进气温度对汽油直喷压燃发动机燃烧及排放性能影响的试验-肖干

第32卷（2014）第2期内燃机学报TransactionsofCSICEVol.32（2014）No.2收稿日期：2013-11-12；修回日期：2014-01-19．基金项目：国家自然科学基金资助项目(51176057)；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20100142110081).作者简介：肖干，博士研究生，E-mail：[e-mail].通信作者：张煜盛，教授，E-mail：[e-mail].文章编号：1000-0909(2014)02-0125-0632-020进气温度对汽油直喷压燃发动机燃烧及排放性能影响的试验肖干，张煜盛，郎静，姜光军(华中科技大学能源与动力工程学院，湖北武汉430074)摘要：通过一台改装的单缸直喷式柴油机，在不同进气温度条件下实现汽油直喷压燃(GCI)燃烧方式的燃烧特性、工况范围以及排放特性的试验．结果表明：在进气温度为323K时，汽油GCI燃烧方式即可实现稳定运转，燃烧表现为单阶段放热，整体放热集中，燃烧持续期短；在保持过量空气系数一定、发动机正常运转条件下，随着进气温度提高，着火时刻提前，最高爆发压力和峰值放热率均升高，指示热效率提高，HC和CO排放降低，NO排放升高；同一进气温度下，随着过量空气系数的增大，缸内混合气变稀，平均指示压力减小，指示热效率减小，CO排放先升高后降低，HC排放显著增大，NO排放减小；进气温度对汽油GCI燃烧方式正常工况范围影响很大，随着进气温度升高，负荷上限和下限均明显下降，表明进气温度是向小负荷范围拓展的重要边界条件．关键词：汽油；直喷压燃；进气温度中图分类号：TK411.2文献标志码：AExperimentoftheEffectsofIntakeTemperatureonGCIEngineCombustionandEmissionCharacteristicsXIAOGan，ZHANGYu-sheng，LANGJing，JIANGGuang-jun(SchoolofEnergyandPowerEngineering，HuazhongUniversityofScienceandTechnology，Wuhan430074，China)Abstract：Benchtestwascarriedoutonamodifiedsingle-cylinderdirect-injectiondieselenginewithgasolinefueltoinvestigatetheeffectsofintakeairtemperatureonthecombustionandemissionscharacter-isticsandoperatingrangeofgasolinecompressionignition(GCI)combustionconcept.Resultsshowthatat323K,ofintaketemperature，gasolinecompressionignitionenginecanbesuccessfullyoperated，andsingle-stageheatrelease，fastcombustionrateandrelativelyshortcombustiondurationareclearlyob-served.Whenexcessairratioiskeptconstantlyandengineoperatessteadily，withtheincreaseofintaketemperature，phaseofignitionoccursearlier，andmaximumcylinderpressure，peakofheatreleaseandindicatedthermalefficiencyareincreased，HCandCOemissionsaredecreased，butNOemissionisincreased.Whenintaketemperatureiskeptconstantly，withtheincreaseofexcessairratio，theindicatedmeaneffectivepressureandindicatedthermalefficiencyaredecreased，COemissionshowsanincreaseandthenadecrease，HCemissionincreasesremarkably，NOemissiondecreases.TheoperatingrangingofGCIcombustionmodeisremarkablyaffectedbyintakeairtemperature.Whenintaketemperatureisincreased，bothmaximumloadandminimumloadaredecreasedobviously.Experimentalresultsmanifestthatintaketemperatureisanimportantfactorincontrollingthecombustionphasingandengineoperatingrange.Keywords：gasoline；directinjectioncompressionignition；intaketemperature·126·内燃机学报第32卷第2期近年来，开发新的发动机燃烧技术以降低其自身排放的研究十分活跃，涌现出诸如均质压燃(HCCI)、预混压燃(PCCI)、部分预混合压燃(PPCI)、低温燃烧(LTC)和活性分层控制燃烧(RCCI)等旨在实现发动机高效清洁燃烧的新型燃烧方式[1]．这些新型燃烧方式均具有“均质、预混合和低温燃烧”的本质特征，以及可兼顾低NOx、低碳烟等污染物排放的潜在优势．因此，先进内燃机高效清洁燃烧技术的研究已成为国际内燃机界竞相研究的前沿科学问题．