1、汽油和柴油混合燃料均质压燃（HCCI）的试验研究 来源：本网讯 2007/03/20钟绍华 1，张永红 1，金国栋 2，Miroslaw Lech Wyszynski3，XU Hong-ming3 （1.武汉理工大学 汽车系，武汉 430070；2.华中科技大学机械学院，武汉 430074；3.伯明翰大学，英国） 摘要：汽油和柴油这两种不同特性的燃料被用作 HCCI发动机的燃料。汽油具有高挥发性、易雾化和易于形成混合气的特性，被用来形成均质混合气；柴油具有良好的着火性和可燃性，被用来控制自燃和限制爆震燃烧。期望这两种特性不同而又相互补充的燃料混合后能够达到一个折衷的 HCCI的燃烧性能。试验在
2、一个专用于 HCCI研究的单缸发动机上实施，采用两种中等的压缩比（10.4 和15）和两种 HCCI模式（进气加热和负气门叠开），试验结果证实了这种期望。结果是：随着混合燃料中柴油比例的增加，对于进气加热模式，HCCI 能稳定工作所需要的进气温度有所降低，对于负气门叠开模式，缸内平均指示压力和过量空气系数的范围有所扩展，并且两种方式下 HC和 NOx的排放均有所减少。 关键词：混合燃料；均质压燃；进气加热；负气门叠开 中图分类号：TK421 文献标志码：A Experimental Research on HCCI Using Gasoline and Diesel Blended uels
3、ZHONG Shao-hua1，ZHANG Yong-hong1，JIN Guo-dong2，Miroslaw Lech Wyszynski3，XU Hong-ming3 （1.Department of Automotive Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China； 2.School of Mechanical Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China； 3.The University of Bi
4、rmingham，England） Abstract： Gasoline and diesel，the two fuels with different properties and were blended as a fuel for HCCI operatiOn.Gasoline fuel，with the features of high volatility，easy vaporization and mixture formation，is used to form the homogeneous charge.While diesel fuel with better ignita
5、bility is used to control auto-ignition and knocking in the HCCI environment. The combination of the two different fuels is expected to get good compromise in HCCI combustion. Experiments conducted with moderate compression ratios（10.4 and 15） and using two modes of HCCI contro1，i.e. intake heating
6、and NVO （Negative Valve Overlap ） received the expected results.With increasing proportion of diesel fuel in the blend，the requirement of intake temperature for knock-free HCCI operation was decreased.Excess air ratio range was extended and emissions of HC and NOx were greatly redused over the HCCI
7、operating range. Keywords：Blended fuel；HCCI；Intake heating；Negative Valve overlap 引言 HCCI燃烧具有高热效率和低 NOx排放的特点，是一种极具潜力的内燃机燃烧模式，它的一个突出优点是它对燃料的广泛适应性。除汽油1和柴油2外，各种代用燃料如甲醇3、乙醇4、天然气5、氢6、二甲基醚7以及他们的混合物7-9都被试：实是 HCCI燃烧的可用燃料。 笔者几乎研究了上述所有的燃料，部分试验：列于参考文献4和文献9中。研究工作显示，这些代用燃料作为 HCCI燃料都有着它们本身的缺陷，其 ItCCI燃烧性能都达不到人们的期望
8、。 HCCI燃烧是一个全局的自燃过程，它既不同于汽油机的火焰传播式燃烧，也不同于柴油机的分层燃烧。汽油和柴油是内燃机的两种最基本的燃料。汽油是高辛烷值燃料，有高的挥发性和低的着火性，作为 HCCI发动机的燃料，要解决的主要问题是如何扩展由失火和爆燃所限制的 HCCI工作范围，还必须考虑汽油着火性的改善。柴油是高十六烷值燃料，有较高的着火性和低的挥发性，与汽油相比，其更容易自燃而且有较好的抗爆性，柴油作为 HCCI发动机燃料的主要问题则是它的雾化性能，因为它的高沸点使其在燃烧开始之前很难雾化形成很精细的混合气。 近年来，研究者们采用了包括燃料喷射策略、燃料混合、燃料重整和燃料添加剂等各种物理和化
