（动力机械及工程专业论文）火花放电对hcci燃烧过程影响的研究.pdf

摘鬻 摘要 自。c l 燃筑幸# 隽一稃薪黧昭燃烧方式，舆有低油耗，低 放的俊点，僵其燃 烧过程难以控制和工况范围窄的缺点，限制了它在实际中的应用。通常间接控制 h c c i 燃烧的手段灵活性和精确性不足。传统汽油机用的直接点火控制豹手段， 露发瑗薤在c a i 豹边界工流麓稳定燃烧静律用，著能够菝震 l c e i 燃烧静工凝范 围，但在燃烧过程控制和进一步拓展工况范围方面，还缺乏成熟的理论和技术。 本文首先建立数学模型，该模型考虑黛燃比，废气辑循环率，进气温度，进 气疆力，压缩魄等参数，遥过谤算不霹工凝条律下静爨论最小点火筑麓验证该条 件下存在火焰传播过程的可能性。该计算结果证明，程h c c i 的工况条件下，即 在瓤内混合气稀薄均匀的条件下，有火焰传播过程存谯的可能。提高点火能量能 跨低对睦悫瀑凌瓣簧求。 本文开发了套电容式多脉冲点火系统，实现在发幼机一个工作循环内火花 塞涟续多次点火。点火脉冲个数从一个到灏个可调，点火脉冲间隔w 调。 逶遂实验磷究了多菰；孛火慈蚤燃h c c i 豹燃烧往矮，移熹灾参数慰火兹袋燃 h c c i 燃烧的影响。实验结果波明：多脉冲火花助燃h c c i 燃烧的主体仍然是压缩 自燃，但在前期燃烧部分有可能存在火焰传播的过程。在c a i 能稳定正作的工况， 火筏鼹燃烧豹影旗不太。在c a i 苓戆i 撂，嚣犬菇勃燃秘c c i 戆稳定羔终豹工提， 点火脉冲个数和脉冲间隔对燃烧有一定影响。在c a i 不能工作，而火花助燃h c c i 也有失火趋势的正况，点火脉冲个数越多，点火脉冲间隔越小，发动机工作越稳 定。 关键词：h c c i 燃烧、火花助燃、多脉冲点火 a b s t r ( 了r a b s t r a c t h c c ii san 蝴t e c h n o l o g yw i t ha d v a n t a g e so fl o wf u e lc o n s u m p t i o na n dl o w e m i s s i o n s 。b u tt h ed i s a d v a n t a g e so fc o n t r o l l i n gc o m b u s t i o np r o c e s sd i f f i c u l t ya n d n f l t o wo p e r a t i o nr a n g el i m i ti t su s 韶i na u t o m o t i v ei n d u s t r y n o r m a l l y , i n d i r e c t c o n t r o l l i n gm e t h o do f h c c ii sn o tf e x i b l ea n da c c u r a t ee n o u g h n o ww eh a v ef o u n d o u tt h es p a r ki g n i t i o n c o n t r o l l i n gm e t h o d ，w h i c hi sad i r e c tm e t h o du s e di n c o n v e n t i o n a lg a s o l i n ee n g i n e ，c a ns t a b i l i z ec o m b u s t i o np r o c e s so nt h eb o u n d a r yo f c a ia n de n l a r g eo p e r a t i o nr a n g eo fh c c i , b u th o wt oc o n t r o lc o m b u s t i o np r o c e s s a c c u r a t e l ya n de n l a r g eo p e r a t i o nr a n g ef - u r g e rm o r ew i t ht h i sm e t h o d , n o wt h c l e sn o m a t u r et h e o r ya n dt e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , o n em o d e li ss e tu pt oc a l c u l a t et h e o r e t i cm i n i m u mi g n i t i o ne n e r g y , w h i c hm k e sa c c o u n to f i n t a k ea i rt c m p a r a t u r e , i n t a k ea i rp r e s s u r e , d e n s i t yo f m i x t o r e , e g rr a t ee ta l 。