运行参数对汽油HCCI燃烧稳定性和循环变动的影响*

潘江如张春化李阳阳

（1.新疆工程学院；2.长安大学）

运行参数对汽油HCCI燃烧稳定性和循环变动的影响*

潘江如1，2张春化2李阳阳2

（1.新疆工程学院；2.长安大学）

为研究进气温度、过量空气系数和发动机转速对汽油均质压燃（HCCI）燃烧稳定性和循环变动的影响，在一台改造后的试验发动机上进行相关试验。试验结果表明，随着进气温度的升高，循环变动较小，最高燃烧压力分布较为集中，进气温度140℃较为合适；汽油HCCI的燃烧循环变动系数对过量空气系数不敏感，随着过量空气系数的增大，最高燃烧压力的出现时刻提前；随着发动机转速增大，循环变动系数变化不大，最高燃烧压力的平均值变大，最高燃烧压力分布集中。

1 前言

为满足汽车排放法规，人们提出了不同的发动机燃烧方式，如均质压燃（HCCI）、预混合充量压燃（PC⁃CI）、低温燃烧（LTC）、预混合分层压燃（PSCCI）等[1]。其中HCCI是通过燃料与空气形成预混合气被活塞压缩、自然着火的燃烧过程，其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碳烟排放，NOx排放也极低。HCCI的燃烧过程控制目前只能通过一些间接控制方法，如通过改变空燃比、使用负气门重叠技术、加热进气温度、混合气成分控制、燃料重整、废气再循环等方法实现。一般认为HCCI燃烧方式相对火花点火式发动机而言，其循环变动较小，但目前对HCCI循环变动的研究较少。本文通过改变参数，观察其对汽油HCCI燃烧循环变动的影响，为汽油HCCI发动机的深入研究提供一定的参考[2～6]。

2 试验装置和数据处理

2.1 试验装置

本试验所用发动机是一台2缸四冲程、强制水冷、自然吸气、直喷式CT2100Q型柴油机。为实现HCCI燃烧，对该发动机做了部分改造，将第2缸改为HCCI试验测试缸，其相关参数详见表1，表1中的BTDC（BeforeTop Dead Center）表示上止点前，ATDC（After Top Dead Center）表示上止点后，BBDC（Before Bottom Dead Cen⁃ter）表示下止点前，ABDC（After Bottom Dead Center）表示下止点后。气缸压力通过Kistler 6052A型压电式传感器测得，经过5019B型电荷放大器传至CB566燃烧分析仪，曲轴转角信号由光电传感器测得，经PA-500型信号发生器传至燃烧分析仪。扭矩的测量则是由FST2C（CW25）型电涡流测功机测得。尾气测量采用AVL公司的Digas4000，可以测量CO、HC、CO2、NOx和O2共5种气体。为实现燃料与空气的均质混合，并且能独立、精确地控制第2缸的供油量，在第2缸的进气管上加装了一套电控燃料喷射系统，该喷油系统由喷油器、电动油泵、油压调节器、喷油控制单元和霍尔传感器组成。根据汽油要实现HCCI燃烧对进气温度的要求，选择了市场上成熟的进气温度加热系统，串联在第2缸的进气管路中，能够实现试验所需的进气温度水平。试验证明，该进气加热系统能满足稳定工况下对进气温度的加热要求，通过闭环控制把温度控制在设定温度的±1℃内；能够在较短时间内把进气温度从环境温度加热到目标温度，在改变发动机工况的同时满足试验对进气温度的要求。试验测试系统详见图1。

表1 HCCI试验测试缸相关参数

2.2 数据处理

表征燃烧循环变动的参数很多，大体可以分为气缸压力、与燃烧有关的参数和与火焰前锋面位置相关的参数（如火焰半径）3类。由于压力参数较易测量，因此常用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，既循环变动系数COV（coefficient of variation）[7～10]：

在本文的试验中，取汽油在HCCI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和60个循环最大燃烧压力出现时刻进行统计分析，比较不同参数变化对汽油HCCI燃烧稳定性和循环变动的影响。

