负阀重叠喷射柴油HCCI稳态与切换过程HC排放规律研究

1、负阀重叠喷射柴油HCCI稳态与切换过程HC排放规律研究论文摘要：负阀重叠喷射柴油HCCI稳态与切换过程HC排放规律研究-论文关键词：重叠,喷射,柴油,稳态,切换摘要：利用瞬态HC排放采集系统和瞬态测控试验平台，对高压共轨电喷柴油机DI与HCCI燃烧模式下和模式间切换过程的燃烧及瞬态HC排放特性及其对切换过程的影响进行了试验研究。研究比照了DI与HCCI模式内及相互切换过程中不同转速，不同负荷对燃烧及瞬态HC排放的影响。试验结果说明，随着转速升高，传热损失减少，有利于燃油蒸发，减少HC排放。而转速不变随着负荷由小到大，首先缸内温度增加促进了燃油蒸发，从而降低了HC排放，而当继续增大时，喷油量继续

2、增加导致了不完全蒸发燃油的增加，从而又使HC排放增加。关键词：柴油机；HCCI；模式切换；瞬态HC.1.引言HCCI燃烧由于其超低NOx和PM排放，燃油消耗率低等优点，近年来越来越受到国内外研究者的重视。但同时，该项技术也面临燃烧难以直接控制，负荷范围小，瞬态工况不稳定，HC，CO排放高等诸多问题。解决上述问题的手段之一便是双模式运行，即中低负荷时运行在HCCI模式，高负荷，冷启动及怠速时运行在DI或SI模式。而要实现双模式运行，就不可防止会遇到模式之间的瞬态切换问题。同时我们注意到，瞬态过渡工况在发动机的实际运行中占了相当大的比例，造成的排放污染更严重。因此各国都将瞬态工况测试纳入了排放法规

3、的要求中。而研究DI与HCCI切换过程中瞬态HC变化的，目前国内外还没有详细的研究报道。本文使用瞬态HC采集系统，在已改造成高压共轨电控喷射的单缸135柴油机上，研究了不同负荷，不同转速下DI与HCCI切换过程中的HC变化规律，研究了其对切换过程控制的影响，为今后的有效控制打下了根底。2试验装置及方法试验在已改造成高压共轨电控喷射的单缸135柴油机上进行，发动机参数和试验采用的配气和喷油相位见表1。表1试验发动机主要技术参数和配气和喷油相位 发动机型式 四冲程、直喷、水冷 缸径x行程 135mmx150mm 排量 2L 压缩比 14.8:1 燃烧室型式 喷油压力 80MPa 气门数 4 额定转

4、速 1500rpm 额定功率 18.4kW 喷油器参数(孔数x孔径x夹角) 6x0.19mmx150 EVO 245BTDC EVC 10BTDC IVO 10ATDC IVC 247ATDC DI喷油始点 20BTDC HCCI喷油始点 370BTDC 气缸压力采用Kistler6125B型传感器，输出电荷信号通过Kistler5011型电荷放大器转换成电压信号，然后采集。HC采集使用CambustionHFR500瞬态HC采集系统，响应时间为1.5ms。该系统测量HC浓度的方法是工业上普遍采用的火焰离子检测法(fid)，该方法是测量HC浓度的工业标准方法。HC测点为排气阀出口处。系统简图如

5、下。图1试验系统简图本实验为了保证切换前后的燃烧稳定性，采用切换前后保持IMEPn不变。同时考虑到NOx排放的要求，切换中选择的HCCI工况点NOx排放皆为100ppm以下。试验选取了1000rpm，1200rpm和1500rpm三个转速，每个转速下选取高中低3个可稳定切换的负荷点。分别进行DI到HCCI和HCCI到DI的切换，通过高压共轨电控喷油系统改变切换前后的喷油量和喷油始点来控制IMEPn不变，并采集下缸压，瞬态HC，进排气温度和压力等参数。3试验结果及分析3.1传统柴油燃烧和HCCI燃烧稳态多工况点总体HC排放比照由图2可知，总体来看，转速相同，IMEPn相同条件下，HCCI燃烧时的

