异辛烷-柴油双燃料分层充质压缩着火燃烧和排放特性(1)-图文(精).doc

精品文档第42卷第3期 2008年3月上海交通大学学报JOU RNAL OF SH ANGHAI JIAOTONG UNIVERSITYVol. 42No. 3 Mar. 2008收稿日期:2007211223基金项目:国家重点基础研究发展规划(973 项目(2007CB210007 ; 上海市重大基础研究项目(05DJ14002 ;上海市自然科学基金资助项目(06ZR14045作者简介:吉丽斌(19812 , 男, 江苏盐城人, 博士生, 研究方向为内燃机燃烧与排放控制. 黄 震(联系人 , 男, 教授, 博士生导师,电话(T el. :021234206859; E 2mail:z 2huangsjtu. edu. cn.文章编号:100622467(2008 0320375206异辛烷/柴油双燃料分层充质压缩着火燃烧和排放特性吉丽斌, 吕兴才, 马骏骏, 黄 震(上海交通大学动力机械及工程教育部重点实验室, 上海200240摘 要:在一台单缸发动机上进行了双燃料分层充质压缩着火(SCCI 燃烧的试验研究. 分析了异辛烷作为预喷射燃料, 柴油作为缸内直喷燃料的SCCI 着火方式和燃烧过程, 并通过固定直喷入缸内的柴油当量比5D , 研究不同异辛烷预喷射当量比5P 对SCCI 燃烧和排放特性的影响. 研究表明:SCCI 燃烧出现两阶段放热; 5P 对燃烧和排放特性的影响存在一个临界值, 且5D 固定值增大, 该临界值降低. 对燃烧特性的分析发现:当5P 高于临界值时, 异辛烷的着火延迟明显缩短, 其放热峰值显著增大; 整个SCCI 的燃烧速率、缸内最大压力和最高温度迅速提高, 燃烧持续期几乎保持不变, 热效率显著改善. 对排放的研究发现:5P 增大时, H C 和CO 排放先增大, 但当5P 高于临界值时, H C 和CO 排放逐渐减少; NO x 和碳烟的排放随5P 的增大而增大, 但当5P 高于临界值时, 增大速率显著加快.关键词:分层充质压缩着火; 双燃料; 燃烧; 排放中图分类号:TK 401 文献标识码:ACombustion and Emission Characteristics of Stratified Charge Compression Ignition Fueled with Iso 2octane/diesel Dual Fue lJ I Li 2bin, L B Xing 2ca i, MA J un 2jun, H UAN G Zhen(Key Laboratory of Power Machinery and Engineering of Ministry of Education,Shanghai Jiaotong U niversity, Shanghai 200240, ChinaA bstract:Experiments on str atified charge compression ignition (SCCI combustion of iso 2octane/diesel dual fuel wer e carried out with a single 2cylinder modified engine. Iso 2octane, which was supplied by a port fuel injector from the intake manifold, was premixed with air. Near top dead center (T DC , a small amount of diesel was directly injected into the combustion chamber to achieve fuel 2rich area. T hus the stratification not only in mixture homogeneity but also in gas composition was achieved. T he ignition and combustion process of SCCI combustion were analyzed, and the influence of iso 2octane equivalence ratio (5P was investigated when the diesel amount (5D was fixed. The