HCCI的實驗研究VIP

1、汽油和柴油混合燃料均質(zhì)壓燃（HCCI）的試驗研究  來源：本網(wǎng)訊      2007/03/20 鐘紹華1，張永紅1，金國棟2，Miroslaw Lech Wyszynski3，XU Hong-ming3     （1.武漢理工大學 汽車系，武漢 430070；2.華中科技大學機械學院，武漢 430074；3.伯明翰大學，英國）     摘要：汽油和柴油這兩種不同特性的燃料被用作HCCI發(fā)動機的燃料。汽油具有高揮發(fā)性、易霧化和易于形成混合氣的特性，被用來形

2、成均質(zhì)混合氣；柴油具有良好的著火性和可燃性，被用來控制自燃和限制爆震燃燒。期望這兩種特性不同而又相互補充的燃料混合后能夠達到一個折衷的HCCI的燃燒性能。試驗在一個專用于HCCI研究的單缸發(fā)動機上實施，采用兩種中等的壓縮比（10.4和15）和兩種HCCI模式（進氣加熱和負氣門疊開），試驗結果證實了這種期望。結果是：隨著混合燃料中柴油比例的增加，對于進氣加熱模式，HCCI能穩(wěn)定工作所需要的進氣溫度有所降低，對于負氣門疊開模式，缸內(nèi)平均指示壓力和過量空氣系數(shù)的范圍有所擴展，并且兩種方式下HC和NOx的排放均有所減少。     關鍵詞：混合燃料；均質(zhì)壓燃；進氣

3、加熱；負氣門疊開     中圖分類號：TK421 文獻標志碼：A     Experimental Research on HCCI Using Gasoline and Diesel Blended uels ZHONG Shao-hua1，ZHANG Yong-hong1，JIN Guo-dong2，Miroslaw Lech Wyszynski3，XU Hong-ming3     （1.Department of Automotive Engineering，Wuha

4、n University of Technology，Wuhan 430070，China； 2.School of Mechanical Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China； 3.The University of Birmingham，England）     Abstract： Gasoline and diesel，the two fuels with different properties and were blended a

5、s a fuel for HCCI operatiOn.Gasoline fuel，with the features of high volatility，easy vaporization and mixture formation，is used to form the homogeneous charge.While diesel fuel with better ignitability is used to control auto-ignition and knocking in the HCCI environment. The combination of the two d

6、ifferent fuels is expected to get good compromise in HCCI combustion. Experiments conducted with moderate compression ratios（10.4 and 15） and using two modes of HCCI contro1，i.e. intake heating and NVO （Negative Valve Overlap ） received the expected results.With increasing proportion of diesel fuel

7、in the blend，the requirement of intake temperature for knock-free HCCI operation was decreased.Excess air ratio range was extended and emissions of HC and NOx were greatly redused over the HCCI operating range.     Keywords：Blended fuel；HCCI；Intake heating；Negative Valve overlap

8、    引言     HCCI燃燒具有高熱效率和低NOx排放的特點，是一種極具潛力的內(nèi)燃機燃燒模式，它的一個突出優(yōu)點是它對燃料的廣泛適應性。除汽油1和柴油2外，各種代用燃料如甲醇3、乙醇4、天然氣5、氫6、二甲基醚7以及他們的混合物7-9都被試：實是HCCI燃燒的可用燃料。     筆者幾乎研究了上述所有的燃料，部分試驗：列于參考文獻4和文獻9中。研究工作顯示，這些代用燃料作為HCCI燃料都有著它們本身的缺陷，其ItCCI燃燒性能都達不到人們的期望。   

9、  HCCI燃燒是一個全局的自燃過程，它既不同于汽油機的火焰?zhèn)鞑ナ饺紵?，也不同于柴油機的分層燃燒。汽油和柴油是內(nèi)燃機的兩種最基本的燃料。汽油是高辛烷值燃料，有高的揮發(fā)性和低的著火性，作為HCCI發(fā)動機的燃料，要解決的主要問題是如何擴展由失火和爆燃所限制的HCCI工作范圍，還必須考慮汽油著火性的改善。柴油是高十六烷值燃料，有較高的著火性和低的揮發(fā)性，與汽油相比，其更容易自燃而且有較好的抗爆性，柴油作為HCCI發(fā)動機燃料的主要問題則是它的霧化性能，因為它的高沸點使其在燃燒開始之前很難霧化形成很精細的混合氣。     近年來，研究者們采用了

