柴油进气预混发动机燃烧特性的试验研究

李东昌 汪 映

（西安交通大学）

1 前言

2 进气预混发动机试验台架

均质充量压缩燃烧（HCCI）方式作为下一代最有潜力的内燃机燃烧技术在国内、外受到广泛关注，但是目前在内燃机上采用此方式还有一些关键技术难题，如着火时刻和燃烧过程的控制、工作范围的拓宽以及冷起动性能等[1～4]。

预混均质压燃（PCCI）是部分预混压燃和燃料缸内直喷燃烧相结合的复合燃烧方式，预混燃料可以采用进气道喷射或提前向缸内直喷的方法给气缸提供燃料，然后在压缩行程末期直接向缸内进行燃料主喷射[5]。为深入了解进气预混发动机的燃烧特性，本文采用进气道预混二甲醚 （DME）—缸内直接喷射柴油的复合喷射方式实现PCCI，同时研究DME预混比和冷EGR率对进气预混发动机燃烧特性的影响。

试验用原机为东方红YTR2105型四冲程、非增压直喷式柴油发动机，其主要性能参数如表1所列。试验中将原机改装为进气道喷射DME和缸内直接喷射柴油的进气预混发动机，除传统的泵-管-嘴柴油供给系统外，又加装了一套由进气道导入DME燃料的供给系统。进气预混发动机试验台架布置如图1所示。

表1 发动机的主要技术参数

从进气道引入的DME燃料装在气罐里，气罐和单向阀用耐高压的橡胶管连接，再通过单向阀和铜管相连接。单向阀起节流作用，同时用流量调节阀控制DME的流量。为了减小预混气温度变化对发动机燃烧过程的影响，在发动机试验台架上加装DME加热器。试验中，采用Kistler 2613B型角标传感器测量上止点信号，采用Kistler 7061型水冷式压电晶体传感器测量缸压信号，采用DL750型数据采集仪收集来自角标、缸压传感器的信号。

定义DME预混比r，r表示进气道引入的DME量与相同时刻时发动消耗燃料总量关系的量，计算公式为:

式中，mDME为DME的质量流量；mdiesel为柴油的质量流量；HDME为DME的低热值；Hdiesel为柴油的低热值。

试验中将一部分废气直接从排气管引入到进气道，并通过调节EGR阀的开度来控制引入进气道的废气量，同时在EGR阀前加装循环水冷却散热器，使进气温度保持在30～40℃。以冷EGR率作为评价排气再循环量大小的指标；采用进、排气CO2法测量冷EGR率，并据此定义冷EGR率，其计算公式为:

式中，[CO2]out为排气中的CO2体积百分数；[CO2]in为经过再循环废气稀释后进气中的CO2体积百分数。

3 试验结果及分析

3.1 DME预混比对进气预混发动机燃烧特性的影响

图 2～图 5 分别给出了 n＝1700r/min、Ttq=40N·m、供油提前角为上止点前10°时，DME预混比r对进气预混发动机的缸内压力、缸内温度、压力升高率和放热率影响的曲线。

从图2和图3中可以看出，随着DME预混比r的增加，进气预混发动机最高燃烧温度和最高爆发压力均逐渐增大，且缸内压力和温度迅速升高的起点也相应提前。其原因是随DME预混比r的增加，发生低温和高温HCCI燃烧的DME预混燃料浓度和质量逐渐增大，缸内燃烧前期释放出更多热量，导致发动机缸内温度和压力不断升高，进而缩短了柴油燃料的滞燃期，发动机燃烧始点不断提前，缸内最高燃烧温度和最高爆发压力也相应增大。

从图4可以看出，进气预混发动机缸内的压力升高率随DME预混比r的增加先增大后减小再增大。先增大是因为DME预混气在压缩行程中进行低温HCCI燃烧，使得发动机缸内压力和温度上升，进而缩短了柴油燃料的滞燃期，当其进入气缸后遇到温度较高的燃气会形成多个火焰中心并同时着火，导致压力升高率峰值升高；后减小的原因是虽然缸内温度随DME预混比r的增加而有所上升，一定程度上加速了柴油燃料的燃烧，但是柴油燃料量减少，使得扩散燃烧阶段的放热量减少，从而导致压力升高率峰值相应减小；再增加是由于随DME预混比r的继续增加，发生高温HCCI燃烧的预混燃料量很大并起主导作用，且HCCI燃烧是所有燃料几乎在同一时刻着火，使得发动机缸内压力和温度迅速升高，从而导致压力升高率增大。

从图4还可以看出，当DME预混比在较小范围时，进气预混发动机缸内的压力升高率曲线呈现两个波峰，其分别由DME预混气HCCI燃烧和柴油燃料扩散燃烧引起；当DME预混比在较大范围时，进气预混发动机缸内压力升高率曲线具有3个波峰，其分别由DME预混气低温HCCI燃烧、高温HCCI燃烧和柴油燃料扩散燃烧引起。

