均質(zhì)壓燃式發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的改造及燃燒分析

王茂美, 呂江毅， 成 林, 王谷娜

(北京電子科技職業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院, 北京 100176)

均質(zhì)壓燃式發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的改造及燃燒分析

王茂美, 呂江毅， 成 林, 王谷娜

(北京電子科技職業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院, 北京 100176)

對實驗室原有的依維柯索菲姆柴油發(fā)動機(jī)進(jìn)行燃油噴射系統(tǒng)和進(jìn)排氣系統(tǒng)的改造，使其實現(xiàn)均質(zhì)壓燃燃燒方式(HCCI)燃燒方式。同時加裝數(shù)據(jù)和信號采集裝置，以基礎(chǔ)燃料進(jìn)行燃燒，利用缸壓采集和燃燒分析模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。實驗證明，通過對發(fā)動機(jī)原有燃油噴射系統(tǒng)和進(jìn)排氣系統(tǒng)的改造，完全能夠?qū)崿F(xiàn)HCCI燃燒方式，在過量空氣系數(shù)λ為2.85左右時，發(fā)動機(jī)NOx和碳煙的排放能同時降低?？梢钥紤]改進(jìn)排氣系統(tǒng)和燃油噴射系統(tǒng)，將λ控制在理想值附近。

均質(zhì)壓燃燃燒; 過量空氣系數(shù); 低負(fù)荷失火; 高負(fù)荷爆震

0 引 言

NOx和碳煙的排放一直是柴油機(jī)排放控制的重點，傳統(tǒng)柴油機(jī)燃燒方式無法同時降低NOx和碳煙的排放[1]。均質(zhì)壓燃燃燒(HCCI)技術(shù)的實現(xiàn),理論上能從根本上解決該難題，為驗證HCCI實際燃燒效果且節(jié)省成本，對實驗室內(nèi)的依維柯索菲姆發(fā)動機(jī)臺架系統(tǒng)進(jìn)行改造，采集相關(guān)數(shù)據(jù)和信號進(jìn)行分析。實驗證明，HCCI燃燒方式完全可行，但是實際的排放結(jié)果不是很理想，而且存在基礎(chǔ)燃料燃燒范圍窄的情況[2]。但是對后續(xù)的實驗和相關(guān)領(lǐng)域的研究人員提供了一種思路：可以嘗試在基礎(chǔ)燃油中加入不同添加劑改善基礎(chǔ)燃料低負(fù)荷失火和高負(fù)荷爆震的情況。另外，可以考慮改進(jìn)排氣系統(tǒng)和燃油噴射系統(tǒng)，很好地控制燃燒速率和λ，實現(xiàn)NOx和碳煙的同時排放。

1 實驗系統(tǒng)的改造

為實現(xiàn)HCCI燃燒方式，需進(jìn)行燃油噴射系統(tǒng)和進(jìn)、排氣系統(tǒng)的改造；為實時采集缸壓信號需對發(fā)動機(jī)氣缸蓋等進(jìn)行相應(yīng)改造；為采集燃燒排放數(shù)據(jù)需對發(fā)動機(jī)排氣管進(jìn)行相應(yīng)改造。考慮到如果將四缸全部改為HCCI燃燒方式，工作量大，且改造失敗會造成整體發(fā)動機(jī)不能工作，于是決定只對第四缸進(jìn)行相應(yīng)改造。按照此設(shè)想將實驗系統(tǒng)的改造分以下幾步進(jìn)行[3]。

1.1 燃油噴射系統(tǒng)的改造及安裝

(1) 進(jìn)氣歧管的改造。 HCCI燃燒方式是在氣缸外形成混合氣，在第四缸進(jìn)氣歧管尾部焊接凸塊以備加裝噴油嘴使用[4]。

(2) 供油系統(tǒng)的改造。 將第四缸的噴油器拆下，在出油端口處連接一橡膠軟管到油桶，以便在發(fā)動機(jī)燃燒時將第四缸進(jìn)油管的油引入油桶。同時將第四缸回油管的兩端用螺栓封堵，并加以耐熱膠封黏，這樣既保證其余三缸能正?；赜停矞p小了對發(fā)動機(jī)原有狀況的破壞[5]。

