纯氧氛围下正庚烷均质压燃燃烧特性.pdf
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1、第 51 卷第 11 期2023 年 11 月同济 大 学 学报(自然科学版)JOURNAL OF TONGJI UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE)Vol.51 No.11Nov.2023论文拓展介绍纯氧氛围下正庚烷均质压燃燃烧特性康哲1,2,雒晶1,2,冯上司1,2,崔亮3,邓俊4,吴志军4(1.重庆大学 机械与运载工程学院,重庆 400044;2.重庆大学 机械传动国家重点实验室,重庆 400044;3.联合汽车电子有限公司,上海 201206;4.同济大学 汽车学院,上海 201804)摘要:基于一台双缸柴油机,结合自行设计开发的纯氧进气系统进行试验,研究了不同进气氧
2、体积分数对正庚烷均质压燃燃烧过程及稳定性的影响。试验结果表明,随着混合气中氧体积分数降低,二氧化碳体积分数增加,缸内平均比热容不断增大,使得缸内最高燃烧温度降低,其对应的峰值相位推迟,燃烧始点推迟,放热率峰值下降,热效率降低;同时发现随着二氧化碳体积分数的增加,缸内温度会随之降低,使得燃烧循环不稳定性增强。以上现象均表明较高的二氧化碳体积分数能够有效抑制纯氧氛围下正庚烷均质压燃。此外,试验发现了纯氧氛围下正庚烷均质压燃负温度系数区间持续时间大幅缩短现象。关键词:柴油机;正庚烷;均质压燃;纯氧燃烧中图分类号:TK427文献标志码:AHomogeneous Charge Compression I
3、gnition Combustion Characteristics of n-Heptane in Pure Oxygen AtmosphereKANG Zhe1,2,LUO Jing1,2,FENG Shangsi1,2,CUI Liang3,DENG Jun4,WU Zhijun4(1.College of Mechanical and Vehicle Engineering,Chongqing University,Chongqing 400044,China;2.State Key Laboratory of Mechanical Transmissions,Chongqing Un
4、iversity,Chongqing 400044,China;3.United Automotive Electronic Systems Co.,Ltd.,Shanghai 201206,China;4.School of Automotive Studies,Tongji University,Shanghai 201804,China)Abstract:Based on a two-cylinder diesel engine and a self-designed pure oxygen intake system,the effect of different intake oxy
5、gen volume fractions on the combustion process and stability of homogeneous charge compression ignition of n-heptane were investigated.The experimental results show that,with the decreasing volume fraction of oxygen and increasing volume fraction of carbon dioxide in the mixture,the average specific
6、 heat capacity in the cylinder is increased,which leads to the maximum combustion temperature in the cylinder is decreased,the corresponding peak phase is delayed,the combustion start point is delayed,the peak heat release rate is decreased,and the thermal efficiency is reduced.Meanwhile,it was foun