9、学的试验方法，提出了各种解决方案和建议。Aceves S M10建议采用添加剂，并得出适当的添加剂（即使是 10106 的微量）能使燃烧提前起动几乎 11CA；Urushi-hara 11建议用燃料重整去改变燃料的化学结构从而增加其着火性；Thomas W Ryan12尝试了用汽油改变柴油雾化特性的方法；Fujimoto H13也证明了高挥发性燃料对低挥发性燃料雾化性能的改善作用。 采用双燃料和多燃料也被认为是提升 HCCI燃烧性能的有效方法。Yasuhiro Daisho14试验了用柴油作为多点火源去点燃均质天然气的燃烧方法，并演示了一种称为均质诱燃（HC）的过程，柴油作为导燃燃料被直接喷入
10、气缸中，用它去点燃天然气均质混合气。以上研究工作都显示，柴油有较好的着火性，它能有效地控制 HCCI燃烧的起动，然而上述方法需要两套独立的供油系统，这增加了系统复杂性。 其他的有关研究例如 ZhengZ3、ChenZ7、Masa-hiro8都尝试了混合不同特性的燃料以及通过调整燃料的比例来控制燃烧相和燃烧起动时间的方法。 以上事实启发了笔者去研究汽油和柴油混合燃料的 HCCI燃烧特性，期望混合燃料的着火性能得到改善，爆震燃烧能得到有效地抑制，燃烧过程能得到有效控制。 1试验装置和试验过程 1.1 试验装置 本试验采用了一个 447 cm3、四冲程的单缸发动机，此发动机在参考文献 4和文献9中作
11、了详细的说明。 本试验中使用两种中等压缩比（10.4 和 15）。压缩比为 10.4时采用平顶活塞。当压缩比为 15时，使用一个高性能赛车用发动机活塞，通过在活塞顶部添加凸状嵌块，活塞顶部形状可变，从而得到较大压缩比和适当的燃烧室形状。凸轮轴（可替换）与调节带轮相连接，可在试验之前通过带轮手动调节气门正时，以获得特殊的气门正时控制策略。在进气口附近的进气歧管中，安装有一个标准低压喷油器，还安装有一个两级串联式电加热器，加热器可将进气温度加热到 450K以上。同时在发动机上也装有一个传统的电子火花点火系统，该系统仅用于发动机的起动、预热和 SI方式，当发动机运行在 HCCI方式时则将其关闭。发动
12、机结构参数见表 1。 发动机和一个直流电测功机相耦合，以使其保持在恒定转速下工作。同时，还安装有一套使发动机工作和对其控制所需的辅助测试系统。 在燃烧室壁上直接安装有一个 Kistler 6125型压力传感器，其通过一个 Kistler5011电荷放大器与装在 IBM个人计算机上的数据采集板相连，并用一个轴端编码器来采集曲柄转角脉冲。在LabVIEW程序环境下开发的软件用来记录和分析 100个典型发动机循环的气缸压力和曲轴转角的对应关系。 1.2 试验燃料和试验过程 试验燃料包括纯汽油和汽、柴油混合燃料。混合燃料以标准的 95（RON）无铅汽油为主燃料，低硫含量的标准柴油（十六烷值 53）作为
13、辅助燃料，并将其与汽油以不同质量比（见表 2）在油箱中预先混合。燃料通过喷油器喷射到进气歧管中。试验燃料和方案如表 2所示。 本试验研究了两种方式下的 HCCI燃烧工况。一种是压缩比为 15的进气加热方式，通过进气加热使混合气的温度提高，以使其自燃。在这种方式中，使用 8mm升程、260CA 持续开启角的凸轮，使用正常的正气门叠开，气缸内不驻留残余废气。另一种称为负气门叠开（NVO）方式，压缩比为10.4。在此方式中，采用 3 mm升程、130CA 持续开启角的凸轮，通过凸轮产生的负气门叠开来截留大量残余废气，利用废气的余热使混合气自燃。两种工作方式使用的气门正时凸轮如图 1所示。 试验均在
14、293 K的环境温度下进行，通过对喷油脉冲宽度、过量空气系数和进气温度的调节，来控制 HCCI工作范围。发动机在 SI方式下起动和预热，直到润滑油和冷却剂的温度分别达到 355K和 350K，然后切换进入 HCCI方式。此后发动机在恒定转速 1500r/min和节气门全开的状态下工作，同时进行数据采集。在每个稳定工作工况，记录下缸内压力和废气排放物等数据，并同时记录缸内平均指示压力（1MEP）和其变化系数（COVofIMEP）。 2 试验结果及其讨论 2.1 着火时刻和燃烧持续期 柴油燃料的添加使混合燃料的可燃性和易燃性都得到改善，使 HCCI燃烧起动提前，燃烧持续期（着火和达到最大压力时刻之
15、间的时间）缩短。 2.1.1 进气加热方式 图 2显示在压缩比为 15.0、正气门叠开的进气加热方式下，D20、D50 两种燃料对进气温度的要求。图中显示，低的发动机负荷要求较高的进气温度，随着发动机负荷增加，所要求的进气温度逐渐降低。还可看出，当柴油在混合燃料中的含量增加（质量含量由 20%增至 50%）时，所需的进气温度降低。 图 3显示了在进气温度为 380K、进气压力为 0.1iMPa、发动机转速为 1 500 r/min、过量空气系数（屯）I 不同的进气加热方式下，D20、D50 两种燃料 HCCI删烧的气缸压力曲线。可看出：随着过量空气系数的删加，气缸压力峰值降低，并且当过量空气系
16、数（4。）引 2.5逐渐增大时，两种燃料燃烧的起动均逐渐延迟，删烧持续期相应变长。 图 4显示了在进气温度为 380K、过量空气系到 2.0、发动机转速为 1500.r/min、平均有效压力为 0.25 3MPa的进气加热方式下，D20、D50 两种燃料 HCCI删烧的气缸压力曲线。很明显，D50 燃料能够在上止剧（TDC）之前很好地着火，并且与 D20燃料相比，着火更早，着火时刻明显提前了 5CA，并且燃烧持续期缩短。产生这种现象的原因在于纯柴油具有更好的可燃性和易燃性（与纯汽油相比），更大比例柴油的添加（柴油质量含量由 20%增加到 50%）使混合燃料的可燃性和易燃性得到显著地提高。 2.