从图5可以看出，进气预混发动机缸内燃烧的放热特性可能会呈现2阶段或3阶段放热。当DME预混比r=0时，发动机缸内燃烧是由柴油燃料的预混燃烧和扩散燃烧组成的2阶段放热。当DME预混比较小时，发动机缸内燃烧出现DME预混气低温HCCI燃烧放热阶段，但此时DME预混气浓度较低，其高温HCCI燃烧放热不明显；然后是柴油燃料预混燃烧和扩散燃烧的两阶段放热，整个燃烧过程呈现3阶段放热。当DME预混比r较大时，发动机缸内燃烧出现DME预混气低温和高温HCCI燃烧放热阶段，并且由于DME预混气发生较强烈的高温HCCI燃烧，发动机缸内温度很高，此时柴油燃料仅有扩散燃烧放热阶段，整个燃烧过程也呈现3阶段放热。随着DME预混比r的继续增加，整个燃烧过程均呈现3阶段放热。

由图5还可以看出，在转速和负荷不变的情况下，随DME预混比r增加，进气预混发动机的放热率曲线整体前移，DME预混气低温HCCI燃烧放热阶段出现的位置随预混比r的增加变化不大，但柴油燃料扩散燃烧放热出现的位置随预混比增加而逐渐提前，使得发动机整个燃烧持续期逐渐缩短。

3.2 冷EGR率对进气预混发动机燃烧特性的影响

图 6～图 9 为 n＝2100 r/min、Ttq=80 N·m、DME预混比为30%、供油提前角为上止点前18°时，冷EGR率对进气预混发动机缸内压力、缸内温度、压力升高率和放热率影响的曲线。

由图6和图7可以看出，随着冷EGR率的增大，进气预混发动机缸内最高爆发压力和最高燃烧温度逐渐减小，且缸内压力和温度迅速升高的起点相应后移。从图8和图9可以看出，进气预混发动机缸内压力升高率曲线和放热率曲线均呈现3个波峰，均分别由DME预混气低温HCCI燃烧、高温HCCI燃烧和柴油燃料扩散燃烧引起。在此工况下，随着冷EGR率的增加，发动机缸内压力升高率曲线和放热率曲线的3个波峰的峰值均呈下降趋势，且波峰出现的位置逐渐后移。

图6～图9中曲线峰值逐渐降低且出现峰值的位置逐渐后移的原因:当每循环进入气缸的均质DME预混气量不变时，随着冷EGR率的增大，冷EGR中比热容较大的CO2和H2O等多原子分子浓度逐渐增大，使混合气的比热容逐渐增大，压缩过程的压力和平均温度降低，导致缸内燃烧反应速度变慢，燃料的滞燃期延长；另外，引入进气道的冷EGR挤占了进气中空气的空间及其对空气的稀释作用，使得发动机缸内氧气的浓度随着冷EGR率的增大而不断下降，导致燃料氧化反应速度变慢且不完全，而且EGR中的CO2、NO和H2O等成分使得燃料氧化反应的生成物浓度增加，氧化与裂解等正反应速度降低，逆反应速度增加，也使缸内燃烧反应速度变慢，燃料的滞燃期延长。

4 结束语

a.当 n=1700 r/min、Ttq=40 N·m、供油提前角为上止点前10°时，随DME预混比r的增大，进气预混发动机缸内压力和温度迅速升高的起点逐渐提前，最高爆发压力和最高燃烧温度逐渐增大；压力升高率曲线从两个波峰发展成3个波峰，且最大压力升高率随DME预混比r的增加先增大后减小再增大；放热率曲线由两阶段放热发展到3阶段发热，且放热率曲线随DME预混比r的增加而整体前移。

b.当 n=2100r/min、Ttq=80N·m、DME 预混比为 30%时，进气预混发动机缸内压力升高率曲线呈现3个波峰，放热率曲线呈现3阶段放热；随着冷EGR率的增加，进气预混发动机缸内最高燃烧压力和最高燃烧温度均逐渐下降，且缸内压力和温度迅速升高的起点相应后移；压力升高率曲线和放热率曲线的各阶段峰值都逐渐降低，且出现的位置也都逐渐后移。

1 Youngsoo Park，Choongsik Bae.Influence of EGR and Pilot Injection on PCCI Combustion in a Single-Cylinder Diesel Engine.SAE Paper,2011-01-1823.

2 Can Cinar，O¨zer Can，Fatih Sahin.Effects of premixed diethyl ether （DEE） on combustion and exhaust emissions in a HCCI-DI dieselengine.Applied ThermalEngineering，2010，30（4）:360～365.

3 Zheng Z，Yao M,Chen Z.Experimental Study on HCCI Combustion of Dimethyl Ether （DME）/Methanol Dual Fuel.SAE Paper，2004-01-2993.

4 Ma Jj， LüXc， Ji Lb.An experimental study of HCCI-DI combustion and emissions in a diesel engine with dual fuel.International Journal of Thermal Sciences，2008，47 （9）:1235～1242.

5 汪映.不同参数对PCCI-DI发动机燃烧压力和温度影响的数值模拟研究.内燃机，2011（1）:6～9.