柴油進(jìn)氣預(yù)混發(fā)動機(jī)燃燒特性的試驗研究

李東昌 汪 映

（西安交通大學(xué)）

1 前言

2 進(jìn)氣預(yù)混發(fā)動機(jī)試驗臺架

均質(zhì)充量壓縮燃燒（HCCI）方式作為下一代最有潛力的內(nèi)燃機(jī)燃燒技術(shù)在國內(nèi)、外受到廣泛關(guān)注，但是目前在內(nèi)燃機(jī)上采用此方式還有一些關(guān)鍵技術(shù)難題，如著火時刻和燃燒過程的控制、工作范圍的拓寬以及冷起動性能等[1～4]。

預(yù)混均質(zhì)壓燃（PCCI）是部分預(yù)混壓燃和燃料缸內(nèi)直噴燃燒相結(jié)合的復(fù)合燃燒方式，預(yù)混燃料可以采用進(jìn)氣道噴射或提前向缸內(nèi)直噴的方法給氣缸提供燃料，然后在壓縮行程末期直接向缸內(nèi)進(jìn)行燃料主噴射[5]。為深入了解進(jìn)氣預(yù)混發(fā)動機(jī)的燃燒特性，本文采用進(jìn)氣道預(yù)混二甲醚 （DME）—缸內(nèi)直接噴射柴油的復(fù)合噴射方式實現(xiàn)PCCI，同時研究DME預(yù)混比和冷EGR率對進(jìn)氣預(yù)混發(fā)動機(jī)燃燒特性的影響。

試驗用原機(jī)為東方紅YTR2105型四沖程、非增壓直噴式柴油發(fā)動機(jī)，其主要性能參數(shù)如表1所列。試驗中將原機(jī)改裝為進(jìn)氣道噴射DME和缸內(nèi)直接噴射柴油的進(jìn)氣預(yù)混發(fā)動機(jī)，除傳統(tǒng)的泵-管-嘴柴油供給系統(tǒng)外，又加裝了一套由進(jìn)氣道導(dǎo)入DME燃料的供給系統(tǒng)。進(jìn)氣預(yù)混發(fā)動機(jī)試驗臺架布置如圖1所示。

表1 發(fā)動機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

從進(jìn)氣道引入的DME燃料裝在氣罐里，氣罐和單向閥用耐高壓的橡膠管連接，再通過單向閥和銅管相連接。單向閥起節(jié)流作用，同時用流量調(diào)節(jié)閥控制DME的流量。為了減小預(yù)混氣溫度變化對發(fā)動機(jī)燃燒過程的影響，在發(fā)動機(jī)試驗臺架上加裝DME加熱器。試驗中，采用Kistler 2613B型角標(biāo)傳感器測量上止點信號，采用Kistler 7061型水冷式壓電晶體傳感器測量缸壓信號，采用DL750型數(shù)據(jù)采集儀收集來自角標(biāo)、缸壓傳感器的信號。

定義DME預(yù)混比r，r表示進(jìn)氣道引入的DME量與相同時刻時發(fā)動消耗燃料總量關(guān)系的量，計算公式為:

式中，mDME為DME的質(zhì)量流量；mdiesel為柴油的質(zhì)量流量；HDME為DME的低熱值；Hdiesel為柴油的低熱值。

試驗中將一部分廢氣直接從排氣管引入到進(jìn)氣道，并通過調(diào)節(jié)EGR閥的開度來控制引入進(jìn)氣道的廢氣量，同時在EGR閥前加裝循環(huán)水冷卻散熱器，使進(jìn)氣溫度保持在30～40℃。以冷EGR率作為評價排氣再循環(huán)量大小的指標(biāo)；采用進(jìn)、排氣CO2法測量冷EGR率，并據(jù)此定義冷EGR率，其計算公式為:

式中，[CO2]out為排氣中的CO2體積百分?jǐn)?shù)；[CO2]in為經(jīng)過再循環(huán)廢氣稀釋后進(jìn)氣中的CO2體積百分?jǐn)?shù)。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 DME預(yù)混比對進(jìn)氣預(yù)混發(fā)動機(jī)燃燒特性的影響

圖 2～圖 5 分別給出了 n＝1700r/min、Ttq=40N·m、供油提前角為上止點前10°時，DME預(yù)混比r對進(jìn)氣預(yù)混發(fā)動機(jī)的缸內(nèi)壓力、缸內(nèi)溫度、壓力升高率和放熱率影響的曲線。

