第25卷(2007)第4期內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)Transactions of CSICEVol.25(2007)No.4文章編號:1000-0909(2007)04-0311-0525050乙醇燃料SI-HCCI-SI燃燒模式轉(zhuǎn)換過程的研究郭英男,彭亞平,譚滿志,黃為鈞,劉發(fā)發(fā),李華(吉林大學(xué)內(nèi)燃機(jī)系,吉林長春130022)摘要:在一臺單缸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了乙醇燃料均質(zhì)壓燃(HCI)和火花點(diǎn)燃(SI)兩種燃燒模式相互轉(zhuǎn)換的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明,采用進(jìn)氣熱管理系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)乙醇燃料在兩種燃燒方式間的轉(zhuǎn)換。在S向HCCI轉(zhuǎn)換過程中,由于混合氣瞬間變稀,而高溫?zé)釟膺M(jìn)到缸內(nèi)有一定的時(shí)間,轉(zhuǎn)速和平均有效壓力下降,經(jīng)過約4個(gè)工作循環(huán)后,隨著高溫?zé)釟膺B續(xù)、均勻地進(jìn)到缸內(nèi),實(shí)現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定的HCCI燃燒,因此轉(zhuǎn)速和平均有效壓力上升,并且很快達(dá)到穩(wěn)定。在HCC向SI轉(zhuǎn)換過程中,由于存在火花點(diǎn)火,對混合氣的溫度不是很敏感,因此過渡時(shí)間減少,發(fā)動(dòng)機(jī)很快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。關(guān)鍵詞:乙醇;均質(zhì)壓燃;燃燒模式轉(zhuǎn)換;快速熱管理系統(tǒng)中圖分類號:TK401文獻(xiàn)標(biāo)志碼:AStudy on the Transition Mode of Ethanol SI-HCCI-SI Combustion ModeTransitionGUO Ying-nan, PENG Ya-ping TAN Man-zhi, HUANG Wei-jun, LIU Fa-fa, LI HuaDepartment of Intermal Combustion Engine, Jilin University, Changchun 130022, China)Abstract: Mode transition of ethanol combustion between homogeneous charge compression ignition(HCCI)and spark ignition( SI)was investigated in a single cylinder diesel engine. Experimental resultsshowed that combustion mode transition could be realized with the Fast-Thermo Management system, Dur-ng the transition process form SI to HCCI, the mixture becomes the leaner and a time is needed for thehomogeneous charge of high temperature entering into the cylinder, leading to decrease in engine speedand mean effective pressure. After 4 cycles, with the entering of high temperature intake charge into thecylinder, the HCCI combustion is realized and increases the engine speed and the mean effective pressureand engine is operated stably. During the transition process form HCCI to SI, with aid of spark ignitionthe transition period decreases and engine quickly gets its stable operationKeywords: Ethanol; HCCI; Combustion mode transition; Fast-thermo management system引言化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響,過濃和過稀的混合氣將分別導(dǎo)致爆震燃燒和失火,因此發(fā)動(dòng)機(jī)工作在HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)采用均質(zhì)壓燃(HCCI)方式工作時(shí),均質(zhì)混模式下的運(yùn)行范圍較窄。在發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)、怠速工況合氣在壓縮行程末期實(shí)現(xiàn)壓燃,混合氣在缸內(nèi)幾乎是時(shí),難以形成HCI穩(wěn)定燃燒所需要的條件;在大負(fù)荷同時(shí)著火,不存在火焰?zhèn)鞑?。由于采用的是均勻的稀工況時(shí),由于混合氣變濃,燃燒反應(yīng)速度加快,出現(xiàn)爆混合氣,缸內(nèi)燃燒溫度低,NO,和碳煙的排放極低,因震燃燒,因此難以在全工況范圍內(nèi)采用HCCI方式工此被認(rèn)為是一種能同時(shí)滿足降低油耗和排放的新型燃作,在實(shí)際應(yīng)用中采用HCCI和傳統(tǒng)的S或壓燃(CI燒方式。燃燒方式結(jié)合的方法是解決HCCI工作范圍窄的方案從上世紀(jì)70年代首次提出HCCl的概念-2),到之目前為止全球范圍內(nèi)已經(jīng)開展了廣泛的試驗(yàn)和模擬研究。