均質壓燃式發動機系統的改造及燃燒分析

王茂美, 呂江毅， 成 林, 王谷娜

(北京電子科技職業學院 汽車工程學院, 北京 100176)

均質壓燃式發動機系統的改造及燃燒分析

王茂美, 呂江毅， 成 林, 王谷娜

(北京電子科技職業學院 汽車工程學院, 北京 100176)

對實驗室原有的依維柯索菲姆柴油發動機進行燃油噴射系統和進排氣系統的改造，使其實現均質壓燃燃燒方式(HCCI)燃燒方式。同時加裝數據和信號采集裝置，以基礎燃料進行燃燒，利用缸壓采集和燃燒分析模塊進行數據采集和分析。實驗證明，通過對發動機原有燃油噴射系統和進排氣系統的改造，完全能夠實現HCCI燃燒方式，在過量空氣系數λ為2.85左右時，發動機NOx和碳煙的排放能同時降低。可以考慮改進排氣系統和燃油噴射系統，將λ控制在理想值附近。

均質壓燃燃燒; 過量空氣系數; 低負荷失火; 高負荷爆震

0 引 言

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

1 實驗系統的改造

為實現HCCI燃燒方式，需進行燃油噴射系統和進、排氣系統的改造；為實時采集缸壓信號需對發動機氣缸蓋等進行相應改造；為采集燃燒排放數據需對發動機排氣管進行相應改造。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動機不能工作，于是決定只對第四缸進行相應改造。按照此設想將實驗系統的改造分以下幾步進行[3]。

1.1 燃油噴射系統的改造及安裝

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

(2) 供油系統的改造。 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，以便在發動機燃燒時將第四缸進油管的油引入油桶。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常回油，也減小了對發動機原有狀況的破壞[5]。

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

圖1 單噴嘴帶回油系統的噴油器

(4) 噴油脈寬控制。噴油正時和噴油脈寬都是由發動機電控單元根據各傳感器的信號進行分析判斷后發出指令控制噴油器動作的。由于第四缸的燃油噴射系統是獨立的，且HCCI技術不成熟，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燃燒排放數據(見圖4)。

圖4 AVL五氣分析儀

1.3 缸壓采集系統的改造及安裝

(1) 氣缸蓋的改造。 為實時采集發動機氣缸壓力，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)。為減少對發動機的破壞，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據[8]。

(2) 旋轉編碼器的安裝與調試。 發動機工作時曲軸轉角的采集需要用旋轉編碼器，本實驗采用歐姆龍公司生產的E6B3 / E6C4型旋轉編碼器(見圖5)，旋轉編碼器同時產生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信號作為觸發信號，Z信號通常用于標定壓縮上止點[9]。

圖5 旋轉編碼器的安裝

圖6 旋轉編碼器輸出波形

2 實驗設計

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

實驗中首先直接讓發動機4個缸噴油工作，發現第四缸根本不能實現燃燒，發動機抖動劇烈。于是改變計劃，先由發動機的另外三缸以傳統方式燃燒，當發動機的溫度達到50 ℃左右時，讓第四缸噴油工作，還是不能實現燃燒。直到發動機溫度在60 ℃左右時，第四缸HCCI燃燒方式才得以實現，但是燃燒不穩定。當發動機達到正常運行的溫度，即水溫95～97 ℃、機油溫度93～95 ℃時，將轉速穩定在1 400 r/min，對第四缸噴基礎燃料進行燃燒，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行分析[10]。

3 實驗結果分析

(1) 可行性、失火和爆震點分析。實驗結果表明，發動機在熱機范圍(恒轉速1 400 r/min、機油溫度及水溫90 ℃)內，HCCI燃燒方式是可行的。

通過p-θ示功圖(見圖7)可以得知，當λ>2.99時，由于噴油脈寬過小，導致HCCI發動機低負荷失火。隨著噴油脈寬的增大，λ<2.57時，HCCI燃燒的最大缸壓已經超過8 MPa，且缸壓曲線出現明顯的尖峰，說明發動機燃燒產生爆震狀況；λ<2.47時，發動機敲缸現象明顯，缸壓曲線頂端出現3或4個尖峰，證明該汽缸內的燃燒已處于嚴重爆震狀況[11]。

圖7 基礎燃料燃燒缸壓曲線

(2) 排放性分析。從圖8可見，當發動機處于爆燃狀態，λ=2.35時，HC排放情況最好，但NOx排放污染嚴重；λ=2.85時，發動機排放綜合指標相最好；λ=2.99時，HCCI混合燃料燃燒不充分出現失火情況，因此HC排放達到最高值[12]。

圖8 基礎燃料排放

4 結 語

實驗證明，通過對柴油機進排氣系統和噴油系統進行改造并加裝采集、測量設備，以基礎燃料進行燃燒分析后，確認該發動機完全能夠實現HCCI燃燒方式[13]。通過對低負荷失火點和高負荷爆震特性的分析得知，對HCCI發動機來說，基礎燃料的燃燒范圍比較窄，后續實驗可以在基礎燃料中加入不同添加劑來改善HCCI的燃燒狀況[14]。另外，發動機燃燒速率的控制可以很好地同時降低NOx和碳煙的排放，可以考慮改進發動機燃油噴射和進排氣系統來實現[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

北京電子科技職業學院新能源汽車技術科研團隊項目資助(2017)

王茂美(1976-)，女，山東日照人，碩士，講師，現主要從事汽車節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研究。

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

TK 429

A

1006-7167(2017)08-0083-04