進(jìn)氣溫度和過量空氣系數(shù)對汽油HCCI指示熱效率的影響研究

長安大學(xué) 汽車學(xué)院 呂 猛 王振平 薛 樂

進(jìn)氣溫度和過量空氣系數(shù)對汽油HCCI指示熱效率的影響研究

長安大學(xué) 汽車學(xué)院 呂 猛 王振平 薛 樂

均質(zhì)壓燃（Homogeneous Charge Compression Ignition，簡稱HCCI）與傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)相比，具有較高的熱效率和較低的NOx排放，且燃料來源廣，在能源日益短缺和環(huán)境急劇惡化的今天，成為內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

一、試驗裝置

本試驗驗所用發(fā)動機(jī)是江蘇常通高科重工股份有限公司生產(chǎn)的CT2100Q型雙缸、四沖程、強(qiáng)制水冷、自然吸氣直噴式柴油機(jī)。

表1 發(fā)動機(jī)主要參數(shù)

二、試驗方法

為了實現(xiàn)汽油HCCI燃燒，對原發(fā)動機(jī)進(jìn)行了部分改造。其中發(fā)動機(jī)1#缸仍然采取原有運(yùn)行模式工作，2#缸改造為HCCI燃燒運(yùn)行模式，兩缸之間采用相互獨(dú)立的進(jìn)氣系統(tǒng)和燃油供給系統(tǒng)。其中2#缸的改造包括在進(jìn)氣系統(tǒng)的前端安裝了進(jìn)氣加熱裝置，通過溫控儀控制進(jìn)氣溫度，使進(jìn)氣溫度在一定范圍內(nèi)可調(diào)；在2#缸進(jìn)氣門前60 cm與進(jìn)氣管軸線夾角30°處安裝電控噴油器，噴油器由安裝在柴油發(fā)動機(jī)的油泵齒輪上的霍爾傳感器產(chǎn)生的脈沖信號觸發(fā)單片機(jī)輸出信號控制，其中，噴油量由單片機(jī)輸出信號脈寬直接控制；在原有冷卻系統(tǒng)的基礎(chǔ)上安裝副水箱，通過加熱副水箱中的水，使發(fā)動機(jī)的熱狀態(tài)在一定范圍內(nèi)可調(diào)，同時縮短試驗的準(zhǔn)備時間。在試驗開始時，首先將冷卻液進(jìn)行加熱70 ℃后，啟動發(fā)動機(jī)，減少熱機(jī)時間。發(fā)動機(jī)啟動后，1#缸正常工作，2#缸暫不供油，由1#缸拖動2#缸，在一定轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)冷卻液溫度達(dá)到85 ℃、機(jī)油溫度達(dá)到65 ℃時，調(diào)整發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速到預(yù)定轉(zhuǎn)速，同時調(diào)整2#缸進(jìn)氣溫度至預(yù)定值。待所設(shè)各參數(shù)穩(wěn)定后，切斷1#缸供油，同時向2#缸供油，轉(zhuǎn)為HCCI工作模式。在試驗中，通過調(diào)整噴油脈寬的方法來控制過量空氣系數(shù)，采用北京昆侖公司的Pt100熱電阻測量進(jìn)氣溫度，采用日本小野公司的CB-566分析儀用于發(fā)動機(jī)臺架上對內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行燃燒分析，采用kistler的6052A型號的壓電式壓力傳感器和5019B型號的電荷放大器進(jìn)行壓力采集。根據(jù)所測平均示功圖，利用一零維的放熱率計算模型計算燃燒放熱規(guī)律，計算公式如下。

三、試驗結(jié)果分析

在轉(zhuǎn)速為1 200 r/min的條件下，不同過量空氣系數(shù)對應(yīng)不同進(jìn)氣溫度對指示熱效率的影響不同。進(jìn)氣溫度與汽油HCCI指示熱效率率的關(guān)系如圖1所示。

由圖1可知，隨著進(jìn)氣溫度的逐漸升高，汽油HCCI燃燒的指示熱效率呈明顯上升趨勢。這是因為HCCI燃燒受化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的控制，而大多數(shù)的化學(xué)反應(yīng)速率是隨著溫度的升高而加快的。隨著進(jìn)氣溫度的升高，在進(jìn)氣管中進(jìn)行預(yù)混的燃油得到了充分的霧化與蒸發(fā)，所形成的混合氣也更加的均勻；進(jìn)入汽缸后，活化分子數(shù)目增多，分子碰撞概率增大，化學(xué)反應(yīng)速率加快，反應(yīng)時間大為縮短，使得壓縮終了溫度得到大幅升高，從而使得著火點(diǎn)提前，燃燒持續(xù)時間縮短，峰值壓力增大，燃燒效率提高，最終導(dǎo)致平均有效壓力增大，指示熱效率升高。

從圖1還可以看出，過量空氣系數(shù)較高時，指示熱效率隨著溫度升高的也更快，但其在溫度較低時的指示熱效率較低；當(dāng)過量空氣系數(shù)較低時，與之相反。原因在于當(dāng)進(jìn)氣溫度較低時，燃油的霧化與蒸發(fā)主要靠自身特性及噴霧質(zhì)量影響，進(jìn)氣溫度對指示熱效率影響較小；隨著進(jìn)氣溫度的升高，過量空氣系數(shù)低的燃油得到足夠的熱量，從與空氣混合更加充分，使得汽油的指示熱效率的升高率更高。同樣，相比汽油機(jī)和柴油機(jī)，HCCI燃燒更高效。