转速和冷却液温度对汽油HCCI燃烧特性和排放的影响

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)



转速和冷却液温度对汽油HCCI燃烧特性和排放的影响

潘江如1，2，张春化2，鲁亚云3

(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)

摘要：为研究转速和冷却液温度对汽油HCCI燃烧特性和排放的影响，在一台改造的试验发动机上进行相关的试验.结果表明:随着转速的增加，转速升高，缸内峰值压力升高，缸内温度变化不大，只是最高温度对应的曲轴转角提前，燃烧始点对转速不敏感，燃烧持续期缩短；当冷却液温度升高，缸内峰值压力和压力升高率升高，瞬时放热率增大，缸内峰值温度和燃烧始点基本不受冷却液温度变化的影响，冷却液温度升高，缸内向外散失的热量减少，燃烧持续期缩短，HC和CO排放减少，由于缸内温度一直不是很高，不利于NOx排放生成，在本次试验中测得的排放为零.

关键词：均质压燃；汽油；燃烧特性；排放；转速；冷却液温度

第一作者：潘江如(1978-)，男，博士，副教授，主要研究方向为内燃机燃烧与排放控制、交通新能源与汽车节能工程.E-mail:pjr1978@126.com

进入21世纪以来，内燃机发展面临越来越严格的环保法规的限制.为满足有害合理排放法规，人们提出了不同的内燃机新型燃烧方式，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，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碳烟排放，NOx排放也极低.均质压燃的燃烧过程主要受化学动力学所控制，其燃烧过程控制目前只能通过一些间接控制方法，如改变空燃比、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HCCI燃烧相位的控制.转速和冷却液温度作为间接控制方法有必要进行深入地研究[2-8].本研究拟通过改变转速和冷却液温度，观察其改变时对汽油HCCI燃烧特性和排放的影响，以期为汽油HCCI内燃机的深入研究提供一定的参考.

1试验装置与方法

1.1试验装置

本试验用发动机是一台两缸四冲程、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2缸改为HCCI试验测试缸，其相关参数详见表1，气缸压力通过Kistler 6052A型压电式传感器测得，经过5019B型电荷放大器传至日本小野生产的CB566燃烧分析仪，曲轴转角信号光电传感器测得，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.试验测试系统详见图1.论文中着火时刻定义为燃烧质量分数为10%的燃料时所对应的曲轴转角，用CA10表示；燃烧持续期为燃烧质量分数从10%的燃料到90%燃料所经历的曲轴转角，用CA90表示；燃烧质量分数为50%的燃料所对应的曲轴转角用CA50表示.

2结果与分析

2.1转速和冷却液温度对HCCI燃烧特性的影响

2.1.1转速对HCCI燃烧特性的影响转速(用n表示)对汽油HCCI燃烧缸压、压力升高率、温度和瞬时放热率的影响如图2所示，在一定条件下，随着发动机转速的升高，缸内峰值压力升高，峰值压力所对应的曲轴转角提前.当转速提高后，活塞速度变快，缸内的燃料和空气碰撞的几率增多，流场变复杂，化学反应速度加快，在膨胀行程缸内的温度和压力下降幅度减小，负功较少.同时，发动机转速对燃烧的影响受化学反应时间和物理时间的共同作用，强烈的气流运动和燃料混合使化学反应速率提高，化学反应时间缩短，转速提高，转过同样曲轴角度的时间缩短，故缸内的峰值压力对应的曲轴转角提前.发动机转速对缸内温度峰值的影响不显著，发动机转速影响的只是峰值温度和瞬时放热率峰值出现的时刻，发动机转速升高，两者峰值所对应的曲轴转角提前，原因如上所述.