3 试验结果分析

3.1 进气温度改变对HCCI燃烧稳定性和循环变动的影响

汽油峰值压力循环变动和出现时刻随温度变化的统计分析如图2和图3所示，其中，T为进气温度，λ为过量空气系数，n为转速，-Pmax为峰值压力平均值，θ¯为峰值压力出现时刻对应曲轴转角的平均值，R为某峰值压力出现的概率。从图2和图3可以看出，随着进气温度升高，峰值压力增大；随着进气温度的进一步升高，每个循环峰值压力出现变动，循环变动不大，循环变动系数都在4%以下；在进气温度为140℃时循环变动系数为1.37%，主要是因为汽油在较高进气温度下，轻质馏份挥发较多，反应速率变快，燃烧速度变快，每个循环燃烧出现的时刻相差不大，使得峰值压力变动较小。同时，随着进气温度的升高，峰值压力出现时刻越来越集中，峰值压力出现时刻对应的曲轴转角滞后，图3所示进气温度改变时峰值压力出现时刻的曲轴转角平均值推迟3°左右，规律性较强。就汽油而言，较佳的进气温度为140℃，其峰值压力出现时刻的曲轴转角在其平均值附近±1°内波动，主要原因一是汽油的组分较复杂，随着进气温度的升高，达到活化能的分子数目增多，反应速率增快，燃烧相位变化较大；二是进气温度160℃时，混合气的温度已经较高，由于进气的影响，个别循环的混合气能量较高，造成缸内峰值压力偏高，循环不稳定性增加；三是在实际的台架试验中，当进气温度为160℃时，加热器控制系统对喷射系统的电路产生电磁干扰，造成个别循环喷油异常。

3.2 过量空气系数改变对HCCI燃烧稳定性和循环变动的影响

过量空气系数对汽油峰值压力循环变动和峰值压力出现时刻的影响统计分析如图4和图5所示。可知混合气的浓度（即过量空气系数）对汽油HCCI燃烧循环变动的影响非常有规律，随着过量空气系数的减小，峰值压力平均值增大。产生这种现象的原因主要是混合气浓度增高，燃料分子数目增多，单位体积内有效碰撞次数增多，燃烧速度加快，放热率增大，缸内压力增大。同时，峰值压力出现所对应的曲轴转角分布集中，曲轴转角平均值随着过量空气系数的增大相应滞后，其间隔基本上为2°。就汽油而言，在图示工况下，λ=3.0和λ= 2.5时对循环变动系数的影响不明显，所有循环的峰值压力所对应的曲轴转角在平均值±1.5°范围内波动[11]。这是因为在这些工况下，各个循环之间的相互影响较小，发动机稳定性较好。而在λ=2.0时，混合气浓度相对较高，各个循环的自发燃烧时刻变化较大，出现上一个循环的燃烧压力变动对下一个循环的燃烧产生影响的情况。

3.3 转速改变对HCCI燃烧稳定性和循环变动的影响

转速对汽油峰值压力循环变动和峰值压力出现时刻的影响统计分析如图6和图7所示，其与过量空气系数的影响变化趋势类似。转速对汽油HCCI燃烧循环变动的影响不显著，随着转速升高，峰值压力平均值增大，且都在平均值周围。产生这种现象的原因:汽油组分较为复杂，成分主要为不饱和烃，燃烧过程复杂；汽油的辛烷值较低，低辛烷值燃料具有较好的着火性能；相对于λ=3.0和λ=2.5，λ=2.0时混合气浓度较高，燃料分子数目增多，单位体积内有效碰撞次数增多，反应速率变快，燃烧速率加快，放热率增大，缸内压力增大。

由图7可知，汽油在图示工况下峰值压力所对应的曲轴转角分布集中，峰值压力出现时刻在曲轴转角平均值±1.5°范围内，即转速对其分布的影响不大，曲轴转角平均值随着转速的升高相应提前。在实际的HCCI发动机中，其着火过程与两个时间相互联系，一个是化学反应时间，一个是物理时间，化学反应时间是仅通过化学反应使燃气温度达到H2O2分解温度所需的时间，而物理时间指压缩时间。在固定的过量空气系数和初始温度下，化学反应时间保持不变，而物理时间则随着发动机转速的提高而缩短。

1 尧命发，刘海峰.HCCI与低温燃烧的燃烧技术研究进展与展望.汽车工程学报，2012，2（2）：79～90.

2 潘江如，张春化，鲁亚云.变参数对乙醇HCCI燃烧稳定性和循环变动的影响.汽车技术，2014（4）：58～61.

3 吴晗,张春化,佟娟娟，等.EGR对甲醇HCCI发动机性能和运行范围的影响.长安大学学报（自然科学版），2012，32（5）：102～106.

4 吴晗，张春化，佟娟娟，等.外部EGR甲醇HCCI发动机燃烧特性试验.甘肃农业大学学报，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 郑尊清，尧命发，张波，等.HCCI的燃烧循环变动试验.天津大学学报（自然科学与工程技术版）,2005,38（6）:485～489.

8 蒋德明.内燃机燃烧与排放学.西安：西安交通大学出版社，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 吕兴才,吉丽斌,马骏骏,等.基础燃料辛烷值对HCCI燃烧稳定性和循环变动的影响.上海交通大学学报,2007,41（10）:1672～1678.

（责任编辑帘 青）

修改稿收到日期为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发动机 循环变动 发动机转速 过量空气系数 进气温度

U464

A

1000-3703（2015）08-0029-04

新疆维吾尔自治区高等学校科研计划重点项目（XJEDU2014I048），陕西省自然科学基础研究计划项目（2012JQ7031），中央高校基本科研业务费专项资金资助（2013G1502063），新疆工程学院博士科研基金（2013BQJ091607）。