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射流控制压缩着火正时可控性试验
2020-03-10 00:28:23· 来源：内燃机学报
Satisfactory 昨天预混合压燃技术可以同时实现低PM、低NOx排放和高热效率，已经成为内燃机研究领域的热点。预混合压燃包括热预混合(HPC)、均质充量压燃(HCCI)、
预混合压燃技术可以同时实现低PM、低NOx排放和高热效率，已经成为内燃机研究领域的热点。预混合压燃包括热预混合(HPC)、均质充量压燃(HCCI)、预混合充量压燃(PCCI)和反应活性控制压燃(RCCI)等模式。这些燃烧模式的混合气比较均匀和稀薄，燃烧温度低，能够大幅降低NOx和碳烟生成，而且工质与发动机之间的传热损失减少，热效率较高。为了直接有效地控制预混合压燃的着火正时，相关学者提出了射流控制压燃(JCCI)模式，本次推文通过一台改装的船用高速柴油机，对JCCI燃烧过程进行了试验，验证JCCI的着火正时控制原理，并考察JCCI燃烧模式在不同发动机进气温度条件下控制着火正时的鲁棒性，还研究了EGR 率对JCCI燃烧特性的影响。
01 试验装置及方法
改装后的发动机采用JCCI 燃烧模式，燃烧系统如图1所示。主燃烧室内的燃料为柴油，通过缸内早喷形成预混合气。图2为交叉孔高扰动喷油嘴示意，每组喷孔由2个子喷孔组成，子喷孔内的燃油在喷油嘴内部交汇。与传统多孔喷油嘴相比，交叉孔高扰动喷油嘴的喷雾贯穿距离短、喷雾粒径小，有利于缸内早喷条件下形成较均匀的混合气。图3为点火室模型示意，点火室由壳体、火花塞和CH4 供气管组成。
图1 燃烧系统示意图
图2 交叉孔高扰动喷油嘴示意图
图3 点火室模型
图4为发动机试验装置示意。发动机的喷油、喷气和点火由ECU控制。喷射量、喷射正时和点火正时参数通过修改ECU标定量进行设置。试验中，通过缸压数据计算放热率和指示功，分析缸内燃烧过程和发动机性能．点火室和主燃烧室总的表观放热率(AHRR)通过双传感器单区方法由缸压数据计算。计算方法详见参考文献[1]。
图4 发动机试验装置示意
02 点火正时和进气温度的影响
图5为JCCI工作条件(进气温度为70 ℃)下，不同点火正时的累积放热率正时和RI的计算结果。用CA10 表征预混合压燃的着火相位，用CA 10～CA 90 的曲轴转角(CA10-90)表征燃烧持续期。预混合压燃着火相位与点火正时呈线性相关，点火正时的15°CA 变化对应着火相位的9°CA 变化。说明JCCI 能够有效控制预混合压燃着火相位。另外，点火正时越提前，燃烧持续期越短。因为较早点火形成的高温射流放热提升了上止点前缸内温度，这又与压缩过程和柴油预混合气低温反应放热作用相叠加，加速了其余部分柴油预混合气燃烧。RI随点火正时提前和柴油预混合气反应速率加快而升高。在进气温度为70℃、点火正时为-15°CA 条件下，RI 不超过5MW/m2，发动机运转时的可闻噪声处于可接受范围内。
图5 不同点火正时的累积放热率正时和RI
图6和图7为JCCI 工作条件(进气温度为70℃)下发动机的指示热效率(ITE)和排放。ITE 随点火正时的提前而提高，在-15°CA点火正时下达到45.7% 。由图5可知，较早点火正时下CA 10-90 的燃烧持续期更短，而且CA 50 的正时更靠近上止点，这些都有利于提高热效率。NO排放随点火正时的提前而升高，但最高不超过0.15 g/(kW·h)。HC 排放和CO 排放随点火正时的提前而降低，在-15°CA点火正时下分别达到0.18g/(kW·h)和6.50 g/(kW·h)。CO 排放水平较高，造成了较大的燃烧损失，其原因是缸内的燃烧温度较低，燃料未能充分氧化。
图6 不同点火正时下的排放和指示热效率
