复合HCCI与进气道喷射HCCI燃烧特性及运行范围对比

张超，张春化，薛乐

(长安大学汽车学院，交通新能源应用与汽车节能陕西省重点实验室，陕西 西安　710064)



复合HCCI与进气道喷射HCCI燃烧特性及运行范围对比

张超，张春化，薛乐

(长安大学汽车学院，交通新能源应用与汽车节能陕西省重点实验室，陕西 西安710064)

摘要：【目的】 为了进一步改善HCCI的燃烧状况，并拓展其运行范围.【方法】 对缸内直喷与进气道喷射结合下的复合HCCI和仅进气道喷射模式下的HCCI发动机的燃烧特性及运行范围进行了对比.【结果】 复合HCCI的峰值缸内压力、峰值缸内温度和峰值瞬时放热率均有所升高，且对应的曲轴转角有所提前，表明燃烧时刻有所提前.其中，峰值缸内压力较单纯进气道喷射时升高了0.6 MPa，峰值压力对应的曲轴转角平均值提前了1.2 ° CA，燃烧持续期也缩短至10 ° CA左右.【结论】 缸内直喷正庚烷可明显改善正丁醇HCCI的燃烧状况，降低HCCI的循环变动，在一定程度上控制正丁醇HCCI的燃烧相位，使得平均指示压力和指示热效率有所提高，并且使得HCCI发动机的运行范围得到拓展.

关键词：复合HCCI；正庚烷；正丁醇；燃烧特性；运行范围

均质充量压缩着火(HCCI)燃烧方式是对传统燃烧方式的突破，它结合了点燃式发动机和压燃式发动机的优点而受到广泛关注和研究.但在另一方面，HCCI存在燃烧过程不能准确控制和运行范围狭窄等难题[1-2].大量研究表明这主要是由于HCCI的燃烧过程主要受化学反应动力学控制[3].介于此，国内外学者提出多种改善措施,例如进气增压[4]、废气再循环(EGR)[5-7]、结合理化特性互补的燃料以及利用复合燃烧模式[8]等.马骏骏等[9]研究了正庚烷复合HCCI的燃烧特性，发现复合HCCI燃烧方式能够有效拓展HCCI的运行范围.Fang等[10]研究了预喷射量对HCCI-DI复合燃烧发动机的影响，发现随着预喷射量的增加NO排放显著降低.Wang等[11]研究了二甲醚在复合燃烧模式下的发动机燃烧特性，结果表明发动机速度和负荷范围都得到扩大.Das等[12]研究了复合模式(HCCI-DI)下发动机的燃烧稳定性，发现采用复合模式(HCCI-DI)使发动机低负荷运行范围得到了明显拓展.

本文将正丁醇/正庚烷双燃料复合HCCI燃烧模式(进气道喷射正丁醇和缸内直喷正庚烷)与仅进气道喷射正丁醇的HCCI模式进行对比研究，以期为改善HCCI的燃烧状况和拓展其运行范围提供依据.

1试验装置及方法

试验发动机由一台双缸四冲程、自然吸气、强制水冷的柴油机(CT2100Q)改造而成，主要参数如表1所示.

表1　发动机主要参数

试验使用正丁醇与正庚烷2种燃料.醇类燃料中，丁醇相比甲醇及乙醇，热值较高；相比柴油和汽油其汽化潜热较大，故燃烧温度较低，有利于降低NOx的生成.虽然醇类燃料抗爆性较好，但其发火性较差.由此，试验选取了发火性较好的正庚烷作为缸内直喷燃料，正丁醇作为进气道喷射燃料.正庚烷作为一种基础燃料，其性质与柴油相似，但发火性要远远优于柴油，因此其作为柴油的替代研究物得到了内燃机工作者的广泛关注.正丁醇和正庚烷两种燃料的物性参数见表2.