10、包括燃料噴射策略、燃料混合、燃料重整和燃料添加劑等各種物理和化學的試驗方法，提出了各種解決方案和建議。Aceves S M10建議采用添加劑，并得出適當?shù)奶砑觿词故?0×106的微量）能使燃燒提前起動幾乎11°CA；Urushi-hara 11建議用燃料重整去改變?nèi)剂系幕瘜W結構從而增加其著火性；Thomas W Ryan12嘗試了用汽油改變柴油霧化特性的方法；Fujimoto H13也證明了高揮發(fā)性燃料對低揮發(fā)性燃料霧化性能的改善作用。     采用雙燃料和多燃料也被認為是提升HCCI燃燒性能的有效方法。Yasuhiro Dais

11、ho14試驗了用柴油作為多點火源去點燃均質(zhì)天然氣的燃燒方法，并演示了一種稱為均質(zhì)誘燃（HC）的過程，柴油作為導燃燃料被直接噴入氣缸中，用它去點燃天然氣均質(zhì)混合氣。以上研究工作都顯示，柴油有較好的著火性，它能有效地控制HCCI燃燒的起動，然而上述方法需要兩套獨立的供油系統(tǒng)，這增加了系統(tǒng)復雜性。     其他的有關研究例如ZhengZ3、ChenZ7、Masa-hiro8都嘗試了混合不同特性的燃料以及通過調(diào)整燃料的比例來控制燃燒相和燃燒起動時間的方法。     以上事實啟發(fā)了筆者去研究汽油和柴油混合燃料的HCCI燃燒特

12、性，期望混合燃料的著火性能得到改善，爆震燃燒能得到有效地抑制，燃燒過程能得到有效控制。     1試驗裝置和試驗過程     1.1 試驗裝置     本試驗采用了一個447 cm3、四沖程的單缸發(fā)動機，此發(fā)動機在參考文獻 4和文獻9中作了詳細的說明。     本試驗中使用兩種中等壓縮比（10.4和15）。壓縮比為10.4時采用平頂活塞。當壓縮比為15時，使用一個高性能賽車用發(fā)動機活塞，通過在活塞頂部添加凸狀嵌塊，活塞頂部形狀可變，從而

13、得到較大壓縮比和適當?shù)娜紵倚螤?。凸輪軸（可替換）與調(diào)節(jié)帶輪相連接，可在試驗之前通過帶輪手動調(diào)節(jié)氣門正時，以獲得特殊的氣門正時控制策略。在進氣口附近的進氣歧管中，安裝有一個標準低壓噴油器，還安裝有一個兩級串聯(lián)式電加熱器，加熱器可將進氣溫度加熱到450K以上。同時在發(fā)動機上也裝有一個傳統(tǒng)的電子火花點火系統(tǒng)，該系統(tǒng)僅用于發(fā)動機的起動、預熱和SI方式，當發(fā)動機運行在HCCI方式時則將其關閉。發(fā)動機結構參數(shù)見表1。          發(fā)動機和一個直流電測功機相耦合，以使其保持在恒定轉速下工作。同時，還安裝有一套使發(fā)動機工作

14、和對其控制所需的輔助測試系統(tǒng)。     在燃燒室壁上直接安裝有一個Kistler 6125型壓力傳感器，其通過一個Kistler5011電荷放大器與裝在IBM個人計算機上的數(shù)據(jù)采集板相連，并用一個軸端編碼器來采集曲柄轉角脈沖。在LabVIEW程序環(huán)境下開發(fā)的軟件用來記錄和分析100個典型發(fā)動機循環(huán)的氣缸壓力和曲軸轉角的對應關系。     1.2 試驗燃料和試驗過程     試驗燃料包括純汽油和汽、柴油混合燃料。混合燃料以標準的95（RON）無鉛汽油為主燃料，低硫含量的標準柴油