7、d that with the increasing of carbon dioxide volume fraction,the temperature in the cylinder decreased,which led to the strengthening of the combustion cycle instability.The above phenomena indicate that the higher volume fraction of carbon dioxide can effectively inhibit the homogeneous charge comp
8、ression ignition of n-heptane under pure oxygen atmosphere.Moreover,the interval duration of negative temperature coefficient of n-heptane homogeneous charge compression ignition is significantly shortened in pure oxygen atmosphere.Key words:diesel engine;n-heptane;homogeneous charge compression ign
9、ition;oxy-fuel combustion 作为交通运输领域的主要动力源,在“碳达峰、碳中和”的巨大压力下,内燃机产业正面临来自动力电池与燃料电池的严峻挑战。然而,内燃机所具备的高能量密度、快速补能能力以及成熟的产业链体系让其仍然会在未来数十年内在交通领域发挥重要作用1。因此,以传统内燃机为基础,进一步开发新型高效超低排放内燃动力系统,可以为我国尽快实现“碳达峰、碳中和”的战略目标提供有力支撑。目前基于传统内燃机实现碳中和的路径,均质压燃(HCCI)燃烧技术在内燃机提高热效率和降低排放方面显示出巨大潜力,成为内燃机燃烧研究的前沿和热点。在均质压燃燃烧技术不断发展过程文章编号:02533
10、74X(2023)11-1775-08DOIDOI:10.11908/j.issn.0253-374x.22098收稿日期:2022-03-10基金项目:国家自然科学基金(52002043);中国博士后科学基金(2021M700581);重庆市技术创新与应用发展项目(CSTB2022TIAD-KPX0044);中央高校基本科研业务费专项资金(2022CDJDX-004)第一作者:康 哲(1990),男,副教授,硕士生导师,主要研究方向为高效零排放内燃动力循环。E-mail:同 济 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 51 卷中,提出了将具有较低的自燃温度和良好的挥发性的正庚烷作为均质压燃燃
11、烧技术的燃料。2006年,俎琳琳等2在一台高速四缸柴油机上进行了单缸正庚烷均质压燃燃烧试验,研究了正庚烷均质压燃燃烧过程以及各种参数变化对燃烧过程的影响。研究结果表明,正庚烷均质压燃燃烧具有明显的两阶段放热特性,并且发现正庚烷均质压燃燃烧着火时刻、缸内最高温度、压力对发动机参数变化非常敏感。2008年,朱绍中等3在一台快速压缩机上对进气温度对均质压燃燃烧特性的影响进行了试验。研究表明,随着进气温度的升高,燃烧始点提前、燃烧持续期缩短、最高燃烧温度升高、峰值放热率增加。2014年,薛乐等4在一台改装的发动机上进行了均质压燃燃烧的循环变动试验,研究了进气温度等参数变化对正庚烷均质压燃燃烧的影响。结
12、果表明,过量空气系数增加,峰值平均压力降低;进气温度增加,峰值平均压力增加,对应的曲轴转角提前;转速提高,峰值压力增加。2014年,Zhang等5在一台单缸四冲程直喷柴油机上对正庚烷均质压燃燃烧特性进行了试验,分析了进气温度和过量空气系数对燃烧的影响。结果表明,正庚烷均质压燃燃烧对进气温度比对更敏感,并且进气温度的增加可以扩大的范围。2016年,Wu 等6在 压 燃 式 ICRC(internal combustion rankine cycle)试验台上系统研究了在空气和氧气进气下的正庚烷均质压燃燃烧过程。试验表明,富氧对正庚烷高温反应的影响很小,氧气的增加推迟了低温反应的初始时间以及氧气含
13、量的增加提高了正庚烷低温放热反应的热释放率等。本文基于1999年Bilger所提出的ICRC概念7,通过使用纯氧进气代替空气进气,从理论上完全规避了氮氧化物的产生,除此以外,将化石燃料燃烧后分离得到的水蒸气冷凝回收,通过高压水泵加压至不低于24 MPa,并吸收冷却液与高温尾气的废热,在纯氧燃烧过程中喷入缸内,一方面控制优化剧烈的纯氧燃烧过程8,另一方面,缸内水雾快速蒸发雾化,生成高温高压蒸汽补充做功工质,建立额外的蒸汽动力循环以实现整体效率的大幅提升9。笔者在ICRC概念的基础上,基于一台小缸径汽油机验证了点燃式ICRC发动机的可行性,从缸内高温水喷射策略、进气氧体积分数、工作负荷等角度对其燃