6、HC值是对应DI燃烧时的410倍。其中由于1000rpm时发动机的水温油温低，缸壁温度低，不利于燃油的蒸发，燃油附壁量大，造成HCCI燃烧不充分，未燃油排出比例较高，所以此时HC值是最大的，是对应DI燃烧时的810倍，远大于1200rpm和1500rpm。随着转速的升高，缸壁温度升高，热损失减少，缸内热气氛利于燃油的蒸发，未燃油量比例降低，所以HC值也随之减小，1200rpm时HCCI燃烧HC是对应DI燃烧时的78倍，随着转速的继续升高，燃烧更充分，所以1500rpm时是对应DI燃烧时的46倍。在DI范围内来看，各个点的HC值都在200ppm以下。虽然总体来看也呈现随转速升高，HC值下降的趋势

7、。但由于是DI燃烧，本身未燃油量比例就很小，HC值相对很小，所以各个点的HC值差距并不明显。HCCI稳态运行范围内，由于HC值量级大，所以呈现出非常明显的随着转速的升高，HC值减小的趋势。图2全转速负荷下DI与HCCI燃烧稳态HC1500rpmIMEPn0.31MPa这一工况点，DI与HCCI都是HC最小的点，此时燃油附壁量最小，燃烧最充分，燃油利用率最高。3.2切换过程HC排放研究图3和4表示了1500rpmIMEPn0.33MPa这一工况点HCCI与DI互相切换过程中HC与缸压变化。由图3可以看出，第65个循环由DI切换到HCCI后，由于HCCI燃烧是多点同时着火的预混合燃烧，所以切换后爆

8、压逐渐增大。但切换的这一循环，喷油量和喷油角度突然改变，缸内热平衡被突然打破，所以燃烧不稳定，导致切换后的几个循环内缸压都会有波动。随着燃烧逐渐稳定，爆压才根本稳定。由于HCCI燃烧不利于HC的氧化，所以HC值在切换后迅速增大，在切换后的循环里增大最明显，然后增大趋势逐渐减缓直到稳定值。即使燃烧稳定后，还有一局部先前附壁的燃油排出气缸会使HC值继续增大。由图4可以看到，第59个循环由HCCI切换到DI，切换后的第1个循环由于燃烧不稳定，爆压减小明显。此后随着燃烧逐渐稳定爆压也逐渐稳定。从切换到缸压稳定只需几个循环。由于DI燃烧时HC生成很少，所以HC在切换后迅速减小，切换后的循环内减小明显，此

9、后随着燃烧稳定而减小趋缓直至稳定。图31500rpmIMEPn0.33MPa时DI切换HCCI过程HC与缸压变化图41500rpmIMEPn0.33MPa时HCCI切换DI过程HC与缸压变化1DI切换到HCCI图5为各转速下DI切换HCCI前后HC比照。由1200rpm时可知，负荷为中间值IMEPn0.31MPa时，HC切换后的稳定值最小，切换后也最快到达稳定值，从切换到稳定只需要约70个循环。负荷为靠近此转速下HCCI的上边界和下边界时，由于此时燃烧相比中间负荷不稳定，所以HC切换后的稳定值比中间负荷的大，而其中下边界HC切换后稳定值更大，从切换到稳定也更慢。这主要也是由于此时缸内热效应相比

10、喷油量的多少起着更主导的作用。图5各转速下DI切换HCCI前后HC比照由1500rpm时可知，负荷为中间值IMEPn0.31MPa时，HC切换后的稳定值最小，也最快到达稳定值，HC从切换到稳定只需要约60个循环。负荷为靠近此转速下HCCI的上边界和下边界时，HC切换后的稳定值比中间负荷的大。而上边界切换后HC稳定值更大。此时与1200rpm相反，喷油量的多少相比缸内热效应起更主导作用。2HCCI切换到DI图6为各转速下HCCI切换DI前后HC比照。1000rpm时，切换后HC会迅速增大，到达一个峰值。然后随着DI燃烧的稳定在510个循环内迅速回落，然后逐渐减小到稳定值。HC从切换到稳定需要约6