experimental results show that, SCCI combustion exhibits two stages of heat r elease, and a cr itical value of 5P exists when affecting the SCCI combustion and emission characteristics. Fur thermore, while the fixed value of 5D increases, this critical value decreases. The analysis of combustion char acteristics shows that, the ignition delay of iso 2octane shortens, the peak value of heat release rate of iso 2octane increases, the total combustion rate accelerates,the maximum temperature and pressure r ise and the indicated efficiency improves while 5P is bigger than critical value. The analysis of emissions shows that, H C and CO emissions increase with the increase of 5P at first, but while 5P is upon cr itical value, both of them start to decrease. NO x and soot emissions in 2crease with the increase of 5P all the time, however the increasing rate accelerates while 5P is upon critical value. Key words:stratified charge compression ignition (SCCI ; dual fuel; combustion; emissions均质充量压缩燃烧(H CCI 以其卓越的经济性和良好的排放特性, 逐渐成为国内外内燃机领域研究的热点123. 但H CCI 燃烧缺乏直接的着火时刻和燃烧速率的控制手段, 而且运行范围局限于中低负荷, 这都是H CCI 进一步发展需要突破的瓶颈. 近年来, 有学者提出分层充质压缩着火(SCCI 的概念426, 其主要特点是:通过各种燃料多个阶段不同喷射方式的组合, 实现缸内燃料浓度的梯度分布. 同时, 这种分层又不仅仅停留在浓度意义上, 运用燃料设计的理念, 通过不同理化性质燃料的组合, 可以进一步拓展到燃料组分(例如十六烷值和辛烷值 的分层. 燃料浓度的分层、燃料组分的分层使得缸内燃料的化学动力学反应在时间上有先后性, 在空间上具有多样性, 所以化学反应过程中必然会出现缸内温度的分层, 最终导致不同的着火和燃烧状况, 实现控制H CCI 的着火和燃烧速率的目的. 虽然SCCI 与单一的H CCI 之间有比较显著的差异, 但是它兼顾了H CCI 燃烧热效率高和排放低的优点, 同时又达到了控制燃料着火时刻、燃烧速率和拓展运行负荷的目的, 因此可以作为H CCI 研究的方向之一.本文通过安装在进气道的电控喷油器预喷射异辛烷, 形成异辛烷与空气的均匀混合气; 当活塞运行到上止点附近, 直喷入少量的柴油, 实现空间上的局部富油区. 这样就在缸内形成燃料浓度和组分的分层. 通过固定直喷入缸内的柴油量, 研究不同预喷射燃料当量比5P 下SCCI 燃烧特性和排放特性.1 试验系统试验在一台单缸、四冲程、自然吸气式发动机上进行. 该发动机的主要特征参数为:缸径98mm, 行程105mm, 排量0. 792L, 压缩比18. 5, 进气门开启时刻为16b CA BTDC, 进气门关闭时刻为52b CA ABDC, 排气门开启时刻为66b CA BBDC, 排气门关闭时刻为12b CA AT DC.图1所示为试验系统装置图. 试验中固定直喷入缸内的柴油量, 通过安装在进气道的电控喷油器调节异辛烷的预喷射油量, 实现改变发动机负荷的 (当量比0. 23 和8. 8mg/cycle(当量比0. 30. 