運行參數對汽油HCCI燃燒穩定性和循環變動的影響*

潘江如張春化李陽陽

（1.新疆工程學院；2.長安大學）

運行參數對汽油HCCI燃燒穩定性和循環變動的影響*

潘江如1，2張春化2李陽陽2

（1.新疆工程學院；2.長安大學）

為研究進氣溫度、過量空氣系數和發動機轉速對汽油均質壓燃（HCCI）燃燒穩定性和循環變動的影響，在一臺改造后的試驗發動機上進行相關試驗。試驗結果表明，隨著進氣溫度的升高，循環變動較小，最高燃燒壓力分布較為集中，進氣溫度140℃較為合適；汽油HCCI的燃燒循環變動系數對過量空氣系數不敏感，隨著過量空氣系數的增大，最高燃燒壓力的出現時刻提前；隨著發動機轉速增大，循環變動系數變化不大，最高燃燒壓力的平均值變大，最高燃燒壓力分布集中。

1 前言

為滿足汽車排放法規，人們提出了不同的發動機燃燒方式，如均質壓燃（HCCI）、預混合充量壓燃（PC?CI）、低溫燃燒（LTC）、預混合分層壓燃（PSCCI）等[1]。其中HCCI是通過燃料與空氣形成預混合氣被活塞壓縮、自然著火的燃燒過程，其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碳煙排放，NOx排放也極低。HCCI的燃燒過程控制目前只能通過一些間接控制方法，如通過改變空燃比、使用負氣門重疊技術、加熱進氣溫度、混合氣成分控制、燃料重整、廢氣再循環等方法實現。一般認為HCCI燃燒方式相對火花點火式發動機而言，其循環變動較小，但目前對HCCI循環變動的研究較少。本文通過改變參數，觀察其對汽油HCCI燃燒循環變動的影響，為汽油HCCI發動機的深入研究提供一定的參考[2～6]。

2 試驗裝置和數據處理

2.1 試驗裝置

本試驗所用發動機是一臺2缸四沖程、強制水冷、自然吸氣、直噴式CT2100Q型柴油機。為實現HCCI燃燒，對該發動機做了部分改造，將第2缸改為HCCI試驗測試缸，其相關參數詳見表1，表1中的BTDC（BeforeTop Dead Center）表示上止點前，ATDC（After Top Dead Center）表示上止點后，BBDC（Before Bottom Dead Cen?ter）表示下止點前，ABDC（After Bottom Dead Center）表示下止點后。氣缸壓力通過Kistler 6052A型壓電式傳感器測得，經過5019B型電荷放大器傳至CB566燃燒分析儀，曲軸轉角信號由光電傳感器測得，經PA-500型信號發生器傳至燃燒分析儀。扭矩的測量則是由FST2C（CW25）型電渦流測功機測得。尾氣測量采用AVL公司的Digas4000，可以測量CO、HC、CO2、NOx和O2共5種氣體。為實現燃料與空氣的均質混合，并且能獨立、精確地控制第2缸的供油量，在第2缸的進氣管上加裝了一套電控燃料噴射系統，該噴油系統由噴油器、電動油泵、油壓調節器、噴油控制單元和霍爾傳感器組成。根據汽油要實現HCCI燃燒對進氣溫度的要求，選擇了市場上成熟的進氣溫度加熱系統，串聯在第2缸的進氣管路中，能夠實現試驗所需的進氣溫度水平。試驗證明，該進氣加熱系統能滿足穩定工況下對進氣溫度的加熱要求，通過閉環控制把溫度控制在設定溫度的±1℃內；能夠在較短時間內把進氣溫度從環境溫度加熱到目標溫度，在改變發動機工況的同時滿足試驗對進氣溫度的要求。試驗測試系統詳見圖1。

表1 HCCI試驗測試缸相關參數

2.2 數據處理

表征燃燒循環變動的參數很多，大體可以分為氣缸壓力、與燃燒有關的參數和與火焰前鋒面位置相關的參數（如火焰半徑）3類。由于壓力參數較易測量，因此常用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，既循環變動系數COV（coefficient of variation）[7～10]：

