負(fù)閥重疊噴射柴油HCCI穩(wěn)態(tài)與切換過程HC排放規(guī)律研究

1、負(fù)閥重疊噴射柴油HCCI穩(wěn)態(tài)與切換過程HC排放規(guī)律研究論文摘要：負(fù)閥重疊噴射柴油HCCI穩(wěn)態(tài)與切換過程HC排放規(guī)律研究-論文關(guān)鍵詞：重疊,噴射,柴油,穩(wěn)態(tài),切換摘要：利用瞬態(tài)HC排放采集系統(tǒng)和瞬態(tài)測(cè)控試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)高壓共軌電噴柴油機(jī)DI與HCCI燃燒模式下和模式間切換過程的燃燒及瞬態(tài)HC排放特性及其對(duì)切換過程的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究比照了DI與HCCI模式內(nèi)及相互切換過程中不同轉(zhuǎn)速，不同負(fù)荷對(duì)燃燒及瞬態(tài)HC排放的影響。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，隨著轉(zhuǎn)速升高，傳熱損失減少，有利于燃油蒸發(fā)，減少HC排放。而轉(zhuǎn)速不變隨著負(fù)荷由小到大，首先缸內(nèi)溫度增加促進(jìn)了燃油蒸發(fā)，從而降低了HC排放，而當(dāng)繼續(xù)增大時(shí)，噴油量繼續(xù)

2、增加導(dǎo)致了不完全蒸發(fā)燃油的增加，從而又使HC排放增加。關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；HCCI；模式切換；瞬態(tài)HC.1.引言HCCI燃燒由于其超低NOx和PM排放，燃油消耗率低等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外研究者的重視。但同時(shí)，該項(xiàng)技術(shù)也面臨燃燒難以直接控制，負(fù)荷范圍小，瞬態(tài)工況不穩(wěn)定，HC，CO排放高等諸多問題。解決上述問題的手段之一便是雙模式運(yùn)行，即中低負(fù)荷時(shí)運(yùn)行在HCCI模式，高負(fù)荷，冷啟動(dòng)及怠速時(shí)運(yùn)行在DI或SI模式。而要實(shí)現(xiàn)雙模式運(yùn)行，就不可防止會(huì)遇到模式之間的瞬態(tài)切換問題。同時(shí)我們注意到，瞬態(tài)過渡工況在發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行中占了相當(dāng)大的比例，造成的排放污染更嚴(yán)重。因此各國(guó)都將瞬態(tài)工況測(cè)試納入了排放法規(guī)

3、的要求中。而研究DI與HCCI切換過程中瞬態(tài)HC變化的，目前國(guó)內(nèi)外還沒有詳細(xì)的研究報(bào)道。本文使用瞬態(tài)HC采集系統(tǒng)，在已改造成高壓共軌電控噴射的單缸135柴油機(jī)上，研究了不同負(fù)荷，不同轉(zhuǎn)速下DI與HCCI切換過程中的HC變化規(guī)律，研究了其對(duì)切換過程控制的影響，為今后的有效控制打下了根底。2試驗(yàn)裝置及方法試驗(yàn)在已改造成高壓共軌電控噴射的單缸135柴油機(jī)上進(jìn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)和試驗(yàn)采用的配氣和噴油相位見表1。表1試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)和配氣和噴油相位 發(fā)動(dòng)機(jī)型式 四沖程、直噴、水冷 缸徑x行程 135mmx150mm 排量 2L 壓縮比 14.8:1 燃燒室型式 噴油壓力 80MPa 氣門數(shù) 4 額定轉(zhuǎn)

4、速 1500rpm 額定功率 18.4kW 噴油器參數(shù)(孔數(shù)x孔徑x夾角) 6x0.19mmx150 EVO 245BTDC EVC 10BTDC IVO 10ATDC IVC 247ATDC DI噴油始點(diǎn) 20BTDC HCCI噴油始點(diǎn) 370BTDC 氣缸壓力采用Kistler6125B型傳感器，輸出電荷信號(hào)通過Kistler5011型電荷放大器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，然后采集。HC采集使用CambustionHFR500瞬態(tài)HC采集系統(tǒng)，響應(yīng)時(shí)間為1.5ms。該系統(tǒng)測(cè)量HC濃度的方法是工業(yè)上普遍采用的火焰離子檢測(cè)法(fid)，該方法是測(cè)量HC濃度的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法。HC測(cè)點(diǎn)為排氣閥出口處。系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如