17、1.2 负气门叠开方式（NVO） 图 5显示在过量空气系数为 2.0、发动机转速为 1500r/min、平均有效压力为 0.25 MPa的负气门叠开方式下，D0、D5、D20 三种燃料 HCCI燃烧的气缸压力曲线。 负气门叠开截留残余废气，可产生 HCCI燃烧需要的加热效果。很明显，甚至在较低压缩比 10.4的情况下，仅使用一个适度的负气门叠开便已能诱发 HCCI燃烧，而无需另外进行进气加热。从图 5可明显地看到，混合燃料比纯汽油更早着火；即使在汽油中添加少量柴油，例如占 5%质量比例，也会在着火提前时刻上产生显著变化。这些都是由于添加柴油提升了混合燃油的易燃性，从而导致始燃时刻的提前。 2.
18、2 HCCI工作范围的扩大 HCCI燃烧的工作范围一般用 HCCI燃烧的失火界限和爆燃界限来定义。在本试验中，失火被定义为发动机不能平稳工作，并且其功率输出急剧下降以至于观测不到输出转矩。而爆燃界限则通过气缸压力开始出现高频率的波动来界定，当发生爆燃时，发动机工作粗暴，产生不可忍受的噪声并且NOx排放也严重地恶化。 2.2.1 进气加热方式 图 6中数据显示在过量空气系数可变、发动机转速为 1 500 r/min、正气门叠开的进气加热方式下，D10、D50 两种燃料 HCCI燃烧的进气温度对平均指示压力（IMEP）的比较。图中实心点是发动机正常平稳工作的试验数据点，实线则分别是爆燃界限和失火界
19、限。 可以看出，在过量空气系数极值处，两种混合燃料的许可温度范围发生了明显的变化。D50 燃料有一个稍微低的失火界限和一个明显高的爆燃界限，与之相比，D10 燃料的许可进气温度范围则更窄。也就是说，通过将柴油比例由 10%增加到 50%，在正常工作的过量空气系数范围，爆燃界限和失火界限分别上升和下降。另外，在每个平均指示压力处，过量空气系数越高，HCCI 燃烧所需的进气温度就越高。 可以看到，在高过量空气系数（高 a 值）时，因为柴油比例增加，达到爆燃界限所需的进气温度也随之升高，并且随着发动机负荷的增加，温度范围和过量空气系数范围都逐渐扩宽。 更有实际意义的是：在低过量空气系数和低进气温度时
20、，柴油的增加使混合燃料 HCCI燃烧所需的进气温度的最小值降低了近 10K，在大部分的负荷范围内低于 370 K（100）。同时，失火界限几乎与发动机的负荷无关而保持恒定。 总之，在中等压缩比的进气加热方式下，纯汽油的 HCCI燃烧很容易达到爆燃界限，但是当在汽油中添加柴油之后，爆燃可被限制在高温和稀薄（高 a 值）混合气的范围内，HCCI 燃烧的着火时刻和燃烧过程也可得到控制，从而使过量空气系数范围得到扩展（虽然有更高的加热需要）。 2.2.2 负气门叠开（NVO）方式 图 7显示在低压缩比 10.4的负气门叠开方：过量空气系数（a）和发动机负荷的许可范围。看出，在图 6和图 7所表示的两种
21、 HCCI燃烧力间，有着实质性的差别。 值得注意的是，对于负气门叠开方式，除少量偶尔情况下，在 D0燃料（纯汽油）的 HCCI燃烧中能够观测到轻微爆燃之外，在过量空气系数和负荷范围内，观测不到爆燃，没有爆燃界限，只有失火的发生。可能的失火原因是，发动机在低负荷时，由于混合气过稀而导致失火，而在高负荷时，则由于过多的燃油和太低缸内温度，致使其淬熄而失火。 图 7还显示 4种燃料 HCCI的工作范围有明显的不同，高柴油含量的燃料有更宽的过量空气系数荷的许可范围。纯汽油的过量空气系数为 0.95-1.15，相应的平均指示压力为 0.245-0.29 MPa，而当柴油含量为 50%时，混合燃料可燃性得
22、到改善，其过量空气系数的许可范围扩大到 0.8-1.35，相应的指示压力为 0.16-0.275 MPa。 2.3 HCCI燃烧的稳定性 传统内燃发动机，当燃烧速率太高时，将产生缸内压力的波动。在 HCCI燃烧方式中，因为全部混合气同时参与燃烧，燃烧速率必然很高，因此可通过使用稀薄的预热新鲜混合气，或者通过截留残余废气来并加热可燃混合气，以使燃料保持稀薄空燃比，HCCI 燃烧速率适中，减少缸内压力波动的产生。 一般地，平均指示压力的变化系数（COV of IMEP）被认为是 HCCI燃烧稳定性的评价指标，该系数可通过记录 100个连续的发动机循环的数据求平均而得到，普遍认为该系数界限值的上限为
