均质压燃式发动机系统的改造及燃烧分析

王茂美, 吕江毅， 成 林, 王谷娜

(北京电子科技职业学院 汽车工程学院, 北京 100176)

均质压燃式发动机系统的改造及燃烧分析

王茂美, 吕江毅， 成 林, 王谷娜

(北京电子科技职业学院 汽车工程学院, 北京 100176)

对实验室原有的依维柯索菲姆柴油发动机进行燃油喷射系统和进排气系统的改造，使其实现均质压燃燃烧方式(HCCI)燃烧方式。同时加装数据和信号采集装置，以基础燃料进行燃烧，利用缸压采集和燃烧分析模块进行数据采集和分析。实验证明，通过对发动机原有燃油喷射系统和进排气系统的改造，完全能够实现HCCI燃烧方式，在过量空气系数λ为2.85左右时，发动机NOx和碳烟的排放能同时降低。可以考虑改进排气系统和燃油喷射系统，将λ控制在理想值附近。

均质压燃燃烧; 过量空气系数; 低负荷失火; 高负荷爆震

0 引 言

NOx和碳烟的排放一直是柴油机排放控制的重点，传统柴油机燃烧方式无法同时降低NOx和碳烟的排放[1]。均质压燃燃烧(HCCI)技术的实现,理论上能从根本上解决该难题，为验证HCCI实际燃烧效果且节省成本，对实验室内的依维柯索菲姆发动机台架系统进行改造，采集相关数据和信号进行分析。实验证明，HCCI燃烧方式完全可行，但是实际的排放结果不是很理想，而且存在基础燃料燃烧范围窄的情况[2]。但是对后续的实验和相关领域的研究人员提供了一种思路：可以尝试在基础燃油中加入不同添加剂改善基础燃料低负荷失火和高负荷爆震的情况。另外，可以考虑改进排气系统和燃油喷射系统，很好地控制燃烧速率和λ，实现NOx和碳烟的同时排放。

1 实验系统的改造

为实现HCCI燃烧方式，需进行燃油喷射系统和进、排气系统的改造；为实时采集缸压信号需对发动机气缸盖等进行相应改造；为采集燃烧排放数据需对发动机排气管进行相应改造。考虑到如果将四缸全部改为HCCI燃烧方式，工作量大，且改造失败会造成整体发动机不能工作，于是决定只对第四缸进行相应改造。按照此设想将实验系统的改造分以下几步进行[3]。

1.1 燃油喷射系统的改造及安装

(1) 进气歧管的改造。 HCCI燃烧方式是在气缸外形成混合气，在第四缸进气歧管尾部焊接凸块以备加装喷油嘴使用[4]。

(2) 供油系统的改造。 将第四缸的喷油器拆下，在出油端口处连接一橡胶软管到油桶，以便在发动机燃烧时将第四缸进油管的油引入油桶。同时将第四缸回油管的两端用螺栓封堵，并加以耐热胶封黏，这样既保证其余三缸能正常回油，也减小了对发动机原有状况的破坏[5]。

(3) 燃料喷射系统的安装。选用北京志阳汽车电喷系统有限公司生产的单喷油嘴带回油系统的喷油器系统，并安装在第一步焊接的凸块上(见图1)，同时选择内置油泵，整个燃油喷射系统硬件设备见图2。

图1 单喷嘴带回油系统的喷油器

(4) 喷油脉宽控制。喷油正时和喷油脉宽都是由发动机电控单元根据各传感器的信号进行分析判断后发出指令控制喷油器动作的。由于第四缸的燃油喷射系统是独立的，且HCCI技术不成熟，没有固定的喷油脉宽，所以本实验第四缸的喷油正时和喷油脉宽由人工操作电脑软件控制完成[6](见图3)。