(3) 燃料噴射系統(tǒng)的安裝。選用北京志陽汽車電噴系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的單噴油嘴帶回油系統(tǒng)的噴油器系統(tǒng)，并安裝在第一步焊接的凸塊上(見圖1)，同時選擇內(nèi)置油泵，整個燃油噴射系統(tǒng)硬件設(shè)備見圖2。

圖1 單噴嘴帶回油系統(tǒng)的噴油器

(4) 噴油脈寬控制。噴油正時和噴油脈寬都是由發(fā)動機(jī)電控單元根據(jù)各傳感器的信號進(jìn)行分析判斷后發(fā)出指令控制噴油器動作的。由于第四缸的燃油噴射系統(tǒng)是獨立的，且HCCI技術(shù)不成熟，沒有固定的噴油脈寬，所以本實驗第四缸的噴油正時和噴油脈寬由人工操作電腦軟件控制完成[6](見圖3)。

1.2 排氣管的改造及安裝

(1) 排氣管的改造。為保證能夠精確地采集到HCCI燃燒排放的結(jié)果，在第四缸排氣歧管上鉆孔以安裝尾氣排放儀[7]。

圖2 噴油系統(tǒng)安裝圖

圖3 噴油脈寬控制

(2) 排放儀的安裝。本實驗所采用AVL公司生產(chǎn)的DiGas五氣分析儀，直接將探頭插入第四缸排氣歧管鉆孔處，保證能夠精確地采集到HCCI燃燒排放數(shù)據(jù)(見圖4)。

圖4 AVL五氣分析儀

1.3 缸壓采集系統(tǒng)的改造及安裝

(1) 氣缸蓋的改造。 為實時采集發(fā)動機(jī)氣缸壓力，需要安裝缸壓傳感器(瑞士Kistler公司的6117A火花塞型壓力傳感器)。為減少對發(fā)動機(jī)的破壞，對第四缸原有噴油器孔絞螺紋孔使其和缸壓傳感器相匹配，同時利用耐熱封膠封堵縫隙，這樣可以比較精確地采集到第四缸得氣缸壓力數(shù)據(jù)[8]。

(2) 旋轉(zhuǎn)編碼器的安裝與調(diào)試。 發(fā)動機(jī)工作時曲軸轉(zhuǎn)角的采集需要用旋轉(zhuǎn)編碼器，本實驗采用歐姆龍公司生產(chǎn)的E6B3 / E6C4型旋轉(zhuǎn)編碼器(見圖5)，旋轉(zhuǎn)編碼器同時產(chǎn)生A、B、Z 3個信號，A相、B相位差 90°±45°，輸出波形(見圖6)。本實驗利用A信號作為觸發(fā)信號，Z信號通常用于標(biāo)定壓縮上止點[9]。

圖5 旋轉(zhuǎn)編碼器的安裝

圖6 旋轉(zhuǎn)編碼器輸出波形

2 實驗設(shè)計

實驗設(shè)計通過采集基礎(chǔ)燃料(90%的異辛烷+10%的正庚烷)燃燒的HCCI發(fā)動機(jī)缸壓、曲軸轉(zhuǎn)角和排放來分析HCCI燃燒的可行性、 低負(fù)荷失火及高負(fù)荷爆震的特性以及排放特性。

實驗中首先直接讓發(fā)動機(jī)4個缸噴油工作，發(fā)現(xiàn)第四缸根本不能實現(xiàn)燃燒，發(fā)動機(jī)抖動劇烈。于是改變計劃，先由發(fā)動機(jī)的另外三缸以傳統(tǒng)方式燃燒，當(dāng)發(fā)動機(jī)的溫度達(dá)到50 ℃左右時，讓第四缸噴油工作，還是不能實現(xiàn)燃燒。直到發(fā)動機(jī)溫度在60 ℃左右時，第四缸HCCI燃燒方式才得以實現(xiàn)，但是燃燒不穩(wěn)定。當(dāng)發(fā)動機(jī)達(dá)到正常運行的溫度，即水溫95～97 ℃、機(jī)油溫度93～95 ℃時，將轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1 400 r/min，對第四缸噴基礎(chǔ)燃料進(jìn)行燃燒，并利用缸壓采集和燃燒分析軟件分別采集λ=2.35,2.47,2.57,2.67,275,2.85，2.99時的缸壓曲線和排放曲線進(jìn)行分析[10]。