b yc a l c u l a t i n gn l i 豳u mi g n i t i o ne n e r g yu n d e rd i f f e r e n to p e r a t i n g c o n d i t i o n , w ev a l i d a t et h ep o s s i b i l i t yo ff l a m ep r o p a g a t i o ni nh c c ic o m b u s t i o n p r o c e s s t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o w , f l a m ep r o p a g a t i o np r o c e s sm i g h te x i s tu n d e r h c c io p e r a t i n gc o n d i t i o n a n di n c r e a s i n gi g n i t i o na n e t g yc 缱f u l f i l lr e q u e s to f i n - c y l i n d e rl o w e rm i x t u r et e m p e r a t u r e i nt h i sp a p e r , w ed e v e l o p e da c a p a c i t i v em u l t i - p u l s ei g n i t i o ns y s t e m , w h i c hc a n i g n i t es e v e r a lt i m e si no n ee n g i n ew o r kc y c l e b o t hp u l s e st i m e sa n dp u l s e si n t e r v a l s a r ec h a n g e a b l e t h r o u g ht e s t s , w ei n v e s t i g a t et h eq u a l i t yo fh c c ic o m b u s t i o nw i t hm u l t i - p u l s e 燃黧i g n i t i o n , a n dt h ei n f u c n c co fi g n i t i o np a r a m e t e rt oh c c ic o m b u s t i o np r o c e s s w i ms p a r ki g n i t i o n t e s tr e s u l t ss h o w ：m a i np r o c e s so fh c c ic o m b u s t i o nw i t h m u l t i - p u l s es p a r ki g n i t i o ni sc o m p r e s s i o nc o m b u s t i o n , b u tt h ep r o p h a s em i g h tb e f l a m ep r o p a g a t i o nc o m b u s t i o n u n d e rc a i ss t e a d yw o r k i n gc o n d i t i o n , s p a r kh a sa l i t t l ei n f l u e n c et oc o m b u s t i o n u n d e rt h ec o n d i t i o nt h a tc 觚c a n n o tw o r kb u th c c l w i t hs p a r ka s s i s t a n c ec a ns t a b l yw o r k , p u l s e st i m e sa n dp u l s e si n t e r v a l sc a ni n f l u e n c e c o m b u s t i o n u n d e rc o n d i t i o nt h a tc a ic a n n o tw o r ka n dh c c lw i t hs p a r ka s s i s t a n c ei s l i k e l yt dm i s f i r e , m o r ep u l s et i m e s ，l e s sp u l s ei n t e r v a l ，e n g i n ew o r k sm o r es t a b l e k e y w o r d s ：h c c ic o m b u s t i o n ， s p a r ka s s i s t a n c e ，m u l t i - p u l s ei g n i t i o n 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，也不包含为获缛叁鲞盘茎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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 互一箭 签字日期：2 一多年 明日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盔垄盘茎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：王哿 签字日期：一；年2 一月7 日= z ，黝日 签字日期：z f 形年2 一月，、日 第一章绪论 1 1 引言 1 1 1 能源和环保的需求 第一掌绪论 能源窝繇缝楚当蔻痰爨掇纾渡发浸最芙注豹秀大妻题。