基于缸內(nèi)壓力升高率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)爆震的研究

李清博，馬　娟

（鄭州宇通客車股份有限公司，河南 鄭州 450011）

基于缸內(nèi)壓力升高率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)爆震的研究

李清博，馬娟

（鄭州宇通客車股份有限公司，河南 鄭州 450011）

文章分析了氫發(fā)動(dòng)機(jī)爆震時(shí)火焰?zhèn)鞑プ兓瘷C(jī)理，研究了凈壓力升高率和爆震的關(guān)系，建立了一種基于凈壓力升高率判定爆震的有效方法，即根據(jù)凈壓力升高率峰值的個(gè)數(shù)進(jìn)行判定，可為異常燃燒的診斷提供參考。

氫發(fā)動(dòng)機(jī)；燃燒；爆震；凈壓力升高率

0　引言

氫作為發(fā)動(dòng)機(jī)的代用燃料，具有點(diǎn)火能量低、燃燒速度快、淬火距離小、著火界限寬等優(yōu)點(diǎn)[1]，但同時(shí)也使得氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)容易發(fā)生早燃、回火、爆震等異常燃燒現(xiàn)象。本研究對(duì)爆震發(fā)生的條件及爆震時(shí)缸內(nèi)壓力升高率的變化進(jìn)行分析，得出爆震與壓力升高率的關(guān)系，尋找最優(yōu)的解決爆震的方法。

1　凈壓力及其導(dǎo)數(shù)概述

燃燒過(guò)程可視為化學(xué)過(guò)程和物理過(guò)程的統(tǒng)一，對(duì)缸內(nèi)壓力的影響有燃料發(fā)熱產(chǎn)生的壓力，還有活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)氣體擠壓產(chǎn)生的壓力。為了準(zhǔn)確地研究爆震與壓力的關(guān)系，本文采用僅考慮燃燒產(chǎn)生的壓力即凈壓力的方式對(duì)爆震現(xiàn)象進(jìn)行分析。

式中，p代表真實(shí)壓力，V代表體積，igV代表點(diǎn)火時(shí)刻的氣缸體積。

在每一曲軸轉(zhuǎn)角的凈壓力公式為：

絕熱指數(shù)（k）的精度對(duì)凈壓力的計(jì)算精度影響很大，查找文獻(xiàn)采用k=1.3對(duì)氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)凈壓力進(jìn)行計(jì)算。為了避免k取值影響計(jì)算結(jié)果，直接采用下面的公式計(jì)算凈壓力：

式中，motorp為相同工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)純壓縮壓力。

分析凈壓力的產(chǎn)生過(guò)程可以看作是缸內(nèi)燃料燃燒減去缸內(nèi)壓縮產(chǎn)生的壓力，可以單純地認(rèn)為是燃燒的距離，消除了分析燃燒過(guò)程中缸內(nèi)傳熱損失對(duì)壓力造成的影響，使得分析結(jié)果更具有參考價(jià)值。其一次導(dǎo)數(shù)就相當(dāng)于燃燒的速度，即為凈壓力升高率[2]。

2　凈壓力升高率與爆震的關(guān)系

有的學(xué)者利用小波變換的方法對(duì)采集得到的壓力信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析，比較正常燃燒現(xiàn)象與爆震時(shí)的差異，尋找判斷爆震發(fā)生的依據(jù)以及解決方法。本文采用的是對(duì)缸內(nèi)凈壓力進(jìn)行一次求導(dǎo)，尋找其與爆震的關(guān)系，該方法簡(jiǎn)捷有效，簡(jiǎn)化了小波變換理論的復(fù)雜性，但又不失其對(duì)爆震分析的準(zhǔn)確性。

2.1正常燃燒情況下，凈壓力升高率與燃燒機(jī)理的研究

正常燃燒過(guò)程中，燃燒初期到完全燃燒階段，燃燒速度即凈壓力升高率是從最小逐漸增加到峰值；完全燃燒后，一直持續(xù)到燃燒末期，整個(gè)階段燃燒的速度是逐漸變小的過(guò)程，故正常燃燒過(guò)程中壓力升高率有且僅有一個(gè)峰值點(diǎn)，且此處的燃燒速度最大。凈壓力升高率變化趨勢(shì)如圖1所示。另外，由發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程中壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化趨勢(shì)，不難得出在上止點(diǎn)附近缸內(nèi)壓力達(dá)到最大值，但此點(diǎn)處的導(dǎo)數(shù)值為零，即壓力升高率在該點(diǎn)處值為零，繼續(xù)增大曲軸轉(zhuǎn)角，壓力漸小，壓力升高率為負(fù)值，且其絕對(duì)值增大。故正常燃燒情況下，壓力升高率隨著曲軸轉(zhuǎn)角逐漸增大，增大到最大值后逐漸變小的過(guò)程，同樣反應(yīng)了其變化過(guò)程中有且僅有一個(gè)峰值點(diǎn)，從理論上推導(dǎo)出所得的凈壓力升高率變化趨勢(shì)正確[2]。

