醇類燃料在ricrdo單缸四沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上的燃燒和排放特性

醇類燃料在ricrdo單缸四沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上的燃燒和排放特性

醇類燃料混合氣燃燒hcci-ii燃燒是一種新型的燃燒方法，不同于傳統(tǒng)的火力點(diǎn)（si）和壓力（ci）燃燒，而是具有相同的si和壓縮空氣燃燒的特征。在HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)中,可燃混合氣是在進(jìn)氣過程中形成的,而且被認(rèn)為是均勻分布的;當(dāng)活塞到達(dá)上止點(diǎn)附近時(shí),這些混合氣由于高溫而在整個(gè)燃燒室內(nèi)自燃著火。這種燃燒方式由于燃燒持續(xù)期短,大部分的燃燒發(fā)生在上止點(diǎn)附近,提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率;燃燒溫度低,從而也降低了NOx排放。HCCI燃燒和傳統(tǒng)SI燃燒相比有較高的熱效率和低的NOx排放,因此HCCI在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用有著廣闊的發(fā)展前景。在汽油機(jī)中,HCCI燃燒主要受爆震、失火和部分燃燒的限制,而且和傳統(tǒng)的SI燃燒相比可運(yùn)行范圍比較小。醇類燃料(主要是甲醇、乙醇)被認(rèn)為是最有希望的替代燃料,而且研究表明醇類燃料有降低發(fā)動(dòng)機(jī)NOx和HC排放的性能,主要是由于醇類燃料有著和汽油、柴油等不同的反應(yīng)方式。為了更好地了解醇類燃料在汽油HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)中對(duì)燃燒和排放性能的影響,本文對(duì)甲醇、乙醇的燃燒和排放的特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)地分析,并通過對(duì)汽油燃燒和排放特性的對(duì)比,更深入地了解甲醇、乙醇在HCCI汽油機(jī)上和汽油所表現(xiàn)出來的差異。1試驗(yàn)方法本試驗(yàn)所采用的是RicardoHydra四沖程、單缸汽油機(jī),具體參數(shù)如表1所示。為了實(shí)現(xiàn)HCCI燃燒,在研究中采用了缸內(nèi)廢氣再循環(huán)(IEGR),利用高溫廢氣來加熱新鮮混合氣,從而使混合氣在壓縮上止點(diǎn)附近達(dá)到自燃溫度,實(shí)現(xiàn)HCCI燃燒。其中IEGR的計(jì)算公式為式中:me是一個(gè)循環(huán)的殘余廢氣質(zhì)量;mi和mf是同一個(gè)循環(huán)的新鮮空氣質(zhì)量和進(jìn)入氣缸內(nèi)的燃油質(zhì)量。要在排氣過程中留住大量的高溫廢氣,需要一個(gè)較大的進(jìn)排氣門重疊負(fù)角,即通過在排氣過程中排氣門早關(guān)和在進(jìn)氣過程中進(jìn)氣門晚開的方式來留住一定量的高溫廢氣。為此,將Ricardo單缸機(jī)的原凸輪軸更換成了小升程、小包角的凸輪軸,其參數(shù)為:進(jìn)氣凸輪的升程和持續(xù)期分別為1.7mm和120°CA;排氣凸輪的升程和持續(xù)期分別為1.5mm和110°CA。實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)在HCCI模式下的穩(wěn)定運(yùn)行。在整個(gè)試驗(yàn)過程中,節(jié)氣門是全開的,這樣可以減少泵吸損失,提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。為了確保發(fā)動(dòng)機(jī)在HCCI模式下穩(wěn)定運(yùn)行,試驗(yàn)時(shí)保持油溫和水溫分別在(55±1)℃和(80±1)℃。發(fā)動(dòng)機(jī)和一臺(tái)30kW的交流測(cè)功機(jī)相連,使發(fā)動(dòng)機(jī)在穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行?？杖急鹊拇笮∈怯蒃TAS公司的線性氧傳感器來測(cè)量的,試驗(yàn)中通過調(diào)整噴油脈寬的方法來調(diào)節(jié)空燃比。