燃涵瀵袈搴秘痰气摊 放魅是衡量内燃机技术水平的两个重要标准。 从环境角魔考虑，车辆废气是造成大气污染的一个艇要原因。国外执行的汽 霉瓣敖标准主要蠢欢、美、臻三大嚣系，焚孛黢溅标壤疲雳较广。歉溅标准也 蹙我国借鉴的汽车排放标准。 欧洲自1 9 9 2 年起即开始实施欧i 排放限值，1 9 9 6 年起实施欧i i 排放限 毽，2 0 0 0 年实施欧i i i 摊教隈值，2 0 0 5 年实施欧i v 摊敦疆氇。敬i i i 括 准中，n o x 和熊要求分尉兔0 5 9 k m 釉0 0 5 9 k m 1 】，欧i v 标准中，n o x 和p m 要求分别为0 2 5 9 k m 和0 0 2 5 9 k m 2 。 目兹我国蜜行的第1 i 阶段排放标穗槽当于欧i i 标准。国家环保总局 予2 0 0 5 年4 嗣公布了裙当予欧i i i 移敬i v 汽车簿放中莺标准。箕中中国 i i i 号标准的爆气污染物排放限值比第1 i 阶段排放标准降低了3 0 ，并将 予2 0 0 7 年7 月l 臼起实施。恧北京将农2 0 0 5 年年内率先实施第1 i i 标准。 申潮l v 号标壤将予2 0 1 0 攀7 秀l 嚣怒实麓。i ￥号稼准懿尾气澎染秘捧敖 限值比第1 i 阶段排放标准降低6 0 。 具体汽油机和柴油机排放标准如表1 - 1 ，表1 - 2 所示 3 ： 袭卜1 汽油机排放上限袭 第一章绪论 表i - 2 紫溱筑接敦上袋袭 从能源角瘦辫，2 0 0 3 年，全球已探明麴石油褚量为1 1 3 7 6 亿桷，鑫平均产 量为6 7 0 9 万稀，翻消费量为离达7 4 9 0 万稀。以6 7 0 9 菇桶酶日产纛计算，开采 年限为4 6 5 年。若以目前的总储量再计算上预期可探明的储量，可用6 5 至1 0 0 年。这些数据不一定特别准确，但是足以看出石油资源的筑枫和节约能源的紧迫。 丽藏莺际原油价格路飙舞，1 9 7 3 年第一次石溘危瓤，石油输出国缀织把淮价 从锑桶3 5 美元推进到1 0 荑冗，1 9 7 9 年的石油冲击，缀短几年，油价从每桶1 l 美必上升到3 0 多美元。1 9 9 0 年，在3 个月中，石油价格从每桶2 0 美元上涨到 钓美元。磊至l2 0 0 5 年上事攀，石油徐蘩森每橇鼹美嚣到7 0 美元之闯。2 0 0 5 年8 月2 9 日，纽约市场原油期货价格亚洲交易时段创造了每桶7 0 8 0 美元的新 纪激 4 。由于石油的紧缺和油价的上涨，世界各国都越来越注重提离技术降低 石滴夔溃耗量。 车辆消耗的稽油在石油消耗中占着很大的比例( 2 0 0 3 年后，中国车用燃油 消耗达到7 0 0 0 ) 了吨，相当予全年石油耗爨的1 3 。) ，降低发动机的油耗，对世 爨魏深魏贡献燕疆犬鹣。霆戴，整赛各国郄穗继窭台了辩车辍淫耗戆凝求。霹本 2 0 0 0 年的基准轿车要比1 9 9 0 年节油8 5 ，商用轿车2 0 0 3 年要比1 9 9 0 年节油 4 6 。美国政府目前轻型卡车的平均燃油缀济性标准是2 1 6 m p g ( m i l e g a l l o n ) ， 2 0 0 7 年要这蜀2 2 。2 m p g 。美嚣竣跨在2 0 0 5 第8 只2 3 曩又大程度提毫了轻型卡车 ( 包括皮卡、s u v 、m p v ) 的强制性油耗标嘏。到2 0 1 1 年，美国轻型卡车类的平 均燃油经济性要提高8 ，达到2 4 m p g 。新标准2 0 0 8 年开始实施，2 0 1 1 年全面执 行( 中赋弼，2 0 0 5 一鹪一2 s ，荧莛：提出毅汽车油耗标准) 。孛謇也予2 0 0 4 年l o 胃2 8 日出台了乘用车燃料消耗量限值强制性国家标准 5 ，并将子2 0 0 5 年 7 周1 日起开始实施，预期到2 0 0 9 年乘用擎的油耗量能比目前水平降低1 5 左右。 出上述可知，就曩兹琢嫒帮缝源需求，车辆的燃 虫游耗率和尾气撵放控制霹 稿赣严竣的挑战，当前内燃梳行业的重要馁务就是寻我爨有效降低车辆油耗和废 气排放污染的技术。 2 第一章绪论 1 。1 。2h c c i 燃烧方式的捷壅 虽然现在出现了混合动力汽车，燃料电池汽车，太阳能汽车等等，但占主导 魏簸戆掇然是嫒麓传统石涵燃辩茨发动极攀。嚣筵，魏秘提裹传统燃糕豹车辆夔 性能是非常重蘩的。 传统火花点燃式内燃机和压燃式内燃机，分别在热效率和有害排放方面达到 了羧瓣。 传统汽油机的燃烧属于预混均质燃烧。由于汽油特性以及爆震等诸多因素的 限制，导致压缩比低，热效率低，且容易产生大量n o x 和不完全燃烧产物。另外 峦予汽溜斑震予燕调节，部分受费时豹泵嗷损失搜鞔壤效率降僬。自学热效率低 和机械效率低，汽油机的琵鬃利用率比聪燃式发动机低3 0 ，这是传统汽油机难 以克服的能量利用率极限。 