運行參數對甲醇HCCI燃燒穩定性和循環變動的影響

潘江如，張春化，魯亞云

（1.新疆工程學院，新疆 烏 魯木齊 830091；2.長安大學汽車學院，陜西 西 安 710064；3.新疆職業大學，新疆 烏 魯木齊 830013）

21世紀以來，內燃機需要滿足越來越嚴格的排放法規，因此，研究人員提出了多種新型燃燒方式，如均質壓燃（HCCI）、預混合充量壓燃（PCCI）、低溫燃燒（LTC）、預混合分層壓燃（PSCCI）等［1］。均質壓燃（HCCI）是燃料與空氣形成的預混合氣被活塞壓縮、自然著火的燃燒過程，它結合了傳統壓燃式柴油機和火花點燃式汽油機的優點，能實現與柴油機相當的高熱效率和汽油機的無炭煙排放，NOx排放也極低。均質壓燃的燃燒過程主要受化學動力學控制，其燃燒過程控制目前只能采用一些間接控制方法，如改變空燃比、使用負氣門重疊技術、提高進氣溫度、混合氣成分控制、離子電流和神經網絡相結合、燃料重整、廢氣再循環等方法。這些研究主要是圍繞均質壓燃的控制策略展開的，對均質壓燃燃燒過程控制的研究較少。燃燒循環變動是反映燃燒過程的一個重要參數，深入進行這方面的研究，可為均質壓燃燃燒過程的控制提供借鑒。一般認為均質壓燃工作方式相對火花點火式發動機而言循環變動較小，目前對HCCI循環變動的研究較少，因此有必要進行研究［2－6］。

1 試驗裝置和數據處理方法

1.1 試驗裝置

試驗用發動機是1臺2缸四沖程、強制水冷、自然吸氣、直噴式CT2100Q柴油機。為實現HCCI燃燒，對發動機作了改造，將第2缸改為HCCI試驗測試缸，其相關參數見表1。氣缸壓力通過Kistler 6052A壓電式傳感器測得，經過5019B電荷放大器傳至CB566燃燒分析儀，曲軸轉角信號由光電傳感器獲得，經過與燃燒分析儀配套使用的PA－500型信號發生器傳至燃燒分析儀。發動機加載和控制由FST2C（CW25）電渦流測功機完成。試驗測試系統見圖1。

表1 HCCI試驗測試缸相關參數

1.2 數據處理

表征燃燒循環變動的參數很多，大體上可以分為三類：氣缸壓力；與燃燒有關的參數；與火焰前鋒面位置相關的參數，如火焰半徑。壓力參數比較容易測量，因此常用它來表征燃燒的循環變動。從壓力參數出發，可以定義出度量燃燒循環變動的一個重要參數——仿照平均指示壓力變動系數，本研究用峰值壓力定義循環變動系數（coefficient of variation）［7－10］。

試驗中，取甲醇工況下穩定運行60個循環的示功圖，對每個循環的最大燃燒壓力及其相位的統計進行分析，比較運行參數變化對甲醇HCCI燃燒穩定性和循環變動的影響。

2 試驗結果分析

2.1 進氣溫度對HCCI燃燒穩定性和循環變動的影響

甲醇HCCI峰值壓力循環變動及相位隨溫度的變化見圖2和圖3，試驗轉速n＝1 100r／min，過量空氣系數a＝2.5。由圖可看出，進氣溫度為140℃時，峰值壓力值最大；當進氣溫度為160℃時，循環變動變大，循環變動系數為12.9%。這主要因為增加進氣溫度可以增大反應速率，低溫和高溫峰值放熱率均增大并相應提前，燃燒持續期也隨之縮短，甲醇在較高進氣溫度下的燃燒速度變快，每個循環燃燒出現的時刻不同，造成峰值壓力變動較大。隨著進氣溫度的增加，甲醇著火時刻過早，燃燒放熱速率過快，發生了一定程度的爆震燃燒現象，前一循環的爆震燃燒又影響到后一循環的燃燒，從而發生較大的峰值壓力循環變動。但是，隨著進氣溫度的升高，峰值壓力相位越來越集中，其平均值趨向于一致，進氣溫度為140℃和160℃時的峰值壓力相位平均值相差0.49°，這也說明調節進氣溫度可作為控制燃燒時刻的一種方法。