图1　试验测试系统Fig.1　Test system

压缩比17∶1排量/L0.85缸径/mm×行程/mm100×105燃烧室类型ω型曲柄连杆比0.32供油方式进气歧管喷射喷油提前角/(°)80°BTDC喷油压力/bar3.8进气门开启角/(°)17°BTDC进气门关闭角/(°)43°ABDC排气门开启角/(°)47°BBDC排气门关闭角/(°)17°ABDC

汽油在λ=2.5，Tin=160 ℃时，转速对CA10、CA50和CA90的影响如图3所示.汽油的燃烧始点不受转速影响，各燃烧始点对应的曲轴转角相同，这是因为在较高的进气温度下，化学反应动力学起主导作用，基元反应速率加快.随着转速的升高，CA50对应的曲轴转角提前，燃烧持续期都缩短.HCCI着火始点是由燃气温度达到H2O2分解温度的时间来决定的，其分解温度大约是1 000 K.在实际的HCCI发动机中，其着火过程是与2个时间相互联系的，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，而物理时间指的是压缩时间.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，但是有利于燃烧进行的基变多，而物理时间则随着发动机转速的提高而缩短，CA50出现的时刻提前.发动机转速对燃烧持续期的影响非常的复杂，随着发动机转速的提高，流场变得复杂，缸内组分变多，同时随着温度的升高，各种基变多，各种基元反应的反应速率变快，燃料的化学活性起着重要的作用，燃烧速度变快，燃烧相应质量分数的燃料所需的时间缩短，较高的发动机转速使燃烧的曲轴转角范围增大的影响不是很明显.

2.1.2冷却液温度对HCCI燃烧特性的影响冷却液温度对汽油HCCI燃烧峰值压力、压力升高率、瞬时放热率和缸内温度的影响如图4所示，冷却液温度升高，缸内峰值压力和压力升高率升高，这是因为冷却液温度升高以后，缸内混合气损失的热量减少，缸内混合气的温度较高，有利于提高反应速率和燃烧速度，缩短燃烧持续期，燃料在上止点附近集中放热，故缸内峰值压力升高.冷却液温度升高，瞬时放热率增大，瞬时放热率的最大值所对应的曲轴转角提前，汽油在冷却液温度为80 ℃时，其值为上止点后8° CA，冷却液温度90 ℃时，其值为上止点后7° CA.冷却液温度升高，缸内温度变化不大，原因为冷却液温度90℃时，其燃烧初期有低温放热阶段，从图中可以看出，此时气缸容积较大，与冷却液接触面积较大，造成一定的散热损失.

图2　转速对缸压、温度和瞬时放热率的影响Fig.2　The effects of cylinder pressure,temperature and instantaneous heat release rate with varying rotation

图3　转速对CA10、CA50和CA90的影响Fig.3　The effects of CA10,CA50and CA90 with varying rotation

图4　冷却液温度对缸压、温度和瞬时放热率的影响Fig.4　The effects of pressure,cylinder temperature and instantaneous heat releaserate with varying coolant temperature

冷却液温度对CA10、CA50和CA90的影响如图5，冷却液温度改变对汽油HCCI燃烧始点基本没有影响.冷却液温度的改变对汽油的CA50和燃烧持续期的还是有影响的，冷却液温度升高，CA50显著提前，燃烧持续期的变化也遵循这一规律，汽油的燃烧持续期缩短2°CA，这是因为随着冷却液温度的升高，燃烧气体向外散失的能量减少，缸内的温度有利于基元反应的进行，燃烧效率提高，达到自燃时刻所需的时间缩短.

图5　冷却液温度对CA10、CA50和CA90的影响Fig.5　The effects of CA10,CA50and CA90 with varying coolant temperature

2.2转速和冷却液温度对HCCI燃烧排放的影响

2.2.1转速对HCCI燃烧排放的影响图6为发动机转速对排放的影响，汽油在图示工况下，转速升高以后，CO的排放下降，这是因为CO氧化被基元反应式CO+OH→CO2+H控制，在边界燃烧的最后燃尽阶段，97%的CO2产物来自于此反应.OH基的浓度会随着燃烧温度的降低而迅速下降，因此，低于一定的温度，OH基的浓度会变低以至于CO反应不能进行完全[7,8].转速升高以后缸内的温度在2 000 K以上，有利于OH基的形成，加之混合气较稀，氧气过量，CO可以顺利的氧化为CO2.NOx排放随着转速升高变化不大，大多数的时候为0，最高浓度也只有1×10-6，产生的原因是缸内局部高温[9-10].

