柴油_汽油双燃料发动机粗暴现象的发生机理及控制措施.pdf

文章编号 1000 0909 2002 02 0188 04200044 柴油 汽油双燃料发动机粗暴现象的发生机理及控制措施 X 汪 洋 苏万华 谢 辉 高海洋 杨洪敏 天津大学 内燃机燃烧学国家重点实验室 天津 300072 摘要 通过实验与模型计算 分析了柴油 汽油双燃料发动机准均质燃烧过程中粗暴现象的发生机理 研 究结果表明 柴油 汽油双燃料发动机出现工作粗暴的主要原因是均质混合气区放热率过大 实验结果 表明 减小柴油喷油提前角 增大汽油混合气的过量空气系数都能有效地降低缸内压力升高率 从而降 低发动机的工作粗暴程度 关键词 双燃料 柴油机 均质燃烧 粗暴 中图分类号 TK411 22 文献标识码 A 引言 柴油 汽油双燃料准均质燃烧过程 QHCCI 的工 作原理是 在柴油机吸气过程中 通过在进气道喷射汽 油 在缸内形成均匀的汽油均质混合气区 在压缩上止 点附近 喷射少量的引燃柴油 将汽油混合气点燃 该 燃烧过程受柴油喷雾的扩散燃烧与汽油均质混合气区 的火焰传播控制 可以获得很低的 NOx与微粒排放 可以使自然吸气柴油机达到欧洲 排放法规 但是 在大负荷工况 如果燃烧过程组织不当 会出现工作过 于粗暴的现象 工作粗暴不但使发动机燃烧噪声增大 而且加大了机械负荷 导致早期磨损 本文采用实验与 模型研究相结合的方法 探讨粗暴现象的发生机理 提 出了减小粗暴的控制策略 1 柴油 汽油双燃料燃烧系统的工作原理 图 1 是柴油 汽油 QHCCI 燃烧系统的原理图 图 1 柴油 汽油 QHCCI 燃烧系统原理 Fig 1 Schematic diagram of the diesel gasoline QHCCI combustion system 柴油喷射系统利用原机的直列泵喷射系统 汽油喷射 系统是一套自行开发的电控喷射系统 实验样机是在 485直喷式柴油机基础上改造而来 原机的参数如表 1 所示 表 1 实验发动机的主要参数 Tab 1 The main parameters of the engine 型号N485 DI 型式4 缸 直喷 水冷 四冲程 燃烧室型式四角形 D S 85mm 95mm 压缩比18 1 排量2 156L 喷油泵型式直列柱塞式 喷油器4 孔 0 25 mm 标定功率29 41 kW 标定转速2 600 r min 最大扭矩122 N m 1 800 r min 喷油提前角14 CA BTDC 2 准均质燃烧过程产生粗暴现象的机理 对于汽油机 工作粗暴属于不正常燃烧 可以分为 早燃与爆燃 或叫爆震 两种 爆燃出现得相对较多 其 现象是产生金属敲击声 汽油机产生爆燃的原因有两 种解释 1 2 1 末端混合气的自燃 2 火焰传播加速 形成激波 Pischinger 采用多点光纤探头火焰图像还原方法 进行的研究表明 汽油机的爆燃过程首先发生在末端 混合气中的某一点 然后火焰以激波形式在缸内传播 和反射 从而统一了上述两点的解释 汽油机的爆燃属 于不正常燃烧 严重时会在短时间内造成活塞表面穴 第 20 卷 2002 第 2期 内 燃 机 学 报 Transactions of CSICE Vol 20 2002 No 2 X 收稿日期 2001 09 05 修订日期 2001 11 02 基金项目 丰田基金和天津市青年基金资助项目 作者简介 汪 洋 1966 男 博士 副教授 主要研究方向为内燃机电控 蚀 进而产生拉缸现象 对于柴油机 工作粗暴是普遍存在的现象 仅有粗 暴程度的差异 柴油机工作粗暴的机理是由于喷雾预 混合气自燃导致的快速放热 柴油 汽油双燃料燃烧方式具有汽油机和柴油机 两种燃烧方式的各自特点 但又与这两种燃烧方式不 同 因此其工作粗暴的机理就不能简单地用汽油机或 柴油机的机理来解释 发动机工作过程粗暴性的常用评价指标是缸内压 力升高率dp dU 图2 是发动机 1 800 r min 75 负荷 平均指示压力 0 557 MPa 不同汽油喷射比例下的 缸内压力升高率 从图中可以发现如下规律 1 引燃柴油的喷油提前角越小 压力升高率越 小 这种规律与普通柴油机相同 2 当汽油比例小于 55 时 随着汽油比例的增 加 压力升高率上升 3 当汽油比例大于 55 小于 85 