23、5%。 图 8显示在负气门叠开方式下，当发动机负荷变化时，D0、D10、D50 三种燃料 HCCI燃烧的平均指示压力变化系数。从图中可看出，纯汽油的燃烧稳定性比其他混合燃料要差。在整个范围内，较高柴油含量的 D50燃料几乎所有的测试点的变化系数都在许可的界限值以下（低于 5%）。这也应该归因于柴油的添加引起了混合燃料可燃性的改善，从而导致 HCCI稀薄燃烧稳定性的改善。 2.4 废气排放 HCCI发动机的燃烧特点是低温燃烧和稀薄燃烧。低 NOx排放与低燃烧温度有关，但是当燃烧温度太低时，则可能会使燃料不能完全氧化。CO 排放主要由燃料的不完全氧化产生，HC 排放的产生原因则主要是局部的失火和大
24、量的淬熄。 图 9和图 10显示了在不同负荷时，发动机分别工作于进气温度 380K的进气加热方式（图 9）和负气门叠开方式（图 10）时，燃料中的柴油含量对 HCCI燃烧排放（CO、HC、NOx）的影响。 从两图中可看出，随着柴油含量的增加，CO 的排放变化很小（除了在负气门叠开方式下，当混合气较浓时的高负荷情况之外，如图 7）。还可看出，从高负荷到低负荷，随着柴油比例的增加，HC和 NOx排放均降低（除在进气加热方式下的最高负荷外）。产生这些情况的可能原因是：第一，当柴油含量增加时，汽油的挥发作用和柴油较低的自燃温度，使得在上止点附近所需的燃烧温度降低；第二，均质混合气更容易着火，失火的可能
25、性大大降低。这些因素共同促进了 HC和 NOx排放的降低。通过比较还可以发现，在相同的负荷下，与进气加热方式相比，负气门叠开方式下的 HCCI燃烧会产生更高的 CO、HC 排放，甚至一定程度上更高的 NOx排放。可能的原因是，负气门叠开方式是通过截留残余废气采实现均质混合气加热的，尽管能与进气加热方式产生相同的加热效应（特别是在高负荷时），但该方式截留了大量的残余废气，并且氧气浓度也较低，因此 CO排放迅速地增加。另外，将燃油直接喷入无加热的进气管中也是产生高排放的原因。当混合气温度不足够高时，在进气口壁上很容易形成一层不能挥发的柴油油膜，这将会导致差的排放。改善此状况的方法是增加喷油压力，以
26、保证柴油最大程度的雾化，或者喷射预热燃油。 3 结论 （1）在中等压缩比下，使用进气加热（压缩比 15.0）和负气门叠开（压缩比 10.4）两种方式，均可实现汽油和柴油混合燃料的 HCCI燃烧。 （2）柴油在汽油和柴油混合燃料 HCCI燃烧中起到了重要的作用，它使混合气的易燃性增加，使其更倾向于自燃，提前了着火时刻，也缩短了燃烧持续期，均使两种工作方式中的爆燃和失火减少。在进气加热方式中，爆燃被限制在高过量空气系数和高进气加热温度的范围内。而在负气门叠开方式下，随着柴油比例的增加，平均指示压力的范围也得到了扩展。 （3）当无内部废气再循环时，即使压缩比为 15.0，进气温度也需达到 370 K
27、以上才能实现HCCI燃烧。但若采用汽油和柴油混合燃料，HCCI 燃烧所需的进气温度则至少可以降低 10K。通过采用内部废气再循环截留残余废气，甚至在较低压缩比（10.4）情况下，无需预加热也可达到合适的HCCI燃烧，并当采用汽油和柴油混合燃料时，在负气门叠开方式 HCCI燃烧的工作范围可得到明显地扩展。 （4）试验结果表明，与纯汽油相比，汽油和柴混合燃料可获得更好的 HCCI燃烧稳定性，并且废气排放（特别是 HC和 NOx）显示出明显的改善。对于气门叠开方式，除在使用纯汽油时的少量情况下，可测到轻微的爆燃之外，在整个过量空气系数和负荷围没有爆燃界限，也没有观测到爆燃。 致谢 本文的研究工作是由
28、英国贸工部资助、由伯明翰大学联合 Jaguar Cars公司和 Johnson Matthey公司；同实施的 CHASE项目（受控均质压燃增压发动机项目）的一部分。笔者衷心地感谢伯明翰大学工学院；来系统动力组和 Jaguars Car公司、Johnson Matthey 公司的同事对本研究工作的支持与帮助。 参考文献： 1 Jacques L, Dabadie J, Angelberger C, et al. Innovative Ultra-Low NOx Controlled Auto-Ignition Combustion Process for Gasoline Engine: The
29、 4-SPACE Project C. SAE Paper 2000-01-1837, 2000. 2 Ryo H, Hiromichi Y. HCCI Combustion in DI Diesel Engine C. SAE Paper 2003-01-0745,2003. 3 Zheng Z, Yao M, Chen Z,et al.Experimental Study on HCCI Combustion of Dimethyl Ether （DME） / Methanol Dual Fuel C. SAE Paper 2004-01-2993,2004. 4 Yap D, Megar