试验过程中, 固定发动机转速1800r/min, 异辛烷进气道预喷射时刻为285b CA BT DC, 柴油缸内直喷时刻9b CA BTDC, 保持进气温度、冷却水温度、机油温度恒定.图1 试验系统装置示意图Fig. 1 The schematic diagram of the test bench system2 试验结果与分析2. 1 SCCI 的着火与燃烧机理预喷异辛烷直喷柴油的SCCI 燃烧过程本质上是柴油自燃, 提供大量的着火中心, 从而引燃异辛烷油气混合气. 进气道预喷射的异辛烷经过压缩冲程与空气均匀混合, 但由于异辛烷较高的自燃温度, 并不能自行着火. 而在上止点前直喷入缸内的一定量柴油, 造成油气分布状况的差异, 将缸内空间分成了两个区域7(见图2 :油束内部的富油区, 它是由大量细小的柴油液滴和少量异辛烷/空气的混合气组成; 油束外部的异辛烷/空气的均质混合气区. 由于油束外表面边界层上的燃油雾化最好、氧气的浓度最高, 故油束边界层迅速着火. 火焰一方面向油束内部的富油区传播, 一方面向油束外部异辛烷/空气的均质混合气传播. 富油区的能量密度高, 再加上多点着火和较高的燃烧温度, 该区域的异辛烷/空气混合气总是能充分燃烧, 而外部区域异辛烷的燃烧速率是由燃油射流对周围异辛烷的卷吸速率以及火焰前锋的速率决定. 异辛烷卷吸速率与异辛烷/空气混合气的浓度有关, 而火焰前锋可表征火焰传播的376上 海 交 通 大 学 学 报第42卷速率, 它与缸内温度和压力的历程以及局部的油气成分和浓度有关. 由此可见, 在缸内直喷柴油量固定的条件下, 异辛烷的预喷射油量对SCCI 的燃烧参数和排放特性起着决定性影响 .图2 双燃料SCCI 燃烧的缸内油气分布Fig. 2 F uel 2air distr ibut ion in the cylinder ofSCCI combustion2. 2 5P 对SCCI 燃烧参数的影响图3比较了缸内直喷柴油当量比5D =0. 23和0. 30时, 不同异辛烷的预喷射燃料当量比5P 对缸内压力p 以及放热率H RR 的影响 .(a 5D =0. 23(b 5D =0. 30图3 不同5P 对SCCI 燃烧参数的影响Fig. 3 The effect s of 5P on t he combust ion par ameters ofSCCI combustion由图可见, 柴油和异辛烷两种燃料不同的燃烧 2b CA 形成放热曲线中的第1个放热率峰值, 用D d Hmax表示. 此后柴油的H RR 逐渐降低, 直到其放热率谷值, 用d Q Dd H min表示; 油束外部异辛烷/空气的混合气开始燃烧, H RR 曲线再次上升. 5P 对D d Hmax的大小有一定的影响. 这是因为第一段放热不完全是柴油燃烧产生, 柴油油束内部的异辛烷混合气也有一定的贡献. 5P 增大, 异辛烷浓度增大, 油束的能量密度增大. 需要指出的是, 由于油束占据的空间较小, 所以其内部异辛烷的量相对5P 很小, 当考虑外部异辛烷放热时, 内部异辛烷对5P 的影响就可以忽略, 即认为外部异辛烷的当量比仍为5P . 定义外部异辛烷的着火延迟为d Q D d Hmax和d Q D d H min之差, 该着火延迟与5P 的关系如图4(a所示.图4 不同5P 下异辛烷的着火延迟和放热率峰值F ig. 4 T he effects of 5P on the ignition delay and t he maxi 2mum heat release rate of iso 2octane由图4(a 可见, 5D =0. 30曲线在5P 0. 20时, 异辛烷的着火延迟迅速降低. 这是因为在较稀的异辛烷均质混合气条件下, 火焰传播困难, 异辛烷难以着火, 混合气的燃烧主要依靠377第3期吉丽斌, 等:异辛烷/柴油双燃料分层充质压缩着火燃烧和排放特性柴油射流火焰对周围异辛烷的卷吸作用, 此时5P 的增大对卷吸速率影响并不显著. 当5P 0. 20, 异辛烷形成较浓的混合气, 便于火焰在缸内的迅速传播, 此时火焰前锋的速率对混合气的着火和燃烧起着主导作用. 5D =0. 23曲线也存在类似的规律, 不过5P 的临界值大约是0. 25.异辛烷的燃烧形成第2个放热率峰值, 用P d Hmax表示.P d H max的大小与异辛烷的当量比5P 密切相关.P d Hmax与5P 的关系如图4(b 所示. 5D =0. 30曲线在5P 0. 20时, d Q P d Hmax的增大速率急剧上升:5P 从0. 