5、下。圖1試驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖本實(shí)驗(yàn)為了保證切換前后的燃燒穩(wěn)定性，采用切換前后保持IMEPn不變。同時(shí)考慮到NOx排放的要求，切換中選擇的HCCI工況點(diǎn)NOx排放皆為100ppm以下。試驗(yàn)選取了1000rpm，1200rpm和1500rpm三個(gè)轉(zhuǎn)速，每個(gè)轉(zhuǎn)速下選取高中低3個(gè)可穩(wěn)定切換的負(fù)荷點(diǎn)。分別進(jìn)行DI到HCCI和HCCI到DI的切換，通過高壓共軌電控噴油系統(tǒng)改變切換前后的噴油量和噴油始點(diǎn)來(lái)控制IMEPn不變，并采集下缸壓，瞬態(tài)HC，進(jìn)排氣溫度和壓力等參數(shù)。3試驗(yàn)結(jié)果及分析3.1傳統(tǒng)柴油燃燒和HCCI燃燒穩(wěn)態(tài)多工況點(diǎn)總體HC排放比照由圖2可知，總體來(lái)看，轉(zhuǎn)速相同，IMEPn相同條件下，HCCI燃燒時(shí)的

6、HC值是對(duì)應(yīng)DI燃燒時(shí)的410倍。其中由于1000rpm時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的水溫油溫低，缸壁溫度低，不利于燃油的蒸發(fā)，燃油附壁量大，造成HCCI燃燒不充分，未燃油排出比例較高，所以此時(shí)HC值是最大的，是對(duì)應(yīng)DI燃燒時(shí)的810倍，遠(yuǎn)大于1200rpm和1500rpm。隨著轉(zhuǎn)速的升高，缸壁溫度升高，熱損失減少，缸內(nèi)熱氣氛利于燃油的蒸發(fā)，未燃油量比例降低，所以HC值也隨之減小，1200rpm時(shí)HCCI燃燒HC是對(duì)應(yīng)DI燃燒時(shí)的78倍，隨著轉(zhuǎn)速的繼續(xù)升高，燃燒更充分，所以1500rpm時(shí)是對(duì)應(yīng)DI燃燒時(shí)的46倍。在DI范圍內(nèi)來(lái)看，各個(gè)點(diǎn)的HC值都在200ppm以下。雖然總體來(lái)看也呈現(xiàn)隨轉(zhuǎn)速升高，HC值下降的趨勢(shì)

7、。但由于是DI燃燒，本身未燃油量比例就很小，HC值相對(duì)很小，所以各個(gè)點(diǎn)的HC值差距并不明顯。HCCI穩(wěn)態(tài)運(yùn)行范圍內(nèi)，由于HC值量級(jí)大，所以呈現(xiàn)出非常明顯的隨著轉(zhuǎn)速的升高，HC值減小的趨勢(shì)。圖2全轉(zhuǎn)速負(fù)荷下DI與HCCI燃燒穩(wěn)態(tài)HC1500rpmIMEPn0.31MPa這一工況點(diǎn)，DI與HCCI都是HC最小的點(diǎn)，此時(shí)燃油附壁量最小，燃燒最充分，燃油利用率最高。3.2切換過程HC排放研究圖3和4表示了1500rpmIMEPn0.33MPa這一工況點(diǎn)HCCI與DI互相切換過程中HC與缸壓變化。由圖3可以看出，第65個(gè)循環(huán)由DI切換到HCCI后，由于HCCI燃燒是多點(diǎn)同時(shí)著火的預(yù)混合燃燒，所以切換后爆