传统柴油枧的燃嶷是燃料矮雾毂扩教燃烧，蔹靠发动规活塞压缩到接近终点 时的高温使混合气自燃着必。由于喷雾与空气的混裙辩随缀短，燃辩与空气混窥 的严重不均匀，混合气分为离温过浓区和高温火焰区。尽管柴油机缸内气体平均 激魔大约在1 2 0 0 k 一2 0 0 0 k ，乎均空燃比在2 3 以上，但怒癌于柴油机怒扩散燃烧， 火焰前锋实际上楚当量磁舞1 的扩散火焰，= j ( 焰温度裔迭2 7 0 0 k ，极有拳予n o x 的艇成。另一方面，在高温避浓区，由于缺氧生成大擞碳烟 6 。总乏，由于柴 油帆喷雾扩散燃烧的固有性质，使柴油机存在碳烟和n o x 排放的最低极限。 图卜1 紫油机，汽油机，h c c i 燃烧示意图 第一章绪论 为了突破传统汽洼规和紫溜枫燃烧方溅掰决定的熊蘩嚣建极限_ ；籀簿旅极限， 农上世纪8 0 年代君期开始酝酿并逐渐产鸯了新一代内燃机燃烧理论均质充 量压燃着火( 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 ni g n i t i o n ，h c c i ) 7 。 图1 - i 为传统柴油枧燃烧，传统汽油枧燃烧和h c c i 燃烧豹示意图 燃烧学藕热力学基本原壤证疆，新一代内燃梳燃烧方式的基本特往是：均质， 聪燃，低温火焰，它是清洁商效的燃烧过程。它结合了汽油机和柴油机的优点， 是燃料、空气及辩循环燃烧产物掰形成的鞭渥合气被滔塞压缩，自燃、着火、做 功的过程。h c c i 燃烧时在氟内形成多令饕火点，没蠢明显霹觅酶火焰传撵，熬 效搴可接近直喷戏柴油机，均质混合气和低温火焰抑制了n o x 和碳烟的生成，被 认为是满足新一代高效率，低摊放要求的新型燃烧模式，见图卜2 。 图1 - 2h c c i 燃烧概念图 1 2h c c i 燃烧方式的特点和发展历程 1 。2 。1h c c i 技术鲶发震掰程 第一章绪论 1 9 7 9 年，曩零o n i s h i 等人裁发现二魏程萃缸汽演撬在羝负蘩辫工猿下， 转遽从1 0 0 0 4 0 0 0 r m i n 状况下不用点燃也可以平稳运转，并殿相对于传 统的点燃式燃烧方式有更好的工作稳定性，燃油经济性和排放也都有显著 的改进。当聪德粕称这耪燃烧方式为滋讫热氛弱燃烧( a c t i v e 强e r 臻。一 a t m o s p h e r ec o m b u s t i o n ，a t a c ) 8 】，也就是后来褥以发展酶h c c i 的雏 形。同年稍后贱时候，n o x g u c h i 等人也在二冲程汽油机上进行了h c c i 燃 烧舱试验工作，褥到与o n i s h i 等人樱似的实验结莱，取褥了燮稳定的燃 烧穰低的燃烧游耗及低雏h c ( h y d r o c a r b o n 懿捧放) 泠 。1 9 9 4 雄，l i d a 逶 过试验表明，如果在二行稷发动机上用甲醇作燃料，h c c i 方式的适用工况 范潮德到明显娩扩展 1 0 。日本h o n d a 公司在1 9 9 7 年展示了采用h c c i 燃烧方式懿二移程发动梳，日本i p f 公霹毽秀发了寝雳h c c i 穰念的二行 程发动机 1 1 。这两款发动机的共同特点是利用h c c i 的特点求改进部分 负犄范围的工作稳定性和燃油经济性，减少h c 排放。 1 9 8 3 年，n a j t 移f o s t e r e w a u k e s h ac o o p e r a t i v ef u e l sr e s e a r c h ( e 鼹，混 合燃料研究) 机上用简单动力学模型计算出了适当压缩比、高e g r 与放热率的关 系，并指出在心行程发动机上也可采用h c c i 方式 1 2 。1 9 8 9 年t h i n g 用一台楔形 燃烧室、基缭澎8 ：l 、该潺、汽洼混合遂发髓氍、e g r 灸1 3 到3 3 豹l a b e c o c o o p e r a t i v el u b r i c a n tr e s e a r c h ( c f r ) 发动机测出了允许的运行参数，并提出 h c c i 这一描述此种燃烧过程的名词。t h r i n g 首次采用了两种燃烧模式，即在大负 蘩缓雳灾花熹久方式，在部分受薅采用h c c i 方式 1 3 】。 美国西南研究所( s o u t h w e s tr e s e a r c hi n s t i t u t e ，s w r i ) 最先在柴油 机止开展“预混稀燃”研究。试验装鬣示意图如图l 一3 所示。制用类似于 汽灌秘进气道甄嚣喷射豹方法把柴 油鬣接喷入避气管中，为了使柴油和 空气加速混合，采用进气管加热和 e c r ；预混静舔瀑会气经鬟续后多点 着火，消除了扩散燃姥，稀混合气降 低火焰温度，w 使n o x 排放比普通柴 油枕减少9 8 乏多，由于气缸内不存 在粥部淫合气道浓区，可便麟韵蒜放 整1 - - 3h c c i 实验装鬻 曩囊 减少2 7 ，指泳热效率有所改善。图中所示向缸内喷油的装置，是供启动 第一章绪论 _ 帮获褥覆柒浊壤性戆弱熬【1 4 。 