200. 31,增大了0. 11, d Q P d Hmax却增大了1. 25倍. 值得注意的是,P d Hmax的出现时刻与5P 的关系并不明显,在各个5P 下它都是在D d Hmax之后6b CA 左右.这是因为5P 增大,D d H max 到Dd H min 之间的着火延迟缩短, 但是d Q D d H min 到d Q Pd H max时间因为5P增大而增大, 两者相互抵消. 5D =0. 23曲线也存在类似的规律, 不过此时5P 的临界值大约是0. 25. 图5所示为5D =0. 30时, 最大缸压p max 和最高缸内工质温度T max 随5P 的变化曲线.图5 不同5P 下最大缸压和最高缸内工质温度Fig. 5 The effects of 5P on the maximum cylinder pr essureand the maximum average medium temperature由图可见, 异辛烷/空气混合气浓度增大, p max 和T max 都增大. 对于p max , 在5P 0. 20, 异辛烷燃烧速率急剧加快, 导致压力曲线出现二次上升, 此时异辛烷/空气的燃烧决定了缸内最大压力, 并且p max 的增大幅度明显加快. 同样地, T max 也存在类似规律.图6所示为不同5P 下, SCCI 燃烧的着火延迟和燃烧持续期的变化规律. SCCI 燃烧的着火延迟定义为供油提前角到累积放热量的10%之间的曲轴转角. 燃烧持续期定义为累积放热量的10%95%之间的曲轴转角.图6 5P 对SCCI 燃烧的着火延迟和燃烧持续期的影响F ig. 6 T he effects of 5P on the ignition delay and the com 2bustion duration of SCCI combustion由图6(a 可见, 随着5P 的增大, 着火延迟的整体趋势增大, 但是在0. 185P 0. 25段, 着火延迟随着5P 增大略有降低. 压缩冲程中的工质温度对于着火延迟起着至关重要的作用. 5P 增大, 异辛烷的浓度加大, 活塞上行过程中异辛烷温度上升需要从外界吸收的热量增大, 从而导致缸内工质温度较低, 滞燃期加大; 同时, 异辛烷浓度的增大, 油束边界层中柴油的浓度相对降低, 也不利于柴油的着火. 但是, 着火延迟同时也受到燃料理化性质的影响, 燃料的低温氧化可能会促使着火时刻提前. 因此, 真正的着火延迟是缸内工质温度、燃料浓度、燃料理化特性三者共同作用的结果. 虽然异辛烷的辛烷值很高, 低, 378上 海 交 通 大 学 学 报第42卷生了许多中间产物, 这些中间产物有利于柴油燃烧, 为其提供了良好的着火氛围8. 另外, 5P 增大, 总当量比增大, 循环终了缸内温度较高, 这有利于下一循环柴油的着火, 再加上异辛烷的低温反应产物浓度加大, 造成了0. 185P 0. 25段着火延迟的降低. 由图6(b 可见, 5D =0. 30曲线在5P 0. 20时, 燃烧持续期几乎保持不变, 这是因为该当量比条件下异辛烷燃烧速率加快, 抵消了5P 增大的作用, 所以此时燃烧持续期对5P 不太敏感. 同样的规律可以在5D =0. 23曲线发现, 不过此时5P 的临界值大约是0. 25.图7显示了发动机指示热效率G 随5P 的增大而增大的关系. 5D =0. 23曲线在5P 0. 25, G 迅速提高. 5P 从0. 090. 15, G 增大不到1%; 但是5P 从0. 190. 31, G 增大将近4%.这是因为低5P 条件下, 异辛烷的混合气浓度低, 油束产生的火焰在稀的混合气下传播速率慢, 而且随着传播距离的增大传播速率降低. 5P 相当低时, 火焰甚至会因为接触到缸壁发生淬熄9,导致G 很低. 而在高5P 条件下, 浓的混合气燃烧速率迅速加快, 压升率d H 和放热率d H 都急剧升高, G也增大. 在高负荷条件下, 双燃料发动机的G 可以达到甚至超过传统柴油机 .图7 5P 对SCCI 燃烧指示热效率的影响Fig. 7 The effects of 5P on the indicated thermalefficiency of SCCI combustion由此可见, 5P 对燃烧和排放特性的影响存在一个临界值:当5P 高于临界值时, 异辛烷的着火延迟明显缩短, 其放热峰值显著增大, 整个SCCI 的燃烧速率、缸内最大压力和最高温度迅速提高, 燃烧持续期几乎保持不变, 热效率显著改善. 