1.2 排气管的改造及安装

(1) 排气管的改造。为保证能够精确地采集到HCCI燃烧排放的结果，在第四缸排气歧管上钻孔以安装尾气排放仪[7]。

图2 喷油系统安装图

图3 喷油脉宽控制

(2) 排放仪的安装。本实验所采用AVL公司生产的DiGas五气分析仪，直接将探头插入第四缸排气歧管钻孔处，保证能够精确地采集到HCCI燃烧排放数据(见图4)。

图4 AVL五气分析仪

1.3 缸压采集系统的改造及安装

(1) 气缸盖的改造。 为实时采集发动机气缸压力，需要安装缸压传感器(瑞士Kistler公司的6117A火花塞型压力传感器)。为减少对发动机的破坏，对第四缸原有喷油器孔绞螺纹孔使其和缸压传感器相匹配，同时利用耐热封胶封堵缝隙，这样可以比较精确地采集到第四缸得气缸压力数据[8]。

(2) 旋转编码器的安装与调试。 发动机工作时曲轴转角的采集需要用旋转编码器，本实验采用欧姆龙公司生产的E6B3 / E6C4型旋转编码器(见图5)，旋转编码器同时产生A、B、Z 3个信号，A相、B相位差 90°±45°，输出波形(见图6)。本实验利用A信号作为触发信号，Z信号通常用于标定压缩上止点[9]。

图5 旋转编码器的安装

图6 旋转编码器输出波形

2 实验设计

实验设计通过采集基础燃料(90%的异辛烷+10%的正庚烷)燃烧的HCCI发动机缸压、曲轴转角和排放来分析HCCI燃烧的可行性、 低负荷失火及高负荷爆震的特性以及排放特性。

实验中首先直接让发动机4个缸喷油工作，发现第四缸根本不能实现燃烧，发动机抖动剧烈。于是改变计划，先由发动机的另外三缸以传统方式燃烧，当发动机的温度达到50 ℃左右时，让第四缸喷油工作，还是不能实现燃烧。直到发动机温度在60 ℃左右时，第四缸HCCI燃烧方式才得以实现，但是燃烧不稳定。当发动机达到正常运行的温度，即水温95～97 ℃、机油温度93～95 ℃时，将转速稳定在1 400 r/min，对第四缸喷基础燃料进行燃烧，并利用缸压采集和燃烧分析软件分别采集λ=2.35,2.47,2.57,2.67,275,2.85，2.99时的缸压曲线和排放曲线进行分析[10]。

3 实验结果分析

(1) 可行性、失火和爆震点分析。实验结果表明，发动机在热机范围(恒转速1 400 r/min、机油温度及水温90 ℃)内，HCCI燃烧方式是可行的。

通过p-θ示功图(见图7)可以得知，当λ>2.99时，由于喷油脉宽过小，导致HCCI发动机低负荷失火。随着喷油脉宽的增大，λ<2.57时，HCCI燃烧的最大缸压已经超过8 MPa，且缸压曲线出现明显的尖峰，说明发动机燃烧产生爆震状况；λ<2.47时，发动机敲缸现象明显，缸压曲线顶端出现3或4个尖峰，证明该汽缸内的燃烧已处于严重爆震状况[11]。

图7 基础燃料燃烧缸压曲线

(2) 排放性分析。从图8可见，当发动机处于爆燃状态，λ=2.35时，HC排放情况最好，但NOx排放污染严重；λ=2.85时，发动机排放综合指标相最好；λ=2.99时，HCCI混合燃料燃烧不充分出现失火情况，因此HC排放达到最高值[12]。

图8 基础燃料排放

4 结 语

实验证明，通过对柴油机进排气系统和喷油系统进行改造并加装采集、测量设备，以基础燃料进行燃烧分析后，确认该发动机完全能够实现HCCI燃烧方式[13]。通过对低负荷失火点和高负荷爆震特性的分析得知，对HCCI发动机来说，基础燃料的燃烧范围比较窄，后续实验可以在基础燃料中加入不同添加剂来改善HCCI的燃烧状况[14]。另外，发动机燃烧速率的控制可以很好地同时降低NOx和碳烟的排放，可以考虑改进发动机燃油喷射和进排气系统来实现[15]。

[1] 刘志明，郝郑平，沈迪新，等.柴油机排放碳颗粒物和NOx催化净化技术的研究进展[J]. 环境污染·治理技术与设备，2000(5)：78-79.

