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射流控制壓縮著火正時(shí)可控性試驗(yàn)

2020-03-10 00:28:23·  來源：內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)  
　
Satisfactory 昨天預(yù)混合壓燃技術(shù)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)低PM、低NOx排放和高熱效率，已經(jīng)成為內(nèi)燃機(jī)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。預(yù)混合壓燃包括熱預(yù)混合(HPC)、均質(zhì)充量壓燃(HCCI)、
預(yù)混合壓燃技術(shù)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)低PM、低NOx排放和高熱效率，已經(jīng)成為內(nèi)燃機(jī)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。預(yù)混合壓燃包括熱預(yù)混合(HPC)、均質(zhì)充量壓燃(HCCI)、預(yù)混合充量壓燃(PCCI)和反應(yīng)活性控制壓燃(RCCI)等模式。這些燃燒模式的混合氣比較均勻和稀薄，燃燒溫度低，能夠大幅降低NOx和碳煙生成，而且工質(zhì)與發(fā)動(dòng)機(jī)之間的傳熱損失減少，熱效率較高。為了直接有效地控制預(yù)混合壓燃的著火正時(shí)，相關(guān)學(xué)者提出了射流控制壓燃(JCCI)模式，本次推文通過一臺(tái)改裝的船用高速柴油機(jī)，對(duì)JCCI燃燒過程進(jìn)行了試驗(yàn)，驗(yàn)證JCCI的著火正時(shí)控制原理，并考察JCCI燃燒模式在不同發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度條件下控制著火正時(shí)的魯棒性，還研究了EGR 率對(duì)JCCI燃燒特性的影響。

01  試驗(yàn)裝置及方法
 
改裝后的發(fā)動(dòng)機(jī)采用JCCI 燃燒模式，燃燒系統(tǒng)如圖1所示。主燃燒室內(nèi)的燃料為柴油，通過缸內(nèi)早噴形成預(yù)混合氣。圖2為交叉孔高擾動(dòng)噴油嘴示意，每組噴孔由2個(gè)子噴孔組成，子噴孔內(nèi)的燃油在噴油嘴內(nèi)部交匯。與傳統(tǒng)多孔噴油嘴相比，交叉孔高擾動(dòng)噴油嘴的噴霧貫穿距離短、噴霧粒徑小，有利于缸內(nèi)早噴條件下形成較均勻的混合氣。圖3為點(diǎn)火室模型示意，點(diǎn)火室由殼體、火花塞和CH4 供氣管組成。

圖1 燃燒系統(tǒng)示意圖

圖2 交叉孔高擾動(dòng)噴油嘴示意圖

圖3 點(diǎn)火室模型

圖4為發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)裝置示意。發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油、噴氣和點(diǎn)火由ECU控制。噴射量、噴射正時(shí)和點(diǎn)火正時(shí)參數(shù)通過修改ECU標(biāo)定量進(jìn)行設(shè)置。試驗(yàn)中，通過缸壓數(shù)據(jù)計(jì)算放熱率和指示功，分析缸內(nèi)燃燒過程和發(fā)動(dòng)機(jī)性能．點(diǎn)火室和主燃燒室總的表觀放熱率(AHRR)通過雙傳感器單區(qū)方法由缸壓數(shù)據(jù)計(jì)算。計(jì)算方法詳見參考文獻(xiàn)[1]。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)裝置示意