15、（十六烷值53）作為輔助燃料，并將其與汽油以不同質(zhì)量比（見表2）在油箱中預先混合。燃料通過噴油器噴射到進氣歧管中。試驗燃料和方案如表2所示。     本試驗研究了兩種方式下的HCCI燃燒工況。一種是壓縮比為15的進氣加熱方式，通過進氣加熱使混合氣的溫度提高，以使其自燃。在這種方式中，使用8mm升程、260°CA持續(xù)開啟角的凸輪，使用正常的正氣門疊開，氣缸內(nèi)不駐留殘余廢氣。另一種稱為負氣門疊開（NVO）方式，壓縮比為10.4。在此方式中，采用3 mm升程、130°CA持續(xù)開啟角的凸輪，通過凸輪產(chǎn)生的負氣門疊開來截留大量殘余廢氣，利用廢氣

16、的余熱使混合氣自燃。兩種工作方式使用的氣門正時凸輪如圖1所示。               試驗均在293 K的環(huán)境溫度下進行，通過對噴油脈沖寬度、過量空氣系數(shù)和進氣溫度的調(diào)節(jié)，來控制HCCI工作范圍。發(fā)動機在SI方式下起動和預熱，直到潤滑油和冷卻劑的溫度分別達到355K和350K，然后切換進入HCCI方式。此后發(fā)動機在恒定轉速1500r/min和節(jié)氣門全開的狀態(tài)下工作，同時進行數(shù)據(jù)采集。在每個穩(wěn)定工作工況，記錄下缸內(nèi)壓力和廢氣排放物等數(shù)據(jù)，并同時記錄缸內(nèi)平均指示壓力（1ME

17、P）和其變化系數(shù)（COVofIMEP）。     2 試驗結果及其討論     2.1 著火時刻和燃燒持續(xù)期     柴油燃料的添加使混合燃料的可燃性和易燃性都得到改善，使HCCI燃燒起動提前，燃燒持續(xù)期（著火和達到最大壓力時刻之間的時間）縮短。     2.1.1 進氣加熱方式     圖2顯示在壓縮比為15.0、正氣門疊開的進氣加熱方式下，D20、D50兩種燃料對進氣溫度的要求。圖中顯示，低的

18、發(fā)動機負荷要求較高的進氣溫度，隨著發(fā)動機負荷增加，所要求的進氣溫度逐漸降低。還可看出，當柴油在混合燃料中的含量增加（質(zhì)量含量由20%增至50%）時，所需的進氣溫度降低。          圖3顯示了在進氣溫度為380K、進氣壓力為0.1iMPa、發(fā)動機轉速為1 500 r/min、過量空氣系數(shù)（屯）I不同的進氣加熱方式下，D20、D50兩種燃料HCCI刪燒的氣缸壓力曲線?？煽闯觯弘S著過量空氣系數(shù)的刪加，氣缸壓力峰值降低，并且當過量空氣系數(shù)（4。）引2.5逐漸增大時，兩種燃料燃燒的起動均逐漸延遲，刪燒持續(xù)期相應變長。

19、     圖4顯示了在進氣溫度為380K、過量空氣系到2.0、發(fā)動機轉速為1500.r/min、平均有效壓力為0.25 3MPa的進氣加熱方式下，D20、D50兩種燃料HCCI刪燒的氣缸壓力曲線。很明顯，D50燃料能夠在上止劇（TDC）之前很好地著火，并且與D20燃料相比，著火更早，著火時刻明顯提前了5°CA，并且燃燒持續(xù)期縮短。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于純柴油具有更好的可燃性和易燃性（與純汽油相比），更大比例柴油的添加（柴油質(zhì)量含量由20%增加到50%）使混合燃料的可燃性和易燃性得到顯著地提高。     

