汽車工程2007年(第29卷)第10期 Automotive Engineering2007(Vol.29)No.102007198乙醇均質(zhì)壓燃性能的試驗研究楊立平,郭英男,李君,王立媛2,劉金山(1.吉林大學(xué)汽車學(xué)院,長春1300222長春師范學(xué)院,長春130032)摘要]在一臺改造的單缸發(fā)動機上進行了乙醇燃料均質(zhì)壓燃的試驗研究。試驗結(jié)果表明,在較寬的混合氣濃度范圍內(nèi),乙醇CC發(fā)動機產(chǎn)生較高的熱效率,各EGR率下在當最比為0.11-0.5范圍內(nèi)指示熱效率都在30%以上;在HCC燃燒范圍內(nèi),EGR和當量比的合理組合可以將NO,排放控制在g/(kW·h)以下;在沒有后處理器時,乙醇HCC燃燒產(chǎn)生較高的HC和CO排放;EGR率相比,當量比對HC和CO排放的影響更為明顯。關(guān)鍵詞:乙醇;均質(zhì)壓燃;性能;排放 An Experimental Study on HCCI Performance of Ethanol Yang Liping', Guo Yingnan', Li Jun', Wang Liyuan'& Liu Jinshan' 1. College of Automobile Engineering. Jitin University, Changchuun 130022: 2. Changchun Normal Univeraity, Changchun 130032 [Abstract] An experimental study on the homogeneous charge compression ignition (HCCI)performance of a modified single cylinder engine fueled with ethanol is presented. The results show that the HCCI engine with etha- nol has higher thermal efficiency at a wide range of fuel/air ratio. All the indicated thermal efficiencies are higher than 30% over the whole equivalence ratio range of 0. 11-0. 5 under all EGR rate with the highest efficiency reac- hing 60% at 50% EGR rate and 0. 33 equivalence ratio Within the range of HCCI combustion, proper combination of EGR rate and equivalence ratio can control the NO, emission level below Ig/(kw.). Without after-treatment, HCCI combustion with ethanol produces higher level of HC and CO emission. And compared to ECR rate, the quivalence ratio has more marked effect on HC and CO emission Keywords: Ethanol; HCCI; Performance;EmissionsHCCI發(fā)動機的缺點是:產(chǎn)生較高的未燃HC和前言CO排放;發(fā)動機的啟動和控制困難;在整個發(fā)動機負荷和轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)很難控制著火正時,因為HCCI均質(zhì)混合氣壓燃(HCCI)發(fā)動機有較高熱效率發(fā)動機沒有像柴油機或汽油機通過燃料噴射正時和非常低的NO和微粒排放,所以受到廣泛的關(guān)點火正時來控制著火的外部控制,其著火完全受控注1-2。