表2　正丁醇及正庚烷的物性参数

试验系统布置如图1所示.其中1#缸保持原柴油机运行模式，2#缸通过在进气道增加了PI喷油器来实现HCCI燃烧模式，并且在2#缸顶部安装了DI喷油器构建直喷系统.2个喷油器都具有各自的控制单元，可以精确控制燃料的喷射量.需要注意的是，2个缸具有独立的进排气系统.直喷系统的高压燃油通过高压氮气进行加压.试验时，由1#缸柴油机模式起动发动机并暖机，待发动机达到正常运行温度后，切断1#缸柴油供给的同时使2#缸以HCCI方式运行；待HCCI运行平稳后，连续测量60个工作循环并将信号由压力传感器经电荷放大器传输至KiBox燃烧分析仪.为了便于对比，试验中首先将缸内直喷相位和缸内直喷压力分别保持在φin=340 °CA和Pin=6 MPa，在试验中保持较低的进气温度为Tin=130 ℃，以研究缸内直喷系统对低进气温度下的燃烧及发动机运行范围的影响.

试验中，用峰值压力的循环变动系数COVPmax来表示循环变动的强弱程度，其值ICOV计算如下：

(1)

由于试验中使用了2种不同的燃料，因此无法直接得出混合之后的混合气的过量空气系数，因此有必要计算出总体的过量空气系数，即两种燃料混合以后的过量空气系数.假设进气道喷射的循环喷油质量(正丁醇)为mb，缸内直喷在一个循环内的缸内直喷燃料(正庚烷)质量为mh.实际发动机运行过程中，空气的循环进气体量为mair.由此而得出，总体的过量空气系数为

(2)

图1　试验系统Fig.1　Schematic of engine test system

2结果与分析

2.1燃烧特性的对比

图2所示为2种模式下缸内压力、压力升高率的对比.可以看出，在加入缸内直喷系统以后，缸内压力峰值较单纯进气道喷射时升高了0.6 MPa，且其峰值出现的位置略有提前；压力升高率峰值也有所增加，且其峰值的位置也有所提前.原因在于，仅在进气道喷射的情况下，因为进气温度较低(为130 ℃)，正丁醇与空气形成均质混合气质量较差，并且较低的进气温度使得缸内化学反应的过程受到影响，因此导致缸内混合气着火稍晚；而在缸内直喷正庚烷后，由于正庚烷十六烷值高、发火性好，首先燃烧并引燃正丁醇，导致缸内压力和压力升高率及其峰值均升高.

图2　缸内压力和压力升高率的对比Fig.2　Cylinder pressure and pressure rise rate

图3所示为2种模式下放热率的对比.可以看出，复合HCCI的放热率峰值有所增大，且其所对应的相位也略有提前.在缸内直喷的参与下，缸内混合气中大部分燃料仍为正丁醇，而正庚烷只占少量，但正庚烷的低热值大于正丁醇，因此少量正庚烷的参与可导致瞬时放热率峰值的增加；又由于正庚烷十六烷值较高，因此缸内混合气的发火性被提高，所以混合气燃烧的整个放热过程略有提前.即使在130 ℃较低的进气温度下，缸内直喷对于改善单纯进气道喷射的HCCI燃烧仍有较明显的效果.

图3　瞬时放热率的对比Fig.3　Heat release rate

图4所示为2种模式下缸内温度的对比.可以看出，复合HCCI喷射模式下，缸内温度峰值略有增加，但总体上，2种模式下缸内温度的差异不显著.这主要是因为正庚烷具有明显的负温度系数现象[13]，即在低温区与高温区中间的阶段，随着混合气的燃烧，链传递反应替代了链分支反应，主要以HO2·+HO2·=H2O2+O2反应为主，生成物如H2O2等较为稳定，因此整个系统的反应速率被降低，导致系统的温度上升较为缓慢，而中温区反应·C7H14OOH→C7H14+HO2、·C7H14OOH→C7H14O+·OH、·C7H14OOH→C4H9CHO+C2H4+·OH和·C7H14OOH→C3H7CHO+C3H6+·OH等对低温氧化有较大的抑制作用.另外，由于此时进气温度为130 ℃，同样也影响了化学反应的速率和放热过程，因此综合影响的结果表现为缸内温度峰值增加量较小，缸内温度在相位上与进气道喷射模式时差异相对较小.

