)為4時,對不同混比范圍合氣溫度的燃燒過程進行了研究和論述行程采樣速率/MHz2.1.1不同混合氣溫度對燃燒壓力的影響動態(tài)壓力采樣速率/MHz圖2為混合氣溫度對燃燒壓力的影響,隨著混合彈體溫度控制范圍(作為壓縮型燃燒彈)℃環(huán)境溫度-200氣溫度的提高,最高燃燒爆發(fā)壓力提高,混合氣溫度在混合氣配給系溫控范圍/℃環(huán)境溫度~200160℃時其最高燃燒爆發(fā)壓力比100℃時的高lMPa;單次混合氣制備量/m0.018而且最高爆發(fā)壓力出現(xiàn)的時刻也隨混合氣溫度的提高缸徑x行程/mm35x175而提前,混合氣溫度160℃比100℃的最高壓力出現(xiàn)活塞平均速度/(m·s-1)點提前約5ms;燃燒時間縮短,燃燒持續(xù)時間約縮短最高燃燒壓力/MPa10ms.這一點說明了混合氣溫度對乙醇的HCCI燃燒行程采樣精度/mm過程有著較大的影響動態(tài)壓力采樣精度%彈體溫度控制范圍(定容燃燒彈)℃環(huán)境溫度~800混合氣配給系壓力限制范圍/MPa140℃混合氣體積濃度(燃/空比)配制范圍0-0.0032乙醇燃料均質壓燃燃燒過程的試驗研究乙醇均質壓燃著火過程既包含著熱著火理論過程中國煤化工也包含有鏈式反應過程.因此,燃燒過程不僅受到CNMHG壓力的影響混合氣濃度的影響而且也受到混合氣物理邊界條件2.1.2不同混合氣溫度對燃燒壓力升高率的影響的影響,本文就不同的混合氣溫度及混合氣濃度對燃圖3為不同溫度的乙醇均質混合氣燃燒的壓力升燒過程的影響進行了探討高率曲線從圖可以看出,隨著混合氣溫度的升高,燃006年10月張紀鵬等:乙醇燃料均質壓燃的試驗研究燒過程壓力升高率增大,混合氣溫度為100℃、120燃過程有著巨大的影響對其研究可以了解到混合氣℃、140℃和160℃時的最大壓力升高率依次為0.22燃燒臨界邊界,對在發(fā)動機上實現(xiàn)HCCI燃燒過程具MPa/ms、0.40MPa/ms、0.51MPa/ms和1.00有重要的指導作用.由于溫度、混合氣濃度對燃燒過程MPa/ms;最高壓力升高率產生的時刻提前,最大壓力的影響是雙重的,其組合試驗邊界條件非常廣泛,很難升高率依次出現(xiàn)在80ms、6.5ms、5.2ms和4.3ms進行全面試驗,所以試驗是在混合氣溫度保持140℃、處,溫度越高出現(xiàn)的時刻提前量越大這一點充分說明過量空氣系數(shù)為12和4的情況下進行的隨著混合氣溫度的升高,混合氣的活化能增加,導致化2.2.1不同過量空氣系數(shù)對燃燒壓力的影響學反應速度增加、鏈式反應加快,從而導致最大壓力升圖5為不同過量空氣系數(shù)對乙醇均質混合氣燃燒高率增加、最大壓力升高率出現(xiàn)的時間提前壓力的影響曲線,在混合氣濃度較高的情況下,燃燒的最高壓力較高,同時壓力曲線較陡,當混合氣過量空氣160℃系數(shù)為4時,燃燒最高壓力為5.75MPa;過量空氣系數(shù)為2時,燃燒最高壓力為6.05MPa;而當過量空氣乏君e120℃系數(shù)為1時,燃燒最高壓力可達到6.79MPa;隨著混0100℃合氣濃度的增加,燃燒最高爆發(fā)壓力出現(xiàn)的時間提前,過量空氣系數(shù)為1、2和4時,最高峰值出現(xiàn)的時刻分別為6.4ms6.9ms和7.6ms.可以看出,混合氣濃度對燃燒壓力提前程度的影響低于混合氣溫度的影響,圖3混合氣溫度對壓力升高率的影響這說明了均質混合氣分子濃度對燃燒過程的影響不及分子能量的影響大,隨混合氣溫度增加,分子能量增2.1.3不同混合氣溫度對燃燒放熱率的影響加,促進了燃燒反應過程活化能的增加,從而導致燃燒圖4為不同溫度下乙醇均質混合氣燃燒過程的放熱率曲線圖中顯示,隨著混合氣溫度的升高最高放速度的增加熱率增大,溫度在100℃、120℃、140℃、160℃時,最高放熱率分別為7.1kJ/s、23.2kJ/s、27.5kJ/s、44.5kJ/s,160℃的最高放熱率可比100℃的最高放熱率增加近5倍;最高放熱率的變化規(guī)律隨溫度變化呈非線性關系;放熱率峰值出現(xiàn)的時刻隨溫度增加而提前7,溫度在100℃、120℃、140℃、160℃時第1個放熱率峰值所對應時間分別為5ms、2.5ms、2.3ms和0m(出現(xiàn)0值的原因是燃燒彈著火相對時間參考點選取的結果),隨溫度的增長放熱率峰值的提前時圖5過量空氣系數(shù)對燃燒壓力的影響間呈逐漸減小趨勢.