試驗(yàn)開始時(shí),調(diào)節(jié)進(jìn)、排氣凸輪軸到合適的相位,并且在開始的若干循環(huán)內(nèi)采用SI模式,這樣可以在氣缸內(nèi)留住一定量的高溫廢氣;然后關(guān)掉火花點(diǎn)火,使發(fā)動(dòng)機(jī)在HCCI模式下運(yùn)行。改變發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)工況,采集各個(gè)工況下的數(shù)據(jù)點(diǎn)。試驗(yàn)中所用到的燃料為甲醇、乙醇和汽油,其性質(zhì)如表2所示。2試驗(yàn)結(jié)果和分析2.1排氣門相位對(duì)ca十著火時(shí)刻(CA10),定義為燃料燃燒100/0時(shí)所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。在HCCI燃燒模式下,著火時(shí)刻并不像傳統(tǒng)的汽油機(jī)和柴油機(jī)那樣受火花點(diǎn)火和噴油時(shí)刻的控制,而是受化學(xué)動(dòng)力學(xué)的控制,并且經(jīng)過驗(yàn)證表明在進(jìn)氣過程中混合氣的渦流和湍流對(duì)HCCI燃燒的影響非常小。甲醇、乙醇和汽油的著火時(shí)刻在不同排氣門相位和轉(zhuǎn)速下的對(duì)比如圖1所示,這里進(jìn)氣門開啟(IVO)相位相對(duì)于上止點(diǎn)和排氣門關(guān)閉(EVC)相位對(duì)稱,并且過量空氣系數(shù)?a=1。圖1a反映了排氣門相位對(duì)CA10的影響。可以看出,無論采用哪種燃料,著火時(shí)刻隨著排氣門關(guān)閉時(shí)刻相位的提前而提前。這主要是由于排氣門關(guān)閉越早,在排氣過程中,就會(huì)有更多的廢氣留在氣缸內(nèi),而相對(duì)于進(jìn)氣過程中,能夠進(jìn)入氣缸內(nèi)的新鮮充量就會(huì)減少,因此進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí),氣缸內(nèi)混合氣的溫度由于高溫廢氣加熱的作用就會(huì)越高,這有利于低溫化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行,著火時(shí)刻就會(huì)提前;圖1b反映了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)著火時(shí)刻影響,可以看出,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高和排氣門相位角的增大有相似的性質(zhì),都能使著火時(shí)刻提前,因?yàn)殡S著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高,換氣質(zhì)量變差,殘余廢氣增多,而進(jìn)氣量減少,從而使著火時(shí)刻提前。但是當(dāng)殘余廢氣率增大到一定程度后,由于可燃空氣減少,致使廢氣溫度變得很低,在這種情況下,著火時(shí)刻反而會(huì)推遲(如圖1b中的汽油曲線)。通過分析圖1,可以看出在相同發(fā)動(dòng)機(jī)工況下,醇類燃料和汽油相比可以很大地提前著火時(shí)刻,這主要是由于醇類燃料有著和汽油不同的化學(xué)反應(yīng)性質(zhì),并且在低溫反應(yīng)階段放出一定的熱量來提高混合氣的溫度,增加化學(xué)反應(yīng)的速度。2.2空燃比和轉(zhuǎn)速對(duì)燃燒持續(xù)期的影響在HCCI燃燒模式下,定義燃燒持續(xù)期為燃料燃燒100/0到燃燒900/0所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。從圖2中可以看出,在給定的進(jìn)、排氣門定時(shí)下,醇類燃料的燃燒持續(xù)期和汽油的相比比較短。這是因?yàn)槿紵掷m(xù)期和著火始刻有一定的關(guān)系,圖1中甲醇、乙醇的著火時(shí)刻都是發(fā)生在上止點(diǎn)之前,而汽油的著火時(shí)刻相對(duì)滯后活塞上行時(shí),由于燃料燃燒放熱和氣體被壓縮的雙重作用,致使醇類混合氣的溫度更高,所以燃燒速率加快,燃燒持續(xù)期縮短。