摘要
基于一台双缸柴油机,结合自行设计开发的纯氧进气系统进行试验,研究了不同进气氧体积分数对正庚烷均质压燃燃烧过程及稳定性的影响。试验结果表明,随着混合气中氧体积分数降低,二氧化碳体积分数增加,缸内平均比热容不断增大,使得缸内最高燃烧温度降低,其对应的峰值相位推迟,燃烧始点推迟,放热率峰值下降,热效率降低;同时发现随着二氧化碳体积分数的增加,缸内温度会随之降低,使得燃烧循环不稳定性增强。以上现象均表明较高的二氧化碳体积分数能够有效抑制纯氧氛围下正庚烷均质压燃。此外,试验发现了纯氧氛围下正庚烷均质压燃负温度系数区间持续时间大幅缩短现象。
作为交通运输领域的主要动力源,在“碳达峰、碳中和”的巨大压力下,内燃机产业正面临来自动力电池与燃料电池的严峻挑战。然而,内燃机所具备的高能量密度、快速补能能力以及成熟的产业链体系让其仍然会在未来数十年内在交通领域发挥重要作
目前基于传统内燃机实现碳中和的路径,均质压燃(HCCI)燃烧技术在内燃机提高热效率和降低排放方面显示出巨大潜力,成为内燃机燃烧研究的前沿和热点。在均质压燃燃烧技术不断发展过程中,提出了将具有较低的自燃温度和良好的挥发性的正庚烷作为均质压燃燃烧技术的燃料。2006年,俎琳琳
本文基于1999年Bilger所提出的ICRC概
为解决上述问题,本文提出采用压燃着火模式规避明显的火焰传播过程,进而在内燃兰金循环中实现高压缩比使用。与扩散燃烧相比,均质压燃通过提前制备均质混合气,有效避免高温缺氧导致的颗粒物生成,因而可以在压燃式内燃兰金循环中实现超低的颗粒物排放。本文基于一台改造的双缸柴油机,通过进气道喷射正庚烷,利用正庚烷的高挥发特性,制备正庚烷与氧气的均质混合气,进而验证正庚烷在纯氧氛围下均质压燃燃烧的可行性与燃烧过程特征参数,并为进一步研究均质压燃模式下ICRC燃烧过程、循环效率与排放特性提供基础。
均质压燃(homogeneous charge compression ignition, HCCI)‒ICRC原理样机基于一台双缸水冷柴油机改造而来,主要由燃油喷射系统、纯氧进气系统、高温高压水供给系统、CompactRIO控制系统与数据采集系统组成。以该原理样机为基础,在其第一缸的独立进气道中增加进气道燃油喷射系统,将其改造为进气道喷油式发动机,通过在进气道喷射正庚烷来实现均质压燃所需的均质混合气制备。与此同时,在该汽缸缸盖上打孔以布置Kistler 6052C缸内压力传感器实现实时的缸内压力测量,并安装特质缸内高温高压水喷嘴,以实现纯氧氛围下正庚烷均质压燃燃烧过程中的缸内高温水喷射。搭建完成的原理样机相关技术参数如
参数 | 说明 |
---|---|
型式 | 双缸、水冷、四冲程 |
缸径/mm×冲程/mm | 95×114 |
排量/mL | 1 616 |
原机压缩比 | 17∶1 |
燃料供给方式 | 进气道喷射 |
过热水供给方式 | 缸内直喷 |

图 1 HCCI‒ICRC发动机试验台架示意图
Fig. 1 Schematic diagram of HCCI‒ICRC engine test stand
1.发动机;2.联轴器;3.光电编码器;4.缸内压力传感器;5.火花塞;6.喷水喷嘴;7.HC/NOx排放仪;8.氧传感器;9.尾气温度传感器;10.电子节气门;11.空气流量计;12.喷气喷嘴;13.减压阀;14.压力表;15.温控加热带;16.节流阀;17.体积流量计;18.球阀;19.电荷放大器
HCCI‒ICRC工作过程中采用纯氧代替空气作为助燃剂与正庚烷燃烧,为保障试验过程缸内燃烧的稳定可控,需要采用废气再循环的方法对每循环进入缸内的氧气含量进行调控。在本文所开发的HCCI‒ICRC原理样机中,使用在线混合的O2/CO2混合气来模拟废气再循环,通过节流阀来实时调控进入燃烧室的O2/CO2比例,从而实现HCCI‒ICRC燃烧速率的优化控制。本文搭建的HCCI‒ICRC原理样机纯氧进气系统如

图 2 HCCI‒ICRC原理样机纯氧进气系统示意图
Fig. 2 Schematic diagram of oxygen intake supply system of HCCI-ICRC prototype engine
1.减压阀;2.压力表;3.温控加热带;4.节流阀;5.体积流量计;6.稳压罐;7.压力指示表;8.压力传感器;9.温度传感器;10.控制阀门;11.V锥流量计;12.电子节气门;13.空气流量计;14.气体喷嘴
为确定正庚烷循环供油量的大小以实现每循环空燃比的精确控制,首先需要对本文所使用的正庚烷的喷嘴流量特性进行测量。在HCCI‒ICRC原理样机试验开始前,将正庚烷进气道喷射压力调整为与试验相一致的0.22 MPa,利用所开发的电控系统来控制电磁阀的喷油脉宽,并在相同脉宽下进行100次喷射,利用称重法获得单次燃油喷射过程的平均喷油质量,并得到不同喷油脉宽下正庚烷喷油质量随喷油脉宽变化曲线,具体试验结果如

