（动力机械及工程专业论文）拓展汽油hcci燃烧运行范围的试验研究.pdf

摘要 均质压燃可控着火( h o m o g e n e o u sc h a r g ec o m p r e s s i o ni g n i t i o n ，h c c i ) 汽 油机因可以同时改善燃油经济性和降低氮氧化合物的排放水平因而受到了内燃 机研究领域的广泛关注和深入探讨。但是h c c i 还存在着运行工况范围狭窄的问 题。为拓展h c c i 燃烧运行范围，充分利用h c c i 燃烧的优势，本文在装有进排 气门定时和升程连续可变机构( 4 - v a r i a b l ev a l v ea c t u a t i n gs y s t e m ，4 v v a s ) 的单 缸试验发动机上，通过深入研究基于内部废气重压缩策略的h c c i 工况边界区域 的特征，找出限制h c c i 燃烧运行范围的因素。系统研究了火花辅助点火、外部 废气再循环和进气增压三种常用控制手段，对拓展h c c i 运行范围的作用。研究 结果表明： 火花辅助点火h c c i 燃烧模式，可以在一定程度上增加燃烧持续期，避免了 发生爆震的倾向，使得h c c i 发动机的负荷边界向大负荷方向平均拓展0 6b a r 左右，并在一定程度上改善了c o 和h c 的排放。 通过在基于内部废气重压缩的h c c i 燃烧中引入外部废气循环，可以推迟着 火时刻，增长燃烧持续期，可以有效避免爆震的现象，改善n o x 排放。外部废 气循环可以突破原来限制h c c i 燃烧的爆震界限，使得h c c i 燃烧的负荷范围平 均拓展0 8b a r 左右。燃烧负荷的进一步拓展受到失火的限制。 使用进气增压的方式，可以使相同废气率下的h c c i 运行负荷扩大，但是新 鲜充量增多后，缸内废气不足以控制放热速度，因而爆震限制了h c c i 燃烧负荷 的进一步拓展。 关键词：汽油机均质压燃范围拓展火花辅助外部废气再循环进气增压 a bs t r a c t h c c i ( h o m o g e n e o u sc h a r g ec o m p r e s s i o ni g n i t i o n ) g a s o l i n ee n g i n e s h a v eb e e n r e c e i v e dal o to fa t t e n t i o nf r o mt h ew o r l d w i d ea u t o m o t i v ef i e l dd u et ot h e i ru l t r a - l o w n o xe m i s s i o n sa n dh i g ht h e r m a le f f i c i e n c y h o w e v e r , t h e ya r ec o n f r o n t e dw i t ht h e p r o b l e m s i n o p e r a t i o nr a n g ee x t e n s i o n i nt h i sp a p e r , f o re x t e n d i n g t h eh c c i o p e r a t i o nr a n g e ，t h eh c c ic o m b u s t i o nc h a r a c t e r so fag a s o l i n ee n g i n eo nb o r d e r l i n e u s i n ge x h a u s tr e - c o m p r e s s i o ns t r a t e g i e sw a si n v e s t i g a t e di n d e t a il b ye x p e r i m e n t t w h e r e a f f e r , t h es t u d i e so ft h ec o m b u s t i o n - r e l a t e df a c t o r sa n dt h e i r se f f e c t so nt h e c o m b u f l i o np r o g r e s sa r ec a r r i e do u tt of i n d t h ek e yf a c t o r l i m i t i n gt h eh c c i c o m b u s t i o no p e r m i o nr a n g e u s i n gs p a r ka s s i s t a n t e x t e r n a le g r s u p e r c h a r g e e x t e n t st h eo p e r a t i o nr a n g eo fh c c ic o m b u a i o n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w ： s p a r ka s s i s t a n th c c ic o m b u s t i o nc o