14、烧过程、循环效率、排放特性进行了定量分析10-12,并基于修正的奥托循环建立了点燃式ICRC理论热力循环模型,对其循环效率优化机理、理论效率边界进行了计算分析13-14。通过上述研究发现,在点燃式ICRC发动机中,实际循环和理论循环的指示热效率存在显著差异,分析认为,这主要是由纯氧燃烧导致的异常燃烧倾向强烈,从而限制最大许用压缩比导致的,原型机的压缩比与最优热效率的压缩比相比有很大差距14。缸内高温水喷射一定程度可以缓解异常燃烧的情况,然而由于存在明显的火焰传播过程导致该现象无法彻底规避15。为解决上述问题,本文提出采用压燃着火模式规避明显的火焰传播过程,进而在内燃兰金循环中实现高压缩比使用。
15、与扩散燃烧相比,均质压燃通过提前制备均质混合气,有效避免高温缺氧导致的颗粒物生成,因而可以在压燃式内燃兰金循环中实现超低的颗粒物排放。本文基于一台改造的双缸柴油机,通过进气道喷射正庚烷,利用正庚烷的高挥发特性,制备正庚烷与氧气的均质混合气,进而验证正庚烷在纯氧氛围下均质压燃燃烧的可行性与燃烧过程特征参数,并为进一步研究均质压燃模式下ICRC燃烧过程、循环效率与排放特性提供基础。1 试验台架与方案 均 质 压 燃(homogeneous charge compression ignition,HCCI)ICRC原理样机基于一台双缸水冷柴油机改造而来,主要由燃油喷射系统、纯氧进气系统、高温高压水供
16、给系统、CompactRIO控制系统与数据采集系统组成。以该原理样机为基础,在其第一缸的独立进气道中增加进气道燃油喷射系统,将其改造为进气道喷油式发动机,通过在进气道喷射正庚烷来实现均质压燃所需的均质混合气制备。与此同时,在该汽缸缸盖上打孔以布置Kistler 6052C缸内压力传感器实现实时的缸内压力测量,并安装特质缸内高温高压水喷嘴,以实现纯氧氛围下正庚烷均质压燃燃烧过程中的缸内高温水喷射。搭建完成的原理样机相关技术参数如表 1 所示,HCCIICRC原理样机试验台架示意图如图1所示。表 1试验发动机技术参数Tab.1Technical parameters of test engine参
17、数型式缸径/mm冲程/mm排量/mL原机压缩比燃料供给方式过热水供给方式说明双缸、水冷、四冲程951141 61617 1进气道喷射缸内直喷1776第 11 期康哲,等:纯氧氛围下正庚烷均质压燃燃烧特性HCCIICRC工作过程中采用纯氧代替空气作为助燃剂与正庚烷燃烧,为保障试验过程缸内燃烧的稳定可控,需要采用废气再循环的方法对每循环进入缸内的氧气含量进行调控。在本文所开发的HCCIICRC原理样机中,使用在线混合的O2/CO2混合气来模拟废气再循环,通过节流阀来实时调控进入燃烧室的O2/CO2比例,从而实现HCCIICRC燃烧速率的优化控制。本文搭建的HCCIICRC原理样机纯氧进气系统如图2
18、所示。HCCIICRC原理样机纯氧进气系统主要由氧气瓶、二氧化碳气瓶、减压阀等结构组成。通过调节气体减压阀、气体流量计等装置来灵活实现不同浓度的O2/CO2进气混合气体。试验中为防止CO2在出气瓶时由于发生液/气相变导致气体温度迅速下降而影响混合效果,试验时在CO2气瓶出口管路壁面缠绕加热带,此处温度感应器与数字温控器实现闭环温度控制,以便将管路内CO2加热至室温。为保证CO2、O2温度的一致性,在氧气的出口管路也安装了加热带。最后在气阀出口处对O2、CO2比例进行测量,调节节流阀获得不同进气的氧气值。为了使CO2、O2混合更为均匀,并获得稳定的进气压力,在进气系统中安装了稳压罐,稳压罐的容积
19、远大于发动机气缸容积。稳压罐下游管路安装的空气阀门便于试验的进气在空气和O2/CO2氛围下切换。在试验开始前,将空气阀门打开,让HCCIICRC原理样机工作在空气环境下预热至85以上,待原理样机稳定工作后再关闭空气阀门切换至O2/CO2进气。经测试该系统能够满足试验对于进气压力及流量的要求,同时可在试验过程中准确快速地改变氧体积分数。为确定正庚烷循环供油量的大小以实现每循环空燃比的精确控制,首先需要对本文所使用的正庚烷的喷嘴流量特性进行测量。在HCCIICRC原理样机试验开始前,将正庚烷进气道喷射压力调整为与试验相一致的0.22 MPa,利用所开发的电控系统来控制电磁阀的喷油脉宽,并在相同脉宽
20、下进行100次喷射,利用称重法获得单次燃油喷射过程的平均喷油质量,并得到不同喷油脉宽下正庚烷喷油质量随喷油脉宽变化曲线,具体试验结果如图3所示。本文试验方案如表2所示,喷油脉宽为7 ms(喷油质量17 mg),发动机转速为1 000 r min1,节气门开度为100%,进气氧体积分数分别为100%、85%、1.发动机;2.联轴器;3.光电编码器;4.缸内压力传感器;5.火花塞;6.喷水喷嘴;7.HC/NOx排放仪;8.氧传感器;9.尾气温度传感器;10.电子节气门;11.空气流量计;12.喷气喷嘴;13.减压阀;14.压力表;15.温控加热带;16.节流阀;17.体积流量计;18.球阀;19.
