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大一学年自我鉴定-励志文章短文

进气温度对甲醇HCCI发动机燃烧特性和排放的影响

潘江如;张春化;鲁亚云

【摘要】为研究进气温度对甲醇HCCI燃烧特性和排放的影响,在一台改造的实验

发动机上进行相关的实验.试验结果表明,随着进气温度的升高,缸内压力升高,压力升

高率变大,燃烧噪声较大;随着进气温度的升高,缸内温度升高,燃烧速度变快,瞬时放

热率变大,燃烧始点提前,燃烧持续期缩短.HCCI燃烧方式的NOx排放较低,NOx排

放对进气温度不敏感,进气温度升高,HC和CO排放迅速减少.

【期刊名称】《河北工业大学学报》

【年(卷),期】2014(043)004

【总页数】5页(P53-57)

【关键词】均质压燃;甲醇;燃烧特性;排放;进气温度

【作者】潘江如;张春化;鲁亚云

【作者单位】新疆工程学院机械工程系,新疆乌鲁木齐830091;长安大学汽车学院,

陕西西安710064;长安大学汽车学院,陕西西安710064;新疆职业大学机械电子工

程学院,新疆乌鲁木齐830013

【正文语种】中文

【中图分类】TK464

0引言

均质压燃是预混混合气在压缩过程中温度升高达到自燃温度以后所发生的燃烧现象

[1]．要在发动机中应用均质压燃有两个关键：1）向混合气提供足够的热量使之能

在压缩上止点附近达到自燃温度；2）对混合气温度进行控制使之能在最佳曲轴相

位达到自燃温度开始燃烧，过早将使燃烧粗暴和热效率下降，过晚将会使发动机失

火．均质压燃是一种全新的发动机燃烧方式．从表面上看，均质压燃发动机是柴油

机和汽油机的结合：它像点燃式汽油机一样采用预混的均匀混合气，又像柴油机一

样利用压缩过程所产生的热使混合气自燃，不需要使用火花塞来点燃．但实际上，

均质压燃的燃烧过程与点燃式汽油机以及柴油机的燃烧过程不同．理想的均质压燃

是在整个燃烧室内同时发生的燃烧过程，在燃烧过程中物理量在空间的分布是均匀

的，仅随时间变化．因此，均质压燃在理论上不存在扩散现象，是非扩散的燃烧过

程．由于缸内温度和气体成分的分布不可能完全均匀，实际上均质压燃的燃烧过程

并不能完全均匀．物理量在空间的分布也不可能完全均匀[2-6]．因此有必要研究

一些因素对其燃烧时刻和燃烧相位的影响．本研究通过改变进气温度，观察其改变

时对甲醇HCCI燃烧特性和排放的影响，以期为甲醇替代燃料HCCI内燃机的深入

研究提供一定的参考．本文中所选的工况为过量空气系数为=2.5，发动机转速为

1100r/min，甲醇的进气温度分别为160℃、140℃和135℃，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．

1实验装置和数据处理

1.1实验装置

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Kistler6052A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．尾气的测量采用的是AVL公司的

