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模式下进气温度对燃烧和排放特性的影响

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)

【目的】 改善均质压燃(HCCI)的燃烧状况，降低排放.【方法】 试验在一台改装的HCCI发动机上通过增加缸内直喷系统，研究进气温度对HCCI发动机的燃烧、排放特性及其对性能的影响.【结果】 进气温度对缸内压力和压力升高率及瞬时放热率的影响十分显著，缸内压力、压力升高率及瞬时放热率的峰值都随着进气温度的升高而增大(缸内压力变化的最大值约1.5 MPa，瞬时放热率的差值最大约为0.05 kJ/℃A)，且其出现的曲轴转角位置都有所提前.复合HCCI模式下，随着进气温度的升高，CO和HC的排放都有所降低，NOx的排放先降低后升高(进气温度为140 ℃时接近零排放)，但总体处在较低的范围.【结论】 进气温度对HCCI发动机影响比较显著，进气温度的提高有利于HCCI的燃烧，使得发动机的性能得到提升，排放得到改善.

复合HCCI；进气温度；燃烧特性；排放特性；发动机性能

随着对均质充量压缩着火(homogeneous charge compression ignition,HCCI)燃烧方式研究的不断深入，人们认识到它是对传统燃烧方式的突破，因为HCCI结合了点燃式发动机和压燃式发动机的优点.但另一方面，HCCI存在燃烧缺乏直接准确的控制手段，并且其运行范围狭窄[1-2]，这主要是由于HCCI的燃烧过程主要受化学反应动力学的控制[3].基于此，国内外学者提出多种改善措施，例如可变气门定时策略[4]、废气再循环(EGR)[5-6]、结合理化特性互补的燃料以及利用复合燃烧模式等[7-8].马骏骏等[9]研究了正庚烷复合均质压燃的燃烧与排放特性，发现复合HCCI燃烧方式能够有效降低HC的排放，并拓展HCCI的运行范围.马帅营等[10]在复合HCCI模式下对改善尾气排放及发动机运行工况进行了研究，结果显示在汽油/柴油双燃料模式中高负荷可同时降低NOx和碳烟排放，并且可通过提高柴油比例来向低负荷运行工况拓展.Wang等[11]研究了复合HCCI燃烧模式下燃用二甲醚发动机的燃烧特性，并实现了发动机运行范围的拓展.

本文提出燃用正丁醇/正庚烷双燃料复合HCCI燃烧模式(进气道喷射正丁醇，气缸内直喷正庚烷)，主要研究不同进气温度下复合HCCI的燃烧特性、排放特性以及对发动机性能的影响，从而为改善HCCI的燃烧和排放及优化发动机运行边界条件提供依据.

1　设备及方法

试验发动机由1台双缸四冲程、自然吸气、强制水冷柴油机(CT2100Q)改造而成，主要参数见表1.

表1　发动机主要参数Tab.1　Main parameters of the test engine

试验燃料为正丁醇和正庚烷.醇类燃料中，正丁醇热值较高，汽化潜热较大，但其发火性较差.相反正庚烷的十六烷值较大，发火性好.由此根据理化特性互补的思想，试验选取十六烷值较高的正庚烷作为缸内直喷燃料，选取正丁醇为进气道喷射燃料.正丁醇、正庚烷的物性参数见表2.

表2　正丁醇及正庚烷的物性参数Tab.2　Properties of n-butanol and n-heptane fuels

试验系统布置如图1所示.1#缸保持原柴油机模式运行，2#缸在进气道加装了PI喷油器来实现HCCI燃烧模式，并且在其顶部加装了DI喷油器构建直喷系统.两个喷油器都有各自的控制单元，可实现燃料喷射量的精确控制，并且两个缸具有独立的进、排气系统.直喷系统的高压燃油通过高压氮气来实现加压.试验时，先由柴油机模式启动发动机，待暖机后，切断1#缸柴油供给的同时使2#缸以复合HCCI模式运行；待复合HCCI运行平稳后，测量连续50个工作循环的缸压信号，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.试验中保持发动机转速n=1 200 r/min，总体混合气过量空气系数λt=1.15不变，缸内直喷压力Pinject=6 MPa，缸内直喷相位φin=340°CA，通过改变进气温度来探究其对复合HCCI燃烧、排放及发动机性能的影响.

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，即

(1)

试验中使用了正丁醇、正庚烷两种燃料，需要计算出两种燃料混合后的总体过量空气系数.假设进气道喷射的循环喷油质量(正丁醇)为mb，缸内直喷正庚烷的循环喷油质量为mh.实际发动机运行过程中，循环进气体量为mair.由此可得出，总体过量空气系数为

(2)

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

2　结果与分析

2.1对燃烧特性的影响

如图2所示，在复合HCCI模式下，进气温度对缸内压力和压力升高率的影响较为明显，随着进气温度的升高，缸内压力和压力升高率的峰值随之增加，其出现的曲轴转角位置均有所提前.

在复合HCCI模式下，进气温度从120°C升高至160 ℃时，缸内压力变化的最大值约为1.5 MPa.主要是由于进气温度的变化对正庚烷的影响明显，即便是较小的温度变化也会造成燃烧的较大变化，正庚烷的低温反应会随着进气温度的变化而产生明显变化，以至于后续活性基的积累、高温区的反应都产生较大的差异，从而导致缸内压力和压力升高率产生显著变化.

图2　进气温度对缸内压力和压力升高率的影响Fig.2　In-cylinder pressure and pressure rise rate under different intake temperatures

如图3所示，随着进气温度的升高，瞬时放热率的峰值显著增大，其对应的曲轴转角出现的位置相应提前.主要是由于进气温度的升高，导致正庚烷氧化反应剧烈，显示出正庚烷低热值较大的特点，从而能够明显影响燃烧和放热过程，瞬时放热率的差值最大可达到0.05 kJ/°CA.