21、电荷放大器图 1HCCIICRC发动机试验台架示意图Fig.1Schematic diagram of HCCI ICRC engine test stand图 3正庚烷喷油喷嘴特性曲线图Fig.3Injection characteristic of n-heptane1.减压阀;2.压力表;3.温控加热带;4.节流阀;5.体积流量计;6.稳压罐;7.压力指示表;8.压力传感器;9.温度传感器;10.控制阀门;11.V锥流量计;12.电子节气门;13.空气流量计;14.气体喷嘴图 2HCCIICRC原理样机纯氧进气系统示意图Fig.2Schematic diagram of oxygen i
22、ntake supply system of HCCI-ICRC prototype engine1777同 济 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 51 卷70%、21%。试验每次采集 100 组循环数据,并对100组缸内压力数据取平均值,同时提取发动机缸内燃烧情况的关键参数如缸内压力峰值、缸内压力升高率等,同时计算放热率、累计放热量以及平均指示压力变动系数来分析燃烧过程。在分析发动机燃烧稳定性时,使用平均指示压力变动系数(vp)作为度量燃烧的循环变动的程度,并将其作为评价缸内燃烧稳定性的主要参数之一。vp的定义如下:vp=pp100%式中:p为平均指示压力的标准偏差;p为平均指示压力。
23、2 试验结果与分析 因为在试验结果分析中要涉及到不同气体的平均比热容,所以给出不同气体的平均比热容随温度变化情况,如图4所示。图4中cp表示常用气体从0 到T之间的平均比定压热容(工程上)。可以发现,不同的气体平均比热容不同,随温度的变化也不同。在常温条件下,氧气的平均比热容略大于空气,而二氧化碳的平均比热容远大于空气和氧气的平均比热容。随着温度的提高,氧气的平均比热容一直略大于空气的平均比热容,而二氧化碳的平均比热容随着温度的升高迅速增加,与空气和氧气的平均比热容的差值也越来越大。2.1氧体积分数对燃烧缸内压力的影响2.1.1缸内压力图 5 为不同氧体积分数下缸内压力的变化情况。由图5可知,
24、与进气氧体积分数为21%相比,当进气氧体积分数分别为100%、85%和70%时,低温反应与高温反应之间的负温度系数区间现象不明显,在高氧体积分数下,低温反应和高温反应之间存在的负温度系数区间现象与进气氧体积分数为21%相比有显著差异。缸内最大爆发压力由进气氧体积分数为21%的7.96 MPa分别降低至进气氧体积分数为100%的7.63 MPa、进气氧体积分数为85%的6.67 MPa和进气氧体积分数为70%的4.99 MPa;峰值压力相位由0.5 CA ATDC(上止点后曲轴转角)分别推迟到1.0、2.5 和6.0 CA ATDC;做功冲程缸内压力有不同程度的降低。分析认为:进气氧体积分数为1
25、00%时,由于氧气的平均比热容大于空气,在未燃烧之前,进气氧体积分数为100%的缸内温度低于进气氧体积分数为21%的缸内温度,导致燃烧起始时刻推迟。当进气氧体积分数降低至85%和70%时,随着CO2体积分数的增加,缸内平均比热容进一步增大,燃烧起始时刻进一步推迟。当进气氧体积分数为21%时,缸内压力出现了明显的两阶段放热和负温度系数区间;反观进气氧体积分数为100%的两阶段放热和负温度系数区间不明显,这是由于氧体积分数的增加使得低温反应速率加快,低温放热的加快使缸内温度和压力迅速提升,缸内温度迅速超过负温度系数区间产物的稳定温度区,从而进入高温放热反应,使得两阶段放热不明显。加上氧气平均比热容
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