高压缩比汽油压燃低负荷燃烧优化控制策略试验研究.pdf
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1、第 44卷 第 5期2023年 10月Vol.44 No.5October 2023内燃机工程Chinese Internal Combustion Engine Engineering高压缩比汽油压燃低负荷燃烧优化控制策略试验研究李元昊,张守振,王浒,陈勇,李冰,尧命发(天津大学 内燃机燃烧学国家重点实验室,天津 300072)Experimental Investigations on Optimization Control Strategies of Gasoline Compression Ignition Combustion with High Compression Ratio
2、 at Low LoadsLI Yuanhao,ZHANG Shouzhen,WANG Hu,CHEN Yong,LI Bing,YAO Mingfa(State Key Laboratory of Engines,Tianjin University,Tianjin 300072,China)Abstract:The effects of injection strategies on the low load combustion and emission characteristics of gasoline compression ignition were investigated
3、on a gasoline compression ignition engine platform of six-cylinder diesel engine with a high compression ratio combustion chamber.The results show that increasing the compression ratio can effectively improve the combustion stability,combustion efficiency and indicated thermal efficiency of gasoline
4、 compression combustion at low loads,and reduce CO and HC emissions,but there is a problem of excessive maximum pressure rise rate.The maximum pressure rise rate can be controlled effectively by using double injection strategy.When the pilot injection mass is 3 mg and the injection interval is 10,th
5、e maximum pressure rise rate is reduced from 1.174 MPa/()to 0.380 MPa/(),and the coefficient of cycle indicated mean effective pressure(IMEP)variation is 0.97%.And higher indicated thermal efficiency and lower emissions are obtained.The high compression ratio coupling adjustment of the injection str
6、ategy may be used to produce high-efficient and stable combustion at 0.2 MPa brake mean effective pressure,which significantly improves the poor combustion stability of gasoline compression ignition under low loads.摘要:基于 6 缸柴油发动机的汽油压燃发动机试验台架,系统研究了喷油策略对采用高压缩比燃烧室的汽油压燃低负荷燃烧和排放特性的影响。结果表明:提高压缩比可有效改善汽油压燃低
7、负荷燃烧稳定性、燃烧效率和指示热效率,同时降低 CO 和 HC 排放,但存在最大压力升高率过大的问题。采用两次喷射策略可有效控制最大压力升高率;预喷油量为 3 mg、喷射间隔为 10时可将最大压力升高率从 1.174 MPa/()降低为 0.380 MPa/(),压力循环波动率为 0.97%,同时获得较高的指示热效率和较低的排放。采用高压缩比耦合优化喷油策略,可在平均有效压力为 0.2 MPa 工况下实现高效稳定燃烧,有效改善汽油压燃在低负荷下燃烧稳定性差的问题。关键词:汽油压燃;低负荷;高压缩比;燃烧稳定性;最大压力升高率;喷油策略Key words:gasoline compression