对于HCCI燃烧，未燃HC的生成机理可能为狭缝效应.转速升高以后，缸内的峰值温度大于1 600 ℃，在膨胀过程中，狭缝中逸出的可燃混合气进行部分燃烧，同时排气温度较高，未燃HC在排气道中又部分氧化，造成未燃HC排放减少.

2.2.2冷却液温度对HCCI燃烧排放的影响图7是冷却液温度对HCCI发动机排放的影响曲线，冷却液温度升高后HC和CO排放下降.HCCI发动机的未燃HC的排放主要来自边界层、燃烧室缸壁附近以及狭缝层内，随着冷却液温度的升高，HCCI的燃烧速率提高，燃烧持续期缩短，峰值放热率增大，上述激冷区域的温度上升，有利于未燃HC的燃烧和氧化.当冷却液温度升高时，燃烧效率提高，缸内温度较高，OH基的数目较多，有利于OH基对CO的进一步氧化，同时较高的缸内温度有利于CO在排气中进一步被氧化，从而有助于降低CO的排放.汽油的NOx排放不变，这是由于采用较稀的混合气后，缸内的温度较低，生成NOx的反应被“冻结”.

图6　转速对排放的影响Fig.6　The effects of emissions with varying rotation

图7　冷却液温度对排放的影响Fig.7　The effects of emissions with varying coolant temperature

3结论

发动机转速对汽油HCCI燃烧的影响受化学反应时间和物理时间的共同作用，转速升高，缸内的流场变复杂，基元反应速率变快，缸内峰值压力升高，缸内温度变化不大，只是最高温度对应的曲轴转角提前，燃烧始点对转速不敏感，燃烧持续期缩短；当发动机转速升高后，由于缸内温度升高和氧气充足，HC和CO排放减少，NOx排放稍微增加.

冷却液温度升高，汽油HCCI燃烧缸内峰值压力和压力升高率升高，瞬时放热率增大，瞬时放热率的最大值所对应的曲轴转角提前，缸内峰值温度和燃烧始点基本不受冷却液温度变化的影响，冷却液温度升高，缸内向外辐射的热量减少，燃烧持续期缩短，HC和CO排放减少，由于缸内温度一直不是很高，不利于NOx排放生成，在本次试验中测得的排放为零.

参考文献

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(责任编辑李辛)

Effect of rotation speed and coolant temperature on combustion

characteristic and emissions of gasoline HCCI

PAN Jiang-ru1,2，ZHANG Chun-hua2，LU Ya-yun3

(1.Xinjiang Institute of Engineering,Urumchi 830091,China;2.School of Automobile,Chang′an University,Xi′an

710064,China;3.Xinjiang Vocational University,Urumchi 830013,China)

Abstract：The test was conducted on a modified engine fuelled with gasoline to study the effects the rotation speed and coolant temperature on combustion characteristic and emissions of gasoline HCCI.The results showed that with the increase of rotation,the pressure in cylinder raised,temperature in cylinder changed little,corresponding crank angle for peak temperature was advanced,the combustion start point of HCCI was insensitive to rotation speed and combustion duration shortened.As the coolant temperature increased,peak pressure and rate of pressure rise rate in cylinder raised,the instantaneous heat release rate increased,peak temperature in cylinder basically insusceptible to the change of coolant temperature,the heat loss in cylinder decreased,combustion duration is shortened and HC and CO emissions reduced.Constantly low temperature in cylinder was against NOxformation with zero NOxemissions in the test.

Key words：homogeneous charge compression ignition；gasoline;combustion characteristic;emissions;rotation rate;coolant temperature

收稿日期：2014-12-23；修回日期：2015-03-05

基金项目：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日(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).

中图分类号：Q 464.11

文献标志码：A

文章编号：1003-4315(2015)06-0176-05