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 Journal of Combustion Science and Technology Vo1．11 No．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 1 800 r／min下不同负荷时的燃烧特性和排放特 性．实验结果表明：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 850 K左右，到950 K结束，进入负温度系数区(NTC)，在1 125 K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)排放显著改善，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 Effect of Additive on the Ignition，Combustion，and Emissions for HCCI Engine Fueled with High RON Fuels LU Xing-cai，CHEN Wei，HUANG Zhen (Institute of Internal Combustion Engine，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200030，China) Abstract：The effects of the Di—tertiary butyl peroxide(DTBP)additive on the heat release rate，ignition timing，combus— tion duration，and emissions of HCCI engine fueled with high research octane number(RON)fuels were investigated．The experiments were performed using 0，1％，2％，3％，and 4％(by volume)DTBP—RON90 blends．The RON90 fuel were ob— mined by blending 90％ iso一~tane with lO％ n—heptane．The Combustion and emission features of 5 fuel at different 1 800 r／min loads were examined．The experimental results show that without addictive in RON90，HCCI combustion is on— ly possible within the high temperature and high engine load range oporation．The operation range is remarkably extended to lower temperature and lower engine load with a small amount of DTBP additive in RON90 fue1．For all fuels at different en— gine working conditions，the first ignition phase of HCCI combustion was observed at 850 K，ended at 950 K，and the hot ignition occurred at 1 125 K．The chemical reaction scale time shortens with the increase of DTBP．Therefore the ignition timing advances，the combustion duration shortens，and the combustion efficiency improves at lower engine load．Mean— while，the UHC and CO emissions decreased sharply with the DTBP addition，while the NO emissions remain at a lower 1eve1． Keywords：homogeneous charge compression ignition；additive；high RON fuel；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，师，博士，lyuxc@6tu．edu．ca． 维普资讯 http://www.cqvip.com 燃 烧 科 学 与 技 术 第 11卷 第3期 HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition) 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．① 热作用：添加剂在很低温度下放热，提高系统的总体温 度；② 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 1 HCCI发动机的主要结构参数 技术参数 指标 缸径 ×行程／mm×mm 98×105 排量／L 0．782 压缩比 18．5：1 喷油提前角／。CA BTDC 285 进气门开启／。CA BTDC 16 进气门关闭／。CA ABDC 52 排气门开启／。CA BBDC 66 排气门开闭／。CA ATDC l2 图1 HCCI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(AVL Di Gas 4000)．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Kisfler 5015型 维普资讯 http://www.cqvip.com 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1 440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35 cc或冷却水温度高于92 cc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80～90 cc 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18～22 cc，冷却水出水温度控制在82～ 88 cc．下面分析中所列出的RON90无DTBP是在进气 温度18～22 cc，冷却水温度在92～95 cc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=1 800 r／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=1 800／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 维普资讯 http://www.cqvip.com 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 3．2 DTBP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H O 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=1 800 r／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850 K发生冷焰反应， 950 K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850 K的酮类物 质裂解温度．在950 K发生竞争反应，低温放热结束． 维普资讯 http://www.cqvip.com 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 3．3 DTBP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著，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 0-25 0 30 0．35 0 40 0．45 0 (b)燃烧开始温度 800 《 600 3 400 200 O 0 5 蕾 O 《 {一10 (c)燃烧持续期 - + RON90+1％DTBP J + RON90+2％D_rHP ／ 三 RON∞90 +4％DTBPR0N90 十 ， ·+ ’ ●— 一 ．Pl聿 一 一 O 25 0．3O 0．35 0．40 0．45 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 维普资讯 http://www.cqvip.com · 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 1 125 K左右．因为 HCCI的 热着火是由H O 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 H O 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 著增加，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：① 燃烧室壁面的火 焰淬熄，留下未燃的燃料一空气附着层；② 缝隙中充满 了未燃的碳氢燃料；③ 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；④ 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排放显著降低． 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1 00×1 0-¨，此时平均指示压力达到 0．65 MPa． - 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850 K，到 950 K结束进入负温度系数区，在 1 125K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 维普资讯 http://www.cqvip.com 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排放显著改善，NO 排放也保持在很 低的水平． 参考文献： [2] [3] [4] Onishi S，Jo S H，Shoda K，et a1．Actived thermo·atmos· phere combustion(ATAC)：A new combustion process for internal combustion engines[A]．In：SAE Paper[C]．1979， 79O5O1． Noguchi M，Tanaka T，Takeuchi Y．A study on gasoline en— gine combustion by observation of intermediate reactive prod· ucts during combustion[A]．In：SAE Paper[C]．1979， 790840． Najt P M，Foster D E．Compression·ignited homogeneous charge combustion[A]．In：SAEPaper[C]．1983，830264． Tanaka Shigeyukii，Ayala Ferrann，Keck J C，et a1．Two— stage ign ition in HCCI comb ustion and HCCI control by fuels [5] [6] [7] [8] and additives[J]．Combustion and F／ame，2003，132(1-- 2)：219—239． Tan~a Shigeyukii，Ayala Ferrann，Keck J C。A reduced chemical kinetic model for HCCI combustion of primary ref- erence fuels in a rapid compression machine[J]．Combus— tion and F／ame，2003，133(4)：467—481． Griffiths J F，Philips C H．Experimental and numerical stud· jes of the comb ustion of di·tertiary butyl peroxide in the pres· ence of oxygen at low pressure in a mechan ically stirred closed vessel[J]．Combustion and F／ame，1990，81：304— 316． Daniel F，Salvador M A，Joel M F，et a1．Effect offree·radi· cal release on diesel ign ition delay under simulated cold· starting conditions[J]．Combustion and F／ame，1990，81： 242— 250． Flowers Daniel，Aceves Salvador M，Martinez·Frias Joel，et a1．Operation of a four·cylinder 1．9 L propane fueled homog· enous charge compression ignition engine：Basic operation characteristics and cylinder·to·cylinder e~cts[A]．In：SAE Paper[C]．2001，2001-01·1895． 维普资讯 http://www.cqvip.com