8、 ignition;low load;high compression ratio;combustion stability;maximum pressure rise rate;injection strategyDOI:10.13949/ki.nrjgc.2023.05.005中图分类号:TK421.2文章编号:1000-0925(2023)05-0033-08440058收稿日期:2023-02-26修回日期:2023-04-25基金项目:国家重点研发计划项目(2022YFE0100100)Foundation Item:National Key Research and Develop
9、ment Program of China(2022YFE0100100)作者简介:李元昊(1997),男,硕士生,主要研究方向为汽油压燃高效清洁燃烧,E-mail:li_;尧命发(通信作者),E-mail:y_。2023年第 5期内燃机工程0概述随着“双碳”目标的提出,CO2排放控制更加严格,而汽车发动机是 CO2排放的重要来源之一。据国际能源署报道1,2019 年中国交通领域 CO2排放量约为11.4 亿t,约占中国 CO2总排放量的 11%。对此,诸多学者开展了高效、清洁发动机的研究,并提出了多种新型燃烧模式。其中均质压燃(homogeneous charge combustion ig
10、nition,HCCI)燃烧模式,因混合气稀薄、燃烧温度低等原因,可以实现超低 NOx和颗粒物(particulate matter,PM)排放23。汽油压燃(gasoline compression ignition,GCI)利用汽油高挥发性、高辛烷值的特性,可实现部分预混燃烧(premixed charge compression ignition,PCCI)。PCCI 燃烧将传统柴油燃烧与 HCCI 相结合,可减少 NOx和 PM 的排放,同时保持与传统柴油压燃燃烧相近的热效率,是一种高效、清洁的新型燃烧模式46。对 GCI 开展的大量研究5,78认为,汽油压燃主要面临两方面的问题和挑战
11、:一方面是低负荷燃烧效率低,燃烧稳定性差;另一方面是高负荷最大压力升高率(maximum pressure rise rate,MPRR)较大,容易出现燃烧粗暴等问题。目前,针对低负荷燃烧效率低、燃烧稳定性差的问题,主要采用进气加热加压、火花辅助点燃、喷油策略优化、废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)、汽油添加剂等方式进行改善9。文献 10 中基于一台改装的单缸直喷柴油机,针对进气温度对汽油压燃低负荷的影响展开了试验研究,研究结果表明进气温度提高至 50 可在中低负荷实现稳定燃烧。文献 11 中基于一台改装的单缸机,研究了火花辅助压燃对低负荷汽油压燃的影响,
12、结果表明在循环油量为 33 mg 下采用80 MPa 喷油压力,可以保证较好的燃烧稳定性,其中平均指示有效压力循环波动率(cyclic variation coefficient of indicated mean effective pressure,COVIMEP)为1.3%,燃烧效率达到 96.7%,指示热效率为 33.89%。文献 12 中基于一台压缩比为 16.8 的 6 缸发动机,针对平均有效压力(brake mean effective pressure,BMEP)为 0.3 MPa 的低负荷工况开展研究,结果表明其燃烧不稳定,COVIMEP高达 6.5%,燃烧效率只有 85.1
13、%;掺混10%体 积 比 聚 甲 氧 基 二 甲 醚(polyoxymethylene dimethyl ethers,PODE)的方式可有效提升发动机燃烧效率,降低压力循环波动。文献 13 中基于压缩比 16、转速 1 500 r/min、BMEP 0.32 MPa 的单缸发动机运行工况进行了模拟研究,结果表明采用两次喷油策略并耦合 EGR 可调控缸内混合气分布,促进自燃着火和燃烧过程,进而提升发动机燃烧效率。改善缸内初始热力学状态和燃料的活性,均有助于提升低负荷燃烧稳定性。除了上述方式外,提高压缩比也是改善缸内初始热力学状态,促进低负荷燃烧稳定性的有效方式,高压缩比稀薄燃烧技术也是发动机提
14、升热效率和降低排放的主要技术14。但过高的压缩比会导致过高的压力升高率,引发压力震荡的出现1517,损害发动机机体。目前,基于高压缩比多缸发动机喷油策略对汽油压燃低负荷的研究鲜有报道。因此本文中选择一台压缩比为 20.3 的 6 缸发动机开展汽油压燃燃烧和排放特性影响的试验研究,探究高压缩比下喷油策略对低负荷工况燃烧稳定性及最大压力升高率的影响。提出改善低负荷燃烧稳定性和提升热效率的控制策略,拓展 GCI 发动机负荷下限。1试验装置和研究方法1.1试验装置试验用发动机为一台直列 6 缸、两级增压中冷重型柴油机。表 1 为试验发动机的主要技术参数,表 2为台架试验主要的仪器设备及技术参数。图 1
15、 为试验台架示意图,该试验平台主要由发动机、测功机、供油系统、增压系统、控制及采集装置构成。试验台架的进气采用空调系统调节,将进气温度控制在(251),进气湿度(505)%,并采用中冷系统对增压后空气进行冷却,将发动机进气控制在(352)。喷油量、喷油时刻和喷油压力等参数通过 INCA 软件进行调节。缸压信号由 KISTLER 6124A 传感器采集,并通过电荷放大器进行信号放大处理,再传输给燃烧分析仪,并保存到计算机中,试验中采样间隔为 0.1,每个工况点采集 100 个循环的压力用于计算放热率、MPRR、COVIMEP及燃烧相位等重要燃烧参数。试验燃料为中石化 92 号 E10 汽油。1.
