進(jìn)氣溫度對(duì)甲醇HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性和排放的影響

潘江如，張春化，魯亞云

（1.新疆工程學(xué)院 機(jī)械工程系，新疆 烏魯木齊 830091；2.長(zhǎng)安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064；3.新疆職業(yè)大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830013）

0 引言

均質(zhì)壓燃是預(yù)混混合氣在壓縮過程中溫度升高達(dá)到自燃溫度以后所發(fā)生的燃燒現(xiàn)象[1]．要在發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用均質(zhì)壓燃有兩個(gè)關(guān)鍵：1）向混合氣提供足夠的熱量使之能在壓縮上止點(diǎn)附近達(dá)到自燃溫度；2）對(duì)混合氣溫度進(jìn)行控制使之能在最佳曲軸相位達(dá)到自燃溫度開始燃燒，過早將使燃燒粗暴和熱效率下降，過晚將會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)失火．均質(zhì)壓燃是一種全新的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒方式．從表面上看，均質(zhì)壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)是柴油機(jī)和汽油機(jī)的結(jié)合：它像點(diǎn)燃式汽油機(jī)一樣采用預(yù)混的均勻混合氣，又像柴油機(jī)一樣利用壓縮過程所產(chǎn)生的熱使混合氣自燃，不需要使用火花塞來點(diǎn)燃．但實(shí)際上，均質(zhì)壓燃的燃燒過程與點(diǎn)燃式汽油機(jī)以及柴油機(jī)的燃燒過程不同．理想的均質(zhì)壓燃是在整個(gè)燃燒室內(nèi)同時(shí)發(fā)生的燃燒過程，在燃燒過程中物理量在空間的分布是均勻的，僅隨時(shí)間變化．因此，均質(zhì)壓燃在理論上不存在擴(kuò)散現(xiàn)象，是非擴(kuò)散的燃燒過程．由于缸內(nèi)溫度和氣體成分的分布不可能完全均勻，實(shí)際上均質(zhì)壓燃的燃燒過程并不能完全均勻．物理量在空間的分布也不可能完全均勻[2-6]．因此有必要研究一些因素對(duì)其燃燒時(shí)刻和燃燒相位的影響．本研究通過改變進(jìn)氣溫度，觀察其改變時(shí)對(duì)甲醇HCCI燃燒特性和排放的影響，以期為甲醇替代燃料HCCI內(nèi)燃機(jī)的深入研究提供一定的參考．本文中所選的工況為過量空氣系數(shù)為 =2.5，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 100 r/min，甲醇的進(jìn)氣溫度分別為160℃、140℃和135℃，論文中著火時(shí)刻定義為燃燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的燃料時(shí)所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，用CA10表示；燃燒持續(xù)期為燃燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)從10%的燃料到90%燃料所經(jīng)歷的曲軸轉(zhuǎn)角，用CA90表示；燃燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的燃料所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角用CA50表示．