3 實驗結(jié)果分析

(1) 可行性、失火和爆震點分析。實驗結(jié)果表明，發(fā)動機(jī)在熱機(jī)范圍(恒轉(zhuǎn)速1 400 r/min、機(jī)油溫度及水溫90 ℃)內(nèi)，HCCI燃燒方式是可行的。

通過p-θ示功圖(見圖7)可以得知，當(dāng)λ>2.99時，由于噴油脈寬過小，導(dǎo)致HCCI發(fā)動機(jī)低負(fù)荷失火。隨著噴油脈寬的增大，λ<2.57時，HCCI燃燒的最大缸壓已經(jīng)超過8 MPa，且缸壓曲線出現(xiàn)明顯的尖峰，說明發(fā)動機(jī)燃燒產(chǎn)生爆震狀況；λ<2.47時，發(fā)動機(jī)敲缸現(xiàn)象明顯，缸壓曲線頂端出現(xiàn)3或4個尖峰，證明該汽缸內(nèi)的燃燒已處于嚴(yán)重爆震狀況[11]。

圖7 基礎(chǔ)燃料燃燒缸壓曲線

(2) 排放性分析。從圖8可見，當(dāng)發(fā)動機(jī)處于爆燃狀態(tài)，λ=2.35時，HC排放情況最好，但NOx排放污染嚴(yán)重；λ=2.85時，發(fā)動機(jī)排放綜合指標(biāo)相最好；λ=2.99時，HCCI混合燃料燃燒不充分出現(xiàn)失火情況，因此HC排放達(dá)到最高值[12]。

圖8 基礎(chǔ)燃料排放

4 結(jié) 語

實驗證明，通過對柴油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)和噴油系統(tǒng)進(jìn)行改造并加裝采集、測量設(shè)備，以基礎(chǔ)燃料進(jìn)行燃燒分析后，確認(rèn)該發(fā)動機(jī)完全能夠?qū)崿F(xiàn)HCCI燃燒方式[13]。通過對低負(fù)荷失火點和高負(fù)荷爆震特性的分析得知，對HCCI發(fā)動機(jī)來說，基礎(chǔ)燃料的燃燒范圍比較窄，后續(xù)實驗可以在基礎(chǔ)燃料中加入不同添加劑來改善HCCI的燃燒狀況[14]。另外，發(fā)動機(jī)燃燒速率的控制可以很好地同時降低NOx和碳煙的排放，可以考慮改進(jìn)發(fā)動機(jī)燃油噴射和進(jìn)排氣系統(tǒng)來實現(xiàn)[15]。

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System Transformation and Combustion Analysis of Homogeneous Compression Ignition Engine

WANG Maomei, Lü Jiangyi, CHENG Lin, WANG Guna

(Automobile Engineering Department, Beijing Polytechnic, Beijing 100176, China)

Homogeneous charge compression ignition combustion is a hot research topic in the field of engine combustion at home and abroad. HCCI combustion can solve the problem that the traditional diesel engine can not reduce NOxand soot at the same time. In order to save cost and achieve the study, the fuel injection system and the inlet and exhaust system of Iveco Sophim diesel engine in laboratory are transformed to get HCCI combustion. Then the data and signal acquisition devices are installed. When the basic fuel is burning, the data acquisition and analysis module are carried out to acquire and analyze the data. Experiments show that by transforming fuel injection system, input and exhaust system, it can achieve HCCI combustion, when the excess air ratio(λ)is about 2.85, NOxand smoke emissions of engine can reduce at the same time, but basic fuel combustion range is narrow, it is easy to misfire at low load and to knock at high load. In order to improve the combustion condition of homogeneous compression ignition, the subsequent experiments or the researchers in this field can try to add different additives to the fuel.

homogeneous charge compression ignition (HCCI); excess air ratio; misfire at low load; knock at high load

2016-11-07

北京電子科技職業(yè)學(xué)院新能源汽車技術(shù)科研團(tuán)隊項目資助(2017)

王茂美(1976-)，女，山東日照人，碩士，講師，現(xiàn)主要從事汽車節(jié)能與排放等方面的研究。

Tel.:13552516304； E-mail:wmmkfg@126.com

呂江毅(1979-)，男，陜西銅川人，副教授，博士在讀，主要從事新能源汽車技術(shù)研究。

Tel.:13810757302; E-mail:Ljybuaa@163.com

TK 429

A

1006-7167(2017)08-0083-04