[2] 郑朝蕾，张庆峰，何祖威,等.适用于HCCI发动机的基础燃料化学动力学模型I：比较现有模型[J]. 内燃机学报，2011，29(1)：36-39.

[3] 韩 智，李 伟，樊文博. K2000E发动机燃油系统冷却改造[J].学术研究，2013(4)：160.

[4] 葛召浩，贾丽娜，程奉雨,等. FSC赛车涡轮增压发动机进气系统的优化设计[J].内燃机技术，2016，54(10)：62-64.

[5] 王 沛，刘福水，商海昆,等. 电控单体泵柴油机供油系统参数对排放特性的影响[J].内燃机工程，2016,36(6)：43-46.

[6] 徐劲松，魏 亮，吴鸿兵,等.高压共轨柴油机喷油控制策略研究[J].车辆与动力工程，2016，47(4)：294-296.

[7] 孙尚超.汽车发动机排气管铣平面夹具的调试与改造[J]. 汽车科技，1994(6)：40-43.

[8] 张洪彦，陆爱玲. 铣气缸盖顶、底面夹具改造[J]. 组合机床与自动化加工技术， 2001(7)：43-44.

[9] 张顺星，梁小宜. 基于旋转编码器及MCGS的电动机测速系统设计与实现[J].自动化与仪器仪表，2014(11)：161-163.

[10] 郭 霆.，龚 嫚，周根明,等.基于LabVIEW的柴油机燃烧分析系统[J]. 机电工程，2013，30(9)：1102-1104.

[11] 王全刚，姚春德，余海涛等.柴油甲醇双燃料燃烧运行边界研究[J]. 工程热物理学报，2014，35(9)：1880-1881.

[12] 马志豪，徐 斌，吴 建,等.采用示功图分析双燃料发动机爆燃特性[J].拖拉机与农用运输车，2003(4)：23-25.

[13] 赵新顺，曹会智，温茂禄,等.HCCI技术的研究现状与展望[J].内燃机工程，2004，25(4)：73-75.

[14] 纪常伟，何 洪，马 慧,等.燃油添加剂对柴油机排放影响的试验研究[J].北京工业大学学报，2004,30(4)：471-473.

[15] 林铁坚，苏万华，裴毅强.柴油机HCCI燃烧过程中自燃着火和燃烧速率控制的研究[J].自然科学进展，2003，13(5)：518-522.

System Transformation and Combustion Analysis of Homogeneous Compression Ignition Engine

WANG Maomei, LÜ Jiangyi, CHENG Lin, WANG Guna

(Automobile Engineering Department, Beijing Polytechnic, Beijing 100176, China)

Homogeneous charge compression ignition combustion is a hot research topic in the field of engine combustion at home and abroad. HCCI combustion can solve the problem that the traditional diesel engine can not reduce NOxand soot at the same time. In order to save cost and achieve the study, the fuel injection system and the inlet and exhaust system of Iveco Sophim diesel engine in laboratory are transformed to get HCCI combustion. Then the data and signal acquisition devices are installed. When the basic fuel is burning, the data acquisition and analysis module are carried out to acquire and analyze the data. Experiments show that by transforming fuel injection system, input and exhaust system, it can achieve HCCI combustion, when the excess air ratio(λ)is about 2.85, NOxand smoke emissions of engine can reduce at the same time, but basic fuel combustion range is narrow, it is easy to misfire at low load and to knock at high load. In order to improve the combustion condition of homogeneous compression ignition, the subsequent experiments or the researchers in this field can try to add different additives to the fuel.

homogeneous charge compression ignition (HCCI); excess air ratio; misfire at low load; knock at high load

2016-11-07

北京电子科技职业学院新能源汽车技术科研团队项目资助(2017)

王茂美(1976-)，女，山东日照人，硕士，讲师，现主要从事汽车节能与排放等方面的研究。

Tel.:13552516304； E-mail:wmmkfg@126.com

吕江毅(1979-)，男，陕西铜川人，副教授，博士在读，主要从事新能源汽车技术研究。

Tel.:13810757302; E-mail:Ljybuaa@163.com

TK 429

A

1006-7167(2017)08-0083-04