二甲醚發(fā)動機(jī)組合燃燒壓力振蕩特性研究

侯軍興，楊海鵬，鄭路，李樹豪，張華陽，安曉東

(1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院航空宇航學(xué)院，河南 鄭州 450046；2.鄭州工程技術(shù)學(xué)院機(jī)電與車輛工程學(xué)院，河南 鄭州 450044)

能源危機(jī)和環(huán)境污染是發(fā)動機(jī)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，開發(fā)清潔低碳燃料燃燒技術(shù)是解決問題的方法之一。含氧燃料二甲醚十六烷值較高，壓燃發(fā)動機(jī)燃用二甲醚可以實(shí)現(xiàn)零炭煙排放和低NO排放。將二甲醚進(jìn)氣道噴射與缸內(nèi)噴射組合起來，根據(jù)發(fā)動機(jī)的性能需求采用不同的HCCI燃燒/缸內(nèi)噴霧燃燒組合比例，可以進(jìn)一步降低發(fā)動機(jī)的NO排放，拓展HCCI運(yùn)行工況范圍。目前，國內(nèi)外對組合燃燒的研究主要集中在燃燒和排放方面，針對壓力振蕩的研究較少。柴油機(jī)缸內(nèi)的燃燒呈現(xiàn)一定的混沌特性，在燃燒過程中會出現(xiàn)缸內(nèi)壓力振蕩，并且燃燒過程中的壓力振蕩與燃燒噪聲有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，它和氣體動力載荷是燃燒噪聲產(chǎn)生的主要原因。研究表明，控制預(yù)噴燃燒、主噴燃燒和添加聚甲氧基二甲醚等措施均可以控制燃燒壓力振蕩，其中預(yù)噴燃燒對壓力振蕩的影響大于主噴燃燒。柴油里添加聚甲氧基二甲醚，缸內(nèi)壓力升高率峰值減小，峰值相位提前，燃燒振蕩能量和振蕩幅值減小。

試驗(yàn)研究了不同轉(zhuǎn)速下二甲醚發(fā)動機(jī)組合燃燒的壓力振蕩特性，確定了組合燃燒壓力振蕩的時(shí)域特性和頻域特性，進(jìn)一步考察了進(jìn)氣道引入燃料量對壓力振蕩時(shí)域特性和頻域特性的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)裝置

將傳統(tǒng)的二甲醚壓燃發(fā)動機(jī)改造為HCCI 燃燒/缸內(nèi)噴霧的組合燃燒發(fā)動機(jī)，二甲醚組合燃燒試驗(yàn)裝置示意見圖1。由圖1可知，組合燃燒包括兩部分：第一部分為缸內(nèi)直噴燃燒，二甲醚罐內(nèi)的燃料經(jīng)過濾器過濾、低壓泵加壓、高壓泵二次加壓后，通過噴油器在氣缸內(nèi)直接噴射燃燒；第二部分為進(jìn)氣道引入HCCI燃燒，二甲醚罐內(nèi)的燃料經(jīng)過蒸發(fā)器蒸發(fā)，引入進(jìn)氣道，在混合器內(nèi)與新鮮空氣混合均勻，混合氣進(jìn)入發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)燃燒。

圖1 組合燃燒試驗(yàn)裝置示意

缸內(nèi)壓力采用壓力傳感器、電荷放大器和數(shù)據(jù)采集儀采集，采樣頻率為20 kHz。為研究不同燃燒狀態(tài)的壓力振蕩特性，試驗(yàn)中引入進(jìn)氣道的燃料量(PI)由小變大，使缸內(nèi)壓力呈現(xiàn)正常燃燒狀態(tài)和不同程度的壓力振蕩。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 1 500 r/min不同燃燒狀態(tài)的壓力振蕩分析