图4　缸内温度的对比Fig.4　Cylinder temperature

图5所示为2种模式下燃烧时刻及燃烧持续期的对比.可以看出，燃烧始点CA05、燃烧中点CA50在加入缸内直喷模式后均有所提前，燃烧持续期有所缩短.随着正庚烷直喷进入气缸内，缸内混合气的发火性变好，即使在进气温度为130 ℃混合气分子碰撞剧烈程度较低时，燃烧始点位置仍然被提前，相应的燃烧中点也被提前，整个燃烧持续期也缩短至10 °CA左右.充分说明，正庚烷参与燃烧使得整个燃烧过程得到了一定的控制.

图5　燃烧时刻的对比Fig.5　Combustion phase

图6所示为2种模式下峰值压力循环变动及其相位分布的对比.从图6-A可以看出，在进气温度Tin=130 ℃时，复合HCCI的峰值压力的循环变动系数变小，峰值压力的平均值明显增加，这主要因为正庚烷有较强的发火性且其低热值较大，同时正庚烷的汽化潜热比正丁醇要小，因此峰值压力得到明显提升.从图6-B可以看出，缸内直喷正庚烷使得峰值压力对应的曲轴转角平均值提前了1.2 °CA.从图6可以得出，当发动机转速保持在1 200 r/min时，缸内直喷系统的加入可使得HCCI在较低的进气温度下运行更加稳定.

为了更进一步研究缸内直喷正庚烷对燃烧循环变动的影响，在试验中进气温度设置为Tin=160 ℃、缸内直喷相位φin=340 °CA和缸内直喷压力Pin=6 MPa，试验针对较高转速的情况下，有无正庚烷缸内直喷系统情况下燃烧的循环变动作以对比分析.

图6　峰值压力循环变动及相位分布的对比Fig.6　Cyclic variation

图7所示为较高转速下2种模式峰值压力燃烧循环变动及其相位分布的对比.从图7-A可以看出，在转速为1 400 r/min时，复合HCCI喷射模式较无缸内直喷参与下循环变动系数明显减小，这是因为正庚烷的参与使得燃烧进行的更加稳定和迅速，上循环对下循环燃烧的不良影响减小，因此循环变动系数显著减小.从图7-B可以看出，峰值压力出现的曲轴转角在缸内直喷参与下时有所提前，这是因为正庚烷的发火性良好，使得燃烧始点和燃烧过程提前，峰值压力出现的位置也相应被提前.图7与图6对比可知，复合HCCI模式在高转速时循环变动系数明显降低，由2.02%降低至1.09%；而在仅进气道喷射HCCI模式在高转速时循环变动系数只有微弱降低，由5.26%降低至5.23%.由此可得，复合HCCI模式对高转速范围的拓展较明显.

2.2运行范围的比较

图8所示为以总过量空气系数和转速表示的HCCI发动机运行范围.可以看出，复合HCCI燃烧对过量空气系数的拓展较为明显，这主要是由于即使总体混合气浓度较稀，但此时缸内混合气有正庚烷和正丁醇2种燃料，而单纯正丁醇燃料时着火性能较差，在混合气过稀时无法正常着火.由于正庚烷的加入，使得总体混合气过量空气系数减小，尽管混合气较浓，但仍可以在复合HCCI模式下燃烧.在转速方面，正庚烷缸内直喷也对转速的运行范围有一定的拓展作用，特别是在混合气较稀时优势比较明显，单纯正丁醇进气道喷射情况下，由于混合气较稀无法正常着火，而在正庚烷缸内直喷参与后，复合HCCI发动机可正常运行.这说明了正庚烷缸内直喷对于正丁醇HCCI的混合气过量空气系数及转速运行范围的拓展有较为明显的效果.