另外從放熱率圖2c中可以看出,醇類燃料(特別是甲醇)放熱比較集中而且比汽油的提前,因而汽油的著火持續(xù)期就會(huì)比醇類燃料的長(zhǎng)從圖2a中可以看出:燃燒持續(xù)期隨空燃比的增大而增加,這主要是由于空燃比增大時(shí),混合氣越稀,而且在試驗(yàn)中進(jìn)入氣缸的新鮮空氣量幾乎保持不變,進(jìn)入氣缸內(nèi)的燃料也就越少,因而釋放的熱量也就減少,缸內(nèi)的燃燒溫度就越低,排氣溫度也越低,因此以后循環(huán)由于氣缸內(nèi)溫度低,反應(yīng)速率也就變慢;另外,由于可燃物質(zhì)的濃度減少,和氧化因子結(jié)合發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的速率也相應(yīng)地下降,著火持續(xù)期也就變長(zhǎng)。圖2b反映了轉(zhuǎn)速對(duì)燃燒持續(xù)期的影響。轉(zhuǎn)速對(duì)持續(xù)期的影響可以認(rèn)為是殘余廢氣率和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速作用的雙重影響。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高時(shí),一方面是殘余廢氣率的升高,當(dāng)殘余廢氣系數(shù)在一定范圍內(nèi)時(shí),殘余廢氣的增加會(huì)縮短燃燒持續(xù)期;另一方面,假如燃料燃燒的速度不變,由于轉(zhuǎn)速的升高,從燃料燃燒100/0到900/0所對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角增加,因此燃燒持續(xù)期變長(zhǎng)。2.3在燃燒初始點(diǎn)前后甲醇、乙醇的溫度和最高壓力的對(duì)比從圖3a壓力曲線中可以看出,在上止點(diǎn)附近,甲醇、乙醇的缸壓要明顯高于汽油的缸壓,而且最大壓力的時(shí)刻要早于汽油的最大壓力時(shí)刻;圖3b中的缸內(nèi)溫度曲線是基于理想氣體的狀態(tài)方程并且由缸壓數(shù)據(jù)計(jì)算得到的。其計(jì)算公式為pV=nRT從圖3b中可以明顯看出在燃燒始點(diǎn)前,甲醇混合氣的溫度明顯高于汽油混合氣,乙醇混合氣的溫度也略微高于汽油,這說明了在低溫反應(yīng)階段,有更多的甲醇、乙醇分子參與了低溫反應(yīng)并放出了一定的熱量,同時(shí)也為高溫反應(yīng)準(zhǔn)備了更多的活化因子,因此甲醇、乙醇的著火時(shí)刻比汽油的要早,燃燒持續(xù)期也相應(yīng)的比汽油的要短。更有趣的是,在圖3a中,汽油燃燒的最高壓力比甲醇、乙醇的低;而在圖3b中,汽油燃燒的最高溫度和甲醇、乙醇相比卻是最高的。這主要是由于在低溫反應(yīng)階段,甲醇、乙醇混合氣的溫度比汽油的高,因此散熱損失也比較多;另外醇類混合氣在低溫反應(yīng)中由于有更多的燃料參與反應(yīng),而在高溫燃燒時(shí),參與燃燒的燃料相對(duì)比較少;此外在當(dāng)量空燃比和設(shè)定的發(fā)動(dòng)機(jī)條件下,醇類燃料燃燒和汽油的相比會(huì)產(chǎn)生更多的CO2和H2O蒸氣,這些物質(zhì)具有比較高的熱容,在同樣的放熱條件下,燃燒溫度會(huì)比較低。2.4種燃料和甲醇、乙醇和汽油的工況對(duì)比HCCI的工況范圍比較小,這主要受到爆震、部分燃燒和失火的限制;而且在汽油機(jī)HCCI燃燒模式下,采用了大量的殘余廢氣再循環(huán),這也使能夠進(jìn)入氣缸內(nèi)的新鮮充量受到了比較大的限制,從而也決定了在HCCI燃燒模式下,發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷和工況范圍受到了很大的限制。圖4中對(duì)比了燃用甲醇、乙醇和汽油時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷和可運(yùn)行的HCCI工況范圍。從圖4a中可以看出對(duì)于每種燃料來說,當(dāng)空燃比、轉(zhuǎn)速不變時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷隨氣門負(fù)的重疊角的增大而減小,這主要是因?yàn)闅忾T負(fù)的重疊角越大,留在缸內(nèi)的殘余廢氣就越多,進(jìn)氣量就越少,因此發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷也就越小。從圖4b中可以看出無論是哪種燃料,可運(yùn)行的速度范圍為800r/min～3500r/min,平均指示壓力不超過0.5MPa,可見HCCI燃燒更適用于中低速小負(fù)荷的工況。