第13卷第6期然燒科學(xué)與技術(shù)Vol 13 No 62007年12月Joumal of Combustion Science and TechnologyDec.2007火花點火對乙醇燃料SI/HCCI燃燒模式轉(zhuǎn)換平穩(wěn)性的影響彭亞平1,郭英男,譚滿志',黃為鉤',梁曉明,范秀英2(1.吉林大學(xué)內(nèi)燃機工程系,長春130022;2.空軍航空大學(xué)特種專業(yè)系,長春130022)摘要:在一臺經(jīng)過改進的單缸機上分別實現(xiàn)了乙醇燃料均質(zhì)壓燃和火花點燃兩種燃燒方式,獲得了乙醇燃料兩種燃燒方式各自的工作區(qū)域,并在不同工況實現(xiàn)了兩種燃燒模式相互轉(zhuǎn)換.為了改善 SUHCCI燃燒模式轉(zhuǎn)換時的平順性,考察了邊界條件工況下火花點火對燃燒模式轉(zhuǎn)換的影響研究結(jié)果表明,在HCCI燃燒臨界溫度附近,引入火花點火能明顯改善乙醇HCCI的燃燒穩(wěn)定性降低了燃燒循環(huán)變動.在SHCα燃燒模式轉(zhuǎn)換過程中,引入火花點火相當(dāng)于向缸內(nèi)混合氣添加部分額外能量,以點燃混合氣,進而改善了HCCI和S相互轉(zhuǎn)換時的平穩(wěn)性關(guān)鍵詞:乙醇;均質(zhì)壓燃;模式轉(zhuǎn)換;平穩(wěn)性中圖分類號:TK421文獻標(biāo)志碼:A文章編號:10068740(2007)060521-04Effects of Spark Ignition on Smoothness of Ethanol SI/HCCICombustion mode TransitionPENG Ya-ping, GUO Ying-nan, TAN Man-zhi', HUANG Wei-jun, LIANG Xiao-ming, FAN Xiu-ying(1. Department of Intemal Combustion Engine, Jilin Universi2. Department of Special Type Specialty, Aviation University of Air Force, Changchun 130022, China)Abstract: The spark ignition(SI)and homogeneous charge compression ignition(HCCi) have been realized in a modified singlecylinder engine. The operation regions of the two combustion modes have been defined, and SI/HCCI combustion mode transitionsunder different operation conditions have been performed. The effects of spark on the combustion mode transition have been inves-tigated in order to improve the smoothness of the transition. The results show that HCCI combustion stahility has been improvedgreatly and the combustion cycle-by-cycle variations decrease when the spark is utilized in the critical temperature operation conditions. During the transition process, the utilization of spark is equivalent to adding extra energy into the cylinder to ignite the mix-ture, hence, the smoothness of the combustion mode transition has been enhencedKeywords: ethanol; homogeneous charge compression ignition; combustion mode transition; smoothness均質(zhì)壓燃(HCI)的高熱效率和超低NO與碳煙混合燃燒模式發(fā)動機,是解決HCCI燃燒方式工作范排放已經(jīng)引起了全世界廣大內(nèi)燃機工作者的關(guān)注,自圍窄的方法之一提出之日起,研究人員已經(jīng)對HCCI開展了廣泛的研最早提出火花點火SI/HCCI混合燃燒模式概念的究15,并已經(jīng)取得了階段性成果早期的研究表明, Thring,在一臺四沖程的發(fā)動機上進行了HC試驗研以轉(zhuǎn)速和負荷表示的HCCI燃燒方式工作范圍小6,如究,并提出了發(fā)動機在起動和大負荷工況采用S、在中何拓寬HCCI的工作區(qū)域是當(dāng)前HCCI研究過程中的等負荷工況采用HCI燃燒方式的混合燃燒模式思難題之一,在不能實現(xiàn)HCCI的工況范圍內(nèi)采用傳統(tǒng)想在此基礎(chǔ)上, Ishibashi等人9和 