在本文的試驗中，取汽油在HCCI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和60個循環最大燃燒壓力出現時刻進行統計分析，比較不同參數變化對汽油HCCI燃燒穩定性和循環變動的影響。

3 試驗結果分析

3.1 進氣溫度改變對HCCI燃燒穩定性和循環變動的影響

汽油峰值壓力循環變動和出現時刻隨溫度變化的統計分析如圖2和圖3所示，其中，T為進氣溫度，λ為過量空氣系數，n為轉速，-Pmax為峰值壓力平均值，θˉ為峰值壓力出現時刻對應曲軸轉角的平均值，R為某峰值壓力出現的概率。從圖2和圖3可以看出，隨著進氣溫度升高，峰值壓力增大；隨著進氣溫度的進一步升高，每個循環峰值壓力出現變動，循環變動不大，循環變動系數都在4%以下；在進氣溫度為140℃時循環變動系數為1.37%，主要是因為汽油在較高進氣溫度下，輕質餾份揮發較多，反應速率變快，燃燒速度變快，每個循環燃燒出現的時刻相差不大，使得峰值壓力變動較小。同時，隨著進氣溫度的升高，峰值壓力出現時刻越來越集中，峰值壓力出現時刻對應的曲軸轉角滯后，圖3所示進氣溫度改變時峰值壓力出現時刻的曲軸轉角平均值推遲3°左右，規律性較強。就汽油而言，較佳的進氣溫度為140℃，其峰值壓力出現時刻的曲軸轉角在其平均值附近±1°內波動，主要原因一是汽油的組分較復雜，隨著進氣溫度的升高，達到活化能的分子數目增多，反應速率增快，燃燒相位變化較大；二是進氣溫度160℃時，混合氣的溫度已經較高，由于進氣的影響，個別循環的混合氣能量較高，造成缸內峰值壓力偏高，循環不穩定性增加；三是在實際的臺架試驗中，當進氣溫度為160℃時，加熱器控制系統對噴射系統的電路產生電磁干擾，造成個別循環噴油異常。

3.2 過量空氣系數改變對HCCI燃燒穩定性和循環變動的影響

過量空氣系數對汽油峰值壓力循環變動和峰值壓力出現時刻的影響統計分析如圖4和圖5所示。可知混合氣的濃度（即過量空氣系數）對汽油HCCI燃燒循環變動的影響非常有規律，隨著過量空氣系數的減小，峰值壓力平均值增大。產生這種現象的原因主要是混合氣濃度增高，燃料分子數目增多，單位體積內有效碰撞次數增多，燃燒速度加快，放熱率增大，缸內壓力增大。同時，峰值壓力出現所對應的曲軸轉角分布集中，曲軸轉角平均值隨著過量空氣系數的增大相應滯后，其間隔基本上為2°。就汽油而言，在圖示工況下，λ=3.0和λ= 2.5時對循環變動系數的影響不明顯，所有循環的峰值壓力所對應的曲軸轉角在平均值±1.5°范圍內波動[11]。這是因為在這些工況下，各個循環之間的相互影響較小，發動機穩定性較好。而在λ=2.0時，混合氣濃度相對較高，各個循環的自發燃燒時刻變化較大，出現上一個循環的燃燒壓力變動對下一個循環的燃燒產生影響的情況。

3.3 轉速改變對HCCI燃燒穩定性和循環變動的影響

轉速對汽油峰值壓力循環變動和峰值壓力出現時刻的影響統計分析如圖6和圖7所示，其與過量空氣系數的影響變化趨勢類似。轉速對汽油HCCI燃燒循環變動的影響不顯著，隨著轉速升高，峰值壓力平均值增大，且都在平均值周圍。產生這種現象的原因:汽油組分較為復雜，成分主要為不飽和烴，燃燒過程復雜；汽油的辛烷值較低，低辛烷值燃料具有較好的著火性能；相對于λ=3.0和λ=2.5，λ=2.0時混合氣濃度較高，燃料分子數目增多，單位體積內有效碰撞次數增多，反應速率變快，燃燒速率加快，放熱率增大，缸內壓力增大。