图中可以明显看出, 5D =0. 30时, 5P 临界值约为0. 20; 5D =0. 23 时5, 比5D 固定值增大, 该临界值降低. 这是因为5D 固定值增大, 富油区的范围和浓度都增大, 点火中心数目增多, 点火能量加强.2. 3 5P 对SCCI 燃烧排放特性的影响图8所示为5P 对CO 和H C 排放的影响. 由图8(a 可见, 5P 低于临界值时, CO 排放随5P 的增大而增大; 当5P 高于临界值时, CO 排放逐渐降低. CO 排放是燃料不完全氧化的结果, 它是由混合气的浓度和缸内工质温度2个因素共同决定. 5P 增大, 异辛烷初始浓度增大, CO 排放会增加; 但是5P 的增大, 必然导致燃烧过程中缸内工质温度的升高, CO 排放又有降低的趋势. 在低5P 条件下, 异辛烷的初始浓度占据主导地位, 所以CO 排放升高; 而在高5P 条件下, 缸内工质温度升高的效应逐渐占据上风, CO 排放降低.图8 5P 对SCCI 燃烧CO 和H C 排放的影响F ig. 8 The eff ects of 5P on the CO and H Cemissions of SCCI combustionH C 的排放规律和CO 比较类似. H C 的生成机理是碳氢燃料的不完全燃烧以及壁面淬熄效应和缝隙效应. 如图8(b 所示, 在低5P 条件下, 火焰传播速率低, 异辛烷燃烧缓慢, 缸内工质温度较低, 此时异辛烷浓度的增加有利于H C 排放的增加. 但在高5P 条件下, 火焰传播速率快, 异辛烷燃烧快, 缸内工质温度较高, 这些因素占据优势, 5P 的增大H C 反. 379第3期吉丽斌, 等:异辛烷/柴油双燃料分层充质压缩着火燃烧和排放特性380 上 海 交 通 大 学 学 报 第 42 卷 H C 排放比传统的 柴油机要 高, 但可 以通过 对 CO 和 H C 净化效率较高的氧化催化转化器降低尾气中 两者的浓度. 双燃料 SCCI 燃烧排放的另一个显著特点就是 较低水 平的 NOx 和碳 烟 ( S . 图 9 所 示为 5 P 对 NOx 和碳烟排放的影响. 3 结 论 ( 1 预喷异辛烷直喷柴油的 SCCI 燃烧过程本 质上是柴油自燃, 提供大量的着火中心, 从而引燃异 辛烷油气混合气. ( 2 柴油直喷当量比 5 D 和异辛烷的预喷射当 量比 5 P 是影响 SCCI 的燃烧过程的最直接因素, 两 者联系密切: 某个 5D 条件下, 影响异辛烷/ 空气混 合气中火焰传播快慢的 5 P 存在一个临界值. 且柴 油当量比 5 D 固定值增大, 该临界值降低. 但两个因 素之间又存在区别, 表现在对燃烧过程起主导作用 时的条件不同: 当 5 P 高于临界值时, 火焰传播速率 加快, 异辛烷着火延迟明显缩 短, 燃烧 速率迅速提 高, 放热峰值增大, 热效率显著改善. 此时其他燃烧 参数( 如最大放热率、 最大缸压、 最高工质温度 也由 5P 决定; 而 5P 低于临界值时, 这些参数主要取决于 直喷柴油的燃烧, 即由 5D 决定. ( 3 5P 的增大, SCCI 燃烧的着火 延迟的整体 趋势是增大, 但是在 0. 18 5 P 0. 25 段, 着火延迟 随着 5P 增大略有降低, 这是因为较高的循环温度 以及异辛烷低温氧化反应产生的中间产物, 促进了 柴油的着火. 5P 低于临界值时, 5 P 增大, 燃烧持续 期增大; 但 5 P 高于临界值时, 燃烧持续期几乎保持 不变. 图9 Fig. 9 5 P 对 SCCI 燃烧 NOx 和碳烟排放的影响 The effects of 5 P on the NOx and soot emissions of SCCI combustion ( 4 双燃料 SCCI 燃烧的 H C 和 CO 的排放较 高, 当 5 P 低于临界值时, 两者随 5 P 的增大而增大, 当 5P 高于临界值, 5P 增大, H C 和 CO 的排放反而 降低. 排 放方面 另一个 显著 的特点 是较 低水 平的 NO x 和碳烟. NOx 和碳烟排放都随 5 P 增大而增大, 但当 5 P 高于临界值时, 增大速率显著加快. 参考文献: 1 LX C, Ji L B, Zu L L, et a l . Experimental study and chemical ana lysis of n 2heptane homogeneous charge compr ession ignition combust ion with por t in2 jection of reaction inhibitor s J . Combustion a nd Flame, 2007, 149: 261- 270. 