以往的预混合压燃技术(HCCI、PCCI和RCCI等)对发动机进气的热力状态较为敏感，进气温度的轻微变化就会导致较大的着火正时改变，需要通过调整高动态参数以使发动机正常运转，控制的鲁棒性往往难以保证。而JCCI燃烧模式在这方面优势明显。JCCI工作条件下，将点火正时固定为-15°CA，发动机进气温度分别稳定为60、70、80和90℃，累积放热率相位和RI 如图7所示。随进气温度升高，由于混合气反应速率增大，燃烧相位提前，燃烧持续期缩短。进气温度为60～80℃下的CA10相位变化只有2°CA，说明JCCI着火正时对进气温度不敏感，控制鲁棒性更强．进气温度为80℃和90℃下，CA 10-90 燃烧持续期大幅缩短，CA 50相位更靠近上止点，造成RI 急剧升高，此时发动机运转的燃烧噪声很大，为避免损坏，只能短时间运行。
图7 不同进气温度下的累积放热率正时和RI
03 EGR率对JCCI工作过程的影响
发动机点火正时为-15°CA、进气温度为70℃的条件下，RI已经达到可靠运行的极限。使用EGR 率可以控制燃烧反应速率，降低发动机的机械负荷。图8示出点火正时为-15°CA、EGR率为0和20%条件下的发动机缸内压力和放热率。可知采用EGR率为20%的点火室压力峰值位置和主燃烧室压力峰值位置后移；点火室放热、主燃烧室着火正时和放热率峰值都后移。
图8 不同EGR条件下的缸内压力和放热率
带预燃室的点燃式发动机研究中，常采用主燃烧室火焰形成角(FDA)评价预燃室的点火性能。为了更方便分析JCCI 燃烧过程中射流与主燃烧室预混合气的相互作用，定义射流形成角(JDA)描述射流形成所需时间，其定义为从点火室火花塞放电至点火室内第1 个压力峰值点所需时间。从点火室火花塞放电到10%累积放热率所需时间定义为着火形成角(IDA)，因为JCCI 燃烧模式下主燃烧室内的反应过程与火花点火发动机有所不同，不是简单的火焰传播过程。通过着火形成角和射流形成角之间的比较，可以分析不同发动机状态下点火室射流对主燃烧室内预混合气着火相位影响特性的变化。
图9示出EGR率为0和20%条件下JDA、IDA以及CA10相位的比较。EGR率为20%条件下的JDA和IDA都比EGR率为0条件下的大，因而点火正时需要提前，点火正时迟于-5°CA，发动机将会失火。JDA增大的主要原因是EGR 率对点火室内混合气的稀释效应以及O2扩散系数的减小，导致火焰传播速度和CH4混合气燃烧速率降低。IDA增大一方面是JDA 增大，另一方面是EGR 率对主燃烧室内柴油预混合气的稀释效应和热效应导致低温反应和放热速率降低。在点火正为-5°CA且EGR率为20%条件下的JDA和IDA基本相同，即射流形成与主燃烧室柴油预混合气着火几乎同步；而EGR率为0条件下的JDA已经大于IDA，即射流完全形成之前，主燃烧室柴油预混合气已经开始部分着火。上述情况下，射流对着火正时和燃烧过程起稳定作用，因为在较晚的点火正时条件下，柴油预混合气自燃的放热量少，没有射流的引燃作用，将不能完全燃烧。EGR率为0 和EGR率为20%条件下，CA10相位都随点火正时的推迟而延后．EGR率为20%条件下，点火正时迟于-10°CA后，CA10相位无明显变化，原因是射流形成正时较晚，对主燃烧室柴油预混合气放热影响减弱。
图9 不同EGR率下着火形成角、射流形成角以及CA10
小结
(1)点火室射流能有效控制主燃烧室柴油预混合气的压燃，实现极低的NOx排放。
(2)JCCI 的着火正时直接受控于点火室点火正时，对进气温度变化不敏感，进气温度为20℃下的10CA相位变化只有2°CA；较强的着火正时控制鲁棒性有利于JCCI 在发动机实际工作环境下的应用。
(3)使用EGR率能够降低燃烧速率和燃烧噪声，EGR率为20%时使燃烧持续期延长20°CA以上，但导致热效率下降2%，以及HC和CO排放升高。
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