研究表明,HCCI的著火與燃燒主要是受混合氣的ThYHE中國煤化工燒模式轉(zhuǎn)換的是CNMHG動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了關(guān)于收稿日期200612-17;修回日期:20003.19。01CB2020)基金項(xiàng)目:國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃資助項(xiàng)目作者簡介:郭英男,教授,E-mail; guoyu@ju.edu312內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)第25卷第4期HCCI燃燒的試驗(yàn),并提出了當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)工況和大為了避免乙醇燃料工作在S方式下發(fā)生爆震,將原機(jī)負(fù)荷條件下采用傳統(tǒng)的SI燃燒方式部分負(fù)荷工況下的壓縮比從17降為11.8,另外在原機(jī)上加裝了點(diǎn)火采用HCCI燃燒方式工作。 Koopmans et al”采用全可系統(tǒng)。采用電控進(jìn)氣道燃料噴射的方法形成均勻混合變氣門定時(shí)機(jī)構(gòu)在一臺 Volvo5缸機(jī)上進(jìn)行了HCI氣。在壓縮比一定的發(fā)動(dòng)機(jī)上,對于高辛烷值燃料而和SI兩種燃燒模式的轉(zhuǎn)換。研究表明,在燃燒模式轉(zhuǎn)言,采用進(jìn)氣預(yù)熱的方法是實(shí)現(xiàn)HCCI燃燒的主要途換過程中的缸內(nèi)燃燒壓力與穩(wěn)態(tài)時(shí)的相比有很大的差徑之一,為此在進(jìn)氣道上加裝一套自行開發(fā)的快速熱別,必須對燃燒模式轉(zhuǎn)換的控制策略進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對進(jìn)氣溫度的控制。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作才能改善燃燒模式轉(zhuǎn)換的平穩(wěn)性。 Fuerhapter et al在HCCI燃燒模式下時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)全開節(jié)氣門,而工作在在一臺配備可變凸輪相位的單缸機(jī)上也開展了燃燒模SI模式下時(shí),通過節(jié)氣門實(shí)現(xiàn)負(fù)荷控制,為了實(shí)現(xiàn)SI式轉(zhuǎn)換的試驗(yàn)研究,他們的研究發(fā)現(xiàn),為了使模式轉(zhuǎn)換和HCCI燃燒模式的轉(zhuǎn)換,在試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣道上過程變得更加平穩(wěn),有必要對燃燒模式轉(zhuǎn)換時(shí)的控制加裝一套模式轉(zhuǎn)換控制裝置。試驗(yàn)裝置簡圖如圖1所策略進(jìn)行優(yōu)化。同樣,盡管在其它發(fā)動(dòng)機(jī)上也實(shí)現(xiàn)了示,試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。HCCI和SI間燃燒模式的轉(zhuǎn)換2,但到目前為止有表1試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)關(guān)燃燒模式轉(zhuǎn)換的資料總體來說還是很少的。Tab 1 Engine specifications本文在發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)、小負(fù)荷以及大負(fù)荷工況下類四沖程、單缸、水冷采用SI,在中等負(fù)荷下采用HCCI方式,獲得了乙醇燃缸徑/mm料HCCI和S兩種燃燒方式的工作區(qū)域,采用快速熱管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了乙醇燃料HCCI和SI燃燒模式的轉(zhuǎn)單缸排量L換,并在此基礎(chǔ)上研究了不同工況下SI與HCCI相互壓縮比11.8:1轉(zhuǎn)換過程,得到了燃燒模式轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)方法、控制手段進(jìn)氣門開/° CA BTDC和初步結(jié)果。排氣門關(guān)/° CA ATDO1試驗(yàn)裝置和方法° CA ABDC排氣門開/° CA BBDC1.1試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室形狀試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)是在ZS105單缸機(jī)的基礎(chǔ)上通過改標(biāo)定轉(zhuǎn)速/(r/min)2200進(jìn),實(shí)現(xiàn)了乙醇燃料SI和HCCI兩種燃燒模式。首先快速熱管理系統(tǒng)模式轉(zhuǎn)換控制裝置熱空氣閥冷空氣閥火花塞噴嘴排氣溫度傳感器熱(氣動(dòng)控制)豐節(jié)氣廢氣分析儀噴油觸發(fā)信號中國煤化工CNMHG圖1試驗(yàn)裝置簡圖2007年7月郭英男等:乙醇燃料SI-HCCI-SI燃燒模式轉(zhuǎn)換過程的研究31312試驗(yàn)方法此邊界為失火邊界。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作在失火邊界和爆震試驗(yàn)過程中,發(fā)動(dòng)機(jī)首先采用S方式起動(dòng)和熱邊界附近時(shí),必須進(jìn)行燃燒模式的切換。機(jī),此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷由主節(jié)氣門控制,模式轉(zhuǎn)換控制2.2失火邊界附近HCCI和SI相互轉(zhuǎn)換裝置中的熱空氣閥全關(guān),冷空氣閥全開,缸內(nèi)吸入的是圖3為失火邊界附近SI向HCCI轉(zhuǎn)換時(shí)的缸內(nèi)壓溫度為室溫的空氣。在熱機(jī)的過程中,接通熱管理系力和轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的變化情況。從圖中可以看到燃燒模統(tǒng)的電源,對加熱器中的空氣進(jìn)行預(yù)熱。