這同樣說明了混合氣溫度的升高2.2.2不同過量空氣系數(shù)對燃燒壓力升高率的影響對乙醇均質壓燃燃燒過程產生正向影響圖6為不同過量空氣系數(shù)λ對乙醇均質混合氣燃160℃燒壓力升高率的影響隨著混合氣濃度的減小,最大壓力升高率下降,A為1、2和4時,最大壓力升高率分別為1.4MPa/ms、1MPa/ms和0.51MPa/mns;而且峰值推遲,λ=2和A=4的峰值分別比λ=1時推遲0.3500℃ms和0.7ms.形成這一結果是因為混合氣濃度降低,單位空間的燃料分子數(shù)減少,參加化學反應的量減少,10-5051015202530單位中國煤化工2.2放熱率的影響圖4混合氣溫度對放熱率的影響CNMH醇均質混合氣放熱率的變化情況與燃燒最高壓力及壓力升高率的情況相22不同過量空氣系數(shù)對燃燒過程的影響同,隨著混合氣濃度的減小最大放熱率下降,λ=1時混合氣空燃比作為重要的燃燒邊界條件對均質壓最大放熱率值為130k/ms;A=2時最大放熱率值為422術第12卷第5期90kJ/ms,比λ=1的最大放熱率下降了近31%,而且發(fā)壓力、壓力升高率及放熱率的最大值降低,而且峰值峰值位置推遲1.3ms;λ=4時最大放熱率值為39.5推遲.kJ/ms,比λ=1的最大放熱率下降了近70%,其峰值相(3)混合氣濃度對最高燃燒壓力提前程度的影響應A=1的情況推后2.9ms.這說明混合氣濃度對放低于混合氣溫度的影響,說明了均質混合氣分子濃度熱率有較大的影響對燃燒過程的影響不及混合氣溫度的影響大參考文獻:A-2[1]虞瀏多功能燃燒彈研制[D].長春:吉林大學汽車學院,200Yu Liu. Design of the Multifunctional Combustion Bomb[D]. Changchun: College of Auto Engineering, Jilin Univer-sity, 2005( in Chinese)[2]董光宇.乙醇HCCI燃燒邊界條件的試驗研究[D].長春吉林大學汽車學院,2005圖6過量空氣系數(shù)對壓力升高率的影響Dong Guangyu. A Study on Alcohol HCCI Combustion[3] Alexander Henle, Gerd Bittlinger, Christoph Benz, et al.Homogeneous operating strategies in a DI diesel engine withpent-roof combustion chamber and tumble charge motion號Studies on a single-cylinder test-engine and an optical accengine[C]//SAE Paper. Detroit, MI, USA, 2005, 2005-01ous charge preparation of typical fu圖7過量空氣系數(shù)對放熱率的影響els[ C]//SAE Paper. Detroit, MI, USA, 2005, 2005-01-1935[5 Zheng Jincai, Miller David L, Cermansky Nicholas P, et al3結論Two types of autoignition and their engine applications[c]//SAE Paper. Detroit, MI, USA, 2005, 2005-01-0178(1)混合氣濃度一定時,隨著介質溫度的提高,最61] Nebojsa Milovanovic, ave blundell, richard Pearson,高燃燒爆發(fā)壓力提高,而且最高爆發(fā)壓力出現(xiàn)的時刻al. Enlarging the operational range of a gasoline HCCI提前;隨著介質溫度的升高,燃燒過程壓力升高率增gine by controlling the coolant temperature[C]//SAE Pa-大,最高壓力升高率的產生時刻提前;隨著介質溫度的per. Detroit, MI, USA, 2005, 2005-01-0157.[7 Gen Shibata, Koji Oyama, Tomonori Urushihara, et al. Cor升高,最高放熱率增大,放熱率的峰值時刻提前relation of low temperature heat release with fuel composition(2)在介質溫度一定時,混合氣濃度對乙醇HCCIand HCCI enginge combustion[ C]//SAE Paper. Detroit, MI燃燒過程有巨大的影響,隨混合氣濃度的減小燃燒爆UsA,2005,20050140138中國煤化工CNMHG