圖2示出轉(zhuǎn)速1 500 r/min，平均有效壓力0.2 MPa，不同燃燒狀態(tài)的缸內(nèi)壓力和放熱率。由圖2a可知，進(jìn)氣道燃料量PI為0.77 mg/s時(shí)正常燃燒，燃燒較柔和，最大缸內(nèi)壓力為5.57 MPa，其相位為上止點(diǎn)后7°。PI增加到1.22 mg/s時(shí)呈輕微壓力振蕩，最大缸內(nèi)壓力增加，相位提前，分別為6.81 MPa和上止點(diǎn)后1°。PI進(jìn)一步增加到1.37 mg/s時(shí)，缸內(nèi)壓力振蕩加劇，出現(xiàn)劇烈壓力振蕩，最大缸內(nèi)壓力增加到7.09 MPa，相位提前到上止點(diǎn)前1.5°。由圖2b可知，PI分別為0.77 mg/s，1.22 mg/s和1.37 mg/s時(shí)，放熱率曲線均呈三階段放熱，分別為進(jìn)氣道引入二甲醚的HCCI燃燒的低溫放熱a、高溫放熱b和擴(kuò)散燃燒c。PI與三階段放熱規(guī)律的關(guān)系如下：1)PI增加，HCCI燃燒低溫放熱a的峰值增加，峰值相位提前，其峰值分別為48.72 J/(°)，84.58 J/(°)和90.10 J/(°)，峰值相位分別為上止點(diǎn)前25°、上止點(diǎn)前26°和上止點(diǎn)前27°；2)PI增加，高溫放熱b先由單峰變?yōu)殡p峰，進(jìn)而雙峰峰值增加，峰值分別為99.25 J/(°)，244.38 J/(°)和372.62 J/(°)，峰值相位分別為上止點(diǎn)前9°、上止點(diǎn)前14°和上止點(diǎn)前14°；3)PI增加，擴(kuò)散燃燒部分c波動劇烈。

圖2 1 500 r/min時(shí)不同燃燒狀態(tài)的缸內(nèi)壓力和放熱率

參照聲壓級的定義，將缸內(nèi)壓力級定義為缸內(nèi)壓力快速傅里葉變換(FFT)結(jié)果與基準(zhǔn)壓力(20 μPa)的比值，取自然對數(shù)，再乘以20，單位為dB。對1 500 r/min時(shí)不同燃燒狀態(tài)的缸內(nèi)壓力信號進(jìn)行FFT變換，計(jì)算其缸內(nèi)壓力級，不同PI下的缸內(nèi)壓力級頻譜曲線見圖3。

圖3 1 500 r/min時(shí)不同燃燒狀態(tài)的缸內(nèi)壓力級

由圖3可知，PI為0.77 mg/s，1.22 mg/s和1.37 mg/s時(shí)，缸內(nèi)壓力級頻譜曲線均呈現(xiàn)三個(gè)階段：速降段1、緩降段2和波動段3。隨著PI值的增加，燃燒狀態(tài)由正常燃燒演變?yōu)檩p微壓力振蕩，再由輕微壓力振蕩演變?yōu)閯×覊毫φ袷帲@個(gè)過程中速降段1的下降變緩，緩降段2和波動段3的波動幅度變大。PI為0.77 mg/s，1.22 mg/s和1.37 mg/s時(shí)，速降段1的范圍分別為0～0.35 kHz，0～0.56 kHz和0～0.53 kHz；緩降段2的范圍分別為0.35～5.4 kHz，0.56～4.4 kHz 和0.53～4.3 kHz；波動段3的范圍分別為0.35～10 kHz，0.56～10 kHz和4.3～10 kHz。

2.2 1 100 r/min不同燃燒狀態(tài)的壓力振蕩分析

圖4示出轉(zhuǎn)速1 100 r/min，平均有效壓力0.2 MPa，不同燃燒狀態(tài)的缸內(nèi)壓力和放熱率。由圖4a可知，0.80 mg/s正常燃燒和1.00 mg/s輕微壓力振蕩時(shí)，最大缸內(nèi)壓力分別為6.79 MPa和7.85 MPa，其相位分別為上止點(diǎn)后5.5°和4.5°。由圖4b可知，PI為0.80 mg/s和1.00 mg/s時(shí)，放熱率曲線呈HCCI燃燒低溫放熱a、高溫放熱b和擴(kuò)散燃燒c三個(gè)階段。PI與三階段放熱規(guī)律的關(guān)系如下：1)PI增加，低溫放熱部分a的峰值增加，分別為65.73 J/(°)和94.51 J/(°)，峰值相位提前，分別為上止點(diǎn)前24.5°和上止點(diǎn)前25°；2)PI增加，高溫放熱部分b由單峰變?yōu)殡p峰，其峰值分別為116.76 J/(°)和280.13 J/(°)，峰值相位分別為上止點(diǎn)前11.5°和上止點(diǎn)前15.5°；3)PI增加，擴(kuò)散燃燒部分c波動趨于劇烈。