Digas4000，可以测量CO、HC、CO2、NO和O25种气体．为实现燃料与空气

的均质混合，并且能独立、精确地控制二缸的供油量，给二缸单独安装一套燃料供

给系统，在二缸的进气管上加装了一套电控燃料喷射系统．喷油系统由喷油器、电

动油泵、油压调节器、喷油控制单元和霍尔传感器组成．电控喷油器安装在距离进

气口60cm处，为均质混合气的形成提供足够的时间．用霍尔传感器产生的脉冲

信号作为喷油系统的喷油触发信号，霍尔传感器安装在驱动柴油发动机的油泵齿轮

上．根据乙醇要实现HCCI燃烧对进气温度的要求，本文的试验选择了市场上成熟

的进气温度加热系统，所选择的功率为2kW，串联在二缸的进气管路中，能够实

现试验所需的进气温度水平．试验证明，该进气加热系统能满足稳定工况下对进气

温度的加热要求，通过闭环控制把温度控制在设定温度的±1℃内．能够在较短的

时间内把进气从环境温度加热到目标温度时，在改变发动机工况的同时，改变进气

温度所需时间较短，满足试验对进气温度的要求．试验测试系统详见图1．

表1试验测试缸相关参数Tab.1Parametersoftestcylinder压缩比17∶1喷油

提前角80°BTDC排量/L0.85喷油压力/bar3.8缸径×行程（mm×mm）

100×105进气门开启角17°BTDC燃烧室类型型进气门关闭角43°ABDC曲柄连

杆比0.32排气门开启角47°BBDC供油方式进气歧管喷射排气门关闭角

17°ABDC

1.2数据处理

表现燃烧循环变动的参数很多，大体上可以分为3类：1）气缸压力；2）与燃烧

有关的参数；3）与火焰前锋面位置相关的参数，如火焰半径．由于压力参数比较

容易测量，因此常用它来表征燃烧的循环变动．从压力参数出发，可以定义出度量

燃烧循环变动的一个重要参数，仿照平均指示压力变动系数的定义，用峰值压力定

义本文的循环变动系数（coefficientofvariation）[7-10]．

式中：是峰值压力的平均值；为每个循环峰值压力的测量值；为循环次数；为平

均指示压力的标准偏差．

试验中，取甲醇工况下稳定运行60个循环的示功图，对每个循环的最大燃烧压力

和每个循环最大燃烧压力出现时刻的统计进行分析，比较不同参数变化对甲醇

HCCI燃烧稳定性和循环变动的影响．

图1试验测试系统Fig.1Testsystem

2试验结果分析

2.1进气温度对甲醇HCCI压力和压力升高率的影响

进气温度对甲醇缸内压力和压力升高率的影响如图2．相关的试验表明，大多数的

化学反应速率是随着温度升高而迅速加快，范特荷夫（Van\'thoff）得出反应速率

随温度升高而加快的近似规律：对于一般反应来讲，当温度升高10℃，则化学反

应速率在其他条件不变的情况下将增加2～4倍[7]．其他条件不变，随着进气温度

的升高，活化分子的数目增多，分子碰撞的几率增大，化学反应速率增大，反应时

间缩短，甲醇峰值压力增大，甲醇峰值压力对应的曲轴转角提前，压力升高率的变

化规律与缸压变化规律相同．

2.2进气温度对甲醇HCCI缸内温度和放热率的影响

图2缸压随进气温度的变化Fig.2Cylinderpressurechangingwithvarying

inlettemperature

图3缸内温度和瞬时放热率随进气温度的变化Fig.3Thechangingofcylinder

temperatureandinstantaneousheatreleaseratewithvaryinginlet

temperature

图3为进气温度对缸内温度的影响，即随着进气温度的升高，缸内温度升高，缸

内峰值温度出现的时刻提前，这是由于在一定的温度下，气体分子总是处于运动中，

随着进气温度增高，燃料本身的温度升高，活化分子的数量变多，运动速度同时增

大，化学反应变快，压缩终了的混合气温度也相应升高，使自燃时刻提前．

进气温度对瞬时放热率的影响见图3，进气温度升高，甲醇的瞬时放热率增大，这

是由燃料的特性决定的，甲醇是单一沸点的化合物，且碳原子数目较少，进气温度