1 實(shí)驗(yàn)裝置和數(shù)據(jù)處理

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)是一臺(tái)兩缸四沖程、強(qiáng)制水冷、自然吸氣、直噴式CT2100Q型柴油機(jī)．為實(shí)現(xiàn)HCCI燃燒，對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)做了部分改造，將2缸改為HCCI試驗(yàn)測(cè)試缸，其相關(guān)參數(shù)詳見表1，氣缸壓力通過Kistler 6052A型壓電式傳感器測(cè)得，經(jīng)過5019B型電荷放大器傳至日本小野生產(chǎn)的CB566燃燒分析儀，曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)光電傳感器測(cè)得，經(jīng)PA-500型信號(hào)發(fā)生器傳至燃燒分析儀．扭矩的測(cè)量則是由FST2C（CW25）型電渦流測(cè)功機(jī)測(cè)得．尾氣的測(cè)量采用的是AVL公司的Digas4000，可以測(cè)量CO、HC、CO2、NO和O25種氣體．為實(shí)現(xiàn)燃料與空氣的均質(zhì)混合，并且能獨(dú)立、精確地控制二缸的供油量，給二缸單獨(dú)安裝一套燃料供給系統(tǒng)，在二缸的進(jìn)氣管上加裝了一套電控燃料噴射系統(tǒng)．噴油系統(tǒng)由噴油器、電動(dòng)油泵、油壓調(diào)節(jié)器、噴油控制單元和霍爾傳感器組成．電控噴油器安裝在距離進(jìn)氣口60cm處，為均質(zhì)混合氣的形成提供足夠的時(shí)間．用霍爾傳感器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)作為噴油系統(tǒng)的噴油觸發(fā)信號(hào)，霍爾傳感器安裝在驅(qū)動(dòng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的油泵齒輪上．根據(jù)乙醇要實(shí)現(xiàn)HCCI燃燒對(duì)進(jìn)氣溫度的要求，本文的試驗(yàn)選擇了市場(chǎng)上成熟的進(jìn)氣溫度加熱系統(tǒng)，所選擇的功率為2 kW，串聯(lián)在二缸的進(jìn)氣管路中，能夠?qū)崿F(xiàn)試驗(yàn)所需的進(jìn)氣溫度水平．試驗(yàn)證明，該進(jìn)氣加熱系統(tǒng)能滿足穩(wěn)定工況下對(duì)進(jìn)氣溫度的加熱要求，通過閉環(huán)控制把溫度控制在設(shè)定溫度的±1℃內(nèi)．能夠在較短的時(shí)間內(nèi)把進(jìn)氣從環(huán)境溫度加熱到目標(biāo)溫度時(shí)，在改變發(fā)動(dòng)機(jī)工況的同時(shí)，改變進(jìn)氣溫度所需時(shí)間較短，滿足試驗(yàn)對(duì)進(jìn)氣溫度的要求．試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)詳見圖1．

表1 試驗(yàn)測(cè)試缸相關(guān)參數(shù)Tab.1 Parameters of test cylinder

1.2 數(shù)據(jù)處理

表現(xiàn)燃燒循環(huán)變動(dòng)的參數(shù)很多，大體上可以分為3類：1）氣缸壓力；2）與燃燒有關(guān)的參數(shù)；3）與火焰前鋒面位置相關(guān)的參數(shù)，如火焰半徑．由于壓力參數(shù)比較容易測(cè)量，因此常用它來表征燃燒的循環(huán)變動(dòng)．從壓力參數(shù)出發(fā)，可以定義出度量燃燒循環(huán)變動(dòng)的一個(gè)重要參數(shù)，仿照平均指示壓力變動(dòng)系數(shù)的定義，用峰值壓力定義本文的循環(huán)變動(dòng)系數(shù)（coefficient of variation）[7-10]．

試驗(yàn)中，取甲醇工況下穩(wěn)定運(yùn)行60個(gè)循環(huán)的示功圖，對(duì)每個(gè)循環(huán)的最大燃燒壓力和每個(gè)循環(huán)最大燃燒壓力出現(xiàn)時(shí)刻的統(tǒng)計(jì)進(jìn)行分析，比較不同參數(shù)變化對(duì)甲醇HCCI燃燒穩(wěn)定性和循環(huán)變動(dòng)的影響．

圖1 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)Fig.1 Test system

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 進(jìn)氣溫度對(duì)甲醇HCCI壓力和壓力升高率的影響