2 Yao M F , Chen Z, Zheng Z Q, et al . Study on the controlling str ategies of homogeneous charge com2 pression ignition combustion with fuel of dimethyl ether and methanol J . Fuel, 2006, 85: 2046 2056. 3 Jia M, Xie M Z. A chemical kinetics model of iso 2oc2 tane oxidation for H CCI engines J . Fuel, 2006, 85: 2593- 2604. 由图 9( a 可见, NOx 排放随 5 P 的增大而增大, 但 5 P 低于临界值时时, N Ox 排放的增大速率缓慢, 当 5 P 高于临界值时, NO x 排放的增大速率 急剧上 升. 这一规律的形成与不同 5 P 下缸内的燃烧状况 有关. 通过比较可以发现, NOx 排放的变化 曲线与 图 5 中 T 曲线非常接近, 这再次印证了 NO 与缸 内最高温度之 间的紧 密联 系. 碳烟的 排放 规律 和 max x NOx 比较类似( 见图 9( b . 由于异辛烷是烷烃, 其 生成碳烟的倾向最小 10 , 而且异辛烷与空气混合很 11 好, 所以可以认为异辛烷的燃烧不产生碳烟 .碳 烟的形成主要来自缸内直喷柴油的扩散燃烧. 碳烟 的生成条件是高温和缺氧. 随着 5 P 的增大, 一方面 缸内温度上升, 另一方面油束周围的氧浓度降低, 这 必然导致碳烟增大. 当 5 P 高于临界值时, 异辛烷燃 烧速率迅速加快, 缸内温度上升加剧, 从而使得碳烟 的生成量迅速加大. 5 D = 0. 23 时, 5P = 0. 34 下的碳 烟排放是 5P = 0. 25 时的 2 倍多. ( 下转第 384 页 384 上 海 交 通 大 学 学 报 第 42 卷 ( 2 由图 3、 可以看出, 在单部件故障时, 用非 4 线性诊断方法可以准确地判断出故障部件, 而不会 将单一部件故障导致的热参数变化归咎于其他无故 障部件. 而传统的线性诊断方法由于是基于矩阵求 解, 在单部件故障诊断时存在较大误差, 往往会将无 故障部件诊断为故障发展初期. 因此, 在机组大修或 更换重要热通路部件后, 应该用非线性诊断方法进 行机组状态评估. 参考文献: 1 Ur ban L A. Par ameter selection for mult iple 2fault Journal of 7 8 6 4 Gas Turbines and Power, 1994, 116 ( 1 : 82- 89. Zedda M, Singh R . Gas turbine engine and sensor di2 agnostics J . Journal of Pr opulsion and Power, 2002, 18( 5 : 1019- 1025. 5 Li Y G. Per for mance 2ana lysis 2based gas turbine diag2 nostics: A r eview J . Pr oceedings of the Institution of Mecha nica l Engineer s, Par t A: Jour nal of P ower a nd Ener gy, 2002, 216 ( 5 : 363- 377. Kamboukos P, Mathioudakis K. Compar ison of linear and nonlinear gas turbine perfor mance diagnostics J . Jour nal of Engineer ing for Ga s Tur bines a nd Power, 2005, 127 ( 1 : 49- 56. 秦 鹏. 轴流压 气机气 动设计 M . 北京: 国防 工业 出 版社, 1975: 312- 316. Wang Y H. 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