由圖7可知，汽油在圖示工況下峰值壓力所對應的曲軸轉角分布集中，峰值壓力出現時刻在曲軸轉角平均值±1.5°范圍內，即轉速對其分布的影響不大，曲軸轉角平均值隨著轉速的升高相應提前。在實際的HCCI發動機中，其著火過程與兩個時間相互聯系，一個是化學反應時間，一個是物理時間，化學反應時間是僅通過化學反應使燃氣溫度達到H2O2分解溫度所需的時間，而物理時間指壓縮時間。在固定的過量空氣系數和初始溫度下，化學反應時間保持不變，而物理時間則隨著發動機轉速的提高而縮短。

1 堯命發，劉海峰.HCCI與低溫燃燒的燃燒技術研究進展與展望.汽車工程學報，2012，2（2）：79～90.

2 潘江如，張春化，魯亞云.變參數對乙醇HCCI燃燒穩定性和循環變動的影響.汽車技術，2014（4）：58～61.

3 吳晗,張春化,佟娟娟，等.EGR對甲醇HCCI發動機性能和運行范圍的影響.長安大學學報（自然科學版），2012，32（5）：102～106.

4 吳晗，張春化，佟娟娟，等.外部EGR甲醇HCCI發動機燃燒特性試驗.甘肅農業大學學報，2013，48（2）：114～118.

5 Ogawa H,Miyamoto N,Kaneko N,et al Combustion control and operating range expansion with direct injection of reac?tion suppressors in a premixed DME HCCI engine.SAE Pa?per.2003-01-0746,2003.

6 Martinez-Frias J,Aceves SM,Flowers D,et al Equivalence ratio EGR control of HCCI engine operation and potential for transition to spark-ignited operation.SAE Paper.2001-01-3613,2001.

7 鄭尊清，堯命發，張波，等.HCCI的燃燒循環變動試驗.天津大學學報（自然科學與工程技術版）,2005,38（6）:485～489.

8 蔣德明.內燃機燃燒與排放學.西安：西安交通大學出版社，2002.

9 Fujikawa T,NomuraY,HattoriY,et al Analysis of cycle-bycycle variation in a direct-injection gasoline engine using laser-induced fluorescence technique.International Journal of Engine Research,2003,4（2）:143～153.

10 Allenby S,ChangW C,Megaritis A,et al Hydrogen enrich?ment:A way to maintain combustion stability in a natural gas fuelled engine with exhaust gas recirculation,the poten?tial of fuel reforming.Proceedings of the IMECHE,Part D: Journal of Automobile Engineering,2001,215（3）:405～418.

11 呂興才,吉麗斌,馬駿駿,等.基礎燃料辛烷值對HCCI燃燒穩定性和循環變動的影響.上海交通大學學報,2007,41（10）:1672～1678.

（責任編輯簾 青）

修改稿收到日期為2015年6月1日。

The Effect of Operating Parameters on Combustion Stability and Cyclical Variation of Gasoline HCCI

Pan Jiangru1,2,Zhang Chunhua2,Li Yangyang2
（1.Xinjiang Institute of Engineering;2.Chang’an University）

In order to study the effects of intake temperature,excess air coefficient and engine speed on combustion stability and cyclical variation of gasoline HCCI,relevant tests are conducted on a modified test engine.The results show that,with the increase of intake temperature,the value of cyclical variation becomes small,distribution of the peak firing pressure is concentrated,140℃is the better intake temperature.Cyclic variations coefficient of gasoline HCCI combustion is insensitive to excess air coefficient.With the increase of excess air coefficient,the time of peak pressure is advanced.With the increase of engine speed,the value of cyclical variation doesn’t change obviously,whereas average value of the peak pressure increases,and distribution of the peak firing pressure is concentrated.

HCCI engine,Cyclical variation,Engine speed,Excess air coefficient,Intake temperature

HCCI發動機 循環變動 發動機轉速 過量空氣系數 進氣溫度

U464

A

1000-3703（2015）08-0029-04

新疆維吾爾自治區高等學校科研計劃重點項目（XJEDU2014I048），陜西省自然科學基礎研究計劃項目（2012JQ7031），中央高校基本科研業務費專項資金資助（2013G1502063），新疆工程學院博士科研基金（2013BQJ091607）。