u l di n c r e a s et h ec o m b u s t i o nd u r m i o n ，m a k e t h ec o m b u s t i o ni n t e n s i o nw e a k e r ，m a k et h eb o u n d a r yo fh c c ie x t e n d e da r o u n d0 6 b a rt o w a r d st h eb i gl o a d c o r r e s p o n d i n g l yi tc o u l dm a k et h ec oa n dh ce m i s s i o n s b e t t e rt oad e g r e e l e a d i n gt h ee x t e r n a le g rt ot h eh c c ic o m b u s t i o nu s i n gt h ei n t e r n a l e g r r e c o m p r e s s i o ns t r a t e g y , c o u l d i n c r e a s et h ec o m b u s t i o nd u r a t i o n ，p o s t p o n et h e i g n i t i o nt i m i n g ，a v o i dt h ek n o c k i n ga v a i l a b l y , m a k en o x e m i s s i o nd e c r e a s e d i tc o u l d b r e a kt h r o u g ht h ek n o c k i n gl i m i t , m a k et h eo p e r a t i o nr a n g ee x t e n ta b o u t0 8b a r b u t d u et ot o ol a t ei g n i t i o n ，m i s f i r el i m i t st h eo p e r a t i o nr a n g ef a r t h e rl a r g e u s i n gt h es u p e r c h a r g e ，m a k et h el o a dl a r g ew i t ht h es a m ei n t e r n a le x h a u s tg a s r e c i r c u l a t i o nf r a c t i o n ，b u td u et ol a c ke n o u g hd i l u t i o n ，k n o c k i n gl i m i t st h eo p e r a t i o n r a n g ea l lt h es a m e k e yw o r d s ：g a s o l i n eh c c i ，e x t e n do p e r a t i o nr a n g e ，s p a r ka s s i s t ，e x t e r n a l e g r ，s u p e r c h a r g e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨生盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：镌锅 筌字日期：二钿7 年月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：彳缘辛为 签字日期：多刁年月2 舌日 导师潞芬牵 签字日期：2 刁年月彳日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 近些年来，全人类的环境保护意识都有了很大的提高，全世界各国都纷纷 立法来保护人类生存的环境，法规要求的严格性逐年提高。而传统石油资源日益 紧缺，油价持续上涨，能源安全形势恶化。在这个大背景下，随着我国经济的快 速发展，实现可持续地和谐发展已经成为我国社会和经济发展的指导思想。于是， 在内燃机研究中，降低排放和提高燃油经济性成为顶天立地的两大重点。因此， 开展内燃机新型高效、清洁燃烧方式的研究对保证国民经济的持续健康发展和国 家能源安全都具有十分重要的意义。 国际能源机构的统计数据表明，2 0 0 1 年全球5 7 的石油消费在交通领域， 预计到2 0 2 0 年交通用油占全球石油总消耗的6 2 以上。作为内燃机主要燃料的 石油作为一种不可再生的化石燃料，面临着日益短缺的严重问题。据推测，按照 目前的汽车保有量计算，地球上可供开采的石油仅仅能够维持4 0 到5 0 年。作为 原油净进口国，我国的能源问题就更加严峻。据国务院发展研究中心估计，到 2 0 1 0 年我国石油消耗的6 1 要依赖进口，而汽车的石油消耗将占国内石油总需 求的4 3 l l j 。而且今年来国际油价持续走高，按照现在的发展速度，我国能源形 势不容乐观。 自7 0 年代发生多起环境事件以来，人们深刻地感到环境保护的压力。