圖4 1 100 r/min時(shí)不同燃燒狀態(tài)的缸內(nèi)壓力和放熱率

圖5示出1 100 r/min時(shí)不同燃燒狀態(tài)的缸內(nèi)壓力級頻譜曲線。由圖5可知，0.80 mg/s正常燃燒和1.00 mg/s輕微壓力振蕩時(shí)，缸內(nèi)壓力級頻譜曲線也呈現(xiàn)速降段1、緩降段2和波動段3三個(gè)階段。PI由0.80 mg/s增加為1.00 mg/s時(shí)，由正常燃燒演變?yōu)檩p微壓力振蕩，速降段1下降變緩，緩降段2和波動段3的波幅變大。兩個(gè)PI值下，速降段1的范圍分別為0～0.27 kHz和0～0.41 kHz，緩降段2的范圍分別為0.27～4.41 kHz和0.41～4.14 kHz，波動段3的范圍分別為5.39～10 kHz和4.14～10 kHz。

圖5 1 100 r/min時(shí)不同燃燒狀態(tài)的缸內(nèi)壓力級

2.3 不同特征頻域的壓力振蕩分析

根據(jù)圖3缸內(nèi)壓力級頻譜曲線速降段1、緩降段2和波動段3的頻率范圍，分別對缸內(nèi)壓力進(jìn)行帶通濾波，濾波后的缸內(nèi)壓力定義為，和，分別代表了低頻域、中頻域和高頻域三個(gè)不同頻域的缸內(nèi)壓力。缸內(nèi)壓力信息中包括正常燃燒壓力信息和壓力振蕩信息兩部分，低頻域子信號包含了正常燃燒壓力信息，子信號和包含壓力振蕩信息。圖6示出發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 r/min，平均有效壓力0.2 MPa，PI為0.77 mg/s，1.22 mg/s和1.37 mg/s時(shí)不同燃燒狀態(tài)的缸內(nèi)壓力子信號。由圖6a可知，子信號的曲線形狀與圖2a中缸內(nèi)壓力的曲線形狀相似，其最大值分別為5.54 MPa，6.69 MPa和7.02 MPa，略低于圖2a中對應(yīng)PI的缸內(nèi)壓力最大值；其相位分別為上止點(diǎn)后6°，3°和3°。由圖6b可知，PI為0.77 mg/s，1.22 mg/s和1.37 mg/s時(shí)，子信號均有兩個(gè)峰，第一峰出現(xiàn)的范圍分別為上止點(diǎn)前28.5°～13.5°、上止點(diǎn)前28°～15.5°和上止點(diǎn)前29°～17.5°，第二峰出現(xiàn)的范圍分別為上止點(diǎn)前13.5°～1.5°、上止點(diǎn)前15.5°～3°和上止點(diǎn)前17.5°～7.5°。與圖2b放熱率曲線對比可知，子信號第一峰的范圍對應(yīng)HCCI燃燒的低溫放熱部分a，第二峰的范圍對應(yīng)HCCI燃燒的高溫放熱部分b。這說明中頻域子信號包含了HCCI燃燒過程的壓力振蕩信息。由圖6c可知，PI為0.77 mg/s正常燃燒時(shí)，由于沒有出現(xiàn)壓力振蕩，信號曲線的振蕩幅值很小。當(dāng)PI為1.22 mg/s輕微壓力振蕩和1.37 mg/s劇烈壓力振蕩時(shí)，子信號曲線的振蕩幅值顯著變大，主要振蕩范圍分別為上止點(diǎn)前14°～上止點(diǎn)后9°、上止點(diǎn)前18°～上止點(diǎn)0°。與圖2b放熱率曲線對比可知，子信號主要振蕩范圍對應(yīng)HCCI燃燒的高溫放熱部分和缸內(nèi)直噴的擴(kuò)散燃燒部分，說明高頻域子信號包含了這兩部分燃燒過程的壓力振蕩信息。