8、壓逐漸增大。但切換的這一循環(huán)，噴油量和噴油角度突然改變，缸內(nèi)熱平衡被突然打破，所以燃燒不穩(wěn)定，導(dǎo)致切換后的幾個(gè)循環(huán)內(nèi)缸壓都會(huì)有波動(dòng)。隨著燃燒逐漸穩(wěn)定，爆壓才根本穩(wěn)定。由于HCCI燃燒不利于HC的氧化，所以HC值在切換后迅速增大，在切換后的循環(huán)里增大最明顯，然后增大趨勢(shì)逐漸減緩直到穩(wěn)定值。即使燃燒穩(wěn)定后，還有一局部先前附壁的燃油排出氣缸會(huì)使HC值繼續(xù)增大。由圖4可以看到，第59個(gè)循環(huán)由HCCI切換到DI，切換后的第1個(gè)循環(huán)由于燃燒不穩(wěn)定，爆壓減小明顯。此后隨著燃燒逐漸穩(wěn)定爆壓也逐漸穩(wěn)定。從切換到缸壓穩(wěn)定只需幾個(gè)循環(huán)。由于DI燃燒時(shí)HC生成很少，所以HC在切換后迅速減小，切換后的循環(huán)內(nèi)減小明顯，此

9、后隨著燃燒穩(wěn)定而減小趨緩直至穩(wěn)定。圖31500rpmIMEPn0.33MPa時(shí)DI切換HCCI過程HC與缸壓變化圖41500rpmIMEPn0.33MPa時(shí)HCCI切換DI過程HC與缸壓變化1DI切換到HCCI圖5為各轉(zhuǎn)速下DI切換HCCI前后HC比照。由1200rpm時(shí)可知，負(fù)荷為中間值IMEPn0.31MPa時(shí)，HC切換后的穩(wěn)定值最小，切換后也最快到達(dá)穩(wěn)定值，從切換到穩(wěn)定只需要約70個(gè)循環(huán)。負(fù)荷為靠近此轉(zhuǎn)速下HCCI的上邊界和下邊界時(shí)，由于此時(shí)燃燒相比中間負(fù)荷不穩(wěn)定，所以HC切換后的穩(wěn)定值比中間負(fù)荷的大，而其中下邊界HC切換后穩(wěn)定值更大，從切換到穩(wěn)定也更慢。這主要也是由于此時(shí)缸內(nèi)熱效應(yīng)相比

10、噴油量的多少起著更主導(dǎo)的作用。圖5各轉(zhuǎn)速下DI切換HCCI前后HC比照由1500rpm時(shí)可知，負(fù)荷為中間值IMEPn0.31MPa時(shí)，HC切換后的穩(wěn)定值最小，也最快到達(dá)穩(wěn)定值，HC從切換到穩(wěn)定只需要約60個(gè)循環(huán)。負(fù)荷為靠近此轉(zhuǎn)速下HCCI的上邊界和下邊界時(shí)，HC切換后的穩(wěn)定值比中間負(fù)荷的大。而上邊界切換后HC穩(wěn)定值更大。此時(shí)與1200rpm相反，噴油量的多少相比缸內(nèi)熱效應(yīng)起更主導(dǎo)作用。2HCCI切換到DI圖6為各轉(zhuǎn)速下HCCI切換DI前后HC比照。1000rpm時(shí)，切換后HC會(huì)迅速增大，到達(dá)一個(gè)峰值。然后隨著DI燃燒的穩(wěn)定在510個(gè)循環(huán)內(nèi)迅速回落，然后逐漸減小到穩(wěn)定值。HC從切換到穩(wěn)定需要約6

11、0個(gè)循環(huán)。負(fù)荷為中間值IMEPn0.31MPa時(shí)，切換前后的HC值都是最大的，切換后的峰值也最大。由圖7的1000rpmIMEPn0.29MPa時(shí)HCCI切換DI過程放熱率曲線比照我們可以看出，由于在HCCI循環(huán)內(nèi)1000rpm時(shí)缸壁溫度低，不利于燃油蒸發(fā)，有一定的燃油附壁。切換到DI后，附壁在缸內(nèi)的燃油在開始的幾個(gè)DI循環(huán)內(nèi)大量蒸發(fā)，造成放熱率增大，雖然如此，但是還是有一局部會(huì)排出氣缸，造成每循環(huán)內(nèi)排氣內(nèi)未燃油量的總量同時(shí)也在增大，所以HC在HCCI切換到DI后的循環(huán)內(nèi)有峰值現(xiàn)象。圖6各轉(zhuǎn)速下HCCI切換DI前后HC比照?qǐng)D71000rpmIMEPn0.29MPa時(shí)HCCI切換DI過程放熱率由