20、    2.1.2 負氣門疊開方式（NVO）     圖5顯示在過量空氣系數(shù)為2.0、發(fā)動機轉速為1500r/min、平均有效壓力為0.25 MPa的負氣門疊開方式下，D0、D5、D20三種燃料HCCI燃燒的氣缸壓力曲線。          負氣門疊開截留殘余廢氣，可產(chǎn)生HCCI燃燒需要的加熱效果。很明顯，甚至在較低壓縮比10.4的情況下，僅使用一個適度的負氣門疊開便已能誘發(fā)HCCI燃燒，而無需另外進行進氣加熱。從圖5可明顯地看到，混合

21、燃料比純汽油更早著火；即使在汽油中添加少量柴油，例如占5%質(zhì)量比例，也會在著火提前時刻上產(chǎn)生顯著變化。這些都是由于添加柴油提升了混合燃油的易燃性，從而導致始燃時刻的提前。     2.2 HCCI工作范圍的擴大     HCCI燃燒的工作范圍一般用HCCI燃燒的失火界限和爆燃界限來定義。在本試驗中，失火被定義為發(fā)動機不能平穩(wěn)工作，并且其功率輸出急劇下降以至于觀測不到輸出轉矩。而爆燃界限則通過氣缸壓力開始出現(xiàn)高頻率的波動來界定，當發(fā)生爆燃時，發(fā)動機工作粗暴，產(chǎn)生不可忍受的噪聲并且NOx排放也嚴重地惡化。  

22、   2.2.1 進氣加熱方式     圖6中數(shù)據(jù)顯示在過量空氣系數(shù)可變、發(fā)動機轉速為1 500 r/min、正氣門疊開的進氣加熱方式下，D10、D50兩種燃料HCCI燃燒的進氣溫度對平均指示壓力（IMEP）的比較。圖中實心點是發(fā)動機正常平穩(wěn)工作的試驗數(shù)據(jù)點，實線則分別是爆燃界限和失火界限。     可以看出，在過量空氣系數(shù)極值處，兩種混合燃料的許可溫度范圍發(fā)生了明顯的變化。D50燃料有一個稍微低的失火界限和一個明顯高的爆燃界限，與之相比，D10燃料的許可進氣溫度范圍則更窄。也就是說，

23、通過將柴油比例由10%增加到50%，在正常工作的過量空氣系數(shù)范圍，爆燃界限和失火界限分別上升和下降。另外，在每個平均指示壓力處，過量空氣系數(shù)越高，HCCI燃燒所需的進氣溫度就越高。     可以看到，在高過量空氣系數(shù)（高a值）時，因為柴油比例增加，達到爆燃界限所需的進氣溫度也隨之升高，并且隨著發(fā)動機負荷的增加，溫度范圍和過量空氣系數(shù)范圍都逐漸擴寬。     更有實際意義的是：在低過量空氣系數(shù)和低進氣溫度時，柴油的增加使混合燃料HCCI燃燒所需的進氣溫度的最小值降低了近10K，在大部分的負荷范圍內(nèi)低于370 K（10

24、0）。同時，失火界限幾乎與發(fā)動機的負荷無關而保持恒定。          總之，在中等壓縮比的進氣加熱方式下，純汽油的HCCI燃燒很容易達到爆燃界限，但是當在汽油中添加柴油之后，爆燃可被限制在高溫和稀薄（高a值）混合氣的范圍內(nèi)，HCCI燃燒的著火時刻和燃燒過程也可得到控制，從而使過量空氣系數(shù)范圍得到擴展（雖然有更高的加熱需要）。     2.2.2 負氣門疊開（NVO）方式     圖7顯示在低壓縮比10.4的負氣門疊開方：過量空氣系數(shù)

25、（a）和發(fā)動機負荷的許可范圍?？闯?，在圖6和圖7所表示的兩種HCCI燃燒力間，有著實質(zhì)性的差別。     值得注意的是，對于負氣門疊開方式，除少量偶爾情況下，在D0燃料（純汽油）的HCCI燃燒中能夠觀測到輕微爆燃之外，在過量空氣系數(shù)和負荷范圍內(nèi)，觀測不到爆燃，沒有爆燃界限，只有失火的發(fā)生?？赡艿氖Щ鹪蚴?，發(fā)動機在低負荷時，由于混合氣過稀而導致失火，而在高負荷時，則由于過多的燃油和太低缸內(nèi)溫度，致使其淬熄而失火。     圖7還顯示4種燃料HCCI的工作范圍有明顯的不同，高柴油含量的燃料有更寬的過量空氣系數(shù)荷的許可

