不同燃油對某重型柴油機燃燒穩定性影響分析

顧程，喬新勇，韓立軍

(1.陸軍裝甲兵學院 車輛工程系，北京 100072；2.武警工程大學烏魯木齊校區，新疆 烏魯木齊 830049)

0 引言

我國現役裝備主要使用重型柴油機作為動力裝置[1]。由于柴油機燃燒過程的隨機性，會導致出現燃燒的循環變動，不僅影響柴油機的輸出功率穩定性、降低裝備的操作性能，而且對柴油機的使用壽命也有一定影響[2]。

早在發動機發展之初，這種燃燒不穩定現象就被學者發現，并圍繞燃燒循環波動進行研究。Wagner等[3]利用單缸機研究了氣流運動狀態和噴油時間對發動機循環波動的影響。Efthimios[4]利用天然氣發動機考慮了整個燃燒過程得到每個曲軸轉角下的循環波動率曲線，并由該曲線得到燃燒始點、燃燒終點以及CA50點。Litak等[5-6]研究了最大爆發壓力及其相位的循環變動規律，并結合多尺度熵估計波動隨機性的影響。王立媛等[7]和楊立平等[8]利用時間延遲法對增壓中冷天然氣發動機進行研究，結果表明系統運動軌線都是有限范圍內的非周期運動，具有復雜重疊的幾何結構。李冰林等[9]研究了小型二沖程發動機在中高速不同負荷條件下的燃燒循環變動，結果表明燃燒百分率對應的曲軸轉角能夠更好地表征循環波動，并認為氣體不均勻度減小是大負荷工況下循環變動變小的主要原因。劉帥等[10]以一臺點燃式發動機為研究對象，利用非線性動力學研究了汽油、液化石油氣以及壓縮天然氣3種燃料的循環變動規律，發現發動機燃燒過程具有混沌特性，且隨著燃料不同而改變。王利民等[11]針對天然氣- 汽油雙燃料發動機進行研究，發現在不同負荷下發動機循環變動特性不完全相同。臧杰等[12]研究了醇類混合燃料對發動機燃燒特性的影響，結果表明小負荷工況醇類燃料的循環波動高于純汽油，而大負荷工況下,醇類燃料有利于火核的形成,導致循環波動低于純汽油。湯琛等[13]研究了運行參數對汽油均質壓燃(HCCI)燃燒著火時刻循環變動的影響，表明進氣溫度和冷卻水溫度升高、進氣壓力增大有助于減小著火時刻循環變動,過量空氣系數和廢氣再循環率增大會增大著火時刻循環變動。

上述研究表明，國內外學者對點火式汽油機的循環變動研究較多，對于壓燃式柴油機研究較少，針對現役裝備所用的重型柴油機研究幾乎空缺。本文以現役某型坦克12缸增壓柴油機為研究對象，利用非線性動力學理論對最大扭矩工況和標定工況下3種燃油的柴油機燃燒循環波動進行分析，揭示了循環變動的動力學本質，所得結果可為改善柴油機燃燒穩定性、提高裝備動力性能提供理論支撐。

1 試驗設備及方案

本文試驗的研究對象為現役某型坦克柴油機，該柴油機為12缸V型四沖程渦輪增壓發動機，其氣缸直徑為150 mm，壓縮比為13～14(左右兩排氣缸略有差異)，標定轉速為2 000 r/min，最大扭矩轉速為1 400 r/min.根據試驗要求搭建試驗臺架如圖1所示，主要包含柴油機試驗控制系統、柴油機試驗輔助系統和奧地利德維創公司生產的DEWETRON燃燒分析儀等。試驗以左2缸為測試對象，將該缸的空氣起動閥卸下，裝入Kistler壓力傳感器。圖1中，pc、pe、pi、Q分別為缸內壓力、排氣壓力、進氣壓力和進氣量。

圖1 柴油機臺架試驗設備Fig.1 Test equipment of diesel engine bench

試驗過程中，選用3種不同品質的軍用柴油作為燃料，分別進行標定工況下及最大扭矩工況下的臺架試驗。工況穩定后，采用德國奇石樂公司生產的Kistler 6056A型壓力傳感器，通過DEWETRON燃燒分析儀連續采集117個工作循環，記錄缸內壓力變化曲線。該傳感器測量范圍為0～250 bar，靈敏度為20 pC/bar，固有頻率為160 kHz，熱沖擊誤差較低，瞬時壓力誤差Δp≤±0.5 bar，平均有效壓力誤差ΔIMEP≤±2%，可用于爆震壓力波的測量。其中，數據采樣間隔為0.4 °CA，每個工作循環采用1 800個點，試驗所用3種燃油的主要理化性質如表1所示。