Blundel等人等的燃燒方式工作,其余工況下采用H燃燒方式,即在中國煤化工和HC兩種燃燒方CNMHG收稿日期:2007-052基金項目:國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973)資助項目(200CB209206);國家自然科學(xué)基金資助項目(5047607)作者簡介:彭亞平(1980),男,博士研究生,inei@ email. jlu,odu.cm通訊作者:郭英男,goyn@j,ch,cm522燃燒科學(xué)與技術(shù)第13卷第6期式的轉(zhuǎn)換Kimm等人在四沖程發(fā)動機進行了壓縮表1發(fā)動機主要類型與技術(shù)參數(shù)著火D和HCCI燃燒模式轉(zhuǎn)換.Jan等人采用可變技術(shù)參數(shù)指標(biāo)壓縮比和預(yù)熱混合氣相結(jié)合的技術(shù)手段在多缸機上研型單缸、水冷、a燃燒室究了引入火花對HCCI和SI進行燃燒模式轉(zhuǎn)換平穩(wěn)性05以及燃燒穩(wěn)定性的影響.Xu等人采用廢氣再循環(huán)沖程/m(EGR)研究了HCCI和SI間燃燒模式的轉(zhuǎn)換排量幾L壓縮比118筆者通過自行設(shè)計開發(fā)的快速熱管理系統(tǒng)在一臺標(biāo)定轉(zhuǎn)速/(rmin-1)2200改進的單缸機上實現(xiàn)了乙醇燃料HCCI和S兩種燃燒獲得了各自的工作區(qū)域并在不同工況點實現(xiàn)了兩12試驗方法種燃燒模式的相互轉(zhuǎn)換,研究了乙醇HCCI燃燒臨界試驗時,發(fā)動機首先采用S方式起動和熱機,此溫度工況下火花點火對燃燒穩(wěn)定性的影響進一步考時聯(lián)動閥A全開,聯(lián)動閥B關(guān)閉,缸內(nèi)吸入溫度為室察了火花輔助點燃對混合燃燒模式SHcC燃燒模式溫的空氣,發(fā)動機負荷由主節(jié)氣門控制,發(fā)動機在小負轉(zhuǎn)換平穩(wěn)性的影響荷工況工作、熱機,熱機的同時打開熱管理系統(tǒng),當(dāng)冷試驗裝置和方法卻水溫達到80℃,進氣溫度超過220℃,切換進氣通道,聯(lián)動閥A關(guān)閉,聯(lián)動閥B全開,進到缸內(nèi)的為經(jīng)過1.1試驗裝置預(yù)熱的均勻混合氣,節(jié)氣門全開,關(guān)閉火花點火,實現(xiàn)試驗是在一臺經(jīng)過改進的單缸機上完成的發(fā)動HCO燃燒機的技術(shù)參數(shù)見表1.為了在同一臺發(fā)動機上實現(xiàn)HC發(fā)動機工作在HCCI方式時,負荷調(diào)節(jié)方式與柴CI和S兩種燃燒模式,把原機的壓縮比從17降低到油機相同,均為質(zhì)調(diào)節(jié)隨著負荷的增加,噴油量增加,18增加了一套電控點火系統(tǒng)采用自行開發(fā)的電控混合氣逐漸變濃燃燒速度加快當(dāng)噴油量增大到某進氣道噴射方式噴射乙醇形成均勻混合氣在進氣道值時,由于化學(xué)反應(yīng)速度過快,將出現(xiàn)爆震燃燒繼續(xù)的前端安裝自行開發(fā)的快速熱管理系統(tǒng)加熱進氣,實加濃混合氣,爆震增強將對發(fā)動機產(chǎn)生損壞因此在現(xiàn)乙醇的HCCI燃燒同時為了實現(xiàn)S燃燒,改進了發(fā)試驗過程中,通過安裝在缸體上的爆震傳感器監(jiān)測缸動機的進氣系統(tǒng)試驗系統(tǒng)的詳細改進見文獻[4,試內(nèi)燃燒情況,當(dāng)該傳感器輸出電壓急劇增大時,即驗裝置簡圖如圖1所示認為出現(xiàn)爆震燃燒,將這一邊界定義為爆震邊界.負荷減小,噴油量減少,混合氣變稀,缸內(nèi)最高燃燒溫度降快速熱管理系統(tǒng)火花塞模式轉(zhuǎn)換控制裝置11大氣加熱器聯(lián)動閥主節(jié)氣門(氣動控制)Horiba廢氣分析儀進氣溫度單片機高速采集卡中國煤化工缸壓采集計算機噴油觸發(fā)信號CNMHG圖1試驗裝置示意200年12月彭亞平等:火花點火對乙醇燃料 SUHCCI燃燒模式轉(zhuǎn)換平穩(wěn)性的影響523低,發(fā)動機轉(zhuǎn)矩減小,當(dāng)油量減小至過量空氣系數(shù)超過22火花點火對乙醇HCCI燃燒穩(wěn)定性的影響6時,混合氣過稀,出現(xiàn)失火,發(fā)動機工作不穩(wěn),將這一研究過程中,在乙醇HCCI燃燒臨界溫度工況,進邊界定義為失火邊界行了火花點火對HCCI燃燒穩(wěn)定性影響的研究,圖3給如前所述,由HCCI燃燒特點決定的其功率輸出出了1200r/min、點火提前角為30CA、p為02MPa不能滿足發(fā)動機大負荷工況條件下的功率要求,而小有無火花點火時,缸內(nèi)連續(xù)示功圖的對比從圖中可以負荷條件下難以形成HCI燃燒所需的條件,因此,發(fā)看到,無火花點火時,正常燃燒和失火交替出現(xiàn),燃燒動機采用 SI/HCCI復(fù)合燃燒方式是一種可行的方法.