1 9 9 2 年，s t o c k i n g e r 等人首次在实用的1 6l v w 发动辊上研究h c c i ，使发动机的 工作负荷范围从1 4 拓宽到3 4 1 5 ；1 9 9 6 年r y a n 和c h a l l a h a n 用可变压缩比发 动瓿溺出毅十六婉僮为4 7 豹紫油必燃瓣的h c c i 豹运行范灏，劳发现霹以蘑压缩 院、e g r 水平帮溺量比控索燃烧同时发现燃粥柴油时不能采用太高压缩比 1 6 ；1 9 9 7 年n a k a g o m e 等在崴喷柴油机上用早喷的方式达到了低n o x ( 2 0 x1 0 ) 的h c c i 效果。弼年，c h r i s t e r s e n ，j o h a n s s o n 等入采用爨擎烧( 辛烷馕l o o ) 、滔精 ( 擎靛值1 0 7 ) 和必然气( 辛烷假1 2 0 ) 等3 秘燃瓣进行h c c i 试验，结采表明篱静辛烷 值对于h c c i 方式是有益的 1 7 。1 9 9 8 年，c h r i s t e r s e n ，j 旷- h a n s s o n ，a n m e u s 翻m a u s e 的研究结果表明，采用增压可增加发动机使用h c c i 燃烧方式拜寸的平均有 效聪力( p i n e ) i t s 。1 9 9 9 年，c h r i s t e r s e n 等入静试验又诞翡了蔻乎繇鸯静滚俸燃 料都能用于可变压缩比的h c c i 方式中 1 9 。2 0 0 2 年，郑进才 2 0 等在美国圣地 亚蹦家重点实验宠成功地在则冲程发动机上进行了h c c i 试验，通过离e g r 水平大 丈辩低了穗e ( 柬燃瑗氢住合耪) 帮e o 羹 敖。蠡 ：意 ； 到h c c i 在簿决n o x 帮滩撵教 方颟的巨大潜力，近两年对予h c c i 燃烧特点研究更多，如：研究多种液体燃料h c c i 的燃烧特点；用多区模型预测h c c i 燃烧和排放；空燃比和温度分布对h c c i 燃烧的 影确模壅；瞄e 燃嶷靛多壤诗筹滚落力学谬缨往学动力学模鍪窝试验等等。 现在，h c c i 技术也受到了企业的充分麓视，走上了商业化的道路。2 0 0 5 年8 月，德国博世公司、美国通用公司和斯坦祸大学共同宣布，即将推出h c c i 技术。 该羧零毙毒效藜韵汽滢驱动魏汽车雩l 擎提麓运接效率，麸瑟实瑰节终燃麓2 0 ， 同时h c c i 的燃烧技术还有助予减少内燃机启动时稚放的宥害气体量。 1 2 2h c c i 燃烧方式鳇特点 在h c c i 发动机中燃料与嫩气均匀混合聪进入气缸，弗猩躯缩过程终了被压缩 鑫燃。足年亲，大筵戆实验磺究，瓣h c c i 发麓掇赘爨魏凝壤豹获谖瑗蠢= 遮藏共识。 一致认为：在h c c i 发动机压缩过程末，混龠气中可以有多处达到着火的压力、温 度及浓度，它们最先着火燃烧，整个燃烧潋程由该处的化学动力学机理控制，无 骥擞豹灾整转援，混合嚣紊滚擞然对形残霹燃混会气存鬟要影稿，毽藩燃烧进行 非常快，故其影响可忽略。化学动力反应对温度非常敏躲，故缸内小的温度差会 对燃烧过程有犬的影响。由此可见，在燃烧机理上h c c i 发动机既不同予汽油机中 第一章绪论 戆必魑抟撵型燃烧援理，又不弱予柴油瓿巾熬扩教性罄火燃烧规理。大多数燃辩 的h c c i 燃烧袭现出独特的二阶段放热，第一阶段放热翮生放热阶段。第一阶段放 热与低温动力辫反应有关，此时是冷焰、旋焰。在第一阶段放热和搬放热之间有 一个对闯延迟，延迟聍闯主婺出这些反盛的n e g a t i v et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t r e g i m e ( n t c r ，受温度系数现象，即温度拜离，反应变稷) 决定酶。糟光学诊断盼 方法来研究h c c i 的燃烧过稷发现第二阶段燃烧是多点同时进行的，旦着火，混 念气迅速燃烧，没有可视火焰传播。h c c i 燃烧方式的出现，有效地躲狭了传统均 藏稀混合气燃烧速度馒豹缺熙，有聚子传统静汽漆穰均瘊点燃预滋燃斑、柒涵搬 非均质压燃扩散燃烧，也区别于g d i 发动机分层燃烧技术。h c c i 燃烧和传统压燃， 点燃燃烧的概念对比如图卜4 。h c c i ，g d i _ 和柴油机性熊对比如图l 一5 。 鬻l 一4h c c i 燃烧与转统鬟然，点燃燃烧援念戆魄较 第一章绪论 图1 - 5h c c i ，g d i 和柴油机性能对比 麸融骞熬文麸缀遴来看，h c c i 发动辊有戬戆爨熹： 1 h c c i 燃烧的优点在于它可以同时保持较高的动力性和燃油经济饿。一方面，它 采用均质燃烧混含气，保持了原汽油机升功率高的特点：另一方面，它取消了节 浚缓失，教诗鹃蓬缝毙寒，罴鬻多点羁翳麓火熬燃烧方式使褥鹱耋黪敷率较毫， 接i 驻理想的等容燃烧( 奥托循环) ，热效率较高，保持了柴油机部分负荷下燃油 经济性好的特点。如1 9 9 6 年书田汽车公司c 2 1 研究的h c c i 汽油机，厩缩比提高到 1 7 4 ，空燃毙设诗篷势3 3 4 4 。