DME部分预混压燃与缸内直喷复合燃烧的研究

DME部分预混压燃与缸内直喷复合燃烧的研究李维1,周龙宝2,汪映2,马骏1(1.西京学院汽车学院，陕西西安710123；2.西安交通大学能动学院,陕西西安710049)摘要：在单缸二甲醚发动机上开展了DME部分预混压燃与缸内直喷混合燃烧（PCCI-DI）特性的研究.结果表明：DMEPCCI-DI发动机具有较低的最高爆发压力和压力升高率.PCCI-DIDME发动机燃烧过程也表现出明显的两阶段放热特点，和HCCIDME发动机相比，两个放热峰值有所下降，第一个放热峰值位置基本不变，第二个放热峰值后移到上止点略后位置。关键词：PCCI；直喷；二甲醚；燃烧特性中图分类号：TK42文献标志码：A文章编号：ExperimentalInvestigationonCombustioncharacteristicsofPartialPremixedChargeCompressionIgnition–DirectInjectionEngineFueledwithDimethylEtherLIWei1，ZHOULongbao2，WANGYing2，MAJun1(1.DepartmentofAutomobile，XiJingCollege，ShanXiXi’an，710123，China;2.SchoolofEnergyandPowerEngineering，Xi’anJiaotongUniversity，ShanXiXi’an，710049，China)Abstract：ExperimentalinvestigationonthecombustioncharacteristicsofPCCI-DIcombustionbythepartialpilotDMEfromtheintakepipeiscarriedout.Resultsindicatethattheenginehaslowerpeakcylinderpressureandlesserriserateofpressure.PCCI-DIDMEenginealsoshowsupanobvioustwo-stageheat-releasecharacteristic.ComparedwithHCCIDMEengine，Peakvalueoftwoheat-releasereduce,thepositionofthefirstpeakalmosthasnochangeandthepositionofthesecondpeakshiftstothepositionlaterthanTDC.采用均质充量压缩燃烧（HCCI）方式可使发动机在中低负荷具有高的热效率和低的PM和NOx排放。但HCCI目前还未从根本上解决两个技术难题：着火时刻和燃烧速度的控制，因此HCCI燃烧技术目前只局限在内燃机的中低负荷范围内应用[1]。有学者提出采用HCCI-DI双模式的方法，但运转模式之间的平稳转换在目前还没有较好的解决办法。为此，本文采用在同一循环中使用预混进气和缸内直喷的复合燃烧方式(PCCI-DI；partialpremixedchargecompressionignition-directignition)来减少扩散燃烧部分的油量，从而获得一部分HCCI燃烧方式的优点[2][3]。由于二甲醚独特的物理化学性质，本文在一台单缸二甲醚发动机上，采用一部分DME燃料在发动机进气管与空气预先混合形成预混均质混合气进入气缸，另一部分DME燃料在压缩行程末期利用压燃式发动机的燃油喷射装置喷入燃烧室来实现PCCI-DI燃烧。利用AVL燃烧分析仪测录PCCI-DI发动机的示功图。并进行了燃烧特性的研究。1发动机试验台架试验发动机由TY1100单缸自然吸气直喷柴油机改装而成，其主要技术参数见表1。试验布置如图1所示。在本试验中，DME分装在两个气罐之中，DME的消耗量采用电子秤测量。为了减小罐内气化造成的测量误差，两个气罐DME的出口均设在燃料罐的底部。