試驗的測量誤差主要來自安裝引起的誤差和儀器誤差。在安裝過程中，通過拆卸氣缸的空氣起動閥裝入壓力傳感器，破壞了原有結構，測量數據較原數據有所偏差；所用設備的精度以及設定的數據采樣間隔也會對測量誤差產生一定的影響。

表1 3種燃油理化性質指標Tab.1 Physical and chemical indicators of three fuels

2 基于相空間重構的燃燒穩定性分析

燃燒穩定性是指發動機燃燒室內燃燒狀態的平穩性。柴油機是一個復雜的非線性系統，柴油機缸內燃燒過程伴隨著復雜的物理化學變化，其狀態變量之間的相互作用規律往往難以直接觀察得到[14]。相空間能夠對系統所有可能狀態空間完備表示，即系統的每個潛在狀態均在相空間中有對應點，系統的全部信息隱含在任一分量的演化過程中，運用相空間分析能夠直觀地反映系統的動力學特性。

延遲坐標法和微分坐標法是相空間重構的兩種基本方法[15]。由于燃燒過程缸內壓力時間序列的導數具有重要的物理意義，選用微分坐標法對缸內壓力時間序列進行相空間重構，對燃燒過程的動力學規律進行研究。

經相空間重構后，建立的三維微分坐標系如(1)式所示，重建的相空間ΩXYZ如(2)式所示：

(1)

ΩXYZ={(X,Y,Z)∈R3}，

(2)

為了更直觀地對相空間變化規律進行研究，對重構的相空間采用平面投影方式降維，將三維相空間投影到平面ΣXY={(X,Y)∈R2}上，探討相空間軌跡的變化規律。

圖2所示為缸內壓力相空間重構后在OXY平面的投影及部分缸內壓力變化圖。由圖2可知，每條封閉的曲線對應柴油機的一個燃燒循環，曲線的發展規律類似又不盡相同，表明柴油機缸內狀態呈現一定的混沌特性。圖2中的尖端為柴油機進氣與排氣階段，這一階段缸內壓力升高率上升緩慢，燃燒開始后壓力升高率迅速增大，拐點位置代表燃燒始點。燃燒開始后壓力升高率迅速上升，燃燒時刻、位置以及混合物濃度分布等影響引起了燃燒的循環變動。在燃燒過程中，缸內壓力呈現振蕩的特點，這是因為在一定條件下，柴油機放熱速度和加速度過大、引起缸內壓力升高速度及加速度激增，氣體來不及正常膨脹和傳遞壓力，產生了帶有爆炸性質的燃燒。圖2可以劃分為3個區域：Ⅰ區為缸內壓力首次振蕩區域，主要由于滯燃期階段積累了部分燃油，一旦著火，火焰迅速蔓延引起缸內壓力突升；Ⅱ區為缸內壓力第2次振蕩區域，由于處在預混合燃燒階段，且此時噴油速率較高，該區域的壓力升高率依然較高，出現第2次壓力振蕩；Ⅲ區為壓力振蕩頻繁區域，由于該區域燃燒發生在上止點附近，近似于等容燃燒，燃燒產生的沖擊波在燃燒室壁發生多次反射，造成缸內壓力頻繁振蕩。燃燒穩定時，各循環軌跡線相對集中，重合度高，相空間結構較為緊密，3個區域能夠明顯區分；由于燃料或外界環境的變化等原因造成燃燒穩定性下降，相空間中的軌線明顯分散，區域邊界不再清晰，尤其是Ⅱ區、Ⅲ區可能發生混疊。

圖2 相空間重構后缸內壓力在OXY平面的投影圖Fig.2 Projection diagram of in-cylinder pressure on OXY plane after phase space reconstruction

最大扭矩工況下，3種燃油缸內燃燒過程相空間平面投影如圖3所示。從圖3中可以看出，柴油機在燃用不同燃油時，缸內燃燒過程發展趨勢較一致，即缸壓- 壓升曲線形狀具有相似性，均存在明顯的壓力波動。然而由于3種燃油的理化性質不同，其循環變動的跡線及波動的位置、幅值也有所差異。由圖3可見：當燃用柴油A時，燃燒階段各循環跡線集中分布在軌跡平均線兩側，軌跡重合度高，相空間結構相對緊密，3個區域邊界明顯，壓力振蕩幅值較小，表明各循環相空間各點狀態一致性好，燃燒穩定性高；當燃用柴油B時，燃燒階段各循環跡線發散程度明顯增大，壓力振蕩幅值上升，Ⅱ區、Ⅲ區發生混疊，燃燒穩定性下降；當燃用柴油C時，最大缸內壓力明顯低于前兩種燃油，區域邊界模糊，Ⅱ區、Ⅲ區發生混疊且與Ⅰ區的邊界也不明顯，燃燒始點推遲，圖3(c)中圓圈區域的最大壓力升高率較其他循環明顯升高，出現爆燃循環，表明柴油C做功能力較差且燃燒穩定性差。