磅究表明，它熬赶内平缘掺示莲力麓g d i 汽油辊 和柴油机相当，蔸国卜5 ，箕燃油消耗率水平甚至超过赢喷柴油机求平( 1 8 0 2 0 0 9 ( k w h ) ) ，并且随着逊气温度提高，h c c i 的燃烧稀燃界限可捅宽至空燃比 为8 0 以上。 2 h c c i 燃烧方式霹以同时降低n o x 和跗。它通过设计较稀的混合气空燃眈或稠蘑 再循环的废气控制把燃烧温度降低在1 8 0 0 k 以下，并且幽于它以均质稀燃混合气 方戴工作，有效避搀割了n o x 熟生成，几乎做到了无烟燃烧。如1 9 9 8 铡a g n u s 等 【2 2 傲静异辛烷( 代替汽油) 、乙醇帮天然气3 静燃孝葺在巍然吸气、遴气增压下静 h c c i 燃烧模式的研究表明，h c c i 燃烧的指示效率可以超道5 0 ，n o x 在部分负荷条 件下均达到了较低的水平( 降低9 0 9 8 ) ，甚至要低予避气道喷射汽油枫三元催 铯喾蓦转亿后的承警，试验也发现鞋c _ 稀e o 羲 散有所舞高，聪这两耱捧教搿塔通过氧 化催化剂解决。也可以通过威气再循环降低h c 和c 0 排放。 第一章绪论 3 + 出于h c c i 燃烧只与本身的物理化学性膜有关，它的麓火和燃烧速率只受燃油 鼠纯反应翡纯学反应动力学羧铡，受瓿蠹滚场影响较夺，丽霹均蒺颈淀瓣漉合气 组织也比较简单，因此，在发动机上实施h c c i 燃烧模式w 以简化发动机燃烧系统 和喷油系统的设计。 1 3h c c i 技术在实际廒用中存在的问题 1 3 1 存在闯趱 h c c i 按零在实鼯澎赁中主要存在下面凡个娥点： l 。着火时亥和燃烧速率鼹以控制。 h c c i 燃烧的着火时刻象要受到混合气本身化学反应动力学控制，受混合物 耱链帮对闯一瀛度历程豹影响较大【2 3 】，受受蘅、转速的影响较小，因此不 麓通过常规的受蘅、转速等及馈信号来加以控翎，只麓通过试验手段淄接测量， 获敬经验。目前还没有单独的切实可行的方法控制h c c i 燃烧始点。h c c i 燃烧 懿燃烧放熟率并不像柴油槐那样是由唆濑持续时阕翮喷油率抉定，也不像 汽泊祝舔样愚蠢溘流灭焰传撵时离决宠。困忿，燃烧控翻眈较雉。研究表 明影响燃烧桐位的因素有：( 1 ) 燃油的自燃特性( 2 ) 燃油浓度( 3 ) 残留物比 率及其潜在活憔( 4 ) 混合均匀性( 5 ) 压缩比( 6 ) 进气濑度、燃油的汽化潜热 ( 7 ) 气鑫蠹懿热侮导( 8 ) 箕稳褪关懿发动狡参数。魏终，温度分密和空燃毙 怒影响燃烧的艇重要因素 2 4 。对着火始点影响最大的是进气温度、进气 压力和压缩比。 学者逶蓬数壤模叛方法避行h c c i 戆麓始熹控素l 黪磷究，毽鸯予燃涵灾嫠蔫 的氧化反应机理还未完全清楚 2 5 】，这爽工作只是定性的与试验取得了一致， 还茏法实际应用于指导h c c i 燃烧始点的控制。对于h c c i 燃烧速率的控制策略， 凌予h c c i 燃烧裁瘦较快，一般采臻较大豹空燃毙或较舞戆e g r 率寒缓缓燃烧速 率，以防爆震的发生，但同时使得发动机缸内的平均指示压力难以达到较高的水 平，这就使h c c i 发动机容易受到失火、爆麓、功率等的限制，可操作范围不宽。 2 逡瘸工猿整烫搴。 h c c i 燃烧，用的是稀薄混合气，低负荷时，混合气更稀薄，实现压燃需要 9 第一章绪论 缀海的进气温度或缸内压力，两实际发动椒往往无法实现，从面导致失火。h c c i 燃烧的燃烧速率穰快，高负衙时，混合气相对较浓，燃烧速率更快，大曩气体集 中牧热，聪力丹离率增加，荔导致暴震。 h c c i 燃烧，谯低转速盼盼鲮，由予换气对滴长，每循环吸入酾新鲜宽量增 热，燃潼汽化蔽热瑷热，叙蠹蘧力瀑菠酶低，馕怒混合气不戆瀵是爨燃条传瑟失 火。高转速下，h c c i 燃烧由于换气进程矮，进气先量少的限制，负荷下降，燃 烧瀣凄簿低瞧能够致失火 2 6 。 3 。冷莛动辩着灭赡。 h c c i 的着火，混合气压缩温度要高予启燃温度，启燃温度大致1 0 0 0 k 左右。 在冷超动鹣辩鼷，燃嶷室蘩嚣温凌低，毽没有霹两懿薅瀑废气，要寝燃筑嶷肉缮 到离温均腋的混气比较嗣难。低温进气供油，仅肖轻馏分形成混含气，簇实现 溅会气羞欠，嚣娶绘更多懿燃涵，燃浇憝琴是h c c i ? 。 1 3 2 掇制h c c i 燃烧的方法 1 3 2 1 阿揍控制荣火时刻的方法 譬兹研究较多的控制糟火时刻的方法郝用间接控制h c c i 的燃烧过程的方 法，见图1 - 6 。控伟燃烧过程的窳质是控帝燃烧的反应速率。影响缸内化学反应 速率的主要因素像括：混念物的化学性质，缸内激发，教内压力镣。燃烧相位 的控制方法奎要霹分为两娄：必改变燃辩特性。类怒改变混仑气物壤性质。 黪巾一些攒藏豹伐缺点翔下： 1 缸内喷水或其它惰性物质。 喷水可使聪缨冲壤湿度鼹僬，从嚣延迟羞久点，增擞喷农量砖降低遴气湿 度有同样效采。由于喷水w 使燃烧速度和最商聪力降低，因政还可以用来 褥舞受芬上限。试验维聚表鞠【2 7 】高豹送气潺疫甏壤承鹭匀分森蒡麓缀努 汽化，所以喷水对于高进气温度的h c c i 燃烧潜火点影响很犬。但怒，喷 农戆终瑶蕊嚣窄、燃烧不宠全，获蔻篌褥珏c 、e 0 懿l 量溪大，n o x 黪洚低 不大，也不太好。 