世界 各国纷纷制定了日益严格的排放法规。为满足欧i 、欧i i 标准，人们相继采用了 增压中冷、提高燃油喷射压力、可变气门定时，燃烧系统优化和e g r 等先进的 技术。2 0 0 0 年的欧i i i 标准中，n o x 和p m ( 微粒) 要求分别为5g k w h 和0 1g k w h ， 于是共轨电控燃油系统、n o x 吸附催化器，微粒捕捉器等技术日益成熟。目前， 各国的排放标准仍然在逐步提高，现阶段欧盟法规要求n o x 和p m 分别达到3 5 g k w h 和0 0 3g k w h 。2 0 0 6 年1 2 月1 3 日欧洲议会通过了旨在进一步限制汽车污 染物排放的欧洲v 号和欧洲号标准。根据新标准，未来欧盟国家对本地生产及 进口汽车的污染物排放量，特别是氮氧化物和颗粒物排放量的控制将更加严格。 欧v 标准将于2 0 0 9 年9 月1 日开始实施。根据这一标准，柴油轿车每公里氮氧 化物的排放量不应超过1 8 0 毫克，比目前标准规定的排放量减少了2 8 ：颗粒 物排放量则比目前标准规定的减少了8 0 。届时，所有柴油轿车必须配备颗粒 物滤网。2 0 1 5 年9 月实施欧标准后，新款厢式车每公里氮氧化物排放量不应 第一章绪论 超过1 2 5 毫克。与欧v 标准相比，欧标准对人体健康的益处将增加6 0 - - 9 0 。而我国的现行标准虽然现在仍较欧洲宽泛，但是发展很快，与世界领先水平 接轨是必然的。 近年来，我国汽车业迅猛发展，随着汽车保有量的增加，内燃机所消费石 油量也将迅速增加。然而，与国外先进水平的发动机相比，我国内燃机的燃料利 用率较低，排放较差。因此，提高内燃机燃料利用率，降低其有害排放物对于节 约能源，保护生态环境都具有重要的意义，成为目前内燃机行业重点研究的问题。 此外，为超越传统内燃机排放和经济性极限，开展内燃机新型高效、节能燃烧方 式的研究对保证国名经济的健康发展，同时对保证国家能源安全具有十分重要的 意义。 传统内燃机分为火花点火发动机与压燃式发动机两种。其中，柴油机属于 燃料喷雾预混和扩散燃烧的组合，在发动机活塞运行至上止点附近压燃缸内的混 合气。u y e h a r ao 指出，传统柴油机使用不均匀混合气必然产生高的n o 、排放， 这主要是由于燃油与空气混合时间短，燃料混合不均匀，形成了局部高温火焰区 和高温过浓斟2 1 。柴油机的燃烧主要是扩散燃烧，火焰前锋面是过量空气系数约 为1 的扩散火焰，局部火焰温度高达2 7 0 0 k ，极易生成n o x ，而在高温过浓区， 由于缺氧生产大量碳烟。柴油机燃烧过程这个固有性质，决定了它必然存在一个 n o 。最低的排放限值，为了逾越n o 。极限，必须改变柴油机混合气不均匀性和扩 散燃烧的方式。 过去作为降低燃烧温度的手段是采用抑制初期预混合燃烧，借助废气再循 环( e x h a u s tg a sr e c i r c u l a t i o n ，e g r ) 降低氧气浓度和推迟喷油来降低n o 。排放， 然而这些降低n o x 的手段又使柴油机的烟度和燃油耗恶化，这种烟度恶化是扩散 燃烧不可避免的。因此，对于柴油机来说，未来研究的关键是如何在保持柴油机 高的燃料利用率的基础上同时降低n o 。和碳烟排放。 传统汽油机属于预混合均质燃烧，借助火花塞点燃混合气。通过调节节气 门开度大小，控制进入气缸的混合气量，从而改变发动机负荷大小以满足用户对 动力的要求。但是在部分负荷时，由于节气门开度小，节气门后面进气管内的压 力远远低于大气压，泵吸损失增加，造成汽油机燃油经济性差。而汽油机大部分 时问都运行在部分负荷工况，这就使得汽油机的燃料利用率较低。此外，为避免 爆震，汽油机的压缩比不能太高，因此其热效率和经济性比柴油机差。 为改善汽油机燃油经济性，人们进行了汽油机稀燃和分层燃烧的研究。但分 层燃烧又带来了与柴油机类似的微粒和n o 。排放的增加，特别是稀燃条件下，排 气中含氧很多，现有成熟的三元催化后处理技术难以解决n o 。排放问题，排放达 不到传统电控汽油机的技术水平，限制了其广泛应用。除了节气门之外，能够使 2 笫章绪论 汽油机实现量调节的另一个途径就是气门本身。利j j 气门定时或升程控制缸内压 缩始点混合气量，这样在同样负荷下就能够增犬节气门的开度c 甚至节气r j 全 开) t 减少泵吸损失，从而达到汽油机节能的目的。但因其系统复杂、机构精密， 目前国内还没肯具有自主知识产权的车刖发动机町变气门机构。 由以上分析r 知，制备均 匀混台气，减少缸内混合气的 温度和浓度分层是降低柴油 机排放的关键，而减少泵t t 损 失、改进燃侥过程使之接近 奥托循环可以提高汽油机的 燃料利用率和指小热效率。因 此突破传统内燃机燃烧方式 所决定的排放限制和燃料利 用宰极限就必须发展“均 质、压燃、低温火焰燃烧为特 图l - l 均质压燃燃烧概念发动机 征的新的内燃机燃烧理论。均质压燃着火( h o m o g e n e o u sc h a r g ec o m p r e s s i o n i g n i t i o n ，h c c i c o n t r o l l e da u t o - i g n i t i o n ，c a i ) 燃烧模式是在压缩过程形成均 质的混台气当压缩到上止点附近时均质混台气冉燃若火。