基于小波包的二甲醚發動機復合燃燒爆震能量分析

李帥博,尹發輝,胡文帥,侯軍興

鄭州航空工業管理學院航空宇航學院,河南 鄭州 450046

0 引言

當前碳達峰、碳中和已成為國際社會的共識,交通能源低碳綠色轉型迫在眉睫,清潔代用燃料-先進燃燒方式是緩解發動機燃料短缺和環境污染的方式之一[1-3]。二甲醚是一種清潔含氧燃料,發動機燃用二甲醚可以實現零碳煙排放和較低的NOx排放[4-5]。復合燃燒是一種清潔燃燒方式,包括均質充量壓燃(homogeneous charge compression ignition, HCCI)燃燒和直接噴射(direct injection, DI)噴霧燃燒,通過優化復合燃燒中HCCI燃燒、DI燃燒的比例,可以拓展HCCI運行范圍,進一步降低發動機排放。目前,復合燃燒的研究主要集中在燃燒特性和排放特性方面。柴油/甲醇復合燃燒的相關研究發現,預噴油量增加,缸內壓力峰值顯著增加,HC、CO等排放降低,NOx排放增加;噴射時刻提前,超細顆粒在顆粒中所占比例增大[6-7]。醇醚燃料復合燃燒研究發現,甲醇的高汽化潛熱使燃燒初期的缸內溫度降低,燃燒相位后移[8]。HCCI燃燒在復合燃燒中所占比例過高時,易發生爆震燃燒[9-11]。目前,對爆震研究主要針對火花點火發動機爆震[12-14]。對HCCI、汽油壓燃(gasoline compression ignition, GCI)和火花點火等不同燃燒模式的爆震特性研究發現,不同燃燒模式的爆震具有不同的統計學特征,但是現有的爆震研究中很少涉及到復合燃燒爆震[15]。

本文中在一臺二甲醚發動機上進行復合燃燒爆震特性研究,利用小波包變換對正常燃燒、爆震燃燒工況下缸內壓力信號進行3層小波包分解,得到不同頻率范圍的缸內壓力子信號,確定正常燃燒、爆震燃燒時缸內壓力在各個頻率范圍的子信號的小波包能量,進而確定爆震的敏感頻帶;分析平均有效壓力和循環對爆震燃燒時缸內壓力在各個頻率范圍的子信號的小波包能量和能量熵的影響規律,為檢測判別復合燃燒爆震、提高發動機性能提供參考。

1 試驗裝置與分析方法

將一臺二甲醚壓燃發動機改造為二甲醚HCCI-DI復合燃燒發動機,開展二甲醚HCCI-DI復合燃燒試驗,試驗裝置包括HCCI燃燒和DI燃燒2部分:1)HCCI燃燒部分。二甲醚經過蒸發器蒸發,進入混合器,在混合器里與新鮮空氣混合均勻后進入發動機氣缸內進行HCCI燃燒。2)DI燃燒部分。二甲醚經過過濾器過濾,再經過低壓泵和高壓泵加壓,由高壓噴油器噴射在氣缸內進行DI燃燒。復合燃燒試驗裝置示意如圖1所示。

圖1 復合燃燒試驗裝置示意圖

為了研究二甲醚復合燃燒爆震特性,試驗中調節不同的HCCI燃料的質量流量qm,使之出現正常燃燒和爆震燃燒工況。不同工況的缸內壓力由數據采集系統采集,包括壓力傳感器、電荷放大器和數據采集儀,采樣頻率為20 kHz。

采集的缸內壓力存儲到計算機進行小波包分解,分解示意圖如圖2所示。由圖2可知:選用db5 作為小波基,對正常燃燒和爆震燃燒工況下的缸內壓力進行3層小波包分解,得到8個子信號分量S3,0、S3,1、S3,2、S3,3、S3,4、S3,5、S3,6和S3,7,每個子信號分量包含的頻率成分不同,其頻率范圍逐漸由低到高,分別為0～1.25 kHz、1.25～2.50 kHz、2.50～3.75 kHz、3.75～5.00 kHz、5.00～6. 25 kHz、6.25～7.50 kHz、7.50～8.75 kHz和8.75～10.00 kHz。

圖2 小波包分解示意圖

2 試驗結果與分析

2.1 不同燃燒狀態的缸內壓力小波包分解

發動機轉速為1 500 r/min,平均有效壓力為0.2 MPa,調節HCCI燃料質量流量qm分別為0.77、1.22 g/s,使燃燒狀態分別為正常燃燒和爆震燃燒。正常燃燒和爆震燃燒的缸內壓力p和壓力升高加速度ap如圖3、4所示。

圖3 正常燃燒和爆震燃燒的缸內壓力

a)qm=0.77 g/s b)qm=1.22 g/s圖4 正常燃燒和爆震燃燒的壓力升高加速度

由圖3、4可知:qm=0.77 g/s時,缸內壓力曲線比較光滑,沒有出現壓力振蕩,缸內壓力峰值為5.57 MPa;缸內壓力升高加速度曲線波動幅值很小,最大波動幅值僅為0.53 MPa/(°)2;qm=1.22 g/s時,缸內壓力增加,缸內壓力曲線在上止點附近出現鋸齒狀振蕩,缸內壓力峰值為6.81 MPa;缸內壓力升高加速度曲線波動幅值顯著增大,波動時刻前提,最大波動幅值為2.70 MPa/(°)2,最大壓力升高加速度為1.75 MPa /(°)2,其相位為上止點前曲軸轉角6.5°。

qm分別為0.77 g/s和1.22 g/s時,正常燃燒和爆震燃燒的缸內壓力小波包分解圖5、6所示。

圖5 qm=0.77 g/s時正常燃燒的缸內壓力小波包分解

圖6 qm=1.22 g/s時爆震燃燒的缸內壓力小波包分解

由圖5、6可知:缸內壓力信號經小波包分解后得到的8個分量S3,0～S3,7中,分量S3,0的缸內壓力曲線形狀與原始缸內壓力一致;qm=0.77 g/s正常燃燒時,分量S3,1～S3,7沒有出現壓力振蕩,壓力幅值均很小;qm=1.22 g/s爆震燃燒時,分量S3,1～S3,7的壓力振蕩幅值顯著增大,各分量出現了不同程度的壓力振蕩。