HCCI發(fā)動機將火花點火(SI)汽油機和壓于化學(xué)動力學(xué)因此著火正時主要由燃料成分,混合縮著火(CI)柴油機的優(yōu)點集于一身,采用S發(fā)動機氣的化學(xué)計量和混合氣的熱力學(xué)狀態(tài)等參數(shù)來控的均勻混合氣降低了微粒排放;像柴油機一樣,混合制針對影響HCC燃燒參數(shù)的研究有很氣被壓燃,沒有節(jié)流損失,產(chǎn)生較高的熱效率。此多- Thring研究了EGR和當量比的不同組合,外,HCCI發(fā)動機燃料適應(yīng)性非常強,除柴油、汽油等并建議在高負荷下使用傳統(tǒng)的S模式運行,在部分傳統(tǒng)的石油燃料外,大部分代用燃料都可以用于負荷采用HCC模式ida等人以正丁烷為燃料HCCl燃燒模式。由于采用低壓燃料噴射系統(tǒng),HC-在一臺CFR發(fā)動機上研究了進氣溫度、壓縮比和轉(zhuǎn)CI發(fā)動機的成本比柴油機低。速對HCCI運行范圍的影響Kim在各種進氣溫國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項目(2001CB209206)資助原稿收到日期為2006年8月22日,修改稿收到日期為2006年12月4日。856汽車工程2007年(第29卷)第10期度、壓力和EGR條件下研究了預(yù)混合燃料對HCCI燃燒和排放的影響。2試驗結(jié)果及分析乙醇有較高的辛烷值,HCCI發(fā)動機將乙醇作為燃料時可以采用大的壓縮比,燃燒可以產(chǎn)生較高的2.1平均指示壓力p熱效率。文中通過EGR和當量比協(xié)同控制的方法圖2為不同EGR率下p隨當量比的變化關(guān)進行了乙醇HCCI的試驗研究。系。從圖中可以看出,各EGR率下P隨當量比變化的趨勢基本相同,都隨著當量比的增加而先增加1試驗裝置和方法后降低。對于每個固定的EGR率,都有與之對應(yīng)的最佳當量比,此時發(fā)動機產(chǎn)生最大的Pm當混合氣試驗裝置示意圖見圖1。較稀時,混合氣對EGR的容忍能力較大(當量比為EGR管路EGR閥0.11時EGR對p幾乎沒有影響)。隨著混合氣變進氣加熱器濃,P逐漸增加,當量比在0.33左右,各EGR率下空氣流量計電控噴油器的P值都達到最大,但是各EGR率下的P之間的差別有所增加。這是因為此時混合氣已經(jīng)達到了爆燃邊界,如果沒有EGR的加入,爆燃使值下噴油泵乙醇供給為其余5降,隨著EGR的加入,降低了化學(xué)反應(yīng)速度,燃燒正缸供時推遲到最佳位置,產(chǎn)生了最高的P,但是EGR進柴油一步增加時,著火時刻過于滯后,使P降低。當混合氣進一步加濃時,如果EGR率過低則對燃燒反應(yīng)圖1試驗裝置示意圖的控制不夠,強烈的爆燃會導(dǎo)致P的降低,但是試驗發(fā)動機由CA6110柴油發(fā)動機改造而成的ECR率過高則會使氧濃度降低,燃燒不充分,P值單缸HCC發(fā)動機,將第6缸的進排氣系統(tǒng)同前5缸也降低。相獨立,去掉第6缸的柴油噴射器,在進氣管上安裝 0.7 EGR -EGR-10%一套乙醇燃料噴射系統(tǒng),實現(xiàn)第6缸單獨的進排氣、0.gr30%噴油、進氣預(yù)熱,獨立的EGR控制。發(fā)動機結(jié)構(gòu)參 -EGR=50%0.5egr7數(shù):缸徑為110mm;行程為120mm;壓縮比為17;燃0.4燒室為ω形。為了實現(xiàn)HCCI燃燒,發(fā)動機作如下0.3改動。(1)進氣預(yù)熱部分乙醇燃料十六烷值低且有0.2較高的汽化潛熱,為了保證噴入進氣管的乙醇能夠0.10.100.200.300.400.50及時霧化蒸發(fā)并在壓縮終了混合氣能可靠地著火,當量比需要進氣預(yù)熱。進氣預(yù)熱通過安裝在進氣管上的一組加熱片來實現(xiàn),利用一套溫控系統(tǒng)將進氣溫度控圖2平均指示壓力制在150℃左右。2.2指示熱效率(2)噴油部分取消發(fā)動機第6缸噴油器,在圖3是不同ECR下指示熱效率隨當量比變化第6缸的進氣管上安裝了一套獨立的電控噴油系統(tǒng)的對比圖。從圖中可以看出,乙醇HCC燃燒在較為第6缸供乙醇,利用發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號觸發(fā)噴油,通寬的混合氣濃度范圍內(nèi)有較高的熱效率(當量比在過油門執(zhí)行器控制噴油脈寬。0.11~0.5范圍內(nèi)的指示熱效率大于30%),且當(3)廢氣再循環(huán)部分采用外部EGR降低燃EGR率一定時,指示熱效率隨著當量比的增加而先燒速率,通過連接進排氣管的管路將廢氣引入進氣增加后降低。