均质压燃燃烧发动机 成为继火花点火发动机和压燃燃烧发动机之后的第二种发动机燃烧方式，它具有 柴油机压燃和汽油机均质混合气的特点如图1 一i 所示。 早在2 0 世纪3 0 年代人们就认识到均质混合气压缩自燃的燃烧方式在汽油 机上的存在，但它。直被认为是一种异常燃烧现象而被抑制。在二冲程发动机上 真正有意识应用h c c i 燃烧始于1 9 7 9 年o h i s h i 4 i 和n o g u c h i 4 1 的研究。1 9 7 9 年， 0 h i s h i 等人在2 行程发动机上进行了h c c i 的研究。试验发现当发动机在低负荷工 况下工作时，在1 0 0 0 m i n 一4 0 0 0r m i n 的转速范围内h c c i 发动机比传统的发动 机工作稳定性好，燃油经济性和排放也都有显著的政进。n o g u c h i 等人也在二冲 程汽油机上，利用高速摄影光学分析研究九打1 ：化学反应中问产物导致的自燃 着火过程。h o n d a 公司f 1 9 9 7 年展示了采用h c c i 的2 行程发动机，i p f 公司也开 发了应用h c c i 概念的2 行程发动机。在这两款发动机中h c c l 燃烧模式被用来 改进部分负荷的稳定性和燃油经济性减少h c 4 放。 1 9 8 3 年n a j t 采 l f o s t e r t m 在4 行程发动机上实现了h c c i 燃烧方式。1 9 8 9 年， 1 h r “d “首次提出采用两种燃烧模式，即在大负荷使用火托点火方式，在龆分负 荷采用h c c i 方式。1 9 9 7 年，c h r i s t e n s e n 等人i ”采用异辛烷( 辛烷值1 0 0 ) 、酒耪( 辛 烷值1 0 7 ) 和天然2 t ( 辛烷值i 2 0 ) 等3 种燃料进行r h c c i 试验。c h r i s t e n s e n 等人的 第一章绪论 研究结果表明：采用增压可增加发动机使用h c c i 燃烧方式时的平均有效压力， 几乎所有的液体燃料都能用于可变压缩比的h c c i 方式中【8 】。美国西南研究院很 早也开展了柴油机“预混稀燃”的研究。进入9 0 年代后，在世界范围内针对h c c i 研究的投入力度和研究深度得到了极大的加强。 这一新型燃烧技术在内燃机节能和降低排放方面显示出的巨大潜力，在上个 世纪9 0 年代后期引起了全世界内燃机界的高度关注，国内外著名研究机构及高 校都在积极开展新一代内燃机燃烧控制理论和控制技术的研究。美国能源部2 0 0 1 年提交国会的报告指出，h c c i 是内燃机燃烧技术的一个重大进步，它将代替目 前的车用压燃式和点燃式发动机，预计在2 0 10 年h c c i 发动机将在轻型客车上得 到应用，到2 0 1 5 年使用h c c i 发动机每年可以节省原油5 0 万桶【9 j 。因而开展这 一领域的研究具有重要的理论意义和现实意义。 1 2h c c i 燃烧模式的特点及及其自身面临的挑战 均质压缩燃烧方式结合了压燃式发动机和点燃式发动机的优点。与传统的点 燃式发动机相比，它取消了节气门，泵吸损失小，混合气多点同时着火，燃烧持 续期短，可以得到与压燃式发动机相当的高热效率；与传统柴油机相比，由于是 均质混合气，燃烧反应几乎是同步进行，没有火焰前锋面，燃烧火焰温度低，n o x 排放很低，几乎没有微粒排放。h c c i 发动机可以降低对燃油喷射系统的要求， 可以使用喷射压力较低的燃油喷射系统，降低燃油喷射系统的成本。 h c c i 发动机既可以燃用传统的汽油和柴油，也可以燃用其它代用燃料，不 仅可以应用到从小型的摩托车发动机到大型的船舶用发动机，也可以应用到交通 运输领域以外的发动机，如发电、工程机械和管道泵站中。 研究表b ) h c c i 燃烧受到化学反应动力学的控制【9 1 3 l 。因此，h c c i 发动机主 要是通过控制缸内混合气的温度、压力和成分间接控制着火时刻和燃烧过程。这 显然比传统汽油机通过点火时刻和柴油机通过喷油时刻控制着火时刻困难得多， 所以尽管h c c i 最初的构思提出了近二十年，但一直没有得到深入的研究。近年 来，随着发动机电控技术的发展，这一燃烧技术才逐步得以广泛的研究，并引起 了全世界内燃机学术界和工业界的高度关注。然而，要使h c c i 在内燃机中得到 更广泛的应用，还有许多理论问题和工程问题需要解决【9 14 | ，这些问题概括起来 主要有以下几个方面。 一、在宽广的发动机运行工况范围内着火时刻的控制 h c c i 发动机的着火时刻主要由混合气的成分、温度和压力的变化历程决定， 着火时刻及燃烧过程只能通过间接控制，所以着火时刻的控制是h c c ! 发动机面 4 第一章绪论 临的最大挑战。一方面，发动机输出功率的改变要求其燃料量，即混合气浓度的 改变，这就需要相应改变温度变化历程以保证合适的着火时刻；另一方面，发动 机转速的改变将使混合气发生自燃的化学反应累计时问发生变化，着火相位角将 发生变化，这需要通过改变混合气的温度变化历程来补偿。在快速变化的瞬变工 况，这些控制问题变得更加困难。 