12、1500rpm時(shí)的情況可知，3種負(fù)荷下，切換后HC都逐漸減小，直到穩(wěn)定值。IMEPn0.31MPa時(shí)，切換前后的HC值皆為最小。此轉(zhuǎn)速下，缸壁溫度都較高，即使切換后油量和噴油角度突變，未燃的油量比例仍然很低，DI燃燒較充分，所以各個(gè)負(fù)荷均未出現(xiàn)峰值現(xiàn)象。圖8和9為等負(fù)荷不同轉(zhuǎn)速DI與HCCI切換前后HC的比照。由圖8以看出，DI切換HCCI時(shí)，相同負(fù)荷，轉(zhuǎn)速越高，切換前后的HC值越小，也最快到達(dá)穩(wěn)定值。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速越高，缸壁溫度越高，燃油蒸發(fā)越好，未燃油量越少，燃燒也更快到達(dá)穩(wěn)定。圖8等負(fù)荷不同轉(zhuǎn)速DI切換HCCI前后HC比照由圖9可以看到，HCCI切換到DI時(shí)，趨勢(shì)與DI切換HCCI時(shí)類似，

13、相同負(fù)荷，轉(zhuǎn)速越高，切換前后的HC值越小，也最快到達(dá)穩(wěn)定值。其原因同DI切換到HCCI的情況。同時(shí)1000rpm時(shí)切換后還是會(huì)出現(xiàn)峰值現(xiàn)象。其原因同上。圖9等負(fù)荷不同轉(zhuǎn)速HCCI切換DI前后HC比照4結(jié)論1低轉(zhuǎn)速1000rpm和中間轉(zhuǎn)速1200rpm的低負(fù)荷IMEPn0.26MPa時(shí)，HCCI切換到DI過程中HC會(huì)出現(xiàn)峰值現(xiàn)象。這主要是由于低轉(zhuǎn)速，低負(fù)荷時(shí)，缸內(nèi)熱氣氛不利于燃油的蒸發(fā)，未燃油量比例大造成的。為了促進(jìn)切換前后燃油蒸發(fā)，就需要引入VVT系統(tǒng)和EGR等手段，這也是今后工作的重點(diǎn)。2相同轉(zhuǎn)速不同負(fù)荷下，1000rpm時(shí)，中間負(fù)荷IMEPn0.31MPa時(shí)切換前后HC值最大，切換后也最慢

14、到達(dá)穩(wěn)定。1200rpm和1500rpm時(shí)，中間負(fù)荷IMEPn0.31MPa時(shí)切換前后HC值皆為最小。這主要是由于此時(shí)熱氣氛增大的效應(yīng)大于油量增大的效應(yīng)，未燃油量較小。3相同負(fù)荷不同轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)速越大，切換前后HC值越小，也最快到達(dá)穩(wěn)定值。4總體來(lái)看，隨著轉(zhuǎn)速升高，傳熱損失減少，有利于燃油蒸發(fā)，減少HC排放，而轉(zhuǎn)速不變隨著負(fù)荷由小到大，首先缸內(nèi)溫度增加促進(jìn)了燃油蒸發(fā)，從而降低了HC排放，而當(dāng)繼續(xù)增大時(shí)，噴油量繼續(xù)增加導(dǎo)致了不完全蒸發(fā)燃油的增加，從而又使HC排放增加。參考文獻(xiàn)1 Guntram A. Lechner, Timothy Jacobs, Christos Chryssakis, Den

15、nis N. Assanis, Robert M.Siewert Evaluation of a Narrow Spray Cone Angle, Advanced InjectionTiming Strategy to Achieve Partially Premixed Compression Ignition Combustionin a Diesel Engine2 W. L. Hardy and R. D. Reitz A Study of the Effects of High EGR, High EquivalenceRatio, and Mixing Time on Emissions Levels in a Heavy-Duty Diesel Engine forPCCI Combustion3 黃為鈞,劉發(fā)發(fā),彭亞平,李宇,郭英男 基于快速熱管理系統(tǒng)的乙醇SI-HCCI-SI模式轉(zhuǎn)換控制策略研究 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)第26卷(2021)第4期 353-3584 Randy P. Hessel, Christopher J. Rutland A New Approach to Model DI-Diesel HCCICombustion for Use in Cycle Simulation Studies5 Nebojsa Milovanovic