通過對(duì)比甲醇、乙醇和汽油的工況范圍,可以看出汽油更適用于較低轉(zhuǎn)速的工況(可以工作在800r/min),而且在此轉(zhuǎn)速下,負(fù)荷的變化范圍也是最大的(0.25MPa到0.5MPa)。采用甲醇時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)不能在800r/min的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行,因?yàn)樵诖宿D(zhuǎn)速下,進(jìn)氣比較充分而且由于甲醇的汽化潛熱比較大,進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí),缸內(nèi)混合氣溫度低,因而不能著火。甲醇的可運(yùn)行速度能夠達(dá)到3500r/min,而且它也是在這3種燃料中唯一能夠在此轉(zhuǎn)速下工作的燃料。汽油在速度較高時(shí)表現(xiàn)的性能比較差,在3000r/min時(shí),平均指示壓力(IMEP)的調(diào)節(jié)范圍非常小;乙醇燃料雖然不能工作在3500r/min,但是在3000r/min時(shí),IMEP可以從0.05MPa變化到0.2MPa,因此醇類燃料更適應(yīng)于較高轉(zhuǎn)速的工況。2.5nox和hc和co排放的分析2.5.1不同燃料中nox排放的對(duì)比HCCI燃燒最吸引人的地方之一就是NOx排放很低,和傳統(tǒng)的火花點(diǎn)火燃燒相比,可以降低NOx排放900/0以上。其主要原因就是在HCCI燃燒模式下,采用了大量的廢氣再循環(huán),可燃混合氣比較少,燃燒溫度低,NOx排放也就比較低。圖5展示了在不同進(jìn)排氣門相位下甲醇、乙醇和汽油的NOx排放之間的對(duì)比。從圖中可以明顯看出無論采用哪一種燃料,NOx排放都非常低(不超過16×10-6)。甲醇的NOx排放是最低的,這是因?yàn)榧状既紵郎囟群推汀⒁掖嫉南啾缺容^低;此外,甲醇的物理化學(xué)性質(zhì)和低NOx排放也有很大的關(guān)系,甲醇的汽化潛熱是最高的,而且低熱值比較低,致使燃燒溫度也比較低。這3個(gè)原因也就導(dǎo)致了燃用甲醇時(shí)的NOx排放是最低的。在圖5中,無論是采用汽油、乙醇還是甲醇,NOx排放都是隨著空燃比的增加而減少,這主要是由于當(dāng)空燃比增加時(shí)進(jìn)入氣缸內(nèi)的燃料的質(zhì)量減少,因此燃燒的溫度降低,NOx排放減少。對(duì)比圖5,可以看出,在相同的排氣門相位下,隨著進(jìn)氣門相位的增加,NOx排放會(huì)有所升高,因?yàn)閺倪M(jìn)排氣門對(duì)稱的位置略微增加進(jìn)氣門開啟時(shí)刻時(shí),進(jìn)氣量會(huì)增加,因而導(dǎo)致燃燒時(shí)燃燒溫度升高,NOx排放增加。2.5.2不同燃料對(duì)氧傳質(zhì)和hc在HCCI燃燒模式下,HC和CO的排放都比較高,這是由于HCCI燃燒溫度比較低,燃料不能被完全氧化。圖6反映了在不同空燃比下甲醇、乙醇和汽油的HC排放的對(duì)比和CO排放的對(duì)比?？梢钥闯鰺o論在哪個(gè)相位下,甲醇的HC排放都是最低的,主要是由于甲醇在和氧反應(yīng)的過程中有更大的活性,另一方面甲醇的含氧量在這3種燃料中是最高的,因此在同樣的空燃比條件下,甲醇在燃燒時(shí)對(duì)氧氣濃度的依賴也是最小的,HC排放也比較低。從CO排放圖中可以看出無論采用哪種燃料,都存在一個(gè)最佳的工況點(diǎn)(過量空氣系數(shù)為1.05附近),這點(diǎn)的CO排放是最低的,這主要是由于當(dāng)混合氣從這一點(diǎn)變濃時(shí),由于氧氣的濃度減少,燃料不能被完全氧化;當(dāng)混合氣從這一點(diǎn)變稀時(shí),燃燒溫度會(huì)降低,同樣燃料由于溫度低而不能完全氧化。甲醇、乙醇和汽油的CO排放的差別不是很明顯,并且在試驗(yàn)過程中,可以明顯地觀察到當(dāng)空燃比在過量空氣系數(shù)為1附近和空燃比很大的時(shí)候,CO排放的波動(dòng)非常大,可見如果采用甲醇、乙醇燃料來降低CO排放并不是一個(gè)很好的選擇。3甲醇、乙醇燃燒時(shí)的對(duì)比(1)甲醇、乙醇燃料可以很好的在HCCI模式下燃燒,著火時(shí)刻比汽油要早;而且著火持續(xù)期短、放熱率大,這主要是由于醇類燃料和汽油不同的化學(xué)反應(yīng)性質(zhì)所致。(2)汽油燃燒時(shí)的最大壓力與甲醇、乙醇燃燒時(shí)的相比