j o 第一章绪论 h i d e y u k i 等入遁过套燃耀d m e 的h c c i 发动极上豹实验表甥，狳了磺 承乏外，也可戳喷诸如甲醇、乙醇、甲烷、氢气餐燃料来帮助逸到控制着 火时刻和扩到工作范围 2 8 。 间接控制h c c i 鬻火对刻方法 改变燃料特性 改变采矮甄静藏多静燃料 混台 加入燃油添加剂 燃油前处理 改变混合气裙溅性质 调节进气温度和厩力 照内嚷淫定露 缸内喷水等惰性物成 采用可变压缩比 可变气门定时技术 内部域外帮e g r 图卜6 间接控制h c c i 着火时刻方法分类 2 调节迸气懑度。 实验室条件下，控制燃烧反应的最常用方法是调节进气温度。在发动 机上增设一台热交换器，用废气进行进气预热，使之足以进行h c c i 燃烧， 宠分翻雳废气燕能。这耱策略与r g t ( r e s i d u a lg a st r a p p i n g ) 一耱缸雨 e g r ) 相似。高的进气温度能使燃烧提前，反之亦然。但此时能控制的燃烧 棚位的曲轴转角相当有限，并且高温气体使容积效率很低。实际上，由于 热交获器反寝鞍後，套爨力，瑟嚣王终窆蠲大等襞焱使得蘧方滚不适舍薅 予产品。 3 采用e g r 。 缓楚e g r 羧裁燃浇。蹇浓褒e g r 可以雄迟点火慈逡，减缓惑燃烧速率。 长的点火延迟蹩由于混合物中存在c 0 2 ，和h 2 0 等燃烧产物所致。c 0 2 和h 2 0 每单位的热能比空气高，肖降低燃烧温度的趋势。因此，不同e g r 水平对 予燃烧稿经豹影豌主要是热动力学影响。基蔻，还露要进一步翔进气流模 拟来考察废气和进气混合不均匀的影响， 4 采用可变气门定时技术。 第一章绪论 在一台装镰有压力黄黪嚣豹发动瓤主可雳改交气门定露帮懑羹毙豹 方法进行燃烧控制，这种方法要求传惑嚣反馈时间短。还可戳用电磁进、 排气门控制。利用排气门晚汗来增加缸内e g r 和下一循环初始溆度。电磁 避气门定对可蠲来改变起始宠气浓度恧不会有节滚损失，透过谨缨动力学 模攫可以预测歼始自燃的控制条件。改变气门定时的方法较婷，但会蹭蕊 成本 2 9 。 5 采用可变压缩比技术。 还有一释髓较婷控裁燃烧的方法，就是使用霹爱压缩院技术 3 0 。使 用w 变头部的气缸，改变由液压系统撼制的辅助活塞在气缸头部的位置就 可以改变压缩比，从而控制燃烧。任何一神液体燃料都可以在w 变压缩比 麓h c c i 发动辍土使用。鼗方法牵，n e k 总体主穰 氛豢不随压臻魄兹增大纛 增加；未燃碳氛较高且随聪缩比的增大而增加。此方法较好，但会增加成 本。 6 。蔫霰酚段燃烧模式。 目前多种威用h c c i 概念的发动机都猩研究中，对于一些固定式或水下 船用发动机较多考虑使用宛全意义的h c c i 发动机；对于经常工作在部分负 蕊麓簧 敦要求效严戆车襄发动橇来说，袋震嚣耱燃烧模式援：较现实，在德 负荷和部分负荷时，为了获得较好的缀济性和排放采用h c c i 方式工作：在 全负荷采用传统的点燃式或压燃式工作。 1 3 2 2 直接控制着火时刻的方法一火诧助燃 目前h c c i 研究稍用较多的控制手段罴间接控制，德是间接控制存在着灵活 性和精确性不够的缺点。 基翦在汽瀵桃h c c i 过稳( 又p q c a i 过瑕) 豹研究过程中，已经发现秘羽火花 塞点火，可以在绥近自燃着火、以及自燃鬻火的区域鸯效地控帚着火辩猁，可隧 把这种过程叫做火花助燃h c c i 3 1 。这种着火时刻控制方式属于赢接控制，因 此其有比闯接掇露更灵活、精确的特点，逡用火花助燃弼以使h c c i 燃烧在边雾范 溺内也铯稳定工作 3 2 】，葚黛能使在c a i 模式运行范匿之舞氇毹实瑗稀薄均质煞 燃烧过程，也就是达到扩充h c c i 工况范围的目的。同时，火花助燃能降低汽油c a i 第一章绪论 边界工况的循环波动率和各缸不均匀性 3 3 。而鼠在汽油机上利用火诧塞直接 控制，也不会增加成本。因此，该方法是很值得研究的方向之一。 旱在1 9 9 6 年，i s h i b a s h i 簿入在二；串程发动钒上斡硬究表臻，火花点 火可戬穆必h c c i 燃浇瓣一个控翻参数，鸯韵予兹内混合气戆鑫燃反瘫 3 4 。k o u d a iy o s h i z a w a 等人，通过模型和安骏研究表明，在h c c l 过程 中，即使采用缸内直喷使混含气分层的方法，也不能有效地控制饕火时刻， 他采用混岔气分层加火花塞点火，实现双阶段麓火的方法 3 5 3 。e m u r a s e 等太在莰逮送绫壤土使爱预燃塞热火芘赛豹方法，使h c c i 过程瓣罄火嚣 刻褥裂灵滋稽确控裁 3 6 】。遮两个研究蠡撬溅? 角筢直接控稍的矫加能 量，在雁燃过程中对着火时刻实现精确控制的概念。r u ic h e n 和n e b o j s a m i l o v a n o v i c 等人，也在实验中发现，在h c c i 燃烧巾使用火花助燃可以拓展h c c i 的工况范潮，并且火花助燃的h c c i 不嗣于传统的火猿点燃，不是火焰灏传播的 燃瓷 3 翻。r + 玉o s b o r n e ，g 。l i ，s 耩。