2.2 基于小波包能量熵的爆震燃燒分析

發動機轉速1 500 r/min,平均有效壓力為0.2 MPa,qm分別為0.77 g/s正常燃燒和1.22 g/s爆震燃燒時,缸內壓力的小波包能量分布如圖7所示。由圖7可知:正常燃燒時缸內壓力各分量的小波包能量均很小;爆震燃燒時缸內壓力各分量的小波包能量出現不同程度增大,其中分量S3,6的小波包能量顯著增大,說明該分量包含爆震燃燒壓力振蕩的主要能量,分量S3,2、S3,7能量增加也較明顯。

圖7 正常燃燒和爆震燃燒的缸內壓力小波包能量分布

為驗證qm=1.22 g/s爆震燃燒時,分量S3,6是否包含爆震燃燒壓力振蕩的主要能量,對該工況下不同發動機循環的缸內壓力進行了小波包分解,求解各分量的小波包能量。

小波包能量熵是缸內壓力能量分布有序度的標識,描述能量分布的變化。進一步考察不同循環的缸內壓力各分量小波包能量和能量熵分布情況,第1個循環C1、第10個循環C10、第20個循環C20、第30個循環C30的缸內壓力各分量小波包能量和能量熵分布如圖8、9所示。

圖8 各循環爆震燃燒時缸內壓力小波包能量分布

由圖8可知:爆震燃燒時,C1、C10、C30的缸內壓力各分量小波包能量分布情況相似,分量S3,6的小波包能量最大,分量S3,2、S3,7的較大,各分量的小波包能量分布沒有因為循環的不同而發生改變。由圖9可知:爆震燃燒時,C1、C10、C20、C30的缸內壓力各分量小波包能量熵分布情況相似,分量S3,2、S3,6、S3,7的小波包能量熵較大,能量分布有序度,不同循環各分量的小波包能量熵分布相似。

圖9 各循環爆震燃燒時缸內壓力小波包能量熵分布

進一步考察平均有效壓力對正常燃燒和爆震燃燒缸內壓力小波包能量的影響。發動機轉速為1 500 r/min,平均有效壓力為0.1 MPa,qm分別為0.98 g/s正常燃燒和1.26 g/s爆震燃燒時,缸內壓力的小波包能量分布如圖10所示。由圖10可知:正常燃燒時缸內壓力各分量的小波包能量均很小;爆震燃燒時缸內壓力分量S3,6的小波包能量顯著增大,與圖8中平均有效壓力為0.2 MPa時小波包能量分布規律類似。

圖10 正常燃燒和爆震燃燒的缸內壓力小波包能量分布

發動機轉速為1 500 r/min,平均有效壓力為0.1 MPa,qm為1.26 g/s爆震燃燒時,C1、C10、C20、C30的缸內壓力各分量小波包能量和能量熵分布如圖11所示。由圖11a)可知,平均有效壓力為0.1 MPa 爆震燃燒時,除C10時分量S3,7的小波包能量最大外,C1、C20、C30的缸內壓力各分量小波包能量中仍然是分量S3,6的最大,不同平均有效壓力下,各循環的小波包能量均為分量S3,6的最大。由圖11b)可知:爆震燃燒時,C1、C10、C20、C30的缸內壓力各分量的小波包能量熵分布情況相似,與圖9平均有效壓力為0.2 MPa時小波包能量熵分布規律相似。這說明不同平均有效壓力、不同循環對小波包能量和能量熵的分布沒有影響,燃燒狀態是影響各分量小波包能量和能量熵分布的關鍵因素。

a) 各循環的小波包能量 b) 各循環的小波包能量熵圖11 各循環爆震燃燒時缸內壓力小波包能量和能量熵分布

3 結論

試驗研究了二甲醚發動機復合燃燒中正常燃燒、爆震燃燒時缸內壓力各個頻帶的小波包能量,確定了爆震的敏感頻帶,進一步分析了不同平均有效壓力、不同循環爆震燃燒時缸內壓力各分量小波包能量和能量熵的分布規律,得到如下結論。

1)正常燃燒時,缸內壓力升高加速度波動幅值和缸內壓力各分量的小波包能量均很小。爆震燃燒時,缸內壓力升高加速度波動幅值顯著增大,波動時刻前提,各分量的小波包能量不同程度增大,其中分量S3,6的小波包能量顯著增大,其所在的頻帶是爆震敏感頻帶。

2)爆震燃燒時,不同平均有效壓力、不同循環缸內壓力各分量的小波包能量、能量熵的分布規律相似,均為分量S3,2、S3,6、S3,7的小波包能量熵較大。

3)燃燒狀態決定了缸內壓力在各個頻帶的小波包能量分布和能量熵分布,平均有效壓力、循環對各個頻帶的分布規律無影響。