從圖2和圖3中可以看出，隨著DME預(yù)混比r的增加，進(jìn)氣預(yù)混發(fā)動機(jī)最高燃燒溫度和最高爆發(fā)壓力均逐漸增大，且缸內(nèi)壓力和溫度迅速升高的起點也相應(yīng)提前。其原因是隨DME預(yù)混比r的增加，發(fā)生低溫和高溫HCCI燃燒的DME預(yù)混燃料濃度和質(zhì)量逐漸增大，缸內(nèi)燃燒前期釋放出更多熱量，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)缸內(nèi)溫度和壓力不斷升高，進(jìn)而縮短了柴油燃料的滯燃期，發(fā)動機(jī)燃燒始點不斷提前，缸內(nèi)最高燃燒溫度和最高爆發(fā)壓力也相應(yīng)增大。

從圖4可以看出，進(jìn)氣預(yù)混發(fā)動機(jī)缸內(nèi)的壓力升高率隨DME預(yù)混比r的增加先增大后減小再增大。先增大是因為DME預(yù)混氣在壓縮行程中進(jìn)行低溫HCCI燃燒，使得發(fā)動機(jī)缸內(nèi)壓力和溫度上升，進(jìn)而縮短了柴油燃料的滯燃期，當(dāng)其進(jìn)入氣缸后遇到溫度較高的燃?xì)鈺纬啥鄠€火焰中心并同時著火，導(dǎo)致壓力升高率峰值升高；后減小的原因是雖然缸內(nèi)溫度隨DME預(yù)混比r的增加而有所上升，一定程度上加速了柴油燃料的燃燒，但是柴油燃料量減少，使得擴(kuò)散燃燒階段的放熱量減少，從而導(dǎo)致壓力升高率峰值相應(yīng)減?。辉僭黾邮怯捎陔SDME預(yù)混比r的繼續(xù)增加，發(fā)生高溫HCCI燃燒的預(yù)混燃料量很大并起主導(dǎo)作用，且HCCI燃燒是所有燃料幾乎在同一時刻著火，使得發(fā)動機(jī)缸內(nèi)壓力和溫度迅速升高，從而導(dǎo)致壓力升高率增大。

從圖4還可以看出，當(dāng)DME預(yù)混比在較小范圍時，進(jìn)氣預(yù)混發(fā)動機(jī)缸內(nèi)的壓力升高率曲線呈現(xiàn)兩個波峰，其分別由DME預(yù)混氣HCCI燃燒和柴油燃料擴(kuò)散燃燒引起；當(dāng)DME預(yù)混比在較大范圍時，進(jìn)氣預(yù)混發(fā)動機(jī)缸內(nèi)壓力升高率曲線具有3個波峰，其分別由DME預(yù)混氣低溫HCCI燃燒、高溫HCCI燃燒和柴油燃料擴(kuò)散燃燒引起。

從圖5可以看出，進(jìn)氣預(yù)混發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒的放熱特性可能會呈現(xiàn)2階段或3階段放熱。當(dāng)DME預(yù)混比r=0時，發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒是由柴油燃料的預(yù)混燃燒和擴(kuò)散燃燒組成的2階段放熱。當(dāng)DME預(yù)混比較小時，發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒出現(xiàn)DME預(yù)混氣低溫HCCI燃燒放熱階段，但此時DME預(yù)混氣濃度較低，其高溫HCCI燃燒放熱不明顯；然后是柴油燃料預(yù)混燃燒和擴(kuò)散燃燒的兩階段放熱，整個燃燒過程呈現(xiàn)3階段放熱。當(dāng)DME預(yù)混比r較大時，發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒出現(xiàn)DME預(yù)混氣低溫和高溫HCCI燃燒放熱階段，并且由于DME預(yù)混氣發(fā)生較強(qiáng)烈的高溫HCCI燃燒，發(fā)動機(jī)缸內(nèi)溫度很高，此時柴油燃料僅有擴(kuò)散燃燒放熱階段，整個燃燒過程也呈現(xiàn)3階段放熱。隨著DME預(yù)混比r的繼續(xù)增加，整個燃燒過程均呈現(xiàn)3階段放熱。

由圖5還可以看出，在轉(zhuǎn)速和負(fù)荷不變的情況下，隨DME預(yù)混比r增加，進(jìn)氣預(yù)混發(fā)動機(jī)的放熱率曲線整體前移，DME預(yù)混氣低溫HCCI燃燒放熱階段出現(xiàn)的位置隨預(yù)混比r的增加變化不大，但柴油燃料擴(kuò)散燃燒放熱出現(xiàn)的位置隨預(yù)混比增加而逐漸提前，使得發(fā)動機(jī)整個燃燒持續(xù)期逐漸縮短。

3.2 冷EGR率對進(jìn)氣預(yù)混發(fā)動機(jī)燃燒特性的影響

圖 6～圖 9 為 n＝2100 r/min、Ttq=80 N·m、DME預(yù)混比為30%、供油提前角為上止點前18°時，冷EGR率對進(jìn)氣預(yù)混發(fā)動機(jī)缸內(nèi)壓力、缸內(nèi)溫度、壓力升高率和放熱率影響的曲線。