升高后更容易生成醛类，其瞬时放热率增大[8]．

2.3进气温度对甲醇对燃烧始点和燃烧持续期的影响

进气温度对燃烧始点的影响如图4所示，由于进气温度为140℃时，此时CA10

的对应的曲轴转角为0℃A，CA10的值在图中没有显示．随着进气温度的升高，

燃烧始点提前，甲醇的汽化潜热较大，热容也较大，这就需要更多热量才能实现甲

醇着火所需的温度，这是因为HCCI的自燃着火受化学反应动力学的控制．研究表

明，缸内温度高于900K以前，甲醇燃料就开始分解出CH2O、OH和H2O等

基，随着温度的进一步升高，甲醇进一步分解，反应速率变快，生成更多的CH

2O，同时CH2O通过多步链式反应释放出大量的OH基[9-10]．这些反应都是放

热反应，促使着火发生．在整个反应过程中，甲醛对整个反应的加速作用非常明显，

使得反应能够在较低温度下进行．甲醇氧化生成甲醛所需的初始温度很低，使得甲

醛浓度很高，有利于燃料自燃[11]．

图4CA10、CA50和CA90随进气温度的变化Fig.4Thechangingof

CA10,CA50andCA90withvaryinginlettemperature

进气温度对甲醇CA50的影响如图4．进气温度升高，甲醇CA50所对应的曲轴转

角提前，这是因为燃烧过程中涉及的大多数基元反应是双分子反应，即两个分子碰

撞并形成两个不同的分子，分子获得的能量超过活化能时能够发生碰撞，温度是对

活化能影响较大的因素之一，温度升高后，参与反应的分子数增加，有利于基元反

应，使得燃烧相同质量分数燃料的时间缩短．

进气温度对甲醇CA90的影响如图4．进气温度升高，甲醇燃料的燃烧持续期缩短，

由于温度升高，参与反应的各种基数量增多，燃烧放出的热量增加，缸内温度升高，

燃烧速度变快，所以燃烧持续期缩短．

2.4对HCCI排放的影响

在一定初始条件下，进气温度对甲醇HCCI燃烧排放的影响如图5．在没有燃料氮

参与的情况下，氮氧化合物的形成主要是由于空气中的氮通过以下几种机理形成：

热力型或泽利多维奇（Zeldovich）机理、费尼莫尔（Fenimore）或快速型机理

和N2O中间体机理，有越来越多的证据表明还有第4种机理即NNH的机理[12-

13]．甲醇的NO排放为零，其原因为NO的形成与温度和其在高温区停留的时间

有很大的关系，由于在本文的工况中，混合气已经稀薄，自身所含有的能量有限，

当进气温度为140℃、110℃和160℃时，缸内的峰值温度较低，NO达到冻结温

度，不利于NO排放的形成，NO排放应该是遵循N2O中间体机理，因此NO排

放为零．

甲醇的CO和HC排放随着进气温度的升高而下降，这是因为进气温度升高以后，

反应速率提高，产生的自由基较多，缸内的温度升高，有利于CO氧化成

CO2．排气中的未燃碳氢是燃烧效率降低的一个标准，随着进气温度的升高，HC

的排放下降，这是因为温度升高以后，淬冷效应减小，燃烧速度加快，燃烧效率提

高，使得狭缝中残留的HC和壁面润滑油膜所产生的未燃HC参与燃烧，不完全燃

烧及失火现象减少．同时进气温度升高，燃烧效率的提高造成排气温度升高，使得

一部分未燃HC在排气管中被氧化．

图5排放随进气温度的变化Fig.5Thechangingofemissionswithvaryinginlet

temperature

3结论

1）进气温度升高，缸内压力和压力升高率都增大，进气温度过高压力升高率太大，

发动机有工作粗暴的倾向．

2）进气温度升高，缸内温度和瞬时放热率变大，甲醇自燃时刻提前．

3）CH2O在甲醇HCCI燃烧中扮演着十分重要的角色，温度升高，甲醇分解成

CH2O的速率加快，从而造成OH基数量增加，使得燃烧始点提前，燃烧持续期

缩短．

4）甲醇HCCI燃烧的NO排放很低，在本文的实验中，其值一直为零，对进气温

度不敏感，随着进气温度升高，燃烧效率提高，HC和CO排放迅速降低．

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