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷式不可能在1個(gè)工作循環(huán)內(nèi)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。當(dāng)噴油量不變卻水溫達(dá)到80℃,進(jìn)氣溫度傳感器監(jiān)測溫度超過220時(shí),HCCI燃燒時(shí)的壓力要比SI燃燒時(shí)的高,轉(zhuǎn)矩有所℃,調(diào)節(jié)燃燒模式轉(zhuǎn)換控制裝置,全開熱空氣閥,冷空增加。在轉(zhuǎn)換過程中,缸內(nèi)壓力發(fā)生了4個(gè)循環(huán)的變氣閥全關(guān),缸內(nèi)吸入熱空氣,同時(shí)全開主節(jié)氣門,切斷動(dòng),這是由于在轉(zhuǎn)換為HCCI運(yùn)行時(shí),進(jìn)氣加熱器和進(jìn)火花點(diǎn)火,即可獲得HCCI燃燒。在已獲得的乙醇燃?xì)饪谥g有一定距離,存在低溫空氣,因此產(chǎn)生了失火料SI、HCCI各自工作區(qū)的基礎(chǔ)上,分別在HCCI工作現(xiàn)象,當(dāng)連續(xù)穩(wěn)定的高溫?zé)釟膺M(jìn)到缸內(nèi)后,即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)區(qū)的爆震和失火邊界進(jìn)行了兩種燃燒模式的相互轉(zhuǎn)換定的HCCI燃燒。的試驗(yàn)研究,爆震邊界和失火邊界的定義與參考文獻(xiàn)[14]的相同。采用 AVL GMI2D型缸壓傳感器、電荷放大器、LF02.4BMCO5E型光電編碼器和研華PCI800高速數(shù)據(jù)過渡過程采集卡采集了1500r/mn時(shí)失火和爆震邊界附近兩種a2.0燃燒模式相互轉(zhuǎn)換時(shí)的缸內(nèi)燃燒壓力。在記錄示功圖的同時(shí),采用研華PCI818HG采集了相同條件下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變化,并計(jì)算了平均有效壓力。2試驗(yàn)結(jié)果及討論循環(huán)數(shù)2.1兩種燃燒模式的工作區(qū)域a)模式轉(zhuǎn)換時(shí)缸內(nèi)壓力的變化圖2為用轉(zhuǎn)速和平均有效壓力(BMEP)表示的該發(fā)動(dòng)機(jī)工作在HCCI和S兩種模式下各自的工作區(qū)。1600從圖中可以看到,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作在HCCI方式下時(shí),其速最大的BMEP達(dá)到了0.506MPa,此時(shí)已經(jīng)接近該發(fā)-轉(zhuǎn)矩動(dòng)機(jī)工作在SI方式下最大負(fù)荷的50%。此時(shí)混合氣1200進(jìn)一步加濃將導(dǎo)致爆震燃燒,因此稱此邊界為爆震邊界。如果再加入EGR,那么HCCI的工作上限將進(jìn)步拓寬。HCCI燃燒的負(fù)荷下限為0.06~0.2MPa,在此邊界以下,過稀的混合氣將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)失火,因此稱30004000數(shù)據(jù)采集點(diǎn)b)模式轉(zhuǎn)換時(shí)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化圖3失火邊界 SI-HCCI模式轉(zhuǎn)換缸內(nèi)壓力、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩全2→外特性邊界的變化亠失火邊界Fig 3 Variations of cylinder pressure, speed and torquewhen si to hCci at misfire bounda0.2HCCLL作區(qū)中國煤化工句SI轉(zhuǎn)換時(shí)的示功圖16002400轉(zhuǎn)速n(rmin和轉(zhuǎn)CNMHG可以看到,當(dāng)噴油量不變時(shí),懊式比HUul楔八的血內(nèi)壓力低,轉(zhuǎn)矩有所圖2試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)兩種燃燒方式下的工作區(qū)域降低。在轉(zhuǎn)換過程中,存在兩個(gè)循環(huán)的變動(dòng),這是由于Fig 2 Operation regions of the engine under SInd Hcci Combustion在轉(zhuǎn)換過程中,節(jié)氣門迅速關(guān)小,混合氣變濃,但還是314內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)第25卷第4期無法在一個(gè)循環(huán)內(nèi)達(dá)到SI模式的著火界限,因此產(chǎn)生了兩個(gè)循環(huán)的波動(dòng)。轉(zhuǎn)速50010001500200025003000心AUMb)模式轉(zhuǎn)換時(shí)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化圖5爆震邊界 HCCI-S轉(zhuǎn)換缸內(nèi)壓力轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速的變化循環(huán)數(shù)Fig 5 Variations of cylinder pressure, speed and torquea)模式轉(zhuǎn)換時(shí)缸內(nèi)壓力的變化when HCCI to SI at knock boundary圖6是爆震邊界附近S向HCCI轉(zhuǎn)換時(shí)缸內(nèi)壓力、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化情況。從圖中可以看到,在轉(zhuǎn)換過程中,存在兩個(gè)循環(huán)的失火現(xiàn)象,因此產(chǎn)生了轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速波動(dòng)。