均质充量压燃(HCCI)技术已经成为内燃机领域的研究热点之一。与传统SI燃烧模式下类似,HCCI燃烧模式下燃料与空气为预混方式,但混合气浓度较SI燃烧更加稀薄,且采用压缩着火的方式,因此能够使缸内燃烧峰值温度较低,实现低温燃烧(LTC),从而大幅降低NO _x与PM排放^{[ 1, 2]}。目前,在内燃机研究领域内HCCI技术被公认为能够满足日益严格的排放法规的新型燃烧模式。另一方面,乙醇作为汽油的主要替代燃料之一,其HCCI燃烧技术也得到了广泛的研究。与汽油相比,乙醇具有更好的抗爆性能,因此将乙醇作为HCCI燃烧的燃料能够有效抑制燃烧不稳定引起的爆震,同时获得更高的燃烧爆发压力,使HCCI工况范围得以拓展^{[ 3]}。此外,乙醇作为含氧燃料也有助于促进HC氧化,降低HCCI燃烧产生的HC排放。然而,尽管HCCI燃烧具有这些优点,但是由于缺乏对其直接有效的精确燃烧控制手段、工况范围受到爆震的限制较窄,其仍然无法在产品发动机上得到广泛应用^{[ 4]}。

离子电流检测技术是一种不同于缸压信号、能准确反映缸内燃烧状态的燃烧检测手段。在燃烧过程中,离子反应会在火焰中产生中间离子产物^{[ 5]},这些离子的浓度与燃烧进程有着密切联系^{[ 6]}。通过施加偏置电压,在离子形成区域内产生电场,能使离子定向移动形成电流。该电流信号的特征参数,能够作为反馈信息用于发动机燃烧控制中^{[ 7]}。鉴于离子电流信号的实时性,该检测技术为实现基于循环的HCCI燃烧控制提供了新的研究方向。此外,由于离子电流检测系统成本低廉,结构简洁,在产业化方面具有巨大潜力^{[ 8]}。本文基于DI-HCCI发动机试验台架,对乙醇DI-HCCI燃烧过程中的缸压信号、排放信号以及离子电流信号等进行采集,并结合乙醇DI-HCCI燃烧状态,分析乙醇DI-HCCI燃烧时的离子电流信号特征。

图1

Fig.1

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	图1 缸内直喷HCCI试验台架示意图Fig.1 Schematic diagram of DI HCCI test bench

试验台架系统如图1所示,基于一台双缸柴油机改造成的缸内直喷HCCI发动机,其参数如下:发动机排量为800 cm³;缸径×冲程为95 mm×114 mm;压缩比为11.5∶1;IVO为17°CA BTDC,IVC为43°CA ABDC,EVO为47°CA BBDC,EVC为17°CA ATDC;喷油方式为缸内直喷;喷油压力为8 MPa;喷油时刻为50°CA ATDC(主喷)、250°CA ATDC(后喷)。

基于Freescale MC9S12X单片机搭建了本台架的控制单元,对高压油轨压力、喷油时刻以及喷油脉宽等参数进行控制。采用两阶段喷油方式,在进气冲程进行第一段喷射(首喷),压缩冲程较早时刻进行第二段喷射(次喷),两次射喷喷油量约为3∶1。乙醇相比汽油具有较高的气化潜热,为使乙醇良好气化,在节气门前安装了进气加热装置,以提高缸内热氛围。缸内压力通过Kistler 6125B型缸压传感器配合5007型电荷放大器进行检测。离子电流信号检测系统如图2所示。所有信号均利用NI PCI-6250高速采集卡采集。

图2

Fig.2

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	图2 离子电流检测系统示意图Fig.2 Schematic diagram of detection system of ion current

为了对乙醇DI-HCCI燃烧模式下的离子电流特征进行研究,本文在试验分析的同时,利用GT-Power耦合Chemkin-Pro,对乙醇HCCI燃烧进行了仿真计算,并对燃烧过程中离子产物的生成规律进行了分析。

由于Chemkin-Pro在模拟发动机缸内燃烧时,是将发动机气缸视为封闭模型,因此计算初始时刻选取为进气门关闭时刻。为了能够获得该时刻发动机缸内温度与压力边界条件,采用GT-Power对发动机着火前缸内的温度及压力变化进行模拟,并将进气门关闭时刻的压力温度条件作为Chemkin计算输入量导入。图3为乙醇HCCI试验与模拟结果的对比,可以看出,模拟结果的压力曲线在纯压缩阶段能够与试验结果保持较好的一致性;但在燃烧部分模拟结果的压力上升率比试验结果的更大,且产生的峰值压力也较高。这是由于在计算过程中,将发动机视为封闭理想模型,对实际发动机工作过程中多种能量的传递与损失进行了简化及忽略,燃烧发生比实际情况更为迅速与集中。尽管模拟结果与试验结果的压力上升率与压力峰值存在一定的偏差,但是压力峰值相位仍然保持了一致。

图4所示为不同工况下多个循环的压力峰值的模拟结果和试验结果的对比。图5为压力峰值相位的模拟结果与试验结果的对比。

图3

Fig.3

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	图3 乙醇HCCI试验与模拟缸压曲线对比Fig.3 Cylinder pressure of ethanol HCCI(experiment vs.simulation)

图4

Fig.4

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	图4 多个循环的压力峰值的模拟和试验结果Fig.4 Peak pressure for multi cycles(experiment vs.simulation)

图5

Fig.5

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	图5 压力峰值相位的模拟与试验结果Fig.5 Peak pressure phase for multi cycles(experiment vs.simulation)

从图4和图5可发现,采用Chemkin计算得到的结果与试验结果具有较好的一致性。因此,该模型可用于研究乙醇HCCI燃烧过程及离子产物形成的规律。

(1)发动机负荷增加时,乙醇DI-HCCI燃烧产生的离子电流信号峰值显著上升,信号峰值相位及信号始点提前,信号持续期明显延长,同时离子电流信号最大升高率也会增加。本试验中,当IMEP从0.27 MPa升高至0.4 MPa时,信号峰值增加了约2.5 V,信号始点提前了约4^oCA,信号持续期延长了约1.5倍。

(2)通过对乙醇HCCI燃烧P点的离子反应路径的分析,验证了乙醇HCCI燃烧过程中离子的转换过程:CHO⁺完全由CH转化而来,且CHO⁺生成后迅速完全反应生成H₃O⁺,H₃O⁺是形成离子电流的主要离子产物。

(3)离子反应路径的分析结果表明,当量比升高,混合气较浓时,CH生成速率较快,从而促进了CHO⁺以及H₃O⁺的生成,并且伴随较高的燃烧温度,离子反应也得以提前发生。