2.2 過量空氣系數對HCCI燃燒穩定性和循環變動的影響

過量空氣系數對甲醇峰HCCI值壓力循環變動和峰值壓力相位的影響見圖4和圖5，試驗轉速n＝1 100r／min，進氣溫度t＝160℃。過量空氣系數對甲醇HCCI燃燒循環變動的影響較為顯著，過量空氣系數由2.0增大到2.5，峰值壓力的循環變動系數明顯增大，同時峰值壓力相位分布較為分散，每個循環的峰值壓力相位偏離平均值。過量空氣系數較小時，峰值壓力的循環變動系數較小，同時峰值壓力相位集中，所有循環峰值壓力相位在平均值±1.5°范圍內波動。

由著火理論可知，混合氣的著火溫度隨著過量空氣系數減小（即混合氣變濃）而降低。同時，甲醇汽化潛熱較大，其汽化需要較多的能量，也會造成混合氣溫度降低。過量空氣系數較小a＝2），意味混合氣的著火溫度降低，由于甲醇汽化潛熱產生的混合氣溫度降低的影響小于過量空氣系數減小對混合氣著火溫度的影響，因此，混合氣單位體積內有效碰撞的次數增多，使得燃燒?度增大，循環變動系數較小，燃燒的穩定性較高。過量空氣系數較大（a＝2.5和a＝3）時，混合氣較稀，單位體積所含燃料量少，放熱速率較慢，使得反應速率下降，循環變動系數變大，燃燒的穩定性下降，發生不完全燃燒的可能性大。過量空氣系數較大時，混合氣的熱容作用卻相對較大，部分燃燒和失火的發生概率增大，燃燒穩定性?a＝2.0時，相對于a＝2.5和a＝3.0，對混合氣溫度的影響的容忍度較高，不易產生不完全燃燒，此時，燃燒循環變動最小。

2.3 轉速對HCCI燃燒穩定性和循環變動的影響

轉速對甲醇HCCI峰值壓力循環變動和峰值壓力相位的影響見圖6和圖7，進氣溫度t＝160℃，a＝2.0。隨著轉速的升高，甲醇峰值壓力變化很大，但循環變動逐漸降低。在n＝1 300r／min時，峰值壓力最大，其平均值為7.41MPa，但是其循環波動不大；在n＝700r／min時，峰值壓力最小，其平均值為3.42MPa，但是其循環波動較大，循環變動系數為12.54%。分析原因：一方面，HCCI發動機前一個循環的燃燒過程對后一個循環有影響，若上一個工作循環著火遲，則下一個工作循環的著火時刻較早；另一方面，一些循環的最高燃燒壓力較大，其對下一個循環的影響較為顯著，使得循環間的波動變大。轉速過低時，燃燒持續期變長，某些循環出現部分燃燒，循環變動增大。

隨著轉速的升高，甲醇峰值壓力相位越來越集中。對于甲醇而言，進氣溫度為160℃，a＝2時，n＝1 300r／min是較優的轉速，此時峰值壓力的平均值最大，峰值壓力相位提前，分布在平均值±2°范圍內，并且接近正態分布。

3 結論

a）隨著進氣溫度的升高，甲醇HCCI燃燒的循環變動變大，最大燃燒壓力分布越來越集中，進氣溫度為140℃和160℃時的峰值壓力相位平均值相差0.49°，說明調節進氣溫度可作為控制燃燒時刻的一種方法；

b）甲醇HCCI燃燒的循環變動系數對過量空氣系數較為敏感；

c）隨著發動機轉速的升高，甲醇HCCI燃燒的峰值壓力平均值變大，循環變動系數變小，峰值壓力相位分布集中，因此，對于甲醇，進氣溫度為160℃，a＝2時，n＝1 300r／min是較優轉速。

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