30、itis A,Wyszynski M L.An Experimental Study of Bioethanol HCCI C. Submitted to Combustion Science and Technology, 2005. 5 Jun D,Iida N. A Study of High Combustion Efficiency and Low CO Emission in a Natural Gas HCCI Engine C. SAE Paper 2004-01-1974,2004. 6 Stenls O, Christensen M, Egnell R, et al. Hy
31、drogen as Homogeneous Charge Compression Ignition Engine Fuel C. SAE Paper 2004-01-1976,2004. 7 Chen Z, Mitsuru K, Mitsuharu O, et al. Experimental Study of CI Natural-Gas/DME Homogeneous Charge EngineC. SAE Paper 2000-01-0329,2001. 8 Masahiro S, Masato K, Ali M. Knock Characteristics and Performanc
32、e in an SI Engine with Hydrogen and Natural-Gas Blended FuelsC. SAE Paper 2004-01-1929,2004. 9 Yap D, Megaritis A, Peucheret S M, et al. Effect of Hydrogen Addition on Natural Gas HCCI Combustion C. SAE Paper 2004-01-1972,2004. 10 Aceves S M, Daniel Flowers, Joel Martinez-Frias, et al. Fuel and Addi
33、tive Characterization for HCCI Combustion C. SAE P aper 2003-01-1814,2003. 11 Urushihara T, Hiraya K, Kakuhou A, et al. Expansion of HCCI Operating Region by the Combination of Direct Fuel Injection, Negative Valve Overlap and Internal Fuel ReformationC. SAE Paper 2003-01-0749,2003. 12 Thomas W Ryan
34、 III, Timothy J Callahan, Darius Mehta. HCCI in a Variable Compression Ratio Engine-Effects of Engine VariablesC. SAE Paper 2004-01-1971,2003. 13 Fujimoto H, Senda J, Kawano D,et al. Exhaust Emission Through Diesel Combustion of Mixed Fuel Oil Composed of Fuel With High Volatility and That with Low Volatility C. SAE Paper 2004-01-1845,2004. 14 Yasuhiro Daisho, Takeishi Saito, Jin Kusaka. Improvements of Combustion and Exhaust Gas Emissions Characteristics of a Diesel Engine Dual Fueled with Natural R. RC154 Final Report, 72-96,1999.