二、h c c i 发动机冷起动困难 在冷起动工况，h c c i 发动机混合气在压缩过程中的温度较低，而且由于燃 烧室壁面较冷，传热会使压缩过程中混合气温度进一步降低。对于由化学动力学 决定的燃烧过程来说，温度是最敏感的参数，温度过低将会导致发动机失火，使 冷起动困难。因此对于冷启动来说，合理的方法是使用传统的s l 方式启动，待 燃烧稳定后，再过渡到h c c i 燃烧模式。 三、h c 和c o 排放问题 h c c i 发动机n o 。和微粒排放极低，但h c 和c o 排放相对较高，尤其是低负荷 时，缸内温度低，c o 难以被完全氧化成c 0 2 。虽然h c 和c o 催化技术比较成熟， 在汽车工业中已使用了几十年，然而，由于h c c i 发动机的排气温度较低，延长 催化氧化反应器反应的时间并降低了氧化效率。为了满足h c c i 发动机h c 和c o 的排放要求，需要开发低温条件下的高效催化氧化反应器。 针对以上均质压燃燃烧的关键难题，近些年来，各国研究人员进行了大量的 研究。就柴油机h c c i 燃烧而言，除了h c c i 燃烧中基本的燃烧速率和大负荷扩展 的问题外，关键是均匀混合气的制备。因此合理控制喷油时刻和喷油量，组织缸 内燃油雾化过程以制备均匀混合气成为实现h c c i 燃烧的关键，如日本n i s s a n 公司 的m k ( m o d u l a t e dk i n e t i c s ) 燃烧方式l l 引，是柴油机h c c i 燃烧比较成功的范 例。它通过把排出的废气再次引入燃烧室内，提高惰性物质的浓度，减少氧浓度， 降低燃烧温度，使柴油喷雾自燃着火的滞燃期延长，从而使喷入燃烧室的燃料获 得了更多的混合时间，同时设法提高混合速率，采用高的涡流比，使m k 发动机 在中低负荷下实现了均质压燃着火和可控燃烧速度的目标，但仍然没有解决大负 荷难以实现的难题。天津大学苏万华教授 1 6 1 8 1 提出的多脉冲复合喷射和b u m p 燃烧系统通过在压缩冲程早期开始多脉冲喷射，控制预混合气的形成过程和温 度、浓度分层，从而能够控制预混合燃烧过程的自燃着火速率、燃烧相位和放热 率。 四、h c c i 发动机运行范围的扩展 由于h c c i 燃烧是均匀混合气压燃着火，燃烧几乎是同步进行，发动机在大 负荷工况时过快的燃烧反应速度会引起爆震燃烧，其结果是造成过大的燃烧压升 率，引起发动机的机械负荷和热负荷过大，甚至造成发动机损坏，同时会引起发 5 第一章绪论 动机高噪声和高的n o 。排放，所以h c c i 发动机存在向大负荷扩展难的问题。另 一方面，对于高辛烷值燃料，低负荷、低转速工况下，因燃烧反应速度过慢引起 火焰温度过低，难以形成稳定的着火条件，导致燃烧不充分，形成大量的未完全 燃烧产物，燃料的利用率严重恶化，有害排放物增加，怠速工况下容易出现“失 火”。因而h c c i 发动机存在着难以向大负荷和小负荷工况扩展运行工况范围的问 题。 迄今为止，要在全工况范围内实现h c c i 是困难的，比较实用的方法是在 h c c i 燃烧难以实现的工况仍采用传统的点燃式或压燃式，而在其它运行工况范 围内使用h c c i 燃烧，即双模式工况运行方式，并根据实际运行需要，对发动机 运行模式进行切换。这样，发动机整机性能仍能满足汽车驾驶性能的要求。但发 动机的双模式工作，会增加发动机控制系统的复杂性。 1 3 汽油机h c c i 着火燃烧的控制 汽油高辛烷值燃料具有易挥发难以压燃的特性，容易形成均匀混合气，但 低压缩比很难实现混合气压缩着火，必须通过一定的热源加热才能达到混合气的 自燃温度。另外，一旦缸内的均匀混合气自燃，必须能够控制随之而来的快速放 热过程，一般需要对其进行稀释。 如前面所述，改善汽油机油耗主要是通过两方面来实现的。一方面是改善燃 烧过程，提高燃烧热效率；另一方面是减少泵吸损失。汽油机c a i 燃烧通过使 用经废气稀释的当量比为1 的均质混合气实现了近似等容的压燃燃烧过程。在内 燃机理想循环中，具有相同压缩比内燃机的定容燃烧循环热效率最高。 加上此时经废气稀释的混合气绝热指数较高，燃烧热效率得以进一步提高。另一 方面，通过控制缸内废气量就可以控制新鲜进气量和喷油量，从而实现汽油机的 负荷控制，因而并不需要使用节气门，这样就能减少泵吸损失，改善燃油经济性。 目前主要通过以下几种方式实现c a i 燃烧1 1 9 - 2 0 1 ：1 ) 直接进气加热；2 ) 高压 缩比：3 ) 使用更容易自燃着火的燃料；4 ) 使用e g r 或内部残余废气。以上研究 方法主要从两个方面入手，一是改变混合气温度历程，二是改变混合气的自燃特 性，从而达到实现汽油机c a i 燃烧控制的目的。 进气加热方式比较简单，能够直接改变混合气的初始压缩温度，进而改变缸 内温度变化历程，而对压力的影响并不明显。最早使用进气加热方式来进行汽油 机h c c i 燃烧研究的是n a i t 【5 和t h f i n g t 2 l 】等人，他们将进气温度加热到3 0 0 c 以上 实现了均质压燃燃烧。