圖3 3種燃油在最大扭矩工況下缸內燃燒過程相空間平面投影Fig.3 Planar projection diagrams of phase spaces of three fuels in the combustion process under the maximum torque condition

標定工況下，3種燃油缸內燃燒過程相空間平面投影如圖4所示。對比圖3最大扭矩工況可以看出，隨著轉速的上升，燃用3種燃油的循環變動跡線重合度提高，各循環跡線集中分布在軌跡平均線兩側，相空間結構相對緊密，區域界線明顯，壓力升高率也變得緩和，燃燒穩定性升高。

圖4 3種燃油在標定工況下缸內燃燒過程相空間平面投影Fig.4 Planar projection diagrams of phase spaces of three fuels in the process of in-cylinder combustion under calibration conditions

不同燃油理化性質造成燃燒過程缸內壓力變化規律的差異。柴油A和柴油B的指標參數較接近，燃燒過程差異不大，而柴油C與其他兩種相差較大，其十六烷值較柴油A、柴油B分別低7.7和6.2，不容易著火，滯燃期延長，且10%餾出溫度分別低46.8 ℃和38.9 ℃，預混燃燒增強，壓力升高率增大，燃燒不穩定。

3 燃燒參數的循環波動分析

柴油機燃燒過程的隨機性必然引起其燃燒參數的循環波動，利用各燃燒參數的標準偏差和循環波動率，能夠對循環波動進行有效的分析。循環波動率的計算公式如(3)式所示：

(3)

3.1 缸內壓力循環波動分析

為分析缸內壓力各個位置循環變動規律，對循環中每個曲軸轉角處的壓力循環波動率進行計算。圖5顯示了柴油機在工作過程中各曲軸轉角處壓力波動規律。從圖5中可以看出，各曲軸轉角處壓力波動曲線整體呈W字形分布，曲線分別在該缸進氣門開關階段、燃燒階段以及同排缸進氣門關閉階段出現峰值。在進氣階段，進氣門的開關均會導致缸內氣流擾動、形成湍流，進而引起缸內壓力波動率變大。由于排氣門直徑比進氣門稍小，且開關時刻均在活塞下行階段，排氣門開關引起的缸內壓力波動較小。進氣門關閉后，缸內形成一個封閉空間，缸內混合氣運動較穩定，壓力波動率逐漸下降，曲線出現第1個極小值點；上止點前燃料壓燃，燃燒導致缸內壓力的循環波動迅速上升，達到燃燒階段峰值。由圖5(b)看出：燃燒階段壓力波動率峰值分別對應前述缸內壓力振蕩的3個區域，即壓力波動率隨著壓力振蕩的出現而上升，且I區壓力波動率峰值最高、Ⅱ區次之、Ⅲ區最低；燃燒結束后，壓力波動率出現第2個極小值點，排氣門開啟后，壓力波動率再次上升到較高的水平。

圖5 各曲軸轉角處壓力波動規律及局部放大圖Fig.5 Fluctuations and parial enlarged view of inclyinder preasures at all crank angles

圖6所示為3種燃油在最大扭矩工況下各曲軸轉角處循環波動規律。從圖6中可以看出，燃用不同燃油時各曲軸轉角處波動循環規律趨勢相似，峰值幅值和相位略有差異。壓力振蕩主要發生在預混合燃燒階段，壓力振蕩的隨機性也是造成壓力循環波動的原因。燃燒階段循環波動率越高，表明每循環在該階段的壓力不確定性越大，出現爆燃的概率越高，燃燒越不穩定。本文選取燃燒開始后前兩次振蕩區域(即Ⅰ區和Ⅱ區)對3種燃油的循環波動率進行分析。燃用柴油A時，燃燒過程較穩定，循環波動率前兩個峰值為8.2%和5.5%；燃用柴油B和柴油C時，燃燒穩定性出現不同程度的下降，循環波動率前兩個峰值分別上升到11.8%、13.9%和6.5%、6.6%.另外，循環波動率峰值出現的相位不同也在一定程度上反映了滯燃期的長短，柴油A最短，柴油C最長。燃燒開始后，柴油C累積的可燃混合物較多，預混燃燒加強，缸內燃燒不確定性增大，導致壓力循環波動率上升，燃燒穩定性下降。該缸進氣門開關時刻的波動率峰值為柴油A>柴油B>柴油C，同排缸進氣門的開關對燃用不同柴油的循環波動率影響不大。

圖6 3種燃油在最大扭矩工況下各曲軸轉角處循環波動規律Fig.6 In-cylinder pressure fluctuations of 3 fuels at all crank angles under maximum torque condition

