运行参数对甲醇HCCI燃烧稳定性和循环变动的影响

潘江如，张春化，鲁亚云

（1.新疆工程学院，新疆 乌 鲁木齐 830091；2.长安大学汽车学院，陕西 西 安 710064；3.新疆职业大学，新疆 乌 鲁木齐 830013）

21世纪以来，内燃机需要满足越来越严格的排放法规，因此，研究人员提出了多种新型燃烧方式，如均质压燃（HCCI）、预混合充量压燃（PCCI）、低温燃烧（LTC）、预混合分层压燃（PSCCI）等［1］。均质压燃（HCCI）是燃料与空气形成的预混合气被活塞压缩、自然着火的燃烧过程，它结合了传统压燃式柴油机和火花点燃式汽油机的优点，能实现与柴油机相当的高热效率和汽油机的无炭烟排放，NOx排放也极低。均质压燃的燃烧过程主要受化学动力学控制，其燃烧过程控制目前只能采用一些间接控制方法，如改变空燃比、使用负气门重叠技术、提高进气温度、混合气成分控制、离子电流和神经网络相结合、燃料重整、废气再循环等方法。这些研究主要是围绕均质压燃的控制策略展开的，对均质压燃燃烧过程控制的研究较少。燃烧循环变动是反映燃烧过程的一个重要参数，深入进行这方面的研究，可为均质压燃燃烧过程的控制提供借鉴。一般认为均质压燃工作方式相对火花点火式发动机而言循环变动较小，目前对HCCI循环变动的研究较少，因此有必要进行研究［2－6］。

1 试验装置和数据处理方法

1.1 试验装置

试验用发动机是1台2缸四冲程、强制水冷、自然吸气、直喷式CT2100Q柴油机。为实现HCCI燃烧，对发动机作了改造，将第2缸改为HCCI试验测试缸，其相关参数见表1。气缸压力通过Kistler 6052A压电式传感器测得，经过5019B电荷放大器传至CB566燃烧分析仪，曲轴转角信号由光电传感器获得，经过与燃烧分析仪配套使用的PA－500型信号发生器传至燃烧分析仪。发动机加载和控制由FST2C（CW25）电涡流测功机完成。试验测试系统见图1。

表1 HCCI试验测试缸相关参数

1.2 数据处理

表征燃烧循环变动的参数很多，大体上可以分为三类：气缸压力；与燃烧有关的参数；与火焰前锋面位置相关的参数，如火焰半径。压力参数比较容易测量，因此常用它来表征燃烧的循环变动。从压力参数出发，可以定义出度量燃烧循环变动的一个重要参数——仿照平均指示压力变动系数，本研究用峰值压力定义循环变动系数（coefficient of variation）［7－10］。

试验中，取甲醇工况下稳定运行60个循环的示功图，对每个循环的最大燃烧压力及其相位的统计进行分析，比较运行参数变化对甲醇HCCI燃烧稳定性和循环变动的影响。

2 试验结果分析

2.1 进气温度对HCCI燃烧稳定性和循环变动的影响

甲醇HCCI峰值压力循环变动及相位随温度的变化见图2和图3，试验转速n＝1 100r／min，过量空气系数a＝2.5。由图可看出，进气温度为140℃时，峰值压力值最大；当进气温度为160℃时，循环变动变大，循环变动系数为12.9%。这主要因为增加进气温度可以增大反应速率，低温和高温峰值放热率均增大并相应提前，燃烧持续期也随之缩短，甲醇在较高进气温度下的燃烧速度变快，每个循环燃烧出现的时刻不同，造成峰值压力变动较大。随着进气温度的增加，甲醇着火时刻过早，燃烧放热速率过快，发生了一定程度的爆震燃烧现象，前一循环的爆震燃烧又影响到后一循环的燃烧，从而发生较大的峰值压力循环变动。但是，随着进气温度的升高，峰值压力相位越来越集中，其平均值趋向于一致，进气温度为140℃和160℃时的峰值压力相位平均值相差0.49°，这也说明调节进气温度可作为控制燃烧时刻的一种方法。

2.2 过量空气系数对HCCI燃烧稳定性和循环变动的影响

过量空气系数对甲醇峰HCCI值压力循环变动和峰值压力相位的影响见图4和图5，试验转速n＝1 100r／min，进气温度t＝160℃。过量空气系数对甲醇HCCI燃烧循环变动的影响较为显著，过量空气系数由2.0增大到2.5，峰值压力的循环变动系数明显增大，同时峰值压力相位分布较为分散，每个循环的峰值压力相位偏离平均值。过量空气系数较小时，峰值压力的循环变动系数较小，同时峰值压力相位集中，所有循环峰值压力相位在平均值±1.5°范围内波动。

由着火理论可知，混合气的着火温度随着过量空气系数减小（即混合气变浓）而降低。同时，甲醇汽化潜热较大，其汽化需要较多的能量，也会造成混合气温度降低。过量空气系数较小a＝2），意味混合气的着火温度降低，由于甲醇汽化潜热产生的混合气温度降低的影响小于过量空气系数减小对混合气着火温度的影响，因此，混合气单位体积内有效碰撞的次数增多，使得燃烧?度增大，循环变动系数较小，燃烧的稳定性较高。过量空气系数较大（a＝2.5和a＝3）时，混合气较稀，单位体积所含燃料量少，放热速率较慢，使得反应速率下降，循环变动系数变大，燃烧的稳定性下降，发生不完全燃烧的可能性大。过量空气系数较大时，混合气的热容作用却相对较大，部分燃烧和失火的发生概率增大，燃烧稳定性?a＝2.0时，相对于a＝2.5和a＝3.0，对混合气温度的影响的容忍度较高，不易产生不完全燃烧，此时，燃烧循环变动最小。

2.3 转速对HCCI燃烧稳定性和循环变动的影响

转速对甲醇HCCI峰值压力循环变动和峰值压力相位的影响见图6和图7，进气温度t＝160℃，a＝2.0。随着转速的升高，甲醇峰值压力变化很大，但循环变动逐渐降低。在n＝1 300r／min时，峰值压力最大，其平均值为7.41MPa，但是其循环波动不大；在n＝700r／min时，峰值压力最小，其平均值为3.42MPa，但是其循环波动较大，循环变动系数为12.54%。分析原因：一方面，HCCI发动机前一个循环的燃烧过程对后一个循环有影响，若上一个工作循环着火迟，则下一个工作循环的着火时刻较早；另一方面，一些循环的最高燃烧压力较大，其对下一个循环的影响较为显著，使得循环间的波动变大。转速过低时，燃烧持续期变长，某些循环出现部分燃烧，循环变动增大。

随着转速的升高，甲醇峰值压力相位越来越集中。对于甲醇而言，进气温度为160℃，a＝2时，n＝1 300r／min是较优的转速，此时峰值压力的平均值最大，峰值压力相位提前，分布在平均值±2°范围内，并且接近正态分布。

3 结论

a）随着进气温度的升高，甲醇HCCI燃烧的循环变动变大，最大燃烧压力分布越来越集中，进气温度为140℃和160℃时的峰值压力相位平均值相差0.49°，说明调节进气温度可作为控制燃烧时刻的一种方法；

b）甲醇HCCI燃烧的循环变动系数对过量空气系数较为敏感；

c）随着发动机转速的升高，甲醇HCCI燃烧的峰值压力平均值变大，循环变动系数变小，峰值压力相位分布集中，因此，对于甲醇，进气温度为160℃，a＝2时，n＝1 300r／min是较优转速。

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