由圖6和圖7可以看出，隨著冷EGR率的增大，進(jìn)氣預(yù)混發(fā)動機(jī)缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力和最高燃燒溫度逐漸減小，且缸內(nèi)壓力和溫度迅速升高的起點相應(yīng)后移。從圖8和圖9可以看出，進(jìn)氣預(yù)混發(fā)動機(jī)缸內(nèi)壓力升高率曲線和放熱率曲線均呈現(xiàn)3個波峰，均分別由DME預(yù)混氣低溫HCCI燃燒、高溫HCCI燃燒和柴油燃料擴(kuò)散燃燒引起。在此工況下，隨著冷EGR率的增加，發(fā)動機(jī)缸內(nèi)壓力升高率曲線和放熱率曲線的3個波峰的峰值均呈下降趨勢，且波峰出現(xiàn)的位置逐漸后移。

圖6～圖9中曲線峰值逐漸降低且出現(xiàn)峰值的位置逐漸后移的原因:當(dāng)每循環(huán)進(jìn)入氣缸的均質(zhì)DME預(yù)混氣量不變時，隨著冷EGR率的增大，冷EGR中比熱容較大的CO2和H2O等多原子分子濃度逐漸增大，使混合氣的比熱容逐漸增大，壓縮過程的壓力和平均溫度降低，導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒反應(yīng)速度變慢，燃料的滯燃期延長；另外，引入進(jìn)氣道的冷EGR擠占了進(jìn)氣中空氣的空間及其對空氣的稀釋作用，使得發(fā)動機(jī)缸內(nèi)氧氣的濃度隨著冷EGR率的增大而不斷下降，導(dǎo)致燃料氧化反應(yīng)速度變慢且不完全，而且EGR中的CO2、NO和H2O等成分使得燃料氧化反應(yīng)的生成物濃度增加，氧化與裂解等正反應(yīng)速度降低，逆反應(yīng)速度增加，也使缸內(nèi)燃燒反應(yīng)速度變慢，燃料的滯燃期延長。

4 結(jié)束語

a.當(dāng) n=1700 r/min、Ttq=40 N·m、供油提前角為上止點前10°時，隨DME預(yù)混比r的增大，進(jìn)氣預(yù)混發(fā)動機(jī)缸內(nèi)壓力和溫度迅速升高的起點逐漸提前，最高爆發(fā)壓力和最高燃燒溫度逐漸增大；壓力升高率曲線從兩個波峰發(fā)展成3個波峰，且最大壓力升高率隨DME預(yù)混比r的增加先增大后減小再增大；放熱率曲線由兩階段放熱發(fā)展到3階段發(fā)熱，且放熱率曲線隨DME預(yù)混比r的增加而整體前移。

b.當(dāng) n=2100r/min、Ttq=80N·m、DME 預(yù)混比為 30%時，進(jìn)氣預(yù)混發(fā)動機(jī)缸內(nèi)壓力升高率曲線呈現(xiàn)3個波峰，放熱率曲線呈現(xiàn)3階段放熱；隨著冷EGR率的增加，進(jìn)氣預(yù)混發(fā)動機(jī)缸內(nèi)最高燃燒壓力和最高燃燒溫度均逐漸下降，且缸內(nèi)壓力和溫度迅速升高的起點相應(yīng)后移；壓力升高率曲線和放熱率曲線的各階段峰值都逐漸降低，且出現(xiàn)的位置也都逐漸后移。

1 Youngsoo Park，Choongsik Bae.Influence of EGR and Pilot Injection on PCCI Combustion in a Single-Cylinder Diesel Engine.SAE Paper,2011-01-1823.

2 Can Cinar，O¨zer Can，F(xiàn)atih Sahin.Effects of premixed diethyl ether （DEE） on combustion and exhaust emissions in a HCCI-DI dieselengine.Applied ThermalEngineering，2010，30（4）:360～365.

3 Zheng Z，Yao M,Chen Z.Experimental Study on HCCI Combustion of Dimethyl Ether （DME）/Methanol Dual Fuel.SAE Paper，2004-01-2993.

4 Ma Jj， LüXc， Ji Lb.An experimental study of HCCI-DI combustion and emissions in a diesel engine with dual fuel.International Journal of Thermal Sciences，2008，47 （9）:1235～1242.

5 汪映.不同參數(shù)對PCCI-DI發(fā)動機(jī)燃燒壓力和溫度影響的數(shù)值模擬研究.內(nèi)燃機(jī)，2011（1）:6～9.