02  點(diǎn)火正時(shí)和進(jìn)氣溫度的影響
 
圖5為JCCI工作條件(進(jìn)氣溫度為70 ℃)下，不同點(diǎn)火正時(shí)的累積放熱率正時(shí)和RI的計(jì)算結(jié)果。用CA10 表征預(yù)混合壓燃的著火相位，用CA 10～CA 90 的曲軸轉(zhuǎn)角(CA10-90)表征燃燒持續(xù)期。預(yù)混合壓燃著火相位與點(diǎn)火正時(shí)呈線性相關(guān)，點(diǎn)火正時(shí)的15°CA 變化對(duì)應(yīng)著火相位的9°CA 變化。說明JCCI 能夠有效控制預(yù)混合壓燃著火相位。另外，點(diǎn)火正時(shí)越提前，燃燒持續(xù)期越短。因?yàn)檩^早點(diǎn)火形成的高溫射流放熱提升了上止點(diǎn)前缸內(nèi)溫度，這又與壓縮過程和柴油預(yù)混合氣低溫反應(yīng)放熱作用相疊加，加速了其余部分柴油預(yù)混合氣燃燒。RI隨點(diǎn)火正時(shí)提前和柴油預(yù)混合氣反應(yīng)速率加快而升高。在進(jìn)氣溫度為70℃、點(diǎn)火正時(shí)為-15°CA 條件下，RI 不超過5MW/m2，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的可聞噪聲處于可接受范圍內(nèi)。

圖5 不同點(diǎn)火正時(shí)的累積放熱率正時(shí)和RI

圖6和圖7為JCCI 工作條件(進(jìn)氣溫度為70℃)下發(fā)動(dòng)機(jī)的指示熱效率(ITE)和排放。ITE 隨點(diǎn)火正時(shí)的提前而提高，在-15°CA點(diǎn)火正時(shí)下達(dá)到45.7% 。由圖5可知，較早點(diǎn)火正時(shí)下CA 10-90 的燃燒持續(xù)期更短，而且CA 50 的正時(shí)更靠近上止點(diǎn)，這些都有利于提高熱效率。NO排放隨點(diǎn)火正時(shí)的提前而升高，但最高不超過0.15 g/(kW·h)。HC 排放和CO 排放隨點(diǎn)火正時(shí)的提前而降低，在-15°CA點(diǎn)火正時(shí)下分別達(dá)到0.18g/(kW·h)和6.50 g/(kW·h)。CO 排放水平較高，造成了較大的燃燒損失，其原因是缸內(nèi)的燃燒溫度較低，燃料未能充分氧化。

圖6 不同點(diǎn)火正時(shí)下的排放和指示熱效率

以往的預(yù)混合壓燃技術(shù)(HCCI、PCCI和RCCI等)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣的熱力狀態(tài)較為敏感，進(jìn)氣溫度的輕微變化就會(huì)導(dǎo)致較大的著火正時(shí)改變，需要通過調(diào)整高動(dòng)態(tài)參數(shù)以使發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，控制的魯棒性往往難以保證。而JCCI燃燒模式在這方面優(yōu)勢(shì)明顯。JCCI工作條件下，將點(diǎn)火正時(shí)固定為-15°CA，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度分別穩(wěn)定為60、70、80和90℃，累積放熱率相位和RI 如圖7所示。隨進(jìn)氣溫度升高，由于混合氣反應(yīng)速率增大，燃燒相位提前，燃燒持續(xù)期縮短。進(jìn)氣溫度為60～80℃下的CA10相位變化只有2°CA，說明JCCI著火正時(shí)對(duì)進(jìn)氣溫度不敏感，控制魯棒性更強(qiáng)．進(jìn)氣溫度為80℃和90℃下，CA 10-90 燃燒持續(xù)期大幅縮短，CA 50相位更靠近上止點(diǎn)，造成RI 急劇升高，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的燃燒噪聲很大，為避免損壞，只能短時(shí)間運(yùn)行。

圖7 不同進(jìn)氣溫度下的累積放熱率正時(shí)和RI

03  EGR率對(duì)JCCI工作過程的影響
 
發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火正時(shí)為-15°CA、進(jìn)氣溫度為70℃的條件下，RI已經(jīng)達(dá)到可靠運(yùn)行的極限。使用EGR 率可以控制燃燒反應(yīng)速率，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械負(fù)荷。圖8示出點(diǎn)火正時(shí)為-15°CA、EGR率為0和20%條件下的發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力和放熱率?？芍捎肊GR率為20%的點(diǎn)火室壓力峰值位置和主燃燒室壓力峰值位置后移；點(diǎn)火室放熱、主燃燒室著火正時(shí)和放熱率峰值都后移。