o a k l e y t 2 2 2 3 l 等在英国b r u n e l 大学也开展了汽油燃料均质压 燃着火燃烧过程的研究，他们在一个进气道喷射的普通汽油机上，取消了节气门， 6 第一章绪论 在进气口处设置一个电加热器，将进气温度加热到3 2 0 ( 2 ，使其在压缩过程中能 够达到自燃温度。为减缓放热速率，将排出的部分废气重新吸入燃烧室，以改变 混合气中的氧气浓度、惰性气体浓度和比热，进而改变了燃烧特性。他们研究了 发动机在1 5 0 0r m i n 时，不同空燃比和外部e g r 率下的均质压燃燃烧的运行范围。 结果表明限制c a i 燃烧运行范围的边界有三个，分别是：部分燃烧边界、失火边 界和敲缸边界，如图1 2 所示。其中， 失火边界出现在e g r 率过大的情况 下，随着e g r 增加，进气中的c 0 2 和 h 2 0 显著增加，混合气的热容增大， 着火时刻推迟直至失火。部分燃烧 边界出现在稀混合气区，随着燃油 量的减少，缸内燃烧温度降低，不 能将燃料完全氧化，排放中出现大 量部分燃烧产物( 未燃h c 浓度大于 5 0 0 0 p p m ) 。敲缸边界则是因为燃烧 放热速度过大引起的，用数字带通 么 夕衫刃万 l 夕杉夕杉 f m l w r n r 目铡l 7 ，、 5b a r 。c a ) 同时出现激振波( 频率可达5 1 0 k h z ) ，在气 缸内来回反射冲撞，敲击气缸和燃烧室壁面，发生金属敲击声，同时破坏缸壁上 的润滑油面。由此可见，爆震时，在上止点后一段曲轴转角，示功图燃烧段上出 现急剧的压力振荡，压升率图上出现相应的压力升高速度振荡。这种高频冲击波 第三章4 v v a s h c c i 发动机燃烧特征及其运行范围限制因素研究 形成汽油机的爆震，能破坏气缸与活塞环和活塞三者之间的润滑油膜层，从而破 坏了正常的润滑条件，加剧了零件之间的磨损。此外，这种粗暴燃烧还会促进气 缸盖和机体的穴蚀。经常发生爆震的汽油机，由于不正常燃烧、排温增加、散热 和冷却水温度增加、润滑油温度上升、润滑油老化加剧，换油期缩短。由于强烈 的振动，使零件易于损坏。同时发动机工作不稳定，功率下降，转速降低。所以 必须避免爆震现象的发生 爆炸式的燃烧产生激振波，这种压力被在气随和燃烧室内来回反射、并附加 在正常气缸压力之上，从而形成示功图上的锯齿形波。这个压力波可以用带通滤 波器将其单独滤出，这时的示功图就成为正常的示功图。而滤出的压力波大致与 柴油机中燃烧压力振荡波形相似。 火花点火汽油机的爆震，与柴油机的燃烧压力振荡就发生的机理来说，本质 上是一样的。但发生的具体条件、时间、剧烈程度和持续时间是不同的： a 汽油机的爆震出现在燃烧的中后期，而柴油机的燃烧压力振荡出现在燃 烧的初期。前者一股在上止点之后，后着多半出现在上止点之前。 b 一般来说：汽油机的爆震延续的时间较长，而柴油机的燃烧压力震荡延 续的时间较短。因为后者是以预混合燃料燃烧为基础的，而这部分燃料一般只占 循环总燃料量的3 0 以下。这部分燃料带有引燃的性质。 c 汽油机的爆震多从燃烧室内末端( 相对于火花塞位置来说) 混合气中发生； 而柴油机的燃烧压力振荡多半从喷油前锋下风区一带首先发生。 造成这种现象的主要原因是汽油机缸内混合气点燃以后，火焰从火花塞以正 常传播速度( 3 0 7 0 m s ) 出发向四周传播。传播过程中，尚未燃烧的处于本应 最后燃烧位置上的终燃混合气受到火焰前锋面的压缩和热辐射，加速其先期反 应，并放出部分热量，因而其本身压力增大，温度升高。以致于在正常火焰未达 到之前，终燃混合气内部最适宜着火的部位已出现一个或数个火焰中心，并从这 些中心以1 0 0 3 0 0 m s ( 轻度爆震) 直到8 0 0 - - - 1 0 0 0 m s 或更高的速度传播火焰， 迅速将终燃混合气燃烧完毕【4 2 。 传统s i 发动机这一终燃混合气因压力增大温度升高而自燃的现象正是汽油 机h c c i 燃烧的原理，只不过是量的多少问题，特别是与火花助燃的h c c i 燃烧原理 非常的接近。这就带来了在h c c i 发动机中，如何界定爆震的问题。对于h c c i 燃烧 的爆震现象来说，与传统的s i 爆震相比，在原理上更加接近与柴油机的燃烧压力 振荡，属于过快的燃烧速度所引起的压力振荡，但是h c c i 爆震的压力振荡持续时 间较长。其实在h c c i 燃烧过程中，由于多点同时着火，没有明显的火焰传播过程， 使用传统的爆震机理来解释h c c i 的爆震现象是不适合的。在h c c i 燃烧中，造成爆 震这一现象的主要原因是燃烧发生过快，瞬时压力升高太多，而这种爆炸式燃烧 第三章4 v v a s h c c i 发动机燃烧特征及其运行范围限制因素研究 过程会对发动机造成伤害。所以在本试验中，对爆震的界定并不采用传统爆震机 理来判断，而是采用依靠爆震产生的现象来界定爆震。其实归根究底，爆震是一 种现象，燃烧中产生了激波在燃烧室内传播，高频地撞击壁面，造成如前所述一 系列恶劣的影响。在研究之中，使用爆震传感器检测爆震产生的发动机机体剧烈 的高频振动现象界定爆震的产生。振动的频率与燃烧室的尺寸、缸内压力和温度 有关。典型的汽车发动机爆震频率一般在5 7 k h z 。可以通过带宽滤波，将爆震 信号分离出来，如果信号幅值超过某一特定的阀值，则认为出现了爆震现象。 