11、0个循环。负荷为中间值IMEPn0.31MPa时，切换前后的HC值都是最大的，切换后的峰值也最大。由图7的1000rpmIMEPn0.29MPa时HCCI切换DI过程放热率曲线比照我们可以看出，由于在HCCI循环内1000rpm时缸壁温度低，不利于燃油蒸发，有一定的燃油附壁。切换到DI后，附壁在缸内的燃油在开始的几个DI循环内大量蒸发，造成放热率增大，虽然如此，但是还是有一局部会排出气缸，造成每循环内排气内未燃油量的总量同时也在增大，所以HC在HCCI切换到DI后的循环内有峰值现象。图6各转速下HCCI切换DI前后HC比照图71000rpmIMEPn0.29MPa时HCCI切换DI过程放热率由

12、1500rpm时的情况可知，3种负荷下，切换后HC都逐渐减小，直到稳定值。IMEPn0.31MPa时，切换前后的HC值皆为最小。此转速下，缸壁温度都较高，即使切换后油量和喷油角度突变，未燃的油量比例仍然很低，DI燃烧较充分，所以各个负荷均未出现峰值现象。图8和9为等负荷不同转速DI与HCCI切换前后HC的比照。由图8以看出，DI切换HCCI时，相同负荷，转速越高，切换前后的HC值越小，也最快到达稳定值。这是因为转速越高，缸壁温度越高，燃油蒸发越好，未燃油量越少，燃烧也更快到达稳定。图8等负荷不同转速DI切换HCCI前后HC比照由图9可以看到，HCCI切换到DI时，趋势与DI切换HCCI时类似，

13、相同负荷，转速越高，切换前后的HC值越小，也最快到达稳定值。其原因同DI切换到HCCI的情况。同时1000rpm时切换后还是会出现峰值现象。其原因同上。图9等负荷不同转速HCCI切换DI前后HC比照4结论1低转速1000rpm和中间转速1200rpm的低负荷IMEPn0.26MPa时，HCCI切换到DI过程中HC会出现峰值现象。这主要是由于低转速，低负荷时，缸内热气氛不利于燃油的蒸发，未燃油量比例大造成的。为了促进切换前后燃油蒸发，就需要引入VVT系统和EGR等手段，这也是今后工作的重点。2相同转速不同负荷下，1000rpm时，中间负荷IMEPn0.31MPa时切换前后HC值最大，切换后也最慢

14、到达稳定。1200rpm和1500rpm时，中间负荷IMEPn0.31MPa时切换前后HC值皆为最小。这主要是由于此时热气氛增大的效应大于油量增大的效应，未燃油量较小。3相同负荷不同转速下，转速越大，切换前后HC值越小，也最快到达稳定值。4总体来看，随着转速升高，传热损失减少，有利于燃油蒸发，减少HC排放，而转速不变随着负荷由小到大，首先缸内温度增加促进了燃油蒸发，从而降低了HC排放，而当继续增大时，喷油量继续增加导致了不完全蒸发燃油的增加，从而又使HC排放增加。参考文献1 Guntram A. Lechner, Timothy Jacobs, Christos Chryssakis, Den

15、nis N. Assanis, Robert M.Siewert Evaluation of a Narrow Spray Cone Angle, Advanced InjectionTiming Strategy to Achieve Partially Premixed Compression Ignition Combustionin a Diesel Engine2 W. L. Hardy and R. D. Reitz A Study of the Effects of High EGR, High EquivalenceRatio, and Mixing Time on Emissions Levels in a Heavy-Duty Diesel Engine forPCCI Combustion3 黄为钧,刘发发,彭亚平,李宇,郭英男 基于快速热管理系统的乙醇SI-HCCI-SI模式转换控制策略研究 内燃机学报第26卷(2021)第4期 353-3584 Randy P. Hessel, Christopher J. Rutland A New Approach to Model DI-Diesel HCCICombustion for Use in Cycle Simulation Studies5 Nebojsa Milovanovic