【doc】活性添加剂对高辛烷值燃料HCCI着火时刻与燃烧速率的影响

【doc】活性添加剂对高辛烷值燃料HCCI着火时刻与燃烧速率的影响 活性添加剂对高辛烷值燃料HCCI着火时 刻与燃烧速率的影响 第11卷第3期 2005年6月 燃烧科学与技术 JournalofCombustionScienceandTechnology Vo1.11No.3 Jun.2005 活性添加剂对高辛烷值燃料 着火时刻与燃烧速率的影 吕兴才,陈伟,黄震 (上海交通大学内燃机研究所,上海200030) HCCI 响 摘要:为研讨活性添加剂过氧化二叔丁基(DTBP)对高辛烷值燃料以HCCI燃烧模式运行时的放热率特征,着火 时刻,燃烧持续期和排放特性的影响,在一台单缸发动机上,在辛烷值为90(RON90)(90%的异辛烷和10%的正庚 烷)的混合燃料中加入不同比例(0,4%)的DTBP,考察5种燃料在1800r/min下不同负荷时的燃烧特性和排放特 性.实验结果明:RON90中没有添加剂时,只能在高温,高负荷下才 能以HCCI燃烧模式运行;在其中加入少量的 DTBP后,RON90实现HCCI燃烧的工况范围向低温低负荷下大幅度 拓展.各种燃料的HCCI燃烧冷焰反应发生在 850K左右,到950K结束,进入负温度系数区(NTC),在1125K左右突 破NTC区而发生热着火.随DTBP含量增 加,系统温度达到冷焰反应和热焰反应的化学时间尺度缩短,因此着 火时刻提前,燃烧持续期缩短,特别是提高了 低负荷下的燃烧速率.添加剂使各种当量比下未燃碳氢(UHC)和一 氧化碳(CO)排放显着改善,NO排放也保持在 很低的水平. 关键词:均质充量压缩着火(HCCI);添加剂;高辛烷值燃料;燃烧;排放 中图分类号:0657.3;TK401文献标志码:A文章编 号:1006-8740(2005)03—0241—07 EffectofAdditiveontheIgnition,Combustion,andEmissionsfor HCCIEngineFueledwithHighRONFuels LUXing-cai,CHENWei,HUANGZhen (InstituteofInternalCombustionEngine,ShanghaiJiaotongUniversity,Sha nghai200030,China) Abstract:TheeffectsoftheDi—tertiarybutylperoxide(DTBP)additiveontheheatreleaserate,ignitiontiming,combus— tionduration,andemissionsofHCCIenginefueledwithhighresearchoctane number(RON)fuelswereinvestigated.The experimentswereperformedusing0,1%,2%,3%,and4%(byvolume)DTBP—RON90blends.TheRON90fuelwereob— minedbyblending90%iso一 ~tanewithlO%n—heptane.TheCombustionandemissionfeaturesof5fuelatdifferent 1800r/minloadswereexamined.TheexperimentalresultsshowthatwithoutaddictiveinRON90,HCCIcombustionison— lypossiblewithinthehightemperatureandhighengineloadrangeoporation.Theoperationrangeisremarkablyextendedto lowertemperatureandlowerengineloadwithasmallamountofDTBPadditiveinRON90fue1.Forallfuelsatdifferenten— gineworkingconditions,thefirstignitionphaseofHCCIcombustionwasobservedat850K,endedat950K,andthehot ignitionoccurredat1125K.ThechemicalreactionscaletimeshortenswiththeincreaseofDTBP.Thereforetheignition