醇类燃料在ricrdo单缸四冲程汽油发动机上的燃烧和排放特性

醇类燃料在ricrdo单缸四冲程汽油发动机上的燃烧和排放特性

醇类燃料混合气燃烧hcci-ii燃烧是一种新型的燃烧方法，不同于传统的火力点（si）和压力（ci）燃烧，而是具有相同的si和压缩空气燃烧的特征。在HCCI发动机中,可燃混合气是在进气过程中形成的,而且被认为是均匀分布的;当活塞到达上止点附近时,这些混合气由于高温而在整个燃烧室内自燃着火。这种燃烧方式由于燃烧持续期短,大部分的燃烧发生在上止点附近,提高了发动机的热效率;燃烧温度低,从而也降低了NOx排放。HCCI燃烧和传统SI燃烧相比有较高的热效率和低的NOx排放,因此HCCI在发动机上的应用有着广阔的发展前景。在汽油机中,HCCI燃烧主要受爆震、失火和部分燃烧的限制,而且和传统的SI燃烧相比可运行范围比较小。醇类燃料(主要是甲醇、乙醇)被认为是最有希望的替代燃料,而且研究表明醇类燃料有降低发动机NOx和HC排放的性能,主要是由于醇类燃料有着和汽油、柴油等不同的反应方式。为了更好地了解醇类燃料在汽油HCCI发动机中对燃烧和排放性能的影响,本文对甲醇、乙醇的燃烧和排放的特点进行了详细地分析,并通过对汽油燃烧和排放特性的对比,更深入地了解甲醇、乙醇在HCCI汽油机上和汽油所表现出来的差异。1试验方法本试验所采用的是RicardoHydra四冲程、单缸汽油机,具体参数如表1所示。为了实现HCCI燃烧,在研究中采用了缸内废气再循环(IEGR),利用高温废气来加热新鲜混合气,从而使混合气在压缩上止点附近达到自燃温度,实现HCCI燃烧。其中IEGR的计算公式为式中:me是一个循环的残余废气质量;mi和mf是同一个循环的新鲜空气质量和进入气缸内的燃油质量。要在排气过程中留住大量的高温废气,需要一个较大的进排气门重叠负角,即通过在排气过程中排气门早关和在进气过程中进气门晚开的方式来留住一定量的高温废气。为此,将Ricardo单缸机的原凸轮轴更换成了小升程、小包角的凸轮轴,其参数为:进气凸轮的升程和持续期分别为1.7mm和120°CA;排气凸轮的升程和持续期分别为1.5mm和110°CA。实现了发动机在HCCI模式下的稳定运行。在整个试验过程中,节气门是全开的,这样可以减少泵吸损失,提高发动机的效率。为了确保发动机在HCCI模式下稳定运行,试验时保持油温和水温分别在(55±1)℃和(80±1)℃。发动机和一台30kW的交流测功机相连,使发动机在稳定转速下运行。空燃比的大小是由ETAS公司的线性氧传感器来测量的,试验中通过调整喷油脉宽的方法来调节空燃比。试验开始时,调节进、排气凸轮轴到合适的相位,并且在开始的若干循环内采用SI模式,这样可以在气缸内留住一定量的高温废气;然后关掉火花点火,使发动机在HCCI模式下运行。改变发动机的运转工况,采集各个工况下的数据点。试验中所用到的燃料为甲醇、乙醇和汽油,其性质如表2所示。2试验结果和分析2.1排气门相位对ca十着火时刻(CA10),定义为燃料燃烧100/0时所对应的曲轴转角。在HCCI燃烧模式下,着火时刻并不像传统的汽油机和柴油机那样受火花点火和喷油时刻的控制,而是受化学动力学的控制,并且经过验证表明在进气过程中混合气的涡流和湍流对HCCI燃烧的影响非常小。甲醇、乙醇和汽油的着火时刻在不同排气门相位和转速下的对比如图1所示,这里进气门开启(IVO)相位相对于上止点和排气门关闭(EVC)相位对称,并且过量空气系数ϕa=1。图1a反映了排气门相位对CA10的影响。可以看出,无论采用哪种燃料,着火时刻随着排气门关闭时刻相位的提前而提前。