时 随着汽 油比例的增加 压力升高率下降 4 当汽油喷射比例大于 85 时 随着汽油比例 的增加 压力升高率急速上升 出现工作过于粗暴的现 象 图 2 QHCCI 燃烧方式压力升高率与 汽油喷射比例的关系 Fig 2 The relationship between pressure rising rate in QHCCI combustion process and gasoline injection proportion G mass of diesel fuel D mass of gasoline fuel G为汽油量 D为柴油量 在图 2 的整个实验范围内 没有听到汽油机爆震 特有的敲缸声 但当压力升高率较大时 发动机出现很 大的噪声 压力升高率与燃烧放热率有直接的关系 为 了分析工作粗暴的原因 本文采用实测示功图分析与 计算模型相结合的分析方法 图 3 是用于分析的模型分区示意图 燃烧空间被 分成 4 个区 分别是喷雾未燃区 喷雾燃烧区 已燃均 质混合气区和未燃均质混合气区 模型基于如下简化 假设 1 由于引燃柴油量较少 认为柴油喷雾没有碰 壁 2 由于预混合气比较稀薄 不考虑预混合气在 压缩过程中发生的焰前反应 3 整个气缸内压力均匀 不考虑气缸漏气 4 各区内的温度浓度分布均匀 图 4 是某一粗暴工况的实测示功图与计算示功图 对比 可以发现两个结果吻合较好 示功图中没有出现 汽油机爆震所特有的剧烈压力震荡现象 但此时最大 压力升高率已高达 0 748 MPa CA 图 5 是图 4示功图的燃烧放热率实测值及其计算 图 3 燃烧模型分区示意图 Fig 3 Schematic diagram of the zone in combustion model 图 4 某粗暴工况的缸内压力 Fig 4 The pressure in cylinder during one asperity cycle 图 5 图 4 工况的燃烧放热率分析 Fig 5 The combustion heat releasing rate during the cycle in Fig 4 189 2002 年 3 月 汪 洋等 柴油 汽油双燃料发动机粗暴现象的发生机理及控制措施 值 可以发现双燃料发动机工作粗暴的一个明显特征 放热率呈单峰形式 而且其峰值高达 130 J CA 在通 常状态下 这种燃烧方式的放热率是明显的双峰 而且 放热率峰值小于 100 J CA 图 6 是利用模型计算得到的质量燃烧率 是放热 率的另一种表达形式 将质量燃烧率分解为喷雾燃烧 区燃烧率和均质混合气区燃烧率 从图 6 可以发现工 作粗暴的燃烧率特点 1 准均质混合气区的燃烧率是由喷雾燃烧区燃 烧率和均质混合气区燃烧率叠加而成 两个燃烧率的 峰值在出现时间上十分接近 均质混合气区燃烧率大 于喷雾燃烧区燃烧率 2 总燃烧率峰值出现的时间介于上述两个燃烧 率峰值之间 图 6 某粗暴工况的质量燃烧率 Fig 6 The mass combustion rate during one asperity cycle 从上述研究可以得出柴油 汽油准均质燃烧方式 工作粗暴的机理 柴油 汽油准均质燃烧方式工作粗暴 是总燃烧放热率过大造成的 总燃烧放热率由喷雾燃 烧区燃烧率和均质混合气区燃烧率叠加而成 其中贡 献率最大的是均质混合气区燃烧率 对于喷雾燃烧区 最大燃烧率决定于柴油喷雾的 预混合燃烧 预混合燃烧率决定于滞燃期内柴油喷射 量与卷吸进入喷雾体的汽油量 对于均质混合气区 其 燃烧率决定于火焰锋面的面积与火焰传播速度 而初 始的火焰面积决定于喷雾燃烧区的初始表面积 火焰 传播速度决定于均质混合气的浓度 即过量空气系数 5a 以及缸内的温度 压力以及惰性气体的浓度 使用 EGR 时 现在可以回过来分析图 2 中出现的现象 当汽油喷射比例处于 0 55 范围内 柴油比 例 45 100 时 由于柴油喷射量较大 减少柴油 喷雾的比例 提高汽油比例 没有影响到喷雾燃烧区预 混合的燃烧量 因此不能减小喷雾燃烧放热率的峰值 而且对汽油混合气的起始火焰面积影响较小 另一方 面 随着汽油预混合气浓度的增加 预混合气燃烧火焰 传播速度增加 因此预混合放热率增大 综合的效果将 是总燃烧率随着汽油喷射比例的增大而增大 压力升 