timingadvances,thecombustiondurationshortens,andthecombustionefficiencyimprovesatlowerengineload.Mean— while,theUHCandCOemissionsdecreasedsharplywiththeDTBPaddition,whiletheNOemissionsremainatalower 1eve1. Keywords:homogeneouschargecompressionignition;additive;highRONf uel;combustion;emission 收稿日期:2004—04—09. 基金项目:国家重点基础研究发展规划(973)资助项目(2001CB209208);国家自然科学基金重点资助项目(50136040) 作者简介:吕兴才(197O一),男,工程师,博士,lyuxc@6tu.edu.ca. 燃烧科学与技术第11卷第3期 HCCI(HomogeneousChargeCompressionIgnition) 是与传统的火花点火式燃烧和压缩着火燃烧有本质区 别的一种新型燃烧方式.这一新型燃烧概念早在2O多 年前提出J,但直到20世纪90年代末期才_受到全 球的广泛重视.HCCI燃烧具有超低NO和碳烟排放 的同时,保持与传统的柴油机相当的热效率.但目前仍 然存在很多难题,这些问题的核心就是着火时刻和燃 烧速率的控制问题J.HCCI燃烧的着火与燃烧主要 受燃料与空气反应的化学动力学所控制,其着火时刻 由燃料的化学性质,混合气成分,温度,压力,环境条件 (转速,压缩比,冷却水温度)等决定,由于它没有直接 的着火控制措施,只能通过间接的方法来控制. 高十六烷值燃料具有良好的着火性,非常容易向 稀燃方向扩展,但是由于着火时刻过早和燃烧持续期 过短,容易导致爆震燃烧,因而对高十六烷值燃料HC— cI存在向大负荷的扩展问题.而高辛烷值燃料非常容 易向浓燃极限方向扩展,且燃烧发生在上止点前后,有 利于提高发动机的热效率,但是着火时刻对混合气浓 度和温度的依赖性太强,特别是在低负荷下会因为燃 烧速率过慢和着火特性太差而导致发动机部分燃烧或 “失火”,UHC和CO排放较高,热效率降低,因此HC— cI又存在向低负荷扩展问题.一般地,高辛烷值燃料 实现HCCI燃烧时通常需要采取一定的补偿措施,比 如高压缩比,进气加热,通过可变气门机构实现内部 EGR等.所有这些措施都是为了使高辛烷值燃料在压 缩末端的混合气温度提高到燃料自燃裂解温度.由于 汽油是目前主要的车用燃料之一,因此研究汽油运行 HCCI燃烧模式时的着火时刻与燃烧有非常重要的意 义.一般的汽油辛烷值在9O左右,因此本文通过正庚 烷和异辛烷两种基础燃料混合得到辛烷值为90的燃 料(10%正庚烷和90%异辛烷混合),由此来研究高辛烷 值燃料HCCI燃烧时的基本特征. 根据化学动力学研究j,碳氢燃料的低温氧化 动力学对燃料的着火时刻有非常重要的影响,故本文 尝试在高辛烷值燃料中添加一种活性添加剂——过氧 化二叔丁基(DTBP),通过活性添加剂在低温过程中 反应放出一定的热量和产生大量的活性基,加速和提 高系统的反应速率,改善燃料的着火与排放特性,以此 在常温常压下顺利实现HCCI燃烧.过氧化二叔丁基 广泛用作柴油的十六烷值改进剂?.一般而言,活性 添加剂通过两种方式对燃料的着火特性进行改善.? 热作用:添加剂在很低温度下放热,提高系统的总体温 度;?化学作用:添加剂在低温下裂解产生大量的自 由基,从而提高系统的反应速度.这两种作用是同时存 在的.实验中在RON90燃料中添加0—4%的DTBP,考 察添加剂对高辛烷值燃料的着火特性在实际发动机上 的改善效果,以及它对HCCI燃烧与排放的影响特征 和机理. 1实验系统 实验选用一台4缸高速轻型直接喷射式柴油机作 为原型机,通过一些结构调整将其改装,其中第4缸以 HCCI燃烧模式运行,而其它3缸照常运转在柴油喷射 模式下.HCCI燃料通过进气管处的喷嘴喷入进气管. 该发动机的主要特征参数见表1.图1为整个HCCI燃 烧研究平台的基本结构. 