图 3 正庚烷喷油喷嘴特性曲线图
Fig. 3 Injection characteristic of n-heptane
本文试验方案如
参数 | 数值 |
---|---|
喷油脉宽/ms | 7 |
喷油质量/mg | 17 |
发动机转速/(r·mi | 1 000 |
节气门开度/% | 100 |
氧气体积分数/% |
100(O2)、85(O2/CO2)、 70(O2/CO2)、21(空气) |
在分析发动机燃烧稳定性时,使用平均指示压力变动系数(vp)作为度量燃烧的循环变动的程度,并将其作为评价缸内燃烧稳定性的主要参数之一。vp的定义如下:
vp=×100%
式中:δp为平均指示压力的标准偏差;p为平均指示压力。
因为在试验结果分析中要涉及到不同气体的平均比热容,所以给出不同气体的平均比热容随温度变化情况,如

图 4 不同气体的平均比热容随温度的变化
Fig. 4 Average specific heat capacity of different gases as a function of temperature

图 5 不同氧体积分数下的缸内压力
Fig. 5 In-cylinder pressure at different oxygen volume fractions
同时发现,进气氧体积分数为100%时的缸压曲线与进气氧体积分数为21%的缸压曲线发生两次相交。分析认为,由于进气氧体积分数为21%时缸内燃烧开始早,低温放热阶段已经完成并进入负温度系数区间,缸内压力上升缓慢;此时进气氧体积分数为100%的燃烧处于低温放热阶段,缸内压力迅速上升,引起第一次相交。随着燃烧继续,100%进气氧体积分数的高温放热结束,缸内压力上升减缓,而此时空气的高温放热仍在继续,使得进气氧体积分数为21%下的缸内压力迅速上升,发生第二次曲线相交。
不同氧体积分数下缸内压力升高率曲线如

图 6 不同氧体积分数下的缸内压力升高率
Fig. 6 In-cylinder pressure rise rate at different oxygen volume fractions

图 7 不同氧体积分数下的瞬时放热率
Fig. 7 Momentary heat release rate at different oxygen volume fractions

图 8 不同氧体积分数对CA10、CA50燃烧相位的影响
Fig. 8 Effect of different oxygen volume fractions on CA10 and CA50 combustion phases

图 9 不同氧体积分数下缸内温度
Fig. 9 In-cylinder temperature at different oxygen volume fractions
燃烧稳定性主要由燃烧循环波动来体现。燃烧循环波动表征循环间缸内燃烧的一致性,燃烧循环波动越小,发动机运转平稳性越好,机体机械负荷波动越小,发动机零部件寿命越长,因此对燃烧循环波动的研究十分重要。不同氧体积分数下的平均指示压力变动系数如

图 10 不同氧体积分数下的平均指示压力变动系数
Fig. 10 Variation coefficients of the mean indicated pressure at different oxygen volume fractions

图 11 不同氧体积分数下的平均有效压力
Fig. 11 Indicated mean effective pressure at different oxygen volume fractions
(1)与进气氧体积分数为21%相比,当进气氧体积分数为100%时,低温反应与高温反应之间的负温度系数区间现象不明显,缸内最高压力由7.96 MPa降低到7.63 MPa;最高压力相位由0.5 °CA ATDC推迟到1.0 °CA ATDC;膨胀做功阶段缸内压力低。当进气氧体积分数为85%时,缸内最大压力为6.67 MPa,明显高于进气氧体积分数为70%的最大缸内压力4.99 MPa;同时缸内压力最大值相位从2.5 °CA ATDC 推迟到6.0 °CA ATDC。可以发现,随着氧气体积分数的降低和二氧化碳体积分数的增加,燃烧起始时刻继续推迟,最大缸内压力降低,最大缸内压力的相位推迟。
(2)进气氧体积分数为100%的最大缸内压力升高率为0.217 MPa·(°CA
(3)进气氧体积分数为21%和进气氧体积分数为100%均为有两阶段燃烧的特点。但是,与进气氧体积分数为21%相比,100%进气氧体积分数的低温反应明显增强,其最大热释放率增加。100%进气氧体积分数下的负温度系数区间持续时间大大缩短,燃烧持续时间也有所缩短。其他进气氧体积分数的放热率曲线表现为放热率起始点推迟、低温放热阶段放热明显、负温度系数区间不明显,放热率峰值显著降低。
(4)进气氧体积分数为21%时,缸内温度最大值为1 645 K;进气氧体积分数为100%时,缸内温度最大值为1 483 K,最高温度值相差162K。随着二氧化碳体积分数的进一步提升,缸内温度继续降低,最高温度对应的曲轴转角推迟。
(5)进气氧体积分数为100%的vp为0.025,而进气氧体积分数为21%的vp为0.035,略大于进气氧体积分数为100%时的vp。随着二氧化碳体积分数的增加,vp增大,从进气氧体积分数为85%的0.046增加到进气氧体积分数为70%的0.179,燃烧波动明显增加。可以发现,二氧化碳可以明显抑制缸内燃烧。并且发现缸内压力p随着平均比热容的增加而下降。
作者贡献声明
康 哲:确定整体研究思路和方法,论文数据处理,撰写与修改论文。 雒 晶:试验数据处理,撰写与完善论文初稿。 冯上司:论文修改与数据检查。 崔 亮:开展试验并进行试验数据处理。 邓 俊:对研究提出对策建议,整理修正论文。 吴志军:参与研究框架设计,对研究提出对策建议,提供项目研究资源。
参考文献
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