標定工況下循環波動規律如圖7所示。由圖7可見，3種燃油在燃燒階段各曲軸轉角處循環波動率均有所下降，柴油A、柴油B、柴油C的循環波動率第1峰值分別為3.7%、3.3%、3.9%，第2峰值分別為3.1%、2.7%、3.0%，由此可以看出，隨著轉速的上升，燃燒穩定性增強，燃料理化性質引起的燃燒階段循環波動差異逐漸減小。但轉速升高、進氣量增大，會導致進氣門開關階段的循環波動峰值變大。

圖7 3種燃油在標定工況下各曲軸轉角處循環波動規律Fig.7 In-cylinder pressure fluctuations of 3 fuels at all crank angles under calibration condition

3.2 燃燒始終點循環波動分析

圖8所示為3種燃油在最大扭矩工況下的燃燒始點和終點。從圖8可以看出：在最大扭矩工況下，柴油A的燃燒始點、燃燒終點均出現較早、滯燃期較短，燃燒始點分布在上止點前18 °CA～16 °CA之間，循環波動率為2.87%，燃燒終點分布在48 °CA～58 °CA之間，循環波動率為4.21%；燃用柴油B時，燃燒始點分布在上止點前17 °CA～15 °CA之間，循環波動率為3.44%，燃燒終點分布在50 °CA～60 °CA之間，循環波動率為3.28%；燃用柴油C時，燃燒始點分布在上止點前16 °CA～14 °CA之間，循環波動率為3.78%，燃燒終點分布在50 °CA～65 °CA之間，循環波動率為4.88%，且出現2個燃燒循環后燃嚴重。

圖8 3種燃油在最大扭矩工況下燃燒始點與終點Fig.8 Starting and end points of combustion of three fuels under maximum torque condition

圖9所示為3種燃油在標定工況下的燃燒始點與終點。從圖9可以看出，在標定工況下，3種燃油燃燒始點分布的排列次序同最大扭矩工況一致，但柴油A的燃燒終點較其他兩種相對延后，表明柴油A的燃燒持續期較長。整體來看，隨著轉速的增加，燃燒始點、燃燒終點均后移，以曲軸轉角計的滯燃期增長。

圖9 3種燃油在標定工況下燃燒始點與終點Fig.9 Starting and ending points of combustion of three fuels under calibration condition

4 基于返回映射的IMEP研究

返回映射是選取相鄰循環的某一參數分別做橫坐標、縱坐標得到的離散映射，實質是嵌入維數為2、時間延遲為1的相空間重構方式，既能簡化相空間軌跡，又能保留大多數信息。

為了更方便直觀地觀察缸內燃燒過程的動力學特性，選用能表征整個燃燒循環壓力變動的平均指示壓力(IMEP)作為參數，將相鄰兩個循環的平均指示壓力組成一組數據點，117個循環共組成116組數據點，得到一組返回映射。返回映射計算公式如(4)式所示：

(4)

圖10、圖11分別為3種燃油在最大扭矩工況和標定工況下平均指示壓力時間序列的返回映射。最大扭矩工況下，柴油A、柴油B的平均指示壓力相當，略高于柴油C，即柴油A和柴油B的做功能力強于柴油C.但柴油A的映射點較密集，表明柴油A各循環間平均指示壓力有較強的相關性，對外做功過程較為穩定。柴油B和柴油C的映射點較分散，平均指示壓力循環波動率分別較柴油A高2.1%和4%，表明燃用柴油B和柴油C時，各循環間平均指示壓力出現隨機性，對外做功穩定性下降。隨著轉速的提高，3種燃油平均指示壓力的循環波動率均有所提高，柴油B的升高幅度最明顯。

圖10 3種燃油在最大扭矩工況下平均指示壓力時間序列的返回映射Fig.10 Return maps of time series of IMEP with different fuels under maximum torque condition

圖11 3種燃油在標定工況下平均指示壓力時間序列的返回映射Fig.11 Return maps of time series of IMEP with different fuels under calibration condition

5 結論

1)柴油機缸內狀態呈現一定的混沌特性。按照缸內壓力呈現出振蕩的特點將燃燒階段劃分為3個區域，與壓力波動率峰值相對應，且按照Ⅰ區、Ⅱ區、Ⅲ區的順序峰值依次下降。

2)最大扭矩工況下，柴油機燃用柴油A、柴油B、柴油C時，相空間跡線逐漸發散，燃燒階段的壓力波動率峰值依次升高；燃燒始點延后，平均指示壓力波動率上升，燃燒穩定性降低，對外做功不穩定。

3)標定工況下，3種燃料的燃燒穩定性均比最大扭矩工況有所提升，但在燃燒階段壓力波動峰值以及各燃燒參數的循環波動率上提升程度有所差異。