表1HCCI发动机的主要结构参数 技术参数指标 缸径×行程/mm×mm98×105 排量/L0.782 压缩比18.5:1 喷油提前角/.CABTDC285 进气门开启/.CABTDC16 进气门关闭/.CAABDC52 排气门开启/.CABBDC66 排气门开闭/.CAATDCl2 图1HCCI发动机实验系统 未燃碳氢(UHC)排放氧的浓度,CO,二氧化碳 (CO),NO和过量空气系数通过气体分析仪进行测 量(AVLDiGas4000).气缸压力采用Kistler的6125A 型传感器,传感器输出的电荷信号通过Kisfler5015型 2005年6月吕兴才等:活性添加剂对高辛烷值燃料HCCI着火时刻 与燃烧速率的影响?243? 电荷放大器转换成电压信号.发动机曲轴自由端安装 一 个信号编码器,每一转产生1440个信号(每度曲轴 转角产生4个信号),用作数据采集仪的触发信号和 分度信号.每一个工况采样50个循环,并用计算机存 储和分析.为了分析HCCI在各个工况下的燃烧参数, 需要对50个循环的气缸压力进行平均. 2燃烧参数及其定义 通过放热率计算可以得到一些基本的燃烧参数 (见图2),另外对放热率进一步分析可以得到HCCI 燃烧放热一些具体燃烧特征.图2中燃烧参数及其定 义为:尺为第一阶段最大放热率;R为第二阶段 最大放热率;,为第一阶段着火时刻;,2为第二阶段着 火时刻,即燃烧开始时刻(最大放热率幅值的上升段 20%时刻);D为第一阶段着火持续期,即低温反应持 续时间;D为第二阶段燃烧持续时间,即整个燃烧持 续时间(最大放热率幅值的上升段20%到下降段20%之 间的曲轴转角);T1为第一阶段反应开始的温度;TE, 为第一阶段反应结束的温度;T1为第二阶段着火时刻 的温度;dTl,dp为第一阶段反应结束时刻相对压缩 线上同一时刻的温度和压力变化;y2为第二阶段着火 的诱导期,是第二阶段着火时刻和第一阶段着火结束 时刻之间的间隔;rm为最高气体平均温度. 图2本文分析的燃烧参数及其定义 3实验结果与分析 实验发现RON90在没有添加剂时,只有在进气温 度高于35cc或冷却水温度高于92cc时才能发生稳定 的燃烧,而加人少量添加剂后,就能在进气温度和冷却 水温度很低的情况下稳定运转.在实际发动机运行时, 由于调温器的作用,冷却水温度一般保持在80,90cc 之间.为了保证与实际发动机的可比性,在实验中进气 温度控制在18,22cc,冷却水出水温度控制在82, 88cc.下面分析中所列出的RON90无DTBP是在进气 温度18,22cc,冷却水温度在92,95cc之间的实验 结果,仅作为参考. 3.1示功图和放热率比较 图3为n=1800r/min时,不同添加剂在相同当 量比下的示功图比较.从图中可以看出,RON90即 使在很高的冷却水温度条件下,着火时刻也在上止点 后.随着燃料中DTBP含量的增加,着火时刻提前,最 高爆发压力升高,而且在某些工况下(图3(a)),压力 下降过程中发生后燃而出现压力升高的现象.图4为 n=1800/min时,根据示功图计算得到的不同当量比 下的放热率比较.对某一当量比,随DTBP增加,开始 放热时刻提前,峰值放热率增加;此外随当量比减小, 各种燃料的最大放热率减小.大负荷下的放热率曲线 后期存在明显的波动,这可能是由于在大负荷下燃烧 速率很快(即存在一定程度的爆燃现象),实验中所使 用的传感器响应速率太低造成的,这种情况也见于国 内外的相关报道中J.在下面的分析中,笔者根据图2 的燃烧参数定义,对示功图和放热率曲线进一步分析, 以考察DTBP对高辛烷值燃料的着火时刻,燃烧速率 以及排放的影响机理和规律. (a)击=o,405 (b)=o,318 图3添加剂对示功图的影响 燃烧科学与技术第11卷第3期 图4不同当?比下的瞬时放热率比较 3.2DTBP对第一阶段着火时刻的影响 碳氢燃料HCCI燃烧时最明显的特点就是两阶段 燃烧和负温度系数区(NTC)现象.根据燃料低温反应 动力学,在低温阶段燃料分子脱氢后生成的烷烃根因 很高的活化能势垒而不能发生裂解反应,它很容易与 氧分子发生加成反应以及分子内部氢原子转移而发生 的异化反应,随后再次发生加成反应和异化反应生成 酮类物质.酮类物质裂解后生成活性很高的氢氧根 (OH),加速燃料的分解和消耗,放出热量,即所谓的 冷焰反应(第一阶段燃烧).随冷焰反应引起的温度升 高,烷烃基裂解与加成反应成为竞争性反应,酮类物质 生成量减少,OH浓度降低,系统反应速率下降,放热 现象停止,这就是所谓的负温度系数现象——随温度 升高,反应速率降低.