最高的熱效率出現(xiàn)在稀混合氣區(qū),各管,EGR量由管路中間的閥門控制,為了實現(xiàn)較大EGR率下最高的熱效率都出現(xiàn)在當量比為0.2~的EGR率,在排氣管上安裝了一個閥門,通過調(diào)整0.33之間。當EGR率為50%、當量比為0.33時最閥門的開度來調(diào)整排氣背壓,從而實現(xiàn)所需EGR率。大指示熱效率可以超過60%,而最低熱效率出現(xiàn)在2007(Vol.29)no.10楊立平,等:乙醇均質(zhì)壓燃性能的試驗研究857大EGR率、濃混合氣區(qū)。因為指示熱效率高低取決可以看出EGR率為70%、當量比為0.5時發(fā)動機產(chǎn)于燃燒的及時性和燃燒的完全性,當混合氣過稀時生了最高的HC排放,但此時已經(jīng)超出了HCCI運行由于燃燒溫度低,燃燒不及時使得指示熱效率降低,范圍,在HCCI運行范圍內(nèi),最高的HC排放出現(xiàn)在而在濃混合氣時大EGR率雖然可以實現(xiàn)HCC燃當量比為0.11稀混合氣條件下,最高值為30g/(kW燒,但是氧濃度降低使燃燒不充分,所以指示熱效率h)濃混合氣時由于高ER率使燃燒過程缺氧,下降。不完全燃燒也導(dǎo)致HC排放增加。 -EGR*-0 -EGR=10% -EGR*=30% -EGR=50%EGR=70% 40-EGR* -EGR-10%2020x-egr-30 -EGR=500010 --EGR=700.100.200.300.400.500.100.200.300.400.5當量比當景比圖3指示熱效率圖5HC排放2.3NO排放2.5CO排放圖4為各EGR率下NO排放隨當量比的變化圖6為各EGR率下CO排放隨當量比的變化關(guān)關(guān)系從圖4中可以看出EGR率<30%、當量比>系。CO排放是燃料未完全燃燒的一個指標。研究0.3時,EGR對化學(xué)反應(yīng)抑制程度不夠,產(chǎn)生強烈的結(jié)果表明,當進氣預(yù)熱溫度一定時,當量比對hCCI爆燃,NO,隨著當量比的增加而急劇升高。當ER燃燒產(chǎn)生的CO排放的影響更為明顯,CO排放隨著率>30%時,稀、濃混合氣燃燒產(chǎn)生的NO都控制在當量比的增加而先迅速下降然后稍有升高。從圖61g/(kwh)以下。中可以看出當ER率<50%時,一定當量比下的 -EGR-0CO排放受EGR的影響很小。當ECR率>50%時, -EGRA=過高的ECR率使燃燒溫度和氧濃度同時降低,導(dǎo)致r30 -EGR-50%燃燒惡化,因此EGR對CO排放影響變得明顯。 -EGR=70%300 -EGR*-0250EGR30%200一 -EGR0.100.200.300.400.50當比50圖4NO排放0.100.200.300.400.502.4HC排放當量比圖5為各EGR率下HC排放隨當量比的變化關(guān)系。如果HCCI發(fā)動機混合氣太濃,化學(xué)反應(yīng)過程圖6CO排放失控,會引起明顯的噪聲甚至損壞發(fā)動機。因此必須稀釋混合氣來限制燃燒速率。通過小的當量比或3結(jié)論廢氣再循環(huán)得到的稀釋混合氣雖然降低了燃燒的化學(xué)反應(yīng)速度,實現(xiàn)HCCI燃燒,但是整個HCCI燃燒(1)各EGR率下當量比在0.33左右時產(chǎn)生最過程的溫度較低,產(chǎn)生了大量HC排放。從圖5中大P值,當量比為0.11的稀混合氣下p受eG858·汽車工程2007年(第29卷)第10期的影響很小,表明稀混合氣有更高的EGR容忍度。 Exhaus Gas Recireulation Using a Stochastic Reactor Model[]].(2)乙醇HCCI燃燒在寬廣的范圍內(nèi)都有較高 Int. J. Engine Res, 2004,5(1).的熱效率,各EGR率下當量比在,R011~0.5《mosqMS,0sChckwyuhaa.oncac teristics of a Natural Gas-fired Homogeneous Charge Compreasion內(nèi)熱效率都超過30%,并且最高熱效率都出現(xiàn)在當 Ignition Engine( Performance Improvement Using EGR)[ C]. SAE量比為0.25~0.33稀混合氣區(qū),最佳條件下指示熱 Paper2001-01-1034.