循環(huán)波動r大,發(fā)動機不穩(wěn),轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩上下跳動;有基于此,在當(dāng)前試驗系統(tǒng)中,在兩個邊界進行 SI/HCCI火花點火時,由于電火花點燃了火花塞附近的混合氣燃燒模式轉(zhuǎn)換時發(fā)現(xiàn),在爆震邊界附近,缸內(nèi)燃燒溫度缸內(nèi)溫度升高,引燃了缸內(nèi)其他未燃混合氣,基本上消要比失火邊界處高得多,且缸內(nèi)混合氣燃空比要比失除了失火循環(huán)的產(chǎn)生,燃燒循環(huán)變動減小.與文獻[15]火邊界大,本試驗系統(tǒng)中的電火花能量對于乙醇HCCI一樣,進一步提高進氣溫度,該電火花的能量對于改善燃燒的影響不明顯,故在失火邊界進行了1200r/min、HCI燃燒的穩(wěn)定性作用不明顯1300r/min以及1500r/min三個轉(zhuǎn)速工況的試驗,考察火花點火臨界溫度條件下對于改善乙醇HCCI燃燒火花點火穩(wěn)定性的作用,同時進行了火花點火對 SUHCCI燃燒模式轉(zhuǎn)換平穩(wěn)性影響的試驗研究試驗過程中,采用 AVL GM12D型缸壓傳感器、無火花點火r8.7%AVL電荷放大器、光電編碼器、PCI1800高速數(shù)據(jù)采集卡以及相應(yīng)的采集軟件,采集不同工況的示功圖采用PCI8l8HG數(shù)據(jù)采集卡與缸壓同步記錄了轉(zhuǎn)換過程中80-6040-20020p/°CA的發(fā)動機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩,計算平均有效壓力圖3火花點火對HCCI燃燒穩(wěn)定性的影響2試驗結(jié)果及分析23火花點火對S/HCCI燃燒模式轉(zhuǎn)換的影響2.1 SIHCCI混合燃燒模式的工作區(qū)域臨界溫度工況,引入火花點火改善了乙醇HCCI圖2給出了以轉(zhuǎn)速n和平均有效壓力p表示的乙的燃燒穩(wěn)定性,因此,本研究進一步討論了火花輔助點火對整個 SI/HCCI燃燒模式轉(zhuǎn)換的影響.圖4為發(fā)動醇燃料SHCI混合燃燒模式的工作范圍從圖中可機轉(zhuǎn)速1200mim時失火邊界處,有無火花點火對乙以看到隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的升高,乙醇HCⅠ燃燒的工醇燃料失火邊界 SI/HCCI燃燒模式轉(zhuǎn)換的燃燒穩(wěn)定性作范圍逐漸變窄這是由于轉(zhuǎn)速升高平均機械損失壓的影響從圖中可以看到,與沒有火花點火的情況相力隨之增大,導(dǎo)致p下降本試驗條件下,僅靠空氣稀比,存在火花點火時原本不能壓燃、著火、燃燒的稀混釋,乙醇HCI燃燒的p峰值達到0.06MPa,再加濃合氣在電火花的引燃作用下著火燃燒減少了失火循混合氣將產(chǎn)生爆震燃嬈,HC燃燒p的下限為環(huán)產(chǎn)生的機率,改善了乙醇SUHC燃燒模式轉(zhuǎn)換過006~0.20MPa,混合氣過稀將出現(xiàn)失火在兩個邊界渡過程的燃燒在1300rmn和1500rmin轉(zhuǎn)速下,試負荷改變時,必須進行燃燒模式轉(zhuǎn)換驗記錄的 SI/HCCI轉(zhuǎn)換過程中的缸內(nèi)壓力進一步表明,火花點火的確能改善SHCI燃燒模式轉(zhuǎn)換過渡過程的平穩(wěn)性24火花點火對轉(zhuǎn)換過程中轉(zhuǎn)速和p的影響爆震邊界圖5為發(fā)動機轉(zhuǎn)速1200r/min、點火提前角為30°CA時,失火邊界有無火花點火對 SWHCCI燃燒模式轉(zhuǎn)HCCI工L作區(qū)換過失火邊界SL工作區(qū)中國煤化工火花點火明顯改善了120014001600燃燒,因此,過渡過程n/rmin)中發(fā)CNMR低,過渡過程的持續(xù)圖2乙醇SI和HCCI燃燒的工作區(qū)域時間縮短524燃燒科學(xué)與技術(shù)第13卷第6期2001-01-1895[4] Marriott C, Reitz R. Experimental investigation of direct injection-gasoline for premixed compression ignited combustion phasing control[ C] //SAE Paper. Warendale, USA, 2002,2002-無火花點火01-0418[5] Zhao Hua, Ma Tom, Li Jian, et al. Performance and analysis of2a 4-stroke multi-cylinder gasoline engine with CAI combustion020040060000C]//SAE Paper. Warendale, USA, 2002, 2002-01-0420[6] Nebojsa Milovanovic, Stephen Gedge, Jamie Tumer SI-HCCI-SImode transition at different engine operating conditions [C]//圖4火花點火對SU/HC轉(zhuǎn)換過渡過程的影響SAE Paper. Detroit, Michigan, USA, 2005, 2005-01-0156[7 Koopmans L, Lundgren S, Backlund 0, et al. Demonstrating a04}火花點火SI-HCCI-SI