小气罐通过单向阀和进气管相通，少量二甲醚被直接引入到进气管中，得到预混混合气。为了防止喷射系统低压油路发生气阻，大气罐的DME采用电子泵加压后送到喷油泵。根据前期大量试验，进气预混量的大小对发动机性能影响较大，预混进气量太大，发动机容易出现爆震，预混进气量太小，对燃烧的改善效果不明显，因此试验中采用了30.4mg/cyc和20.8mg/cyc两种DME进气预混量[4]。因为DME对橡胶有腐蚀作用，DME燃料的供给管路采用铜管。试验中使用的二甲醚纯度为收稿日期：2009-12-20；修订日期：2010-03-05基金项目：国家自然科学基金资助项目（50706038）作者简介：李维(1965-)，男，陕西西安人，副教授，博士，主要从事汽车发动机代用清洁燃料方面的研究工作。E-mail：[e-mail]；电话[phone]。99.9%工业用二甲醚，其密度为0.668×103kg/m3,自燃温度为235℃。表1发动机的主要技术参数Table1Maintechnicalparametersoftheengine技术参数性能指标气缸直径/mm100活塞行程/mm115压缩比18额定转速/r.min-12300额定功率/kW102示功图及压力升高率图2和图3分别为n=1800r/min，pme=0.3MPa时，不同的DME进气引导量下DMEPCCI-DI发动机的缸内压力及压力升高率曲线，为了便于和DMEHCCI发动机进行比较，图中同时给出了DMEHCCI发动机的压力及压力升高率曲线。通过对所测录的示功图进行分析，可以发现DMEPCCI-DI发动机的最高爆发压力和最大压力升高率，无论在数值上还是所对应的曲轴转角位置都与DMEHCCI有较大差别。DMEHCCI发动机的最高爆发压力为5.49MPa，对应的曲轴转角在上止点前２℃A；PCCI-DI发动机的最高爆发压力在4.71~5.03MPa之间，比HCCI发动机低0.46～0.78MPa，对应的曲轴转角在上止点后7～16℃A，最高爆发压力发生位置相比HCCI发动机更为合理。在负荷较大时，较低的最高爆发压力使得发动机的机械负荷低，机械效率高，有利于提高其热效率。从图2可以发现，在平均有效压力相同的情况下，随着预混燃油量的减少，PCCI-DI发动机的缸内最高爆发压力有所下降，最高爆发压力发生的角度也略有推迟。对于本文所采用的三种DME进气引导量来说，在喷油推迟的情况下，PCCI-DI发动机最高爆发压力发生的角度仍然处于比较合适的位置。此外，DMEPCCI-DI发动机气缸压力曲线在最高爆发压力处的变化相对平缓，高压持续时间长，也有利于热效率的提高[5]。从图3的压力升高率曲线来看，DMEPCCI-DI发动机的每一条压力升高率曲线也具有两个波峰，两个波峰间仍然有一压力升高率接近零的间隔区域，这一点和HCCI发动机极为相似，且第一个波峰出现的位置差别不大，主要由于燃烧过程前期仍然是HCCI燃烧而引起的。压力升高率曲线的主要差别在于DMEPCCI-DI发动机最大压力升高率较低、曲线上的两个峰值之差较小，两个波峰之间压力升高率接近零的间隔区域较宽，主要缘于前期以HCCI方式燃烧的预混混合气量减少的原因。从不同DME进气引导量下的压力升高率来看，随着DME进气引导量的减少，虽然第一个峰值点的大小和位置变化不大，但是第二个峰值不断减小，且位置逐渐推后。当DME进气引导量从30.4mg/cyc减少到20.8mg/cyc时，最高压力图1P试验台架布置Fig.1Thearrangementoftestbed1.大DME燃料罐2.电子泵3.排气分析仪4.烟度计5.测功机6.发动机7.流量调节阀8.加热器９.单向节流阀1０.小DME燃料罐11.小电子称12．