26、范圍。純汽油的過量空氣系數(shù)為0.95-1.15，相應的平均指示壓力為0.245-0.29 MPa，而當柴油含量為50%時，混合燃料可燃性得到改善，其過量空氣系數(shù)的許可范圍擴大到0.8-1.35，相應的指示壓力為0.16-0.275 MPa。          2.3 HCCI燃燒的穩(wěn)定性     傳統(tǒng)內(nèi)燃發(fā)動機，當燃燒速率太高時，將產(chǎn)生缸內(nèi)壓力的波動。在HCCI燃燒方式中，因為全部混合氣同時參與燃燒，燃燒速率必然很高，因此可通過使用稀薄的預熱新鮮混合氣，或者通過截留殘余廢氣來

27、并加熱可燃混合氣，以使燃料保持稀薄空燃比，HCCI燃燒速率適中，減少缸內(nèi)壓力波動的產(chǎn)生。     一般地，平均指示壓力的變化系數(shù)（COV of IMEP）被認為是HCCI燃燒穩(wěn)定性的評價指標，該系數(shù)可通過記錄100個連續(xù)的發(fā)動機循環(huán)的數(shù)據(jù)求平均而得到，普遍認為該系數(shù)界限值的上限為5%。     圖8顯示在負氣門疊開方式下，當發(fā)動機負荷變化時，D0、D10、D50三種燃料HCCI燃燒的平均指示壓力變化系數(shù)。從圖中可看出，純汽油的燃燒穩(wěn)定性比其他混合燃料要差。在整個范圍內(nèi)，較高柴油含量的D50燃料幾乎所有的測試點的變化

28、系數(shù)都在許可的界限值以下（低于5%）。這也應該歸因于柴油的添加引起了混合燃料可燃性的改善，從而導致HCCI稀薄燃燒穩(wěn)定性的改善。          2.4 廢氣排放     HCCI發(fā)動機的燃燒特點是低溫燃燒和稀薄燃燒。低NOx排放與低燃燒溫度有關，但是當燃燒溫度太低時，則可能會使燃料不能完全氧化。CO排放主要由燃料的不完全氧化產(chǎn)生，HC排放的產(chǎn)生原因則主要是局部的失火和大量的淬熄。     圖9和圖10顯示了在不同負荷時，發(fā)動機分別工

29、作于進氣溫度380K的進氣加熱方式（圖9）和負氣門疊開方式（圖10）時，燃料中的柴油含量對HCCI燃燒排放（CO、HC、NOx）的影響。     從兩圖中可看出，隨著柴油含量的增加，CO的排放變化很?。ǔ嗽谪摎忾T疊開方式下，當混合氣較濃時的高負荷情況之外，如圖7）。還可看出，從高負荷到低負荷，隨著柴油比例的增加，HC和NOx排放均降低（除在進氣加熱方式下的最高負荷外）。產(chǎn)生這些情況的可能原因是：第一，當柴油含量增加時，汽油的揮發(fā)作用和柴油較低的自燃溫度，使得在上止點附近所需的燃燒溫度降低；第二，均質(zhì)混合氣更容易著火，失火的可能性大大降低。這些因素共同促

30、進了HC和NOx排放的降低。          通過比較還可以發(fā)現(xiàn)，在相同的負荷下，與進氣加熱方式相比，負氣門疊開方式下的HCCI燃燒會產(chǎn)生更高的CO、HC排放，甚至一定程度上更高的NOx排放。可能的原因是，負氣門疊開方式是通過截留殘余廢氣采實現(xiàn)均質(zhì)混合氣加熱的，盡管能與進氣加熱方式產(chǎn)生相同的加熱效應（特別是在高負荷時），但該方式截留了大量的殘余廢氣，并且氧氣濃度也較低，因此CO排放迅速地增加。另外，將燃油直接噴入無加熱的進氣管中也是產(chǎn)生高排放的原因。當混合氣溫度不足夠高時，在進氣口壁上很容易形成一層不能揮發(fā)的柴油