圖8 不同EGR條件下的缸內(nèi)壓力和放熱率

帶預(yù)燃室的點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)研究中，常采用主燃燒室火焰形成角(FDA)評(píng)價(jià)預(yù)燃室的點(diǎn)火性能。為了更方便分析JCCI 燃燒過程中射流與主燃燒室預(yù)混合氣的相互作用，定義射流形成角(JDA)描述射流形成所需時(shí)間，其定義為從點(diǎn)火室火花塞放電至點(diǎn)火室內(nèi)第1 個(gè)壓力峰值點(diǎn)所需時(shí)間。從點(diǎn)火室火花塞放電到10%累積放熱率所需時(shí)間定義為著火形成角(IDA)，因?yàn)镴CCI 燃燒模式下主燃燒室內(nèi)的反應(yīng)過程與火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)有所不同，不是簡單的火焰?zhèn)鞑ミ^程。通過著火形成角和射流形成角之間的比較，可以分析不同發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)下點(diǎn)火室射流對(duì)主燃燒室內(nèi)預(yù)混合氣著火相位影響特性的變化。

圖9示出EGR率為0和20%條件下JDA、IDA以及CA10相位的比較。EGR率為20%條件下的JDA和IDA都比EGR率為0條件下的大，因而點(diǎn)火正時(shí)需要提前，點(diǎn)火正時(shí)遲于-5°CA，發(fā)動(dòng)機(jī)將會(huì)失火。JDA增大的主要原因是EGR 率對(duì)點(diǎn)火室內(nèi)混合氣的稀釋效應(yīng)以及O2擴(kuò)散系數(shù)的減小，導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣群虲H4混合氣燃燒速率降低。IDA增大一方面是JDA 增大，另一方面是EGR 率對(duì)主燃燒室內(nèi)柴油預(yù)混合氣的稀釋效應(yīng)和熱效應(yīng)導(dǎo)致低溫反應(yīng)和放熱速率降低。在點(diǎn)火正為-5°CA且EGR率為20%條件下的JDA和IDA基本相同，即射流形成與主燃燒室柴油預(yù)混合氣著火幾乎同步；而EGR率為0條件下的JDA已經(jīng)大于IDA，即射流完全形成之前，主燃燒室柴油預(yù)混合氣已經(jīng)開始部分著火。上述情況下，射流對(duì)著火正時(shí)和燃燒過程起穩(wěn)定作用，因?yàn)樵谳^晚的點(diǎn)火正時(shí)條件下，柴油預(yù)混合氣自燃的放熱量少，沒有射流的引燃作用，將不能完全燃燒。EGR率為0 和EGR率為20%條件下，CA10相位都隨點(diǎn)火正時(shí)的推遲而延后．EGR率為20%條件下，點(diǎn)火正時(shí)遲于-10°CA后，CA10相位無明顯變化，原因是射流形成正時(shí)較晚，對(duì)主燃燒室柴油預(yù)混合氣放熱影響減弱。

圖9 不同EGR率下著火形成角、射流形成角以及CA10
 
小結(jié)

(1)點(diǎn)火室射流能有效控制主燃燒室柴油預(yù)混合氣的壓燃，實(shí)現(xiàn)極低的NOx排放。

(2)JCCI 的著火正時(shí)直接受控于點(diǎn)火室點(diǎn)火正時(shí)，對(duì)進(jìn)氣溫度變化不敏感，進(jìn)氣溫度為20℃下的10CA相位變化只有2°CA；較強(qiáng)的著火正時(shí)控制魯棒性有利于JCCI 在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作環(huán)境下的應(yīng)用。

(3)使用EGR率能夠降低燃燒速率和燃燒噪聲，EGR率為20%時(shí)使燃燒持續(xù)期延長20°CA以上，但導(dǎo)致熱效率下降2%，以及HC和CO排放升高。
 
 
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