mode change on a volvo 5-cylinder electronic valve0.3無火花control engine[ C]//SAE Paper.Detroit, Michigan, USA2003,2003-010753火花點[8] Thring R H. Homogeneous charge compression ignited(HCCI1250無火花點火engines[ CJ// SAE Paper. Detroit, Michigan, USA, 1989, 892068[9] Ishibashi Y, Isomura S, Kudo 0, et al. Improving the exhaust050010001500200025003000emissions of two-stroke engines by applying the activated radicalombustion[ C]//SAE Paper. Detroit, Michigan, USA, 1996圖5火花點火對轉(zhuǎn)換過程中轉(zhuǎn)速和p的影響[10] Blundell D, Tumer J, Duret P, et al. Design and evaluation ofautomotive engine[C]//3結(jié)論trot, Michigan, USA, 2003, 2003-01-040[Il] Kimura S, Ogawa H, Muranaka S, et al. New combustion con-(1)采用快速熱管理系統(tǒng)成功實現(xiàn)了乙醇燃料cept for ultra-clean and high efficiency small DI diesel enginesHCαI燃燒,確定了SI和HCCI兩種燃燒方式的工作范[C] //SAE Paper. Toronto, Ontario, Canada, 1999, 1999-01圍,在乙醇燃料HCCI燃燒的爆震邊界處,p最大可達到0.506MPn在失火邊界處,p為0.06-0.20MP,在12 Jari Hyvoner, Goran haraldsson, Bengt Johansson. Operating不同工況下成功實現(xiàn)了兩種燃燒的相互轉(zhuǎn)換tion mode transfer to SI in a multi-cylinder VCR-HCCI engine(2)在HCCI燃燒的臨界溫度工況下,使用火花輔[C] //SAE Paper. Detroit, Michigan, USA, 2005, 2005-01助點火后,能明顯改善HCCI燃燒的穩(wěn)定性,減小循環(huán)變動溫度升高,電火花的作用不明顯[13] Xu Hongming, Simon Rudolph, Liu Zhi, et al. An imvestigatio(3)火花輔助點火能改善失火邊界 SI/HCCI燃燒into the operating mode transitions of a homogeneous charge模式轉(zhuǎn)換的平穩(wěn)性,但不能完全消除波動因此,結(jié)合pression ignition engine using EGR trapping[ C] //SAE Pap其他的控制手段實現(xiàn) SIHCCI混合燃燒模式的平穩(wěn)過Detroit, Michigan, USA, 2004, 2004-01-1911渡是必要的[14]彭亞平,郭英男,劉金山,等.乙醇燃料SI-HCCI雙燃燒模式發(fā)動機的工作區(qū)域[J].吉林大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版參考文獻:200,37(3):509-512.[1] Onishi S, Souk Hong Jo. Thermo-atmosphere combustion(Ateng Yaping, Guo Yingnan, Liu Jinshan, et al. Operation re-gion of ethanol SI-HCC-SI combustion mode engine[J].JournalAC): A new combustion process for intemal combustion engine[C] //SAE Paper. Detroit, Michigan,USA,1979,790501of Jilin University Engineering and Technology Edition, 200737(3):509-512( in Chinese)2] Yap J D, Karlvosky A, Megaritis M L. An investigation into[15]王志,王建昕,帥石金,等.火花點火對缸內(nèi)直噴汽油機HCCI燃燒的影響[].內(nèi)燃機學(xué)報,2005,23(2):105-gine operation with residual gas trapping[ J]. Fuel,2005, 84中國煤化工2372-2379CNMHin, et al. 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