16、2试验方法试验均在转速为 1 454 r/min、转矩为 200 N m、BMEP 为 0.326 MPa 下进行,EGR 率始终为 0,研究喷油策略(喷油压力、两次喷射、预喷油量、喷油间表 1发动机技术参数项目发动机型式排量/L压缩比缸径/mm行程/mm喷油系统增压系统参数直列 6缸四冲程7.720.3110135高压共轨系统两级增压 34内燃机工程2023年第 5期隔)对汽油压燃低负荷的影响。首先采用 40、60、80 MPa 喷油压力,研究单次喷射下喷油正时及喷油压力对汽油压燃低负荷的影响。然后,研究两次喷射策略对汽油压燃低负荷的影响,探索降低最大压力升高率并提高热效率的喷油策略。对于两
17、次喷射的研究,选定单次喷射下热效率最好的喷油压力和主喷时刻,固定预喷油量,研究预主喷间隔对汽油压燃低负荷的影响;然后在此基础上,固定预主喷间隔,研究预喷油量对汽油压燃低负荷的影响。2试验结果和分析文献 12 中在一台直列 6 缸发动机上开展了汽油压燃燃烧和排放特性试验研究,结果表明:采用压缩比为 16.8 的燃烧室,需要采用进气加热的方式才能在低负荷工况(BMEP=0.3 MPa)实现稳定的 GCI燃烧;但是燃烧效率较低,仅为 85.1%,发动机热效率下降,HC 和 CO 排放增加,分别达到 44.6 g/(kW h)和 4.7 g/(kW h);同时燃烧稳定性较差,COVIMEP为6.50%
18、。本文中基于排量水平相近的 6 缸发动机,采用高压缩比燃烧室(压缩比为 20.3),在相同工况附近(BMEP=0.326 MPa)进行了试验对比,两者采用的发动机及边界参数如表 3 所示。将压缩上止点记为 0,上止点前为负数,上止点后为正数。研究结果表明,高压缩比条件下不采用进气加热等方式就可实现稳定燃烧,同时获得较高的热效率和燃烧效率,HC 和 CO 排放也都显著降低,同时燃烧稳定性较好,COVIMEP均低于 3%,但最大压力升高率过高。本研究中将 1.5 MPa/()作为最大压力升高率的安全限值,将 COVIMEP低于 5%视为稳定燃烧18。2.1喷油正时、喷油压力对汽油压燃低负荷的影响图
19、 2 为主喷定时为-8时,不同喷油压力下的缸压、放热率曲线。随喷油压力的提高,燃烧相位提前,缸压峰值增大。这是因为提高喷油压力有助于促进缸内混合气快速形成,混合气着火时刻提前,燃烧速率加快,缸压峰值增大。图 3 为喷油压力对指示热效率、燃烧效率和COVIMEP的影响。3 种喷油压力下,燃烧效率都在99.4%以上。喷油压力为 60 MPa 时,指示热效率和燃烧效率最大。这是由于适当提高喷油压力使混合气混合更好,燃烧更充分,指示热效率提高;但当喷油压力过大时,燃烧持续期缩短,会导致传热损失增大,热效率降低。另外,喷油压力对 COVIMEP的影响较小,3 种喷油压力下 COVIMEP均处于 1%2%
20、之间,燃烧稳定性较好。表 3发动机部分参数及边界条件对比项目发动机序号发动机型式单缸排量/L压缩比进气温度/喷油压力/MPa喷油定时/()增压器型式BMEP/MPa喷油策略EGR率/%参数发动机 112直列 6缸四冲程1.416.865120-12两级增压0.3两次喷射0发动机 21.320.335600.326单次喷射0图 1试验台架示意图表 2试验主要仪器设备及技术参数仪器设备测功机发动机测控系统油耗仪排气分析仪电荷放大器缸压传感器燃烧分析仪空气流量计烟度计型号常测 交流电力测功机FCD1300电机测控系统常测 RWK265Horiba MEXA ONERSKISTLER 5018KIST