大量的研究表明，这些新型燃烧方式的燃烧过程主要受化学反应动力学控制，燃料化学特性对自燃着火及后续的燃烧反应速度控制有决定性的影响.Jo-hansson等[2]研究基础燃料、汽油、柴油、醇类燃料和天然气对HCCI燃烧与排放的影响，结果表明：HCCI能够适用于多种燃料，传统的燃料辛烷值不能表征HCCI的抗爆性．Tanaka等[3]在快速压缩机上研究了不同的燃料成分(如烷烃、环烷烃、烯烃和芳香烃等)的自燃着火特性，结果表明：在不同的HCCI运转条件下，应该使用不同的燃料和添加剂．Kalghatgi等[4]提出了汽油部分预混合燃烧(PPCI)的概念，也就是柴油机上直接压燃高辛烷值燃料(gasolinecompressionignition，GCI)的燃烧方式，其出发点是，柴油较低的饱和蒸气压以及较大的液体黏度和表面张力，使其喷雾雾化性能较差，难于快速形成较好的均质混合气；而汽油挥发性好，易于形成均质混合气，且其滞燃期长于柴油，能够为缸内充量预混提供较为充裕的时间，有利于降低碳烟排放．因此，实现预混低温燃烧需要的EGR率较柴油PPCI发动机低，从而有利于提高燃烧效率．其后，国内清华大学等[5-6]以及国际上以Lund大学Johansson等为代表的众多研究者[7-8]开展了部分预混合燃烧方式的台架试验、激光诊断和数值模拟的深入研究，结果表明：PPCI燃烧方式指示热效率最高达到了57%，在宽广的工况范围内，实现了稳定燃烧，并保持了较高的燃油经济性、极低的NOx和碳烟排放．但是，上述研究还表明，燃用汽油的压燃式发动机局限于中、高负荷条件下，一般汽油燃料GCI发动机目前尚不能在中低负荷工况下稳定运转．为了拓宽燃用汽油燃料的GCI发动机的工况范围，有必要对低负荷下汽油GCI发动机的燃烧过程进行优化控制研究．混合气加热是提高混合能量的重要途径之一．要实现满足自燃放热所需的温度条件，最直接的方法就是直接加热进气充量，这样可以直接改变混合气的初始压缩温度，进而改变缸内温度变化历程；另一方面，进气加热对燃烧着火时刻和燃烧反应速率也具有很大影响．由于在中小负荷工况下汽油燃料不易压燃，笔者通过调节冷空气和热空气的比例改变进气温度，着重研究了不同进气温度下，汽油直喷压燃(GCI)燃烧方式的燃烧特性、工况范围及其排放特性．1试验设备与试验方法试验所用的发动机为一台采用5孔喷油器的单缸、4冲程、水冷和自然吸气式柴油机，发动机的基本参数如表1所示．图1给出了试验装置示意，基于试验需要对发动机的进排气系统进行了必要的改装，其中，进气系统包括小型空气压缩机(以消除进气管道阻力，保持0.1,MPa的进气压力)、进气流量计、冷热空气调节阀、进气加热箱和混合室等．进气加热温度采用冷、热空气快速混合的控制方法，可将进气温度稳定在所选温度值的±1,K范围之内，最大加热温度可达到673K．同时，较大的混合室容积能起到稳压的作用，减小了进气脉动对进气流量测量结果的影响，以及进气热惯性响应滞后对发动机性能的影响．燃料喷射采用原机的喷油器，对汽油油路进行加压和降温，防止油路中的气泡阻塞油路，保证汽油燃料的顺利供应．试验用缸压传感器为Kistler6125B型，电荷放大器为Kistler5011B型，气缸压力使用Labview高速采集系统来采集，数据采集间隙为0.1,°CA．每组示功图采集100个循环进行平均，根据所采集的气缸压力数据，用零维热力学分析模型进行燃烧放热率分析．对燃油消耗率的测量采用上海内燃机研究所的FCM-D型油耗转速自动测量仪器．气体排放物HC、CO和NO采用南华NHA-500废气分析仪，试验所用燃料为市售90号汽油．表1发动机的主要技术参数Tab.1Mainspecificationsofdieselengine参数数值排量/L缸径/mm活塞行程/mm燃烧室类型压缩比启喷压力/MPa进气门开/(°)CABTDC进气门关/(°)CAABDC排气门开/(°)CABBDC排气门关/(°)CAATDC1.59135120ω型171712385512试验时先将发动机预热至水箱冷却水温度达到363,K，机油温度大于353,K，待发动机稳定运转2014年3月肖干等：进气温度对汽油直喷压燃发动机燃烧及排放性能影响的试验·127·后，切换到汽油直喷压燃模式，进行数据记录．为了充分研究进气温度的敏感性，保持相同的喷油定时(20°,CABTDC)，选择进气温度分别为323、343、363、383和403,K，发动机转速在1,400,r/min条件下燃用90号汽油时的负荷特性，在每个工况点下测量了发动机的缸压、燃油消耗率以及各种气相污染物排放等主要性能参数．由于发动机在中低负荷下运行，混合气较稀薄，其颗粒物排放几近为零，故在此暂不对其颗粒物排放进行讨论．1—小型空气压缩机；2—进气流量计；3—进气加热箱；4—混合室；5—油耗仪；6—汽油油箱；7—喷油器；8—排气分析仪；9—缸压采集系统；10—电荷放大器；11—缸压传感器；12—曲轴信号传感器；13—冷空气调节阀；14—热空气调节阀.图1发动机试验系统示意Fig.1Schematiclayoutofenginetestbench2试验结果与分析2.1进气温度对汽油GCI燃烧过程的影响汽油GCI燃烧容易向浓燃极限方向拓展，但混合气着火时刻对浓度和温度的依赖性很强，特别是在低负荷下会因为着火特性太差和燃烧速率过慢而导致发动机不稳定燃烧或“失火”．此时，发动机热效率很低，HC和CO排放较高，这一问题需要采取其他补偿措施予以解决．而进气加热是实现汽油GCI燃烧的有效手段之一．为了判明燃烧放热时刻发生的早与晚，定义CA,50为油气混合气燃烧释放出总热量的50%所对应的曲轴转角，该值与上止点的相对位置关系可间接反映燃烧放热率曲线的相位．图2为不同进气温度条件下，发动机典型负荷工况气缸压力和放热率曲线．在进气温度为323,K时，汽油GCI燃烧即可正常着火，并实现稳定运转，GCI燃烧过程均表现出单阶段放热，即无明显的低温放热阶段．这是由在自然吸气