这主要是由于排气门关闭越早,在排气过程中,就会有更多的废气留在气缸内,而相对于进气过程中,能够进入气缸内的新鲜充量就会减少,因此进气门关闭时,气缸内混合气的温度由于高温废气加热的作用就会越高,这有利于低温化学反应的进行,着火时刻就会提前;图1b反映了发动机转速对着火时刻影响,可以看出,发动机转速的升高和排气门相位角的增大有相似的性质,都能使着火时刻提前,因为随着发动机转速的升高,换气质量变差,残余废气增多,而进气量减少,从而使着火时刻提前。但是当残余废气率增大到一定程度后,由于可燃空气减少,致使废气温度变得很低,在这种情况下,着火时刻反而会推迟(如图1b中的汽油曲线)。通过分析图1,可以看出在相同发动机工况下,醇类燃料和汽油相比可以很大地提前着火时刻,这主要是由于醇类燃料有着和汽油不同的化学反应性质,并且在低温反应阶段放出一定的热量来提高混合气的温度,增加化学反应的速度。2.2空燃比和转速对燃烧持续期的影响在HCCI燃烧模式下,定义燃烧持续期为燃料燃烧100/0到燃烧900/0所对应的曲轴转角。从图2中可以看出,在给定的进、排气门定时下,醇类燃料的燃烧持续期和汽油的相比比较短。这是因为燃烧持续期和着火始刻有一定的关系,图1中甲醇、乙醇的着火时刻都是发生在上止点之前,而汽油的着火时刻相对滞后活塞上行时,由于燃料燃烧放热和气体被压缩的双重作用,致使醇类混合气的温度更高,所以燃烧速率加快,燃烧持续期缩短。另外从放热率图2c中可以看出,醇类燃料(特别是甲醇)放热比较集中而且比汽油的提前,因而汽油的着火持续期就会比醇类燃料的长从图2a中可以看出:燃烧持续期随空燃比的增大而增加,这主要是由于空燃比增大时,混合气越稀,而且在试验中进入气缸的新鲜空气量几乎保持不变,进入气缸内的燃料也就越少,因而释放的热量也就减少,缸内的燃烧温度就越低,排气温度也越低,因此以后循环由于气缸内温度低,反应速率也就变慢;另外,由于可燃物质的浓度减少,和氧化因子结合发生化学反应的速率也相应地下降,着火持续期也就变长。图2b反映了转速对燃烧持续期的影响。转速对持续期的影响可以认为是残余废气率和发动机转速作用的双重影响。当发动机转速升高时,一方面是残余废气率的升高,当残余废气系数在一定范围内时,残余废气的增加会缩短燃烧持续期;另一方面,假如燃料燃烧的速度不变,由于转速的升高,从燃料燃烧100/0到900/0所对应曲轴转角增加,因此燃烧持续期变长。2.3在燃烧初始点前后甲醇、乙醇的温度和最高压力的对比从图3a压力曲线中可以看出,在上止点附近,甲醇、乙醇的缸压要明显高于汽油的缸压,而且最大压力的时刻要早于汽油的最大压力时刻;图3b中的缸内温度曲线是基于理想气体的状态方程并且由缸压数据计算得到的。其计算公式为pV=nRT从图3b中可以明显看出在燃烧始点前,甲醇混合气的温度明显高于汽油混合气,乙醇混合气的温度也略微高于汽油,这说明了在低温反应阶段,有更多的甲醇、乙醇分子参与了低温反应并放出了一定的热量,同时也为高温反应准备了更多的活化因子,因此甲醇、乙醇的着火时刻比汽油的要早,燃烧持续期也相应的比汽油的要短。更有趣的是,在图3a中,汽油燃烧的最高压力比甲醇、乙醇的低;而在图3b中,汽油燃烧的最高温度和甲醇、乙醇相比却是最高的。这主要是由于在低温反应阶段,甲醇、乙醇混合气的温度比汽油的高,因此散热损失也比较多;另外醇类混合气在低温反应中由于有更多的燃料参与反应,而在高温燃烧时,参与燃烧的燃料相对比较少;此外在当量空燃比和设定的发动机条件下,醇类燃料燃烧和汽油的相比会产生更多的CO2和H2O蒸气,这些物质具有比较高的热容,在同样的放热条件下,燃烧温度会比较低。2.4种燃料和甲醇、乙醇和汽油的工况对比HCCI的工况范围比较小,这主要受到爆震、部分燃烧和失火的限制;而且在汽油机HCCI燃烧模式下,采用了大量的残余废气再循环,这也使能够进入气缸内的新鲜充量受到了比较大的限制,从而也决定了在HCCI燃烧模式下,发动机负荷和工况范围受到了很大的限制。图4中对比了燃用甲醇、乙醇和汽油时的发动机负荷和可运行的HCCI工况范围。