高率也随之上升 当汽油喷射比例处于 55 85 范围内 柴油比 例 15 45 时 减少柴油的喷射比例已经可以影 响柴油预混合燃烧比例 柴油喷雾的燃烧放热率迅速 减小 同时汽油均质混合气初始燃烧火焰的面积也随 之减小 虽然在此范围内汽油均质混合气放热率随着 汽油喷射比例的提高而增大 但综合效果是总放热率 峰值减小 压力升高率下降 当汽油喷射比例大于 85 时 汽油预混合气燃烧 率占主导地位 随着汽油均质混合气浓度的增加 预混 合气燃烧率迅速增加 因此总放热率迅速增大 从图 2 还可以发现 只要适当控制汽油喷射的比 例 准均质燃烧方式可以获得比纯柴油方式更低的压 力升高率 3 减小工作粗暴的措施 双燃料发动机工作粗暴的原因是燃烧放热率过 大 主要是汽油预混合气的燃烧放热率过大 因此任何 能降低汽油预混合气放热率的措施都可以减少工作粗 暴 如前所述 均质混合气的燃烧率决定于火焰锋面的 面积与火焰传播速度 而初始的火焰面积决定于喷雾 燃烧区的表面积 火焰传播速度决定于均质混合气的 浓度 即过量空气系数 以及缸内的温度 压力以及惰 性气体的浓度 使用 EGR 时 从上述分析可以得出 控制柴油 汽油双燃料发动机工作粗暴的措施 1 减小柴油的喷油提前角 一方面可以缩短柴 油喷雾的滞燃期 从而减小喷雾预混合燃烧的比例 降 低其放热峰值 同时也减小了汽油均质混合气的初始 火焰面积 另一方面 可以使放热峰值出现在活塞膨胀 行程 进一步降低压力升高率 2 提高汽油均质混合气的过量空气系数 降低 均质混合气的火焰传播速度 3 使用 EGR 提高缸内气体中惰性气体的浓 度 降低均质混合气的火焰传播速度 在上述措施中 减小喷油提前角 增大汽油混合气 的过量空气系数 是比较容易实现的有效措施 图 7 图 8 是一组用于验证柴油喷射提前角 均质混合气过 量空气系数对压力升高率作用的实验 实验条件是保 持柴油喷射量不变 从图中可以发现 1 随着柴油喷油提前角的减小 缸内压力升高 率下降 2 随着汽油均质混合气过量空气系数的增大 190 内 燃 机 学 报 第 20 卷第 2 期 图 7 压力升高率与过量空气系数5a 喷油提前角的关系 Fig 7 The relationship between the pressure rising rate and 5aor injection time 1 800r min 图 8 压力升高率与过量空气系数5a 喷油提前角的关系 Fig 8 The relationship between the pressure rising rate and Kor injection time 2 200 r min 缸内压力升高率下降 3 相同提前角与均质混合气过量空气系数条件 下 随着发动机转速的提高 缸内压力升高率下降 4 结 论 1 适当提高汽油喷射比例 准均质燃烧方式可 以获得比纯柴油方式更低的压力升高率 但当均质混 合气过浓时 会出现工作粗暴现象 2 柴油 汽油准均质燃烧过程出现粗暴的原因 是由于喷雾燃烧区燃烧率和均质混合气区燃烧率叠加 之后出现过大的总燃烧放热率 其主要原因是由于均 质混合气区放热率过大 3 随着柴油喷油提前角的减小 汽油均质混合 气的过量空气系数增大以及发动机转速的提高 缸内 压力升高率下降 4 减小工作粗暴的措施是 1 减小柴油喷油 提前角 2 提高均质混合气的过量空气系数 3 使用 EGR 参考文献 1 何学良 李疏松 内燃机燃烧学 M 北京 机械工业出 版社 1990 2 武得钰 傅茂林 火花点火发动机爆震强度评价指标 的研究 J 内燃机学报 1997 1 62 70 The Mechanism of Roughness Phenomenon and Its Control Method in a Diesel Gasoline Dual Fuel Engine WANG Yang SU Wan hua XIE Hui GAO Hai yang YANG Hong min National Engine Combustion Laboratory T ianjin University T ianjin300072 China Abstract The M echanism of Roughness Phenomenon in