在系统自身的缓慢作用或者外界 作用下温度继续升高,当温度达到H.O裂解温度后, 产生大量的OH,从而引发热着火(第二阶段着火),消 耗掉绝大部分燃料. 因此HCCI发动机的着火时刻是由混合气通过化 学反应达到HO裂解温度所需要的化学时间尺度和 发动机达到上止点所需要的物理时间尺度决定的.当 化学时间尺度小于物理时间尺度时,着火在上止点前 发生;化学时间尺度略微大于物理时间尺度时,着火发 生在上止点后;当化学时间尺度远远大于物理时间尺 度时,着火不能发生.因此,任何有助于缩短化学时间 尺度,延长物理时间尺度的方法都有助于改善高辛烷 值燃料的着火特性.燃料的低温反应时刻以及反应强 度对着火的化学时间尺度影响很大.不同燃料的第一 阶段反应特性不同,由于正庚烷分子高度线性而容易 发生加成反应和异化反应,低温放热量很高,因此容易 着火;而异辛烷分子高度非线性,加成和异化反应速率 很低,因此化学时间尺度较长而不易着火. 图5(a)为n=1800r/min,=0.405时,不同添 加剂的燃料低温放热率比较.可见各种燃料都存在明 显的两阶段燃烧和NTC现象,而且DTBP的含量对低 温反应时刻和热着火时刻有明显的影响.由图5(b)可 以看出,在各种当量比下,第一阶段着火时刻随DTBP 的增加而明显提前,并且各种燃料随当量比增加而成 线性提前.在图5(c)和5(d)中的第一阶段反应开始 温度和结束温度变化不大,即在850K发生冷焰反应, 950K低温反应结束进入负温度系数区.添加剂对第 一 阶段着火时刻的影响是通过低温阶段的热作用和化 学作用加速系统低温反应,提前达到850K的酮类物 质裂解温度.在950K发生竞争反应,低温放热结束. 2005年6月吕兴才等:活性添加剂对高辛烷值燃料HCCI着火时刻 与燃烧速率的影响?245? 《 ? S 哥 0/.CA (a)冷焰反应 (b)第一阶段着火时刻 (C)冷焰反应开始温度 (d)冷焰反应结束温度 图5添加剂的比例对第一阶段着火时刻和温度的影响 3.3DTBP对第二阶段燃烧的影响 图6为第二阶段燃烧特性的比较.高辛烷值燃料 的着火时刻受当量比的影响比较显着,即当量比增加, 着火时刻提前.但是RON90在任何当量比下的着火时 刻都发生在上止点后,随DTBP的增加着火时刻提前, 0 凸 出 < 0 \ (a)第二阶段着火时刻 . ?.一?_?---- „„?0一 . -RON9O+1%DTBP ?RON90+2%DTBP . ?RON90+3%DTBP RON90+4%DTBP ?R0N9O 0-250300.350400.45 0 (b)燃烧开始温度 800 《 600 3400 200 O 05 蕾O 《 {一10 (c)燃烧持续期 - +RON90+1%DTBPJ +RON90+2%D_rHP/ 三RON?90+4%DTBPR0N90十,?+??— 一 .Pl聿一 一O250.3O0.350.400.45 O (d)峰值放热率及其时刻 图6添加剂的比例对第二阶段燃烧的影响 ? 246?燃烧科学与技术第11卷第3期 当DTBP含量增加到2%o,3%o以后,各种负荷下的着火 都发生在上止点附近,这对改善低负荷下的燃烧特性 有明显的好处.图6(b)为第二阶段着火开始时刻的温 度比较,可见当量比和燃料特性对着火开始温度没有 影响,着火几乎都发生在1125K左右.因为HCCI的 热着火是由HO的裂解生成OH而引起的,任何条件 下的HCCI燃烧都需要系统达到HO的裂解温度并 积累一定浓度才能发生. 图6(C)给出了不同当量比下各种燃料的燃烧持 续期的比较.对每一种燃烧,当量比减小燃烧持续期显 着增加,但是通过在燃料中加入DTBP后,低当量比下 的燃烧速率增加,燃烧持续期缩短.在混合气很浓的情 况下(>0.35),各种燃料的燃烧持续期差别不大. 图6(d)为峰值放热率及其对应时刻的比较.峰值 放热率反映了高温燃烧阶段的反应速度,主要取决于 混合气浓度,实验结果也证实各种燃料的峰值放热率 随当量比增加而线性增加,DTBP含量影响不大.但是 DTBP对峰值放热率的时刻有很大的影响,峰值放热 率的时刻主要受着火时刻的影响,着火时刻提前,峰值 放热率时刻相应提前.对某一种燃料,随当量比增加, 峰值放热率时刻提前,最大放热率增加. 3.4排放特性 HCCI发动机的排放问题也是需要解决的一个关 键课题,特别是在低温低负荷条件下UHC和CO排放 相当高.CO是在中间温度范围内由于OH的急剧减少 而生成的没有完全氧化的中间产物,主要来源于在膨 胀过程中缝隙层,燃烧室和气缸的边界层,燃烧室沉积 物和油膜吸附的燃料没有完全氧化成CO.