這是由于轉(zhuǎn)換到HCCI模式時(shí),進(jìn)氣加熱器和進(jìn)氣門之間存在低溫空氣,結(jié)果產(chǎn)生了兩個(gè)循環(huán)的失火引起的。1000數(shù)據(jù)采集點(diǎn)過渡過程b)模式轉(zhuǎn)換時(shí)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化圖4失火邊界 HCCI-SI模式轉(zhuǎn)換缸內(nèi)壓力、轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速的變化Fig 4 Variations of cylinder pressure, speed and torquewhen HCCI o SI at misfire boundary循環(huán)數(shù)2.3爆震邊界附近HCCI和SI相互轉(zhuǎn)換a)模式轉(zhuǎn)換時(shí)缸內(nèi)壓力的變化圖5為爆震邊界附近HCCI向SI轉(zhuǎn)換時(shí)的示功圖和轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的變化情況。從圖中可以看到,雖然轉(zhuǎn)換很順利,但是由于SI模式比HCCI模式的缸內(nèi)壓力低,轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩降低,產(chǎn)生了轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。一轉(zhuǎn)矩Mw.oF HCCI兩10001000數(shù)據(jù)采集點(diǎn)中國煤化工惠的變化CNMHG換缸內(nèi)壓力轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化Fig 6 Variations of cylinder pressure, speed and torquea)模式轉(zhuǎn)換時(shí)缸內(nèi)壓力的變化when SI to HCCI at knock boundary2007年7月郭英男等:乙醇燃料SI- HCCI-SI燃燒模式轉(zhuǎn)換過程的研究[5] Zur Loye, Brackney, Larry I, et al. United States patent3結(jié)論06907870. Multiple Operating Mode Engine and Method of(1)在單缸試驗(yàn)機(jī)上采用快速熱管理系統(tǒng),實(shí)Operation[ P]. USA, 06907870, June 21, 2005現(xiàn)了乙醇燃料HCCⅠ和S兩種燃燒方式,獲得了兩種[6] Thing R H. Homogeneous Charge Compression Ignited(HC-燃燒方式各自的工作區(qū),成功實(shí)現(xiàn)了不同工況下兩種CI)Engines[C]. SAE Paper 892068, 1989[7] Koopmans L, Strom H, Lundgren S, et al. Demonstrating a燃燒模式的相互轉(zhuǎn)換。SI-HCCI-SI Mode Change on a Volvo 5-Cylinder Electronic(2)在采用快速熱管理系統(tǒng)的條件下,不論是Valve Control Engine[ C]. SAE Paper 2003-01-0753, 2003從S1向HCC,還是從HCCI向Sl,燃燒模式都不可能(8] Fuerhapter, Pick WF, FraidI G K. CSI-Controlled Auto在一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。當(dāng)噴油量不變時(shí),發(fā)動(dòng)Ignition-The Best Solution for the Fuel Consumption-Versus機(jī)工作在HCCI方式下的燃燒壓力要高于SI,因此導(dǎo)Emissions Trade-off [C]. SAE Paper 2003-01-0754, 2003致轉(zhuǎn)換過程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生階躍,因此需要進(jìn)一步[9] Nebojsa Milovanovic, Dave Blundell, Stephen Gedge,tal優(yōu)化模式轉(zhuǎn)換時(shí)的控制策略。SI- HCCI-SI Mode Transition at Different Engine OperationConditions[ C]. SAE Paper 2005-01-0156, 2005參考文獻(xiàn)[10] Xu Hongming, Simon Rudolph, Liu Zhi, et al. An Investi-[1] Onishi S, Jo S H. Thermo-Atmosphere Combustion(ATgation into the Operating Mode Transitions of a Homogene-AC)-A New Combustion Process for Internal Combustionous Charge Compression Ignition Engine Using EGR Trap-Engine[C]. SAE Paper 790501, 1979.ping[ C]. SAE Paper 2004-01-1911,2004[2] Noguchi MM, Tanaka Y, Tanaka T, et al. A Study on Gaso-[11] Halim Santoso, Jeff Matthews, Wai K Cheng Managing SI/Combustion by Observation of Intermediate ReHCCI Dual-Mode Engine Operation[C]. SAE Paper 2005.010162,2005active Products during combustion[C]. SAE Paper 7908A0, [12 Jari Hyvonen, Goran Haraldson, Bengt Johansson. 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