進(jìn)氣溫度對(duì)甲醇缸內(nèi)壓力和壓力升高率的影響如圖2．相關(guān)的試驗(yàn)表明，大多數(shù)的化學(xué)反應(yīng)速率是隨著溫度升高而迅速加快，范特荷夫（Van'thoff）得出反應(yīng)速率隨溫度升高而加快的近似規(guī)律：對(duì)于一般反應(yīng)來講，當(dāng)溫度升高10℃，則化學(xué)反應(yīng)速率在其他條件不變的情況下將增加2～4倍[7]．其他條件不變，隨著進(jìn)氣溫度的升高，活化分子的數(shù)目增多，分子碰撞的幾率增大，化學(xué)反應(yīng)速率增大，反應(yīng)時(shí)間縮短，甲醇峰值壓力增大，甲醇峰值壓力對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角提前，壓力升高率的變化規(guī)律與缸壓變化規(guī)律相同．

2.2 進(jìn)氣溫度對(duì)甲醇HCCI缸內(nèi)溫度和放熱率的影響

圖2 缸壓隨進(jìn)氣溫度的變化Fig.2 Cylinder pressurechanging with varying inlet temperature

圖3 缸內(nèi)溫度和瞬時(shí)放熱率隨進(jìn)氣溫度的變化Fig.3 Thechanging of cylinder temperatureand instantaneousheat releaseratewith varying inlet temperature

圖3 為進(jìn)氣溫度對(duì)缸內(nèi)溫度的影響，即隨著進(jìn)氣溫度的升高，缸內(nèi)溫度升高，缸內(nèi)峰值溫度出現(xiàn)的時(shí)刻提前，這是由于在一定的溫度下，氣體分子總是處于運(yùn)動(dòng)中，隨著進(jìn)氣溫度增高，燃料本身的溫度升高，活化分子的數(shù)量變多，運(yùn)動(dòng)速度同時(shí)增大，化學(xué)反應(yīng)變快，壓縮終了的混合氣溫度也相應(yīng)升高，使自燃時(shí)刻提前．

進(jìn)氣溫度對(duì)瞬時(shí)放熱率的影響見圖3，進(jìn)氣溫度升高，甲醇的瞬時(shí)放熱率增大，這是由燃料的特性決定的，甲醇是單一沸點(diǎn)的化合物，且碳原子數(shù)目較少，進(jìn)氣溫度升高后更容易生成醛類，其瞬時(shí)放熱率增大[8]．

2.3 進(jìn)氣溫度對(duì)甲醇對(duì)燃燒始點(diǎn)和燃燒持續(xù)期的影響

進(jìn)氣溫度對(duì)燃燒始點(diǎn)的影響如圖4所示，由于進(jìn)氣溫度為140℃時(shí)，此時(shí)CA10的對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為0℃A，CA10的值在圖中沒有顯示．隨著進(jìn)氣溫度的升高，燃燒始點(diǎn)提前，甲醇的汽化潛熱較大，熱容也較大，這就需要更多熱量才能實(shí)現(xiàn)甲醇著火所需的溫度，這是因?yàn)镠CCI的自燃著火受化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的控制．研究表明，缸內(nèi)溫度高于900 K以前，甲醇燃料就開始分解出CH2O、OH和H2O等基，隨著溫度的進(jìn)一步升高，甲醇進(jìn)一步分解，反應(yīng)速率變快，生成更多的CH2O，同時(shí)CH2O通過多步鏈?zhǔn)椒磻?yīng)釋放出大量的OH基[9-10]．這些反應(yīng)都是放熱反應(yīng)，促使著火發(fā)生．在整個(gè)反應(yīng)過程中，甲醛對(duì)整個(gè)反應(yīng)的加速作用非常明顯，使得反應(yīng)能夠在較低溫度下進(jìn)行．甲醇氧化生成甲醛所需的初始溫度很低，使得甲醛濃度很高，有利于燃料自燃[11]．

圖4 CA10、CA50和CA90隨進(jìn)氣溫度的變化Fig.4 Thechanging of CA10,CA50and CA90 with varying inlet temperature

