过量空气系数对汽油HCCI燃烧特性的影响

陕西长安大学汽车学院 王娇 刘玮

过量空气系数对汽油HCCI燃烧特性的影响

陕西长安大学汽车学院 王娇 刘玮

均质压燃（HCCI，Homogeneous-Charge Compression-Igintion）采用像汽油机一样的预混均质混合气，当活塞到达上止点附近时，与柴油机一样将均质混合气压缩着火。目前HCCI燃烧面临的最大困难是实现燃烧相位的精确控制。

一、试验装置和数据处理

本试验所用发动机是一台双缸、四冲程、强制水冷、自燃吸气直喷式CT2100Q型柴油机，其具体参数如表1所示。

表 1 发动机主要参数

为实现HCCI燃烧，对该发动机做了部分改造。1#缸保持原机的柴油供给压燃模式，2#缸改为HCCI燃烧运行模式。由1#缸燃用柴油发动机运转，待冷却液温度至90℃，机油温度至80℃左右时，调整发动机转速、进气温度至设定值，稳定后切断1#缸供油，同时给2#缸供油，转为HCCI运行。根据所测平均示功图，利用一零维的放热率计算模型计算燃烧放热规律，计算公式如式（1）所示。

式（1）其中，d QB/dφ为单位曲轴转角的放热量，即瞬时放热率；d W/dφ为单位曲轴转角缸内工质对外做的功，以热能形式表示；d Qω/dφ为气缸周壁的瞬时传热量，d U/dφ为气缸内瞬时内能。

二、试验结果与分析

1. 缸内燃烧压力和瞬时放热率。图1反映了在不同过量空气系数条件下，缸内燃烧压力和瞬时放热率的变化情况。可以看出，随着过量空气系数的逐渐减小，缸内峰值压力和峰值放热率逐渐增大，其出现时刻稍有提前，但变化幅度较小。过量空气系数从3.0减小到2.0时，其峰值压力增大了约1.589Mpa，对应的曲轴转角相差较小。

因为过量空气系数减小意味着混合气浓度增大。当混合气变浓时，单位体积混合气所含的能量增多，放热量增大，化学反应速率加快，有利于缩短燃烧持续期，使得缸内燃烧压力和放热率增大。另一方面，混合气浓度的增加使其比热容比下降，从而降低了缸内压缩终了的温度，使得峰值压力和峰值放热率所对应的曲轴转角相差不明显。

2. 着火时刻和燃烧持续期。本文将燃料累积放热率为10%、50%和90%时所对应的曲轴转角分别表示为CA10、CA50和CA90。其中，CA10被定义为着火时刻，CA10与CA90之间的曲轴转角差值即被定义为燃烧持续期。图2反映了不同过量空气系数对CA10、CA50和燃烧持续期的影响情况。从图中可以看出，随着过量空气系数的增大，CA10和CA50都有所推迟，燃烧持续期也随之延长。

这是由于过量空气系数的增大意味着混合气变稀，而实际每次循环进入气缸内的空气量不变，则喷油量减少，燃料释放总热量减少，滞留废气的温度随之降低，燃烧速度减慢，最后导致点火滞后；另外随着过量空气系数的增大，混合气着火时刻推迟，甚至会出现上止点后自燃，此时活塞将要下行，缸内的燃烧温度和燃烧速度均下降，燃烧放热速率减小，使得燃烧持续期进一步变长。

三、结论

在相同的转速和进气温度条件下，随着过量空气系数的增加，缸内峰值压力和峰值放热率随之减小，对应的曲轴转角变化不大；CA10和CA50相应推迟，燃烧持续期随之延长。