3 34 v v a s h c c i 发动机的运行范围限制因素分析 如图3 1 0 所示的是4 v v a s h c c i 发动机的运行范围。由图可知， 4 v v a s h c c i 发动机的h c c i 燃烧运行范围可以达到转速范围是1 0 0 0r m i n 4 5 0 0 r m i n ，这个转速范围已涵盖了普通轿车的常用转速范围，所欠缺的主要是 图3 1 04 w a s h c c i 发动机的运行范围 发动机的负荷范围。对于普 通的轿车发动机在实际应 用中，如果每个转速都可以 达到0 6m p a 的平均有效压 力就可以基本满足n e d c 循环常规驾驶的需求，其中 2 0 0 0r m i n 到4 0 0 0r m i n 这 一转速区间是最为常用。从 目前得到的h c c i 运行范围 来看，目前大负荷边界对于 这个目标还是有相当的差 距。特别是当转速升高时， 由于换气越来越困难，所能 达到上边界急剧变小。这现象从转速等于3 0 0 0r m i n 以后可以明显地观察到。达 到4 5 0 0r m i n 以后，最大负荷只有2 2 5 b a r 了，可运行的范围大大缩小了。 造成大负荷边界受到限制主要原因是：由于内部残余废气的存在，在较低转 速下，由于留在缸内能量较多，燃烧瞬间同时形成火核较多，放热很快，造成缸 内燃烧的最大峰值压力很高，压升率很高，形成爆震，超出了发动机可以承受的 界限，因而无法继续增加负荷。而在相对较高的转速( 3 0 0 0r m i n 以后) 的上负 荷边界上，由于传热损失减小，留在缸内的初始废气温度较低转速要高，更高的 初始温度降低了发动机的充气效率，使得相同废气率下的进气量减少，发动机的 3 l 第三章4 v v a s h c c i 发动机燃烧特征及其运行范围限制因素研究 负荷变小，而且由于相同废气率下的废气温度较高，引起着火较低转速更早，在 很小的负荷下就形成了爆震。所以在4 v v a s h c c i 发动机运行范围的上边界中， 限制负荷范围的主要是爆震现象。 限n d , 负荷边界的原因是：在h c c i 燃烧中，缸内残余废气对燃烧过程起到 了决定性的作用，而缸内的残余废气是上个循环留在缸内，这决定了h c c i 燃烧 的特点之一是各循环之间的相互影响很大，下一个循环会受到上一个循环的影响 h 3 1 ，通常情况下，若前一个循环燃烧时刻较早，则燃烧速度迅速并且燃烧完全， 具有较高的压力峰值和压力升高率，燃气膨胀充分，因此在排气门关闭时刻，缸 内残余废气温度略低，加上缸内完全燃烧后产物中c 0 2 和水含量增加，混合气的 比热容增加，在下一循环中，压缩初始温度偏低，着火推迟。着火较晚的这一循 环最大爆发压力低，燃烧速度慢，燃烧持续期长，燃烧不充分，混合气中含有部 分未燃h c ，这部分未燃h c 在废气再压缩过程中可能会有二次燃烧现象，使得缸 内温度增加，下一循环着火时刻提前，这样就形成了汽油机c a i 燃烧的循环变动。 在h c c i 燃烧小负荷边界，由于负荷小，燃烧反应放热量减少，导致缸内燃烧温 度低，着火条件不稳定，从而循环波动较大。国内一些均质压燃燃烧试验研究也 证明了高辛烷值燃料的着火和燃烧稳定性对平均指示压力很敏感【州5 1 ，在小负 荷时很难实现稳定运行。这是因为随着转速的增加，发动机每循环实际时间缩短， 在相同的进气温度和压力条件下，反应时间不充分，因而燃烧变得不稳定。另外， 残余废气的增加也使得燃烧不稳，循环波动增大。发动机h c c i 燃烧运行范围受 到循环变动的限制，在多缸发动机上各缸之间的负荷循环变动也是h c c i 燃烧应 用的难点之一i 删。 如果要在4 w a s h c c i 发动机上拓展h c c i 燃烧模式的负荷范围，必须克服 的因素是：在大负荷时，受到了爆震的限制，发动机燃烧强度过大；但小负荷工 况受到循环波动的影响，着火不稳。 从试验结果上看，4 v v a s 发动机通过灵活的气门控制，得到了一个较大的运 行范围，但是通过4 v v a s 机构所得到h c c i 运行的负荷范围还不能满足普通车 用发动机运行的需要，需要进一步拓展。拓展的方向主要是大负荷边界，必须解 决的问题是h c c i 发动机的爆震问题。 第四章火花辅助点火拓展h c c i 运行范围的研究 第四章火花辅助点火拓展h c c i 运行范围的研究 在传统火花点燃式发动机中，燃烧的开始时刻是由火花跳火的时刻决定的， 燃烧依靠火花注入的能量引发，而在h c c i 燃烧过程中，燃烧是由混合浓度和温 度分布燃料的化学反应动力学决定的。在h c c i 汽油机小负荷边界时，缸内废气 量大，燃烧温度低，难以形成稳定的着火条件，因而容易失火，此时若能通过火 花塞引入部分能量，就可以形成稳定的着火条件，从而减少燃烧循环变动。而大 负荷边界时，缸内废气量少，稀释程度不够，一旦达到着火条件，缸内可燃混合 气同时燃烧，从而使得放热速度过快，燃烧粗暴程度增加，此时适当引入火花能 量能够控制着火时刻，使得火花塞周围的混合气满足着火条件而先行着火，从而 减少此后可燃混合气数量，降低燃烧噪音。