柴油進氣預混發動機燃燒特性的試驗研究

李東昌 汪 映

（西安交通大學）

1 前言

2 進氣預混發動機試驗臺架

均質充量壓縮燃燒（HCCI）方式作為下一代最有潛力的內燃機燃燒技術在國內、外受到廣泛關注，但是目前在內燃機上采用此方式還有一些關鍵技術難題，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]。

預混均質壓燃（PCCI）是部分預混壓燃和燃料缸內直噴燃燒相結合的復合燃燒方式，預混燃料可以采用進氣道噴射或提前向缸內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進行燃料主噴射[5]。為深入了解進氣預混發動機的燃燒特性，本文采用進氣道預混二甲醚 （DME）—缸內直接噴射柴油的復合噴射方式實現PCCI，同時研究DME預混比和冷EGR率對進氣預混發動機燃燒特性的影響。

試驗用原機為東方紅YTR2105型四沖程、非增壓直噴式柴油發動機，其主要性能參數如表1所列。試驗中將原機改裝為進氣道噴射DME和缸內直接噴射柴油的進氣預混發動機，除傳統的泵-管-嘴柴油供給系統外，又加裝了一套由進氣道導入DME燃料的供給系統。進氣預混發動機試驗臺架布置如圖1所示。

表1 發動機的主要技術參數

從進氣道引入的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。單向閥起節流作用，同時用流量調節閥控制DME的流量。為了減小預混氣溫度變化對發動機燃燒過程的影響，在發動機試驗臺架上加裝DME加熱器。試驗中，采用Kistler 2613B型角標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型數據采集儀收集來自角標、缸壓傳感器的信號。

定義DME預混比r，r表示進氣道引入的DME量與相同時刻時發動消耗燃料總量關系的量，計算公式為:

式中，mDME為DME的質量流量；mdiesel為柴油的質量流量；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氣道，并通過調節EGR閥的開度來控制引入進氣道的廢氣量，同時在EGR閥前加裝循環水冷卻散熱器，使進氣溫度保持在30～40℃。以冷EGR率作為評價排氣再循環量大小的指標；采用進、排氣CO2法測量冷EGR率，并據此定義冷EGR率，其計算公式為:

式中，[CO2]out為排氣中的CO2體積百分數；[CO2]in為經過再循環廢氣稀釋后進氣中的CO2體積百分數。

3 試驗結果及分析

3.1 DME預混比對進氣預混發動機燃燒特性的影響

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預混比r對進氣預混發動機的缸內壓力、缸內溫度、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預混比r的增加，進氣預混發動機最高燃燒溫度和最高爆發壓力均逐漸增大，且缸內壓力和溫度迅速升高的起點也相應提前。其原因是隨DME預混比r的增加，發生低溫和高溫HCCI燃燒的DME預混燃料濃度和質量逐漸增大，缸內燃燒前期釋放出更多熱量，導致發動機缸內溫度和壓力不斷升高，進而縮短了柴油燃料的滯燃期，發動機燃燒始點不斷提前，缸內最高燃燒溫度和最高爆發壓力也相應增大。

從圖4可以看出，進氣預混發動機缸內的壓力升高率隨DME預混比r的增加先增大后減小再增大。先增大是因為DME預混氣在壓縮行程中進行低溫HCCI燃燒，使得發動機缸內壓力和溫度上升，進而縮短了柴油燃料的滯燃期，當其進入氣缸后遇到溫度較高的燃氣會形成多個火焰中心并同時著火，導致壓力升高率峰值升高；后減小的原因是雖然缸內溫度隨DME預混比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，使得擴散燃燒階段的放熱量減少，從而導致壓力升高率峰值相應減小；再增加是由于隨DME預混比r的繼續增加，發生高溫HCCI燃燒的預混燃料量很大并起主導作用，且HCCI燃燒是所有燃料幾乎在同一時刻著火，使得發動機缸內壓力和溫度迅速升高，從而導致壓力升高率增大。

從圖4還可以看出，當DME預混比在較小范圍時，進氣預混發動機缸內的壓力升高率曲線呈現兩個波峰，其分別由DME預混氣HCCI燃燒和柴油燃料擴散燃燒引起；當DME預混比在較大范圍時，進氣預混發動機缸內壓力升高率曲線具有3個波峰，其分別由DME預混氣低溫HCCI燃燒、高溫HCCI燃燒和柴油燃料擴散燃燒引起。

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

由圖5還可以看出，在轉速和負荷不變的情況下，隨DME預混比r增加，進氣預混發動機的放熱率曲線整體前移，DME預混氣低溫HCCI燃燒放熱階段出現的位置隨預混比r的增加變化不大，但柴油燃料擴散燃燒放熱出現的位置隨預混比增加而逐漸提前，使得發動機整個燃燒持續期逐漸縮短。

3.2 冷EGR率對進氣預混發動機燃燒特性的影響

圖 6～圖 9 為 n＝2100 r/min、Ttq=80 N·m、DME預混比為30%、供油提前角為上止點前18°時，冷EGR率對進氣預混發動機缸內壓力、缸內溫度、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，進氣預混發動機缸內最高爆發壓力和最高燃燒溫度逐漸減小，且缸內壓力和溫度迅速升高的起點相應后移。從圖8和圖9可以看出，進氣預混發動機缸內壓力升高率曲線和放熱率曲線均呈現3個波峰，均分別由DME預混氣低溫HCCI燃燒、高溫HCCI燃燒和柴油燃料擴散燃燒引起。在此工況下，隨著冷EGR率的增加，發動機缸內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，且波峰出現的位置逐漸后移。

圖6～圖9中曲線峰值逐漸降低且出現峰值的位置逐漸后移的原因:當每循環進入氣缸的均質DME預混氣量不變時，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，導致缸內燃燒反應速度變慢，燃料的滯燃期延長；另外，引入進氣道的冷EGR擠占了進氣中空氣的空間及其對空氣的稀釋作用，使得發動機缸內氧氣的濃度隨著冷EGR率的增大而不斷下降，導致燃料氧化反應速度變慢且不完全，而且EGR中的CO2、NO和H2O等成分使得燃料氧化反應的生成物濃度增加，氧化與裂解等正反應速度降低，逆反應速度增加，也使缸內燃燒反應速度變慢，燃料的滯燃期延長。

4 結束語

a.當 n=1700 r/min、Ttq=40 N·m、供油提前角為上止點前10°時，隨DME預混比r的增大，進氣預混發動機缸內壓力和溫度迅速升高的起點逐漸提前，最高爆發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展成3個波峰，且最大壓力升高率隨DME預混比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展到3階段發熱，且放熱率曲線隨DME預混比r的增加而整體前移。

b.當 n=2100r/min、Ttq=80N·m、DME 預混比為 30%時，進氣預混發動機缸內壓力升高率曲線呈現3個波峰，放熱率曲線呈現3階段放熱；隨著冷EGR率的增加，進氣預混發動機缸內最高燃燒壓力和最高燃燒溫度均逐漸下降，且缸內壓力和溫度迅速升高的起點相應后移；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，Fatih 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.不同參數對PCCI-DI發動機燃燒壓力和溫度影響的數值模擬研究.內燃機，2011（1）:6～9.