由图4可知，随着进气温度的升高，缸内温度随之增大，缸内温度峰值出现的时刻相应提前.这主要是由于，随着进气温度的升高，燃料混合气本身的温度被提高，使得活化分子的数量增多，分子运动的速率加快，分子碰撞几率增大，化学反应速率相应变快，反应时间缩短，从而使得压缩终了温度升高，着火时刻提前.

由图5可知，在复合HCCI模式下，随着进气温度的升高，燃烧始点(CA05)和燃烧中点(CA50)都有所提前，燃烧持续期有所缩短.这主要是由于，随着进气温度的升高，压缩同期的温度相应被提高，使得低温反应阶段活化基生成速率加快，促使燃料化学反应速率加快；另一方面，温度的升高，使得反应物活性增大，分子间碰撞几率增大，由此产生的高温为链式反应提供足够的能量，加快了燃烧的发生，使燃烧时刻提前.进气温度的升高会加大燃烧的剧烈程度，从而使燃烧持续期缩短.

图3　进气温度对瞬时放热率的影响Fig.3　Heat release rate under different intake temperatures

图4　进气温度对缸内温度的影响Fig.4　In-cylinder temperature under different intake temperatures

图5　进气温度对燃烧时刻及燃烧持续期的影响Fig.5　Combustion phase under different intake temperatures

由图6可知，在复合HCCI模式下，随着进气温度的升高，燃烧循环变动逐渐减小，这是由于进气温度的升高，有利于提高混合气的混合均匀程度，并且使得混合气更容易着火，燃料燃烧组织情况变好，缸内混合气能够更快更完全地燃烧，燃烧质量变好.随着进气温度的升高，峰值压力出现的位置也有所提前，这是因为温度的升高有利于提升混合气的发火性，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提前.

2.2对排放特性的影响

由图7可知，在复合HCCI模式下，CO和HC的排放均随进气温度的升高而呈现下降趋势.这主要由于，CO和HC是燃烧的中间产物，温度的升高会使分子活性增大，加快了混合气的燃烧速率，并且有利于促使缸内混合气更加完全地燃烧，使得CO和HC被进一步氧化，进而导致它们的排放量有所减少.注意到由于缸内直喷正庚烷系统的参与，虽然正丁醇和空气的均质混合气仍为主体，但总会产生局部混合气不均匀的现象，局部混合气过浓或局部温度过高的问题总是存在的，在进气温度为120 ℃时NOx排放的体积分数为1×10-6，这可能是由于局部温度过高造成的，但总体而言NOx的排放仍处于非常低的水平.

图6　进气温度对峰值压力循环变动的影响Fig.6　Cyclic variation of peak presure under different intake temperatures

图7　进气温度对排放特性的影响Fig.7　Emissions under different intake temperatures

2.3对发动机性能的影响

由图8可知，在复合HCCI模式下，指示热效率及平均指示压力随着温度的升高均呈升高趋势.从整体而言，在复合HCCI模式下，发动机的性能参数都得到了较大的提升，所以控制进气温度对HCCI的燃烧至关重要.一方面，进气温度的升高相应提高了压缩同期缸内混合气温度，使得化学反应速率增大，燃料低温氧化反应活性增强，有利于提高HCCI的燃烧性能；另一方面，较高的进气温度可以改善燃料的雾化性能，提高混合气的混合均匀程度，有利于

图8　进气温度对发动机性能参数的影响Fig.8　Engine performance parameters under different intake temperatures

燃料的燃烧组织，因此平均指示压力及指示热效率都得到提升.

3　结论

在缸内直喷系统的参与下，进气温度对复合HCCI发动机的影响较为明显.

1)随着进气温度的升高，缸内压力、压力升高率、瞬时放热率及缸内温度的峰值都有所增加，且其对应的曲轴转角位置也有所提前.

2)随着进气温度升高，燃烧时刻有所提前，燃烧持续期缩短，循环变动系数明显减小.

3)随着进气温度的升高，CO和未燃HC的排放得到有效降低，NOX的排放仍处于较低水平.

4)随着进气温度的升高，复合HCCI发动机的指示热效率和平均指示压力都有所增加.

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(责任编辑胡文忠)

Effects of intake temperatures on combustion and emission characteristics of compound HCCI engine

ZHANG Chao,ZHANG Chun-hua,XUE Le

(School of Automobile,Chang′an University，Key Laboratory of Shanxi Province for Development and Application of New Transportation Energy,Xi′an 710064，China)

【Objective】 The aim of the test was to improve homogeneous charge compression ignition (HCCI) combustion and reduce the emissions.【Method】 An in-cylinder direct injection (DI) system was set up on a modified HCCI engine to investigate the combustion and emission characteristics and engine performance under variable intake temperatures.【Result】 The results showed that the peak of in-cylinder pressure,pressure rise rate and heat release rate all increased and occurred in advance with the increase of intake temperatures.(The maximum change in-cylinder pressure and the instantaneous heat release rate was about 1.5 MPa and 0.05 kJ/℃ A,respectively.).CO and HC emissions decreased with the increase of intake temperatures,and NOx emissions firstly decreased then increased (the NOx emissions near zero at the intake temperature of 140 ℃),but it still maintained in a lower range.【Conclusion】 The effects of intake temperatures on compound HCCI was significant.With the increase of intake temperatures,HCCI combustion and the engine performance were improved,and the emissions was decreased to some extent.

compound HCCI;intake temperature;combustion characteristics;emission characteristics;engine performance

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

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

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).

2016-03-21；

2016-04-20

U 464

A

1003-4315(2016)04-0139-06