转速对正丁醇HCCI发动机性能的影响

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【摘要】内燃机排放是环境污染的主要来源，各国研究人员都在寻求新的技术来降低内燃机的污染物排放。新型燃烧模式――均质压燃（HCCI）以均匀充量、压缩着火的形式可达到高效、低排的目标。本文以一台改装的柴油机为基础，控制进气温度和过量空气系数不变，然后改变转速来研究转速对发动机性能的影响。

【关键词】转速；HCCI；发动机性能

中图分类号：TK4文献标识码A文章编号1006-0278（2015）08-151-01

HCCI燃烧符合化学动力学理论，是上世纪八十年代被提出的，因具有高热低排的优点而受到关注。HCCI发动机同柴油机相似，采用压缩着火方式运转，它舍弃了火花塞点火方式，却保留了汽油机混合气预混过程。具有两种传统发动机的特点使得HCCI发动机自成一种新型燃烧模式，被内燃机界称为“第三种燃烧模式”。HCCI发动机不仅需要燃料与新鲜空气进气道预混充分，而且要求混合气在压缩行程中随着温度升高自行着火。HCCI燃烧具有均质混合气同时着火的特点，这使得HCCI燃烧中淬火和缸壁激冷现象减少，排气中的HC量也减少。

一、实验装置

本试验用发动机是一台两缸四冲程、自然吸气、强制水冷直喷式CT2100Q型柴油机，为实现HCCI燃烧，对该发动机做了部分改装，将2缸改为试验缸，即HCCI燃烧运行模式，1缸仍保持原机的柴油供给压燃模式。

二、实验方法和结果分析

试验前，先启动1缸进行暖机，完成后，调整发动机转速、进气温度稳定至设定值，切断1缸供油，同时给2缸供油，发动机此时转为HCCI模式运行。然后通过温度控制装置调节进气温度达到140℃，在通过控制软件控制过量空气系数为2.5，再由测功机控制台控制转速的变化。适用燃烧分析仪记录发动机缸压、温度及放热率随曲轴转角的变化关系图，再适用五气分析仪测出HC、CO和NOx排放数据。

（一）放热率

图1是正丁醇hcci发动机瞬时放热率、温度和缸压的变化曲线。随着转速逐渐提高，燃烧过程中的放热率、温度和缸压逐渐升高，对应的峰值出现时刻逐渐提前，对应的曲线变得更陡。缸压峰值从4.8MPa升高到6.0MPa。转速为900r/ min的瞬时放热率较小，峰值对应的曲轴转角为ATDC9°CA附近；转速1100r/min对应的瞬时放热率峰值与转速1000r/ min的放热率峰值相比稍微降低，但燃烧放热始点提前出现；到转速1200r/min时放热率峰值最大，达到0.15kJ/°CA，对应的曲轴转角移至ATDC4°CA。转速的升高使得正丁醇HCCI发动机缸内维持良好热氛围，气门重叠期间的扫气过程残余废气量增多，有利于均值混合气着火燃烧，燃料氧化反应放热量增大，并且工作循环中的传热损失减少，因此放热率、温度和压力逐渐升高。

（二）HC、CO和NOx

图2是正丁醇HCCI发动机HC、CO和NOx排放随转速的变化曲线。从图中的变化曲线可以看出正丁醇HCCI燃烧产生的HC排放随着转速提高逐渐升高，而CO排放逐渐降低。转速逐渐升高，HC排放从296ppm升高430ppm，CO排放随转速变化不大，在1200r/min降低到0.7%。随转速升高，正丁醇HCCI燃烧放热增加，缸内温度升高，但燃烧持续时间缩短，持续高温富氧时间也缩短，NOx的生成量较少，在转速为1100r/min时NOx排放约12ppm。

三、结语

HCCI发动机存在运行范围窄的问题，使其不能适应一般的汽车运行工况。经过研究，可以使用双模式发动机，也就是说在低转速和高转速时切换到常规柴油机工作模式，在中等转速是采用HCCI运行模式。美国西南研究院的Thring在一台四冲程发动机上进行了HCCI燃烧试验，试验发现，HCCI燃烧需要较高的EGR率和较高的进气温度，在640K的预混温度和13%～33%的EGR率的条件下，采用火花点火可以改善HCCI发动机运行范围。

参考文献：

[1]蒋德明.内燃机燃烧与排放学[M].西安：西安交通大学出版社，2002.

[2]R.H.Thring，Homogeneous charge compression ignition（HCCI） Engines，SAE Paper 892068，1989.