从图4a中可以看出对于每种燃料来说,当空燃比、转速不变时发动机的负荷随气门负的重叠角的增大而减小,这主要是因为气门负的重叠角越大,留在缸内的残余废气就越多,进气量就越少,因此发动机的负荷也就越小。从图4b中可以看出无论是哪种燃料,可运行的速度范围为800r/min～3500r/min,平均指示压力不超过0.5MPa,可见HCCI燃烧更适用于中低速小负荷的工况。通过对比甲醇、乙醇和汽油的工况范围,可以看出汽油更适用于较低转速的工况(可以工作在800r/min),而且在此转速下,负荷的变化范围也是最大的(0.25MPa到0.5MPa)。采用甲醇时,发动机不能在800r/min的转速下运行,因为在此转速下,进气比较充分而且由于甲醇的汽化潜热比较大,进气门关闭时,缸内混合气温度低,因而不能着火。甲醇的可运行速度能够达到3500r/min,而且它也是在这3种燃料中唯一能够在此转速下工作的燃料。汽油在速度较高时表现的性能比较差,在3000r/min时,平均指示压力(IMEP)的调节范围非常小;乙醇燃料虽然不能工作在3500r/min,但是在3000r/min时,IMEP可以从0.05MPa变化到0.2MPa,因此醇类燃料更适应于较高转速的工况。2.5nox和hc和co排放的分析2.5.1不同燃料中nox排放的对比HCCI燃烧最吸引人的地方之一就是NOx排放很低,和传统的火花点火燃烧相比,可以降低NOx排放900/0以上。其主要原因就是在HCCI燃烧模式下,采用了大量的废气再循环,可燃混合气比较少,燃烧温度低,NOx排放也就比较低。图5展示了在不同进排气门相位下甲醇、乙醇和汽油的NOx排放之间的对比。从图中可以明显看出无论采用哪一种燃料,NOx排放都非常低(不超过16×10-6)。甲醇的NOx排放是最低的,这是因为甲醇燃烧温度和汽油、乙醇的相比比较低;此外,甲醇的物理化学性质和低NOx排放也有很大的关系,甲醇的汽化潜热是最高的,而且低热值比较低,致使燃烧温度也比较低。这3个原因也就导致了燃用甲醇时的NOx排放是最低的。在图5中,无论是采用汽油、乙醇还是甲醇,NOx排放都是随着空燃比的增加而减少,这主要是由于当空燃比增加时进入气缸内的燃料的质量减少,因此燃烧的温度降低,NOx排放减少。对比图5,可以看出,在相同的排气门相位下,随着进气门相位的增加,NOx排放会有所升高,因为从进排气门对称的位置略微增加进气门开启时刻时,进气量会增加,因而导致燃烧时燃烧温度升高,NOx排放增加。2.5.2不同燃料对氧传质和hc在HCCI燃烧模式下,HC和CO的排放都比较高,这是由于HCCI燃烧温度比较低,燃料不能被完全氧化。图6反映了在不同空燃比下甲醇、乙醇和汽油的HC排放的对比和CO排放的对比。可以看出无论在哪个相位下,甲醇的HC排放都是最低的,主要是由于甲醇在和氧反应的过程中有更大的活性,另一方面甲醇的含氧量在这3种燃料中是最高的,因此在同样的空燃比条件下,甲醇在燃烧时对氧气浓度的依赖也是最小的,HC排放也比较低。从CO排放图中可以看出无论采用哪种燃料,都存在一个最佳的工况点(过量空气系数为1.05附近),这点的CO排放是最低的,这主要是由于当混合气从这一点变浓时,由于氧气的浓度减少,燃料不能被完全氧化;当混合气从这一点变稀时,燃烧温度会降低,同样燃料由于温度低而不能完全氧化。甲醇、乙醇和汽油的CO排放的差别不是很明显,并且在试验过程中,可以明显地观察到当空燃比在过量空气系数为1附近和空燃比很大的时候,CO排放的波动非常大,可见如果采用甲醇、乙醇燃料来降低CO排放并不是一个很好的选择。3甲醇、乙醇燃烧时的对比(1)甲醇、乙醇燃料可以很好的在HCCI模式下燃烧,着火时刻比汽油要早;而且着火持续期短、放热率大,这主要是由于醇类燃料和汽油不同的化学反应性质所致。(2)汽油燃烧时的最大压力与甲醇、乙醇燃烧时的相比