大电子称911671410212358图2不同DME引导量的示功图比较Fig.2CylinderpressurecomparisonofdifferentDMEpilotquantity(n=1800r/min，pme=0.3MPa)-40-200204060曲轴转角(oCA)0123456气缸压力(MPa)HCCI引导量30.4mg/cyc引导量26.8mg/cyc引导量20.8mg/cyc-25-20-15-10-505101520曲轴转角(oCA)-0.2-0.100.10.20.30.40.50.6压力升高率(MPa/oCA)HCCI引导量30.4mg/cyc引导量26.8mg/cyc引导量20.8mg/cyc图3不同DME引导量的压力升高率比较Fig.3RiserateofpressurecomparisonofdifferentDMEpilotquantity(n=1800r/min，pme=0.3MPa)升高率就由0.463MPa/ºCA降低到0.353MPa/ºCA，最高压力升高率出现的位置由3ºCABTDC后移至3ºCAATDC，但两个波峰间的间隔区域变化不大，仅由12ºCA增加至15ºCA(参看表2）。出现这样结果的原因是，负荷不变时，随着引导量的减少，喷油量增加，喷油持续期延长，燃烧相对变缓，且由于DME汽化潜热较大，喷入气缸的DME要吸收较多热量，因此，随着DME进气引导量的减少，喷油量增加，喷油持续期延长，燃烧相对变缓，且由于DME汽化潜热较大，喷入气缸的DME要吸收较多热量，因此，随着DME进气引导量的减少，喷油量增加，最大压力升高率减小，最大压力升高率出现的位置也相应推后。但由于影响压力升高率曲线上第一个峰值出现的位置的主要因素是滞燃期的长短[6]，由于引导量变化不大，转速不变时，预混可燃混合气着火前进行物理化学准备的时间以曲轴转角计相差不多，第一个峰值出现的位置变化也不会太大。3放热规律图4给出了DMEPCCI-DI发动机的和DMEHCCI发动机n=1800r/min，pme=0.3MPa时的放热率曲线。图中DMEPCCI-DI发动机的燃烧过程也表现为两阶段放热过程，第一阶段放热较少，第二阶段放热较多，为主放热阶段。PCCI-DI燃烧模式下，放热曲线整体后移。在转速、负荷不变时，随着DME引导量的减少，预混混合气变稀，但第一阶段开始放热的时刻和放热率峰值并没有发生明显的变化。但第二阶段放热率峰值较大，且位置随着DME引导量的增加不断前移，燃烧持续期缩短。这说明，在试验所选取的三种DME引导量下，由于预混均质混合气的浓度变化不大，对二甲醚低温反应的影响较小，但是较浓的预混混合气会加速二甲醚高温反应，从而使二甲醚HCCI燃烧的第二阶段放热提前，并且放热速度也略有加快，燃烧持续期缩短。为了便于比较不同DME进气引导量大小对燃烧过程的影响，图5给出了HCCI发动机和PCCI-DI发动机不同DME引导量下的累积放热率（已燃质量百分比）曲线。从图中可以看出：在累积放热率曲线上均有变化极为缓慢的一段，这是由于推迟喷油后，PCCI-DI混合燃烧的前一段是HCCI的燃烧过程，在低温放热阶段结束以后，由于负温度反应系数（NegativeTemperatureCoefficient,NTC）效应，系统温度虽然升高，但系统总体反应速率不增反降，因此，累积放热率增加缓慢[7]。在n=1800r/min、pme=0.3MPa的工况下，HCCI发动机累积放热率为10%时对应的曲轴转角为22°CABTDC，燃烧结束位置（累积放热90%）在4ºCABTDC，快速燃烧期持续角度为18ºCA，燃烧速度快，但燃烧过于靠前，造成发动机压缩负功增加，不利于提高热效率。对于PCCI-DI发动机，当DME进气引导量从30.4mg/cyc减少到20.8mg/cyc时，累积放热10%对应的曲轴转角变化不大，从20ºCABTDC推迟到14oCABTDC，变化6ºCA；但燃烧结束点对应的曲轴转角从8ºCAATDC推迟到20ºCAATDC，变化12ºCA。快速燃烧期（从累积放热10%到90%）的持续角度变化不大，在28~34ºCA之间。这说明随着DMEPCCI-DI发动机喷油推迟，整个燃烧后移，但燃烧持续时