图7　较高转速下峰值压力循环变动及其相位分布的比较Fig.7　Cyclic variation under high speed

图8　以λt和转速表示的HCCI发动机运行范围Fig.8　Operation ranges of λtand speed

如图9所示为以进气温度和平均指示压力表示的HCCI发动机运行范围.可以看出，在较低的进气温度下，正庚烷缸内直喷参与使得平均指示压力的下限拓展较为明显，这是由于正庚烷燃料对较稀混合气的燃烧运行有较明显的改善作用，特别在较低的进气温度下；另一方面，较高进气温度时复合HCCI模式下较浓混合气的运行范围也有所增加，这是因为正庚烷在高温下对正丁醇的助燃作用明显，两种燃料对进气温度都较为敏感，进而对平均指示压力上下限均有拓展作用；经分析知，要在更低的进气温度下进行正丁醇HCCI的燃烧模式，需要更进一步加大正庚烷的直喷量.综上所述，缸内直喷少量正庚烷对正丁醇HCCI的燃烧有着明显的改善作用.

图9　以进气温度和平均指示压力表示的运行范围Fig.9　Operation ranges of intake temperature and IMEP

3结论

复合HCCI模式与单纯进气道喷射HCCI相比，正庚烷直喷系统的加入使得：缸内峰值压力、压力升高率峰值都有所增加，峰值放热率有所增大；且其各自对应的曲轴转角都有所提前.燃烧始点CA05、燃烧中点CA50均有所提前，燃烧持续期缩短.峰值压力的循环变动系数变小，峰值压力平均值增大.正庚烷缸内直喷系统的加入不仅使正丁醇HCCI运行更加平稳，且使得运行范围得到较为明显的拓展.

参考文献

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[3]Aceves S M，Flowers D L，Martinez-Frias J，et al．SAE technical papers[C]．United States：SAE International，2001

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[9]马骏骏，吕兴才，吉丽斌，等．正庚烷复合均质压燃的燃烧与排放特性研究[J]．工程热物理学报，2007，28(增刊2)：197-200

[10]Fang Q，Fang J H，Zhang J，et al．Influences of pilot injection and exhaust gas recirculation (EGR) on combustion and emissions in a HCCI-DI combustion engine[J]．Appl Therm Eng，2012，48：97-104

[11]Wang Y，He L，Zhou J，et al．Study of HCCI-DI combustion and emissions in a DME engine[J]．Fuel，2009，88(11)：2255-2261

[12]Das P，Subbarao P M V，Subrahmanyam J P．SAE technical papers[C]．United States：SAE International，2014

[13]薛乐，燃料在线改质HCCI发动机数值模拟及试验研究[D]．西安：长安大学，2014

(责任编辑李辛)

Comparison of combustion characteristics and operation range between compound HCCI mode and intake pipe injection HCCI mode

ZHANG Chao,ZHANG Chun-hua,XUE Le

(College of Automobile，Key Laboratory of Shanxi Province for Development and Application of New Transportation Energy,Xi’an 710064，China)

Abstract：【Objective】 The aim of this research was to improve homogeneous charge compression ignition (HCCI) combustion and extend the operation range.【Method】 The combustion and operation range were compared between compound HCCI (direct injection and pipe injection combined) and only pipe injection HCCI mode.【Result】 The result showed that the peak of in-cylinder pressure,in-cylinder temperature and instantaneous heat release rate all increased and crank angle also occurred in advance which showed the start timing of combustion was advanced compared to only pipe injection HCCI mode,the peak in-cylinder pressure increased by 0.6 MPa,the crank angle corresponding to the peak pressure was advanced nearly 1.2°CA and the combustion duration reduced about 10°CA.【Conclusion】 It was found that HCCI combustion fuelled with n-butanol was significantly improved by using n-heptane direct injection and cyclic variation was reduced.To some extent,the combustion phase could be controlled,both indicated mean effective pressure(IMEP) and indicated thermal efficiency were improved,so the operation range of compound HCCI was extended.

Key words：compound HCCI;n-heptane;n-butnol;combustion characteristics;operating range

通信作者：张春化，男，教授，博士生导师，研究方向为内燃机代用燃料的应用.E-mail:zchzzz@126.com

基金项目：陕西省自然科学基础研究计划项目(2012JQ7031)；中央高校科研业务费项目(310822151119).

收稿日期：2016-03-16；修回日期：2016-04-08

中图分类号：U 464

文献标志码：A

文章编号：1003-4315(2016)03-0155-06

第一作者：张超(1986-)，男，博士研究生，从事内燃机燃烧及代用燃料方面的研究.E-mail:zhangc6800@163.com