31、油膜，這將會導致差的排放。改善此狀況的方法是增加噴油壓力，以保證柴油最大程度的霧化，或者噴射預熱燃油。          3 結論     （1）在中等壓縮比下，使用進氣加熱（壓縮比15.0）和負氣門疊開（壓縮比10.4）兩種方式，均可實現(xiàn)汽油和柴油混合燃料的HCCI燃燒。     （2）柴油在汽油和柴油混合燃料HCCI燃燒中起到了重要的作用，它使混合氣的易燃性增加，使其更傾向于自燃，提前了著火時刻，也縮短了燃燒持續(xù)期，均使兩種工作方式

32、中的爆燃和失火減少。在進氣加熱方式中，爆燃被限制在高過量空氣系數(shù)和高進氣加熱溫度的范圍內(nèi)。而在負氣門疊開方式下，隨著柴油比例的增加，平均指示壓力的范圍也得到了擴展。     （3）當無內(nèi)部廢氣再循環(huán)時，即使壓縮比為15.0，進氣溫度也需達到370 K以上才能實現(xiàn)HCCI燃燒。但若采用汽油和柴油混合燃料，HCCI燃燒所需的進氣溫度則至少可以降低10K。通過采用內(nèi)部廢氣再循環(huán)截留殘余廢氣，甚至在較低壓縮比（10.4）情況下，無需預加熱也可達到合適的HCCI燃燒，并當采用汽油和柴油混合燃料時，在負氣門疊開方式HCCI燃燒的工作范圍可得到明顯地擴展。  

33、;   （4）試驗結果表明，與純汽油相比，汽油和柴混合燃料可獲得更好的HCCI燃燒穩(wěn)定性，并且廢氣排放（特別是HC和NOx）顯示出明顯的改善。對于氣門疊開方式，除在使用純汽油時的少量情況下，可測到輕微的爆燃之外，在整個過量空氣系數(shù)和負荷圍沒有爆燃界限，也沒有觀測到爆燃。     致謝     本文的研究工作是由英國貿(mào)工部資助、由伯明翰大學聯(lián)合Jaguar Cars公司和Johnson Matthey公司；同實施的CHASE項目（受控均質(zhì)壓燃增壓發(fā)動機項目）的一部分。筆者衷心地感謝伯明翰

34、大學工學院；來系統(tǒng)動力組和Jaguars Car公司、Johnson Matthey公司的同事對本研究工作的支持與幫助。     參考文獻：     1 Jacques L, Dabadie J, Angelberger C, et al. Innovative Ultra-Low NOx Controlled Auto-Ignition Combustion Process for Gasoline Engine: The 4-SPACE Project C. SAE Paper 2000-01-1837, 20

35、00.     2 Ryo H, Hiromichi Y. HCCI Combustion in DI Diesel Engine C. SAE Paper 2003-01-0745,2003.     3 Zheng Z, Yao M, Chen Z,et al.Experimental Study on HCCI Combustion of Dimethyl Ether （DME） / Methanol Dual Fuel C. SAE Paper 2004-01-2993,2004.   

36、  4 Yap D, Megaritis A,Wyszynski M L.An Experimental Study of Bioethanol HCCI C. Submitted to Combustion Science and Technology, 2005.     5 Jun D,Iida N. A Study of High Combustion Efficiency and Low CO Emission in a Natural Gas HCCI Engine C. SAE Paper 2004-01-1974,20

37、04.     6 Stenls O, Christensen M, Egnell R, et al. Hydrogen as Homogeneous Charge Compression Ignition Engine Fuel C. SAE Paper 2004-01-1976,2004.     7 Chen Z, Mitsuru K, Mitsuharu O, et al. Experimental Study of CI Natural-Gas/DME Homogeneous Charge EngineC. SAE Paper 2000-01-0329,2001.     8 Masahiro S, Masato K, Ali M. Knock Characteristics and Performance in an SI Engine with Hydrogen