在RON90 中加入DTBP后,着火时刻提前,因此整个燃烧室内的 温度升高,边界层内处于中间温度范围的燃料质量较 少,因此CO排放降低.从图7(a)可看出,随着燃料中 添加剂比例的增加,CO排放明显降低,在高负荷下的 排放水平已经接近于传统柴油机的CO排放. UHC的生成机理与eO机理不同,它是碳氢燃料 在氧化过程中由于链的中断而产生的中间产物.主要 产生机理与火花点火发动机相似:?燃烧室壁面的火 焰淬熄,留下未燃的燃料一空气附着层;?缝隙中充满 了未燃的碳氢燃料;?在进气过程中气缸壁面的油 膜吸附燃料蒸气,在膨胀和排气过程中燃料蒸气从油 膜中脱附而排出;?发动机在某个循环中不完全燃烧 或部分燃烧,失火,特别是当燃烧条件很差(如A/F和 EGR等瞬态工况变化时).图7(a)中,由于DTBP的增 加,燃料的着火特性改善,缸内温度升高,淬熄效果减 弱,UHC排放显着降低. HCCI发动机的NO排放比较低.发动机的NO 排放主要受缸内最高温度,高温持续时间和氧的浓度 的影响.由于HCCI大多数工况是稀混合气,最高温度 很低,因此NO排放很低.从图7(b)可看出,在很宽 的当量比范围内NO相当低,只有在当量比高于0.4 后才开始增加.在当量比为0.427时,NO排放出现 最大值,为100×10-?,此时平均指示压力达到 0.65MPa. - 一; (a)UHC及CO的排放 (b)NO排放 图7添加剂的比例对HCCI发动机排放的影响 4结论 (1)RON90中没有添加剂时,只能在高温高负荷 下才能运行HCCI燃烧模式;在其中加入少量的DTBP 后,RON90实现HCCI燃烧的工况范围向低温低负荷 下大幅度拓展. (2)各种燃料的HCCI燃烧呈现明显的两阶段燃 烧和NTC现象.第一阶段的冷焰反应发生在850K,到 950K结束进入负温度系数区,在1125K左右突破 NTC区而发生热着火. (3)在高辛烷值燃料中加入DTBP后,系统温度 2005年6月吕兴才等:活性添加剂对高辛烷值燃料HCCI着火时刻与燃烧速率的影响?247? 达到冷焰反应和热焰反应的化学时间尺度缩短,因而 着火时刻提前,燃烧持续期缩短,提高了低负荷下的燃 烧速率. (4)在高辛烷值燃料中加入DTBP后,各种当量 比下UHC和CO排放显着改善,NO排放也保持在很 低的水平. 参考文献: [2] [3] [4] OnishiS,JoSH,ShodaK,eta1.Activedthermo?atmos? pherecombustion(ATAC):Anewcombustionprocessfor internalcombustionengines[A].In:SAEPaper[C].1979, 79O5O1. NoguchiM,TanakaT,TakeuchiY.Astudyongasolineen— ginecombustionbyobservationofintermediatereactiveprod? uctsduringcombustion[A].In:SAEPaper[C].1979, 790840. NajtPM,FosterDE.Compression?ignitedhomogeneous chargecombustion[A].In:SAEPaper[C].1983,830264. TanakaShigeyukii,AyalaFerrann,KeckJC,eta1.Two— stageignitioninHCCIcombustionandHCCIcontrolbyfuels [5] [6] [7] [8] andadditives[J].CombustionandF/ame,2003,132(1-- 2):219—239. Tan~aShigeyukii,AyalaFerrann,KeckJC.Areduced chemicalkineticmodelforHCCIcombustionofprimaryref- erencefuelsinarapidcompressionmachine[J].Combus— tionandF/ame,2003,133(4):467—481. 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