效率值甚至可以超過60%。 [6] Martinez-Frias J, Acevee S M, al. Equivalence Ratio-EGR Con-(3)通過EGR率和當量比的合理組合可以將 trol of HCCI Engine Operation and the Potential for Transition toHCC燃燒范圍內(nèi)的NO,排放控制在1g/(kW·h) Spark-ignited Operation[ C]. SAE Paper 2001-01-3613. [7] Peng Z, Zhao H, Ladomumatoe N. Effects of Air/Fuel Ratios and以下,但是HC和CO排放卻很高,最大的HC和CO EGR Rates on HCCI Combust ion of n-Heptane, a Diesel Type Fu-排放出現(xiàn)在當量比為0.11稀混合氣條件下,最高 el[C]. SAE Paper 2003-01-074Hc排放可達30g/(kW·),而CO排放接近300g/8 Thring. Homogencous Charge Compression Ignition()(kW·h),相對于EGR率來說,當量比對HC和CO Engines[C]. SAE Paper 892068.排放的影響更為明顯。 [9] lida M, Hayashi M, Foster D E, et al. 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Influence of Miture Quality on Homo [4] Bhave A, Balthasar M, Kraft M, et al. Analysis of a Natural Gas geneous Charge Compression Ignition[ C]. SAE Paper 982A454. Fuelled Homogeneous Charge Compession Ignition Engine with(上接第872頁)164和115℃;不通電加熱時CO的T0為210℃;陶瓷更優(yōu)異的抗熱震性能,可以用作電加熱催化劑別施加10、20和30W電功率后T0降低到140、100的載體。和86℃;在不通電加熱條件下,進氣溫度為390℃時(2)SC泡沫陶瓷載體的電加熱作用可以提高HC的轉(zhuǎn)化率達到90%,當施加10、20和30W電功柴油機排氣中HC和CO在低溫時的轉(zhuǎn)化效率。率后轉(zhuǎn)化率為90%時進氣溫度分別為340、280和參考文獻205℃;在不通電加熱時,CO轉(zhuǎn)化率達到90%時進氣溫度為225℃,分別施加10、20和30W電功率后李青李剛柴油機的排氣凈化催化劑與有關(guān)技術(shù)金達到90%轉(zhuǎn)化率的進氣溫度降為160、105和90℃。屬,2000(21):54-56.可見,HC和CO的起燃溫度曲線由于SiC泡沫陶瓷【2]張慶勇,浩溶膠-凝膠法在碳化硅表面浸涂氧化鋁薄膜的研究[J].硅酸鹽通報,2002(2:63-66.載體通電加熱發(fā)生了很大變化,T和T都有了大幅3 Heck Ronald Famauto Robent Automobile Exhaust Catalye度降低。這說明SC泡沫陶瓷載體的加熱效果非常 []. Applied Catalysis A: Genenl,2001,221 443-457.明顯,使反應(yīng)氣體溫度迅速上升。4]吳慶祝,劉永先,李福功,等泡沫陶瓷及其應(yīng)用[J]陶瓷,20(2:12-143結(jié)論5]王建,傅立新黎維彬汽車排氣污染治理及催化器[M]北京:化學(xué)工業(yè)出版社2000:234-235.6]關(guān)振鐸,張中太,焦金生.無機材料物理性能[M]北京:清華大(1)SiC泡沫陶瓷具有三維連通網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),具有學(xué)出版社,1992:154-162.比金屬導(dǎo)體更合適的導(dǎo)電率,比壁流式青石蜂窩