21、LER 6124AAVL INDICOMTmass 65FAVL 415S测量误差1%0.5%1%1.5%3%图 2主喷定时为-8时不同喷油压力下的缸压、放热率曲线 352023年第 5期内燃机工程图 4 为喷油压力对最大压升率和压力震荡的影响。喷油压力为 40 MPa 和 60 MPa 时,MPRR 都随喷油时刻的提前而增大。这是因为随着喷油时刻提前,滞燃期变长,预混燃烧比例增大,燃烧更加迅速,放热集中,导致 MPRR 增大。喷油压力为 60 MPa,喷油时刻提前到上止点前 10,就已超过了限值。当喷油压力提升至 80 MPa 时,MPRR 过高,缸内可燃混合气发生多点自燃,伴随强烈的压力震
22、荡,出现燃烧粗暴现象。图 5 为不同喷油压力下喷油时刻对 CO 和 HC排放的影响。提高压缩比后,CO 和 HC 排放显著降低,最低分别为 0.7 g/(kWh)和 1.1 g/(kWh)。随喷油时刻的提前,燃油和空气混合时间变长,燃油更容易挥发至壁面附近,淬熄效应增强,未燃 HC 增加,同时燃油过浓区减少,CO 生成量减少。综上可知,提升压缩比有助于改善低负荷燃烧稳定性和燃烧效率,同时显著减少 HC 和 CO 排放。当喷油压力为 60 MPa 时,指示热效率最高,但存在MPRR 过高的问题。因此,需要合理的喷油策略来降低 MPRR,避免对发动机机体造成损害。2.2预主喷间隔对汽油压燃低负荷的
23、影响试验采用预喷加主喷的两次喷射策略来降低MPRR。首先固定喷油压力 60 MPa、预喷油量 7 mg及主喷定时-8,设置 5 个预主喷间隔(5、10、15、20、25),研究预主喷间隔对汽油压燃低负荷燃烧和排放特性的影响。图 6 为单次喷射和两次喷射策略下不同预主喷间隔时的缸压、放热率曲线。相比单次喷射,两次喷射下预喷燃油的放热提高了缸内温度,使主喷燃油的滞燃期缩短,燃烧相位提前,燃烧速率加快,放热更加集中,放热率峰值和缸压峰值增大。随预主喷间隔的增大,燃烧相位滞后,放热率峰值和缸压峰值均呈现出先下降后上升的趋势。这是由于预主喷间隔较小(小于 10)意味着第一次燃油喷射时刻更接近上止点,更有
24、助于主喷燃油可燃混合气的快速形成,促进主喷燃油的快速燃烧,使燃烧相位提前,放热率峰值和缸压峰值升高19。当预主喷间隔过大(大于10)时,随预主喷间隔增加,第一次喷射的燃油与空气混合时间更长,形成更稀的混合气,对第二次喷射燃油的自燃着火作用减弱,因此主喷燃油的滞燃期增长,燃烧速率加快,放热率峰值和缸压峰值升高。图 7 为两次喷射预主喷间隔对最大压升率和滞燃期的影响。MPRR 随预主喷间隔变化呈现先降低后升高的趋势。预主喷间隔 10时,MPRR 最低,为0.508 MPa/(),相较单次喷射下降 56.7%。这是由于预喷燃油的放热增强了主放热前的混合气反应活性(温度和自由基),主喷滞燃期缩短,MP
25、RR 降低20。当预主喷间隔过大,滞燃期变长,导致燃烧速率变快,图3喷油压力对指示热效率、燃烧效率和COVIMEP的影响图 4喷油压力对最大压升率和压力震荡的影响图 5不同喷油压力下喷油时刻对 CO和 HC排放的影响 36内燃机工程2023年第 5期MPRR 增大。预主喷间隔超过 20时的 MPRR 超过了单次喷射时的 MPRR,可知不宜采用较大的预主喷间隔。由上述分析可知,在 5 个预主喷间隔中,预主喷间隔为 5、10、15时有利于降低 MPRR。故对 5、10、15这 3 个预主喷间隔下的燃烧效率、燃烧稳定性、指示热效率和排放特性展开进一步分析。图 8 为 5、10、15这 3 个预主喷间
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