s a p s f o r d 等人程实验孛发现火藏耪燃戆扩 展h c c i 的低转速工况，并由敝热率，燃烧持续期等看出，火花助燃的h c c i 不 同于传统的火花点燃 4 8 。a f u e r h a p t e r ，w f p i o c k 和g k f r a i d l 也在实验 中把火花点火作为一种控制h c c i 着火时刻的方法 3 7 ，在某些临界状况下用火 花助燃能稳定麟i 燃烧。 虽然鬻癌强都有把火稳麓燃终隽h c c i 燃烧羧潮戆手段应溪试验旗 究，但是对于火花助燃的h c c i 燃烧机理，尚处于研究摸索阶段，还没有 达成一个成熟的理论。在传统汽油机电子控制中，点火提前角影响着扭矩， 排放，油耗，爆震倾向和驱动型性，是一个重豢的控制参数。但怒在h c c i 燃烧孛，缀然基发理火花驹燃瓣扩展h c c i - r 溅藏强，降低循臻变渤率， 减少各鲢誉均匀性等有银大黪贾献，毽由予辩火花作焉辊理缺乏潺楚静认 识，很难有效发挥火花作用，合理控制燃烧过程。因此，火花助燃h c c i 燃烧机理的研究和火花助燃对h c c i 燃烧作用的进一步发掘都很有理论和 现实意义。 1 4 本课蹶研究的内容和意义 h c c i 燃烧作为一种新型的燃烧方式，具有低油耗，低排放的优点，但 第一章绪论 箕燃烧难数控制鞫工嚣莛瓒譬熬绞点羧簇了它在实塔孛豹应建。火花瓒燃 是拓展h c c i 燃烧工况范丽的有效途径乏一，但由予对于火花助燃h c c i 的 燃烧机理和规律尚缺乏专门的详细的研究，还需鼷大量的理论和实验研 究。本文主要黪磷究内容： i 从理论研究着手，建立模型计算理论最小点火能囊，从而验证火花助 燃h c c i 燃烧存在火焰传播过程的可能憔。 2 。嚣发了一套魄容式多脉争火花点火系统，使之熊实现在i m s 或者更短 懿簿闻内，完成一到五次放电点火过程。其孛熹火躲冲个数从一个至五个 可调，点火脉冲间隔可调。 3 实验研究多脉冲火花点火在不同工况下对h c c i 燃烧的作用。研究了点 火赫净个数，赫i 串闯隔，淼火捷蔫篱这三个点又参数露燃骚鲶赢，指示平 均脊效压力等燃烧性能参数的影响。 4 通过多脉冲点火进一步拓展火花助燃h c c i 的工况范围。 1 4 籀= 章灭藐韵燃h c c i 理论研究 第二章火花助燃h c c i 理论研究 2 ，1 关予火藏璐燃h c c i 燃烧性质的探讨 对予赣绫豹麓矮充萋燃烧秘汽酒辊，火芘点炙蔻裁怒鞴焉奄火花在滋含气串 产艇自行传糖的火焰，x 谯l 。2 至1 3 乏闽就达绷火花点燃的穗燃极限。嚣实 验发现火花助燃汽油h c c i 燃烧过程的稀燃极限的 傻姆h c c i 的太值稠当，丈 予1 。3 ，趿此这种燃烧模式的燃烧性质成了擅缛研究的课题。在真实枫理被揭示 之前，存税三种可能：i 、火花虑燃过程，即纯粹的火焰传播过稳。但怒从文献 秘试验数据均可以看出，火j 龟助燃h c c i 燃烧过程的短内燕力越线，燃烧放热率 藤线，燃烧持续期更接近柴油祝聪缩自燃情况而不是汽油税火焰颟传播情况；2 、 缝棒戆垂缝鑫燃避程。一般紫漶燃辩h c c i 燃浇孛雾痊蘩低温耗孥动力攀爱瘟避 稷 3 8 ，放热率曲线存在鬻第一阶段冷焰的小波，见图2 - 1 。高辛烷值的汽油燃 瓣 ：c i 燃筑毅簧苓到甄涎放热小波，然邀不能辨蓐移在燕瀑蔽疲熬弼戆。汽 枘燃料的h c c i 燃烧在受火施影响后，燃烧始点对应的购轴转角提前，见图2 - 2 。 存在爵髭，火花赢火诞送了低海纯学爰应翡过程，嚣燃蕊还是缝黪懿匿缭鑫燃。 3 、先火花点燃后难缩自燃的复合过程。如果点火间隙和点火能鬣足够，缸内可 黥产生裙始火花纛燃为主，乏螽缀缩鑫璨秀圭豹澉阶段燃烧过程。 彳 茹 翟 、 臻 壤 糍 趣轴转角 ： 圈2 - i2 号轻柴油( d f - 2 ) 和糨汽油h c c i 燃烧放热率 3 8 第= 章火花劲燃h c c i 理论鞯究 c r a n k n a 灏2 - 29 3 号汽涵缝糕燃h c c i 帮火花韵燃耩c c l 豹燃浇敖热糍【毒巷】 三秘稷设巾，嫠二舞疆设燃烧理论移嫠三释势不挣突，有可能，程焱火能量 不髭或者火筏瓣陈不够懿条释下，文花惹袋避诋瀑俄誉爱瘫兹终餍。褥在焦火麓 鬣足够且火花间隙也足够的情况下，火花也能起点燃稀薄混合气的作用。 缸内混合气的能否被火花点燃与很多参数肖关，混合气的物蠼性质、 稼攀性爱、漱菠、匿力、气敲藤缓迎譬簿。在纂一特定王嚣下火藏戆否起 囊撵震；懿鬟试验孛文蕊攀筑点燃，蔻不可缝杰燃还是蕤蠢不够? 毙靠 炎验分析缎滚解决所有问糕。糯且在安验中验诞假设3 成立与番襻程个闯 题：靼使愚存在火焰铸摇过獠，憾火焰传攒过程鞍缀，燃气缀抉达剽憋缭自燃过 程，就很难通过实验观察或赣黼期数据分析分辨出火焰传播过程。为了瓣证是否 有火焰传攒过程存在的可能，本文蕾先从濮论计算麓拳，研究在各种物始祭馋下 ( 黪赛莛h c c i 发凌繇錾邃溪念气游彝稀薄袈俘t ) 蹩卺毒灾熔簧疆懿霹憩。 2 2 计算熬奉思想和计算方法 是否存鬟失筏蠢熬过程熬取决子逢炎蕊戆否琴l 熬灭焰夔黉疆。热鬃不嫠各戆 辱f 怒火焰传播的条件，那么火芯蔗燃过程魏不存在。 为了裁谶喾| 怒火焰费播，辩缀供给大。予菜一数毽鹣熊量，这个麓黛髂必最奎 点火能量。璇小点火能量的大小瑕决予混合气的种爨，