進(jìn)氣溫度對(duì)甲醇CA50的影響如圖4．進(jìn)氣溫度升高，甲醇CA50所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角提前，這是因?yàn)槿紵^程中涉及的大多數(shù)基元反應(yīng)是雙分子反應(yīng)，即兩個(gè)分子碰撞并形成兩個(gè)不同的分子，分子獲得的能量超過活化能時(shí)能夠發(fā)生碰撞，溫度是對(duì)活化能影響較大的因素之一，溫度升高后，參與反應(yīng)的分子數(shù)增加，有利于基元反應(yīng)，使得燃燒相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)燃料的時(shí)間縮短．

進(jìn)氣溫度對(duì)甲醇CA90的影響如圖4．進(jìn)氣溫度升高，甲醇燃料的燃燒持續(xù)期縮短，由于溫度升高，參與反應(yīng)的各種基數(shù)量增多，燃燒放出的熱量增加，缸內(nèi)溫度升高，燃燒速度變快，所以燃燒持續(xù)期縮短．

2.4 對(duì)HCCI排放的影響

在一定初始條件下，進(jìn)氣溫度對(duì)甲醇HCCI燃燒排放的影響如圖5．在沒有燃料氮參與的情況下，氮氧化合物的形成主要是由于空氣中的氮通過以下幾種機(jī)理形成：熱力型或澤利多維奇（Zeldovich）機(jī)理、費(fèi)尼莫爾（Fenimore）或快速型機(jī)理和N2O中間體機(jī)理，有越來越多的證據(jù)表明還有第4種機(jī)理即NNH的機(jī)理[12-13]．甲醇的NO排放為零，其原因?yàn)镹O的形成與溫度和其在高溫區(qū)停留的時(shí)間有很大的關(guān)系，由于在本文的工況中，混合氣已經(jīng)稀薄，自身所含有的能量有限，當(dāng)進(jìn)氣溫度為140℃、110℃和160℃時(shí)，缸內(nèi)的峰值溫度較低，NO達(dá)到凍結(jié)溫度，不利于NO 排放的形成，NO 排放應(yīng)該是遵循N2O中間體機(jī)理，因此NO排放為零．

甲醇的CO和HC排放隨著進(jìn)氣溫度的升高而下降，這是因?yàn)檫M(jìn)氣溫度升高以后，反應(yīng)速率提高，產(chǎn)生的自由基較多，缸內(nèi)的溫度升高，有利于CO氧化成CO2．排氣中的未燃碳?xì)涫侨紵式档偷囊粋€(gè)標(biāo)準(zhǔn)，隨著進(jìn)氣溫度的升高，HC的排放下降，這是因?yàn)闇囟壬咭院螅憷湫?yīng)減小，燃燒速度加快，燃燒效率提高，使得狹縫中殘留的HC和壁面潤(rùn)滑油膜所產(chǎn)生的未燃HC參與燃燒，不完全燃燒及失火現(xiàn)象減少．同時(shí)進(jìn)氣溫度升高，燃燒效率的提高造成排氣溫度升高，使得一部分未燃HC在排氣管中被氧化．

圖5 排放隨進(jìn)氣溫度的變化Fig.5 Thechanging of emissionswith varying inlet temperature

3 結(jié)論

1）進(jìn)氣溫度升高，缸內(nèi)壓力和壓力升高率都增大，進(jìn)氣溫度過高壓力升高率太大，發(fā)動(dòng)機(jī)有工作粗暴的傾向．

2）進(jìn)氣溫度升高，缸內(nèi)溫度和瞬時(shí)放熱率變大，甲醇自燃時(shí)刻提前．

3）CH2O在甲醇HCCI燃燒中扮演著十分重要的角色，溫度升高，甲醇分解成CH2O的速率加快，從而造成OH基數(shù)量增加，使得燃燒始點(diǎn)提前，燃燒持續(xù)期縮短．

4）甲醇HCCI燃燒的NO排放很低，在本文的實(shí)驗(yàn)中，其值一直為零，對(duì)進(jìn)氣溫度不敏感，隨著進(jìn)氣溫度升高，燃燒效率提高，HC和CO排放迅速降低．

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