这就需要对火花辅助汽油机h c c i 燃 烧过程进行详细的研究，探索火花点火时刻、强度对于h c c i 燃烧过程的作用机 理及其对h c c i 汽油机运行负荷范围的扩展作用。 4 1 火花对h c c i 发动机燃烧的影响 火花对h c c i 燃烧过程的影响，一直在国际上存在争议。i s h i b a s h i 等人【4 7 】在 二冲程发动机的研究表明，火花点火可以作为一个控制参数，它有助于自燃反应。 k o n t a r a k i s 等人【4 9 l 利用废气重压缩策略在四冲程h c c i 汽油机上的研究表明火花 放电也有助于改善h c c i 燃烧。但是l a w 等人【4 9 】在单缸机上利用废气再压缩和重 吸策略研究了火花点火的作用时发现火花放电对h c c i 燃烧控制没有影响。 为了了解火花对h c c i 燃烧的影响，本文初步研究了在h c c i 燃烧稳定的工 况点及边界点下火花的作用。分析火花作为一种干预燃烧的手段，在h c c i 燃 烧模式下的有效性和可行性。 为此选择了转速为1 5 0 0r m i n ，i v p - - 1 2 0 。c aa t d c ，e v p = 1 8 0 。b t d c ， i l = 1 5 m m ，e l = 1 5 m m ，i m e p = 2 3 3b a r 这个工况点( a ) 作为分析的实例， 这个点位于h c c i 燃烧运行范围中部，属于运行较为稳定的工况点。将这个工况 点称为工况点a ，以此点来说明火花对h c c i 发动机运行范围内工况点的影响。 3 3 第网章火花辅助点火拓展h c c i 运行范围的研究 o1 0加柏 s p a r kt i m i n g ( 。c b 丁d c ) o5 o1 5巧 s p a r kt i m i n g ( 。c ab t i ) c ) l ajib j 图4 1 火花点火时刻对h c c i 燃烧始点的影响 如图4 - l ( a ) 所示，火花加入以后，h c c i 的燃烧时刻呈现了提前的趋势。 加火花点火后对缸内温度和压力都产生了影响。在进气门关闭后，虽然缸内的 e g r 率不变，但是添加火花点火后，由于在缸内引入了附加能量，在缸内制造 了局部热点，所以能够提高缸内局部温度，加速了低温化学反应，使得h c c i 燃 烧放热提前。 火花对h c c i 燃烧着火时刻的影响虽然不是决定性的，但是可以在一定程度 上影响到h c c i 着火时刻。当h c c i 燃烧开始较晚时，火花可以间接影响着火时 刻，使着火提前。而在h c c i 本身着火较早时，如图4 1 ( b ) 所示这是1 5 0 0r r a i n 小负荷边界上的一个点，气门参数为i v o = 1 0 5 。c a a t d c ，i v c = 1 8 0 。c a a t d c ，e v o = 1 8 4 。c a b t d c ，e v c = 8 8 。c a 似，火花点火对着火时刻的 影响就很微弱。 研究表明，火花点火不能随意控制h c c i 的着火时刻，只能在原有的基础上 o 3 j 一、3 工 l 台u 目 苦“ u z o 1 j o1 02 03 0柚 点火提前角( 。c ab t i ) c ) 图4 ，2 火花对h c c i 燃烧循环变动的影响 进行向前的微调。即便如此，火 花仍不失为h c c i 燃烧着火时 刻控制的一个调整量，特别是在 h c c i 的边界上，可以充分发挥 有益的作用。但是在h c c i 的小 负荷边界上，由于h c c i 燃烧开 始的本身就很早，使得火花的效 果几乎发挥不出来。虽然有火花 的加入，但是发动机的着火时刻 变化并不大。 火花点火除了对着火时刻 弘 拈 = ； 拍 一。工vu)o_u 第四章火花辅助点火拓胜h c c 运行范电的研究 有影响外对发动机燃烧稳定性也有着定程度的影响。一般说来燃烧循环变 动是衡量燃烧稳定性的一个重要特征参数。它的定义是在发动机以某一工况稳 定运转时这一个循环和下个循环的燃烧过程之问的变化。具体表现在压力曲 线和功率输出等的变化。从压力曲线出发可以定义度量燃烧循环变动的特征参 数c o v i m e p ( 平均指示压力变动系数) ： 崖( n 批一而历) z c o ；坚二i m e p 二m 。 ( 4 1 ) 一般认为此值如果大于1 0 ，会导致车辆操纵性能的恶化。 图4 - 2 为在工况点( a ) 中，添加火花点火对h c c i 燃烧循环变动的影响。 可见在h c c i 稳定运行工况下，火花点火对h c c i 燃烧循环变动影响不大，但是 有改善的趋势。同时无论宵无火花点火在远离边界的工况点h c c i 燃烧循环 变动都在5 以f ，燃烧循环变动都很小。 虽然在稳定的工况点火花的 效果并不明显，但是仍有一定积 极地影响。在发动机的边界点， 火花的作用在稳定燃烧过程申的 作用就变得非常明显。 h c c i 燃烧不同于传统s j 汽 油机的一个重要特征，是h c c i 燃烧受上一个循环的影响很大， 而s i 点火汽油机每一个工作循环 基本上是相对独立的。对于h c c i 燃烧汽油机来说，如果上一个循 环