圖6 不同燃燒狀態(tài)的缸內(nèi)壓力子信號

圖7示出1 500 r/min和1 100 r/min時(shí)不同燃燒狀態(tài)下子信號，和各個(gè)循環(huán)的壓力峰值，反映了不同燃燒狀態(tài)下第1個(gè)循環(huán)、第10個(gè)循環(huán)、第20個(gè)循環(huán)和第30個(gè)循環(huán)的低頻域、中頻域和高頻域的缸內(nèi)壓力信息。由圖7a和圖7b可知，對于低頻域子信號，無論1 500 r/min還是1 100 r/min時(shí)，PI增加，各個(gè)循環(huán)的峰值均增加，各個(gè)循環(huán)之間的峰值差別均較小。這是由于低頻域子信號主要包含缸內(nèi)壓力的正常燃燒信息，不包含中高頻壓力振蕩信息，所以各個(gè)循環(huán)之間的壓力峰值較穩(wěn)定。由圖7c可知，1 500 r/min，PI為0.77 mg/s時(shí)正常燃燒，中頻域子信號各個(gè)循環(huán)的峰值均明顯大于高頻域子信號各個(gè)循環(huán)的峰值，各個(gè)循環(huán)之間、各個(gè)循環(huán)之間的峰值差別均較小。PI增加為1.22 mg/s時(shí)，缸內(nèi)壓力出現(xiàn)輕微壓力振蕩，子信號各個(gè)循環(huán)的峰值增加不明顯，而子信號各個(gè)循環(huán)的峰值均顯著增加，由于存在壓力振蕩，中頻域子信號各個(gè)循環(huán)之間、高頻域子信號各個(gè)循環(huán)之間的峰值差別均較大。PI進(jìn)一步增加為1.37 mg/s時(shí)，出現(xiàn)劇烈壓力振蕩，子信號各個(gè)循環(huán)的峰值均顯著增加，各個(gè)循環(huán)之間、各個(gè)循環(huán)之間的峰值差別均較大。

圖7 不同燃燒狀態(tài)各循環(huán)的子信號峰值

1 100 r/min，PI為0.80 mg/s時(shí)正常燃燒，中頻域子信號各個(gè)循環(huán)的峰值顯著大于高頻域子信號各個(gè)循環(huán)的峰值，各個(gè)循環(huán)之間、各個(gè)循環(huán)之間的峰值差別均較小。PI為1.00 mg/s時(shí)，出現(xiàn)輕微壓力振蕩，子信號各個(gè)循環(huán)的峰值變化不明顯，子信號各個(gè)循環(huán)的峰值均顯著增加。綜上，1 500 r/min和1 100 r/min，不同燃燒狀態(tài)下子信號，和各個(gè)循環(huán)的峰值變化規(guī)律一致，即燃燒狀態(tài)決定了缸內(nèi)壓力振蕩的頻域分布。低頻域子信號反映了正常燃燒信息，中高頻域子信號和反映了壓力振蕩信息。

3 結(jié)論

a) 1 500 r/min，PI分別為0.77 mg/s，1.22 mg/s和1.37 mg/s時(shí)，放熱率曲線均呈三階段放熱，缸內(nèi)壓力級頻譜曲線均呈現(xiàn)速降段、緩降段和波動段三個(gè)階段：PI增加，HCCI燃燒低溫放熱部分的峰值增加，峰值相位提前，高溫放熱部分b由單峰變?yōu)殡p峰；擴(kuò)散燃燒部分c波動趨于劇烈；1 100 r/min時(shí)規(guī)律類似；

b) 缸內(nèi)壓力濾波處理得到低頻域子信號、中高頻域子信號和，子信號對應(yīng)正常燃燒壓力信息，子信號和對應(yīng)燃燒壓力振蕩信息，其中子信號第一峰對應(yīng)HCCI燃燒的低溫放熱壓力信息，第二峰對應(yīng)HCCI燃燒的高溫放熱壓力信息，子信號對應(yīng)HCCI燃燒的高溫放熱和缸內(nèi)直噴的擴(kuò)散燃燒壓力信息；

c) PI增加，子信號各個(gè)循環(huán)的峰值均增加，各個(gè)循環(huán)之間的差別很小；

d) 燃燒狀態(tài)決定了缸內(nèi)壓力振蕩的頻域分布。正常燃燒狀態(tài)，子信號各個(gè)循環(huán)的峰值均很小，子信號各個(gè)循環(huán)的峰值明顯大于各個(gè)循環(huán)的峰值；發(fā)生輕微壓力振蕩時(shí)，子信號各個(gè)循環(huán)的峰值變化不明顯，子信號各個(gè)循環(huán)的峰值均顯著增加；發(fā)生劇烈壓力振蕩時(shí)，子信號各個(gè)循環(huán)的峰值均顯著增加；發(fā)生壓力振蕩時(shí)，子信號各個(gè)循環(huán)之間、各個(gè)循環(huán)之間的差別均變大。