进气温度和过量空气系数对汽油HCCI指示热效率的影响研究

长安大学 汽车学院 吕 猛 王振平 薛 乐

进气温度和过量空气系数对汽油HCCI指示热效率的影响研究

长安大学 汽车学院 吕 猛 王振平 薛 乐

均质压燃（Homogeneous Charge Compression Ignition，简称HCCI）与传统发动机相比，具有较高的热效率和较低的NOx排放，且燃料来源广，在能源日益短缺和环境急剧恶化的今天，成为内燃机领域研究的热点。

一、试验装置

本试验验所用发动机是江苏常通高科重工股份有限公司生产的CT2100Q型双缸、四冲程、强制水冷、自然吸气直喷式柴油机。

表1 发动机主要参数

二、试验方法

为了实现汽油HCCI燃烧，对原发动机进行了部分改造。其中发动机1#缸仍然采取原有运行模式工作，2#缸改造为HCCI燃烧运行模式，两缸之间采用相互独立的进气系统和燃油供给系统。其中2#缸的改造包括在进气系统的前端安装了进气加热装置，通过温控仪控制进气温度，使进气温度在一定范围内可调；在2#缸进气门前60 cm与进气管轴线夹角30°处安装电控喷油器，喷油器由安装在柴油发动机的油泵齿轮上的霍尔传感器产生的脉冲信号触发单片机输出信号控制，其中，喷油量由单片机输出信号脉宽直接控制；在原有冷却系统的基础上安装副水箱，通过加热副水箱中的水，使发动机的热状态在一定范围内可调，同时缩短试验的准备时间。在试验开始时，首先将冷却液进行加热70 ℃后，启动发动机，减少热机时间。发动机启动后，1#缸正常工作，2#缸暂不供油，由1#缸拖动2#缸，在一定转速下运转。当冷却液温度达到85 ℃、机油温度达到65 ℃时，调整发动机转速到预定转速，同时调整2#缸进气温度至预定值。待所设各参数稳定后，切断1#缸供油，同时向2#缸供油，转为HCCI工作模式。在试验中，通过调整喷油脉宽的方法来控制过量空气系数，采用北京昆仑公司的Pt100热电阻测量进气温度，采用日本小野公司的CB-566分析仪用于发动机台架上对内燃机进行燃烧分析，采用kistler的6052A型号的压电式压力传感器和5019B型号的电荷放大器进行压力采集。根据所测平均示功图，利用一零维的放热率计算模型计算燃烧放热规律，计算公式如下。

三、试验结果分析

在转速为1 200 r/min的条件下，不同过量空气系数对应不同进气温度对指示热效率的影响不同。进气温度与汽油HCCI指示热效率率的关系如图1所示。

由图1可知，随着进气温度的逐渐升高，汽油HCCI燃烧的指示热效率呈明显上升趋势。这是因为HCCI燃烧受化学反应动力学的控制，而大多数的化学反应速率是随着温度的升高而加快的。随着进气温度的升高，在进气管中进行预混的燃油得到了充分的雾化与蒸发，所形成的混合气也更加的均匀；进入汽缸后，活化分子数目增多，分子碰撞概率增大，化学反应速率加快，反应时间大为缩短，使得压缩终了温度得到大幅升高，从而使得着火点提前，燃烧持续时间缩短，峰值压力增大，燃烧效率提高，最终导致平均有效压力增大，指示热效率升高。

从图1还可以看出，过量空气系数较高时，指示热效率随着温度升高的也更快，但其在温度较低时的指示热效率较低；当过量空气系数较低时，与之相反。原因在于当进气温度较低时，燃油的雾化与蒸发主要靠自身特性及喷雾质量影响，进气温度对指示热效率影响较小；随着进气温度的升高，过量空气系数低的燃油得到足够的热量，从与空气混合更加充分，使得汽油的指示热效率的升高率更高。同样，相比汽油机和柴油机，HCCI燃烧更高效。