圖1　正常燃燒情況下凈壓力升高率隨曲軸轉(zhuǎn)角變化示意圖

圖2　爆震情況下凈壓力升高率隨曲軸轉(zhuǎn)角變化示意圖

2.2爆震情況下，凈壓力升高率與燃燒機(jī)理的研究

當(dāng)缸內(nèi)燃燒過(guò)程中出現(xiàn)爆震，由爆震發(fā)生的機(jī)理可知，火焰前鋒面未到達(dá)前，未燃混合氣在高溫高壓環(huán)境中能夠自燃，其自燃后，自己產(chǎn)生的火焰前鋒面?zhèn)鞑サ倪^(guò)程中會(huì)與正常燃燒的前鋒面相遇，燃燒速度疊加，而兩者相向運(yùn)動(dòng)，由于原火焰前封面速度自身逐漸變小，與爆震產(chǎn)生的火焰前封面疊加后，其運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變，絕對(duì)值增大，火焰會(huì)以自燃點(diǎn)為傳播中心，以一個(gè)新的速度波向前運(yùn)動(dòng)[2]。疊加后，速度從小到大的過(guò)程會(huì)產(chǎn)生另一個(gè)極大點(diǎn)，即所謂的第二峰值點(diǎn)。爆燃是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，相互火焰前鋒面的疊加，致使燃燒速度曲線出現(xiàn)的峰值點(diǎn)不止兩個(gè)，只要有火焰鋒面的疊加，就會(huì)有峰值點(diǎn)的出現(xiàn)，反之，燃燒速度出現(xiàn)的峰值點(diǎn)大于或等于兩個(gè)時(shí)，就表明火焰鋒面產(chǎn)生了相互疊加的行為，這就是判定缸內(nèi)爆震的標(biāo)準(zhǔn)[3]。反映到凈壓力升高率變化趨勢(shì)上如圖2所示。

分析發(fā)動(dòng)機(jī)爆震所形成的機(jī)理，可知在缸內(nèi)會(huì)產(chǎn)生至少兩個(gè)壓力峰值點(diǎn)，即出現(xiàn)三個(gè)極點(diǎn)（一個(gè)極小點(diǎn)，兩個(gè)極大點(diǎn)）。這三個(gè)極點(diǎn)處，凈壓力的一次導(dǎo)數(shù)，即所謂的凈壓力升高率值都為零，反映到凈壓力升高率隨曲軸轉(zhuǎn)角變化圖上，就會(huì)使該曲線與以曲軸轉(zhuǎn)角為x軸的橫坐標(biāo)有三個(gè)交點(diǎn)，這與圖2表述一致。

3　基于小波變換理論的驗(yàn)證

小波變換在高頻具有很好的頻率分辨能力，低頻具有很好的時(shí)間分辨率，能同時(shí)保持信號(hào)的時(shí)域信息和頻域信息，許多學(xué)者采用小波變換的方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力信號(hào)進(jìn)行分析，得出壓力升高率與異常燃燒的關(guān)系[4]。考慮到小波變換中間斷倒數(shù)的階要接近與小波函數(shù)的消失距，故采用dB2對(duì)凈壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，其壓力升高率小波分解后的圖像如圖3所示。

圖3　對(duì)凈壓力升高率的小波分解

小波分析理論表明當(dāng)壓力信號(hào)有連續(xù)的振蕩時(shí)，表明缸內(nèi)出現(xiàn)壓力快速變動(dòng)，燃燒速度至少兩次變化，這與上述基于凈壓力方法出現(xiàn)兩個(gè)極點(diǎn)是相符合的，證明上述方法有效[5]。

4　結(jié)論

本文采用缸內(nèi)凈壓力的方式對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)異常燃燒現(xiàn)象進(jìn)行分析，建立了判定爆震的方法，即當(dāng)凈壓力升高率出現(xiàn)兩個(gè)或以上的峰值，表明燃燒速度有兩個(gè)及以上極點(diǎn)，缸內(nèi)出現(xiàn)了第二次及以上的壓力峰值，極大可能產(chǎn)生了爆震等異常燃燒現(xiàn)象。對(duì)此方法應(yīng)用小波理論進(jìn)行了可行性驗(yàn)證，結(jié)論相符。

（責(zé)任編輯 王磊）

[1] Toshio Shudo. Thermal Efficiency Improvement in a Hydrogen Combustion Engines [C]. Proceedings of the 15th World Hydrogen Energy Conference, Yokohama,2004.

[2] 楊振中，熊樹(shù)生，李徑定. 點(diǎn)火提前角對(duì)氫發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響及智能控制技術(shù)[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2003(4).

[3] 李清博.基于AVL-FIRE的氫燃料內(nèi)燃機(jī)燃燒特性研究[D].鄭州:華北水利水電大學(xué),2013.

[4] 劉福水,郝利君,Heitz Peter Berg,Liu.氫燃料內(nèi)燃機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展展望[J].汽車工程,2006(7).

[5] 楊振中,孫永生.最佳過(guò)量空氣系數(shù)優(yōu)化控制氫發(fā)動(dòng)機(jī)性能的建模實(shí)現(xiàn)[J].內(nèi)燃機(jī)工程,2006(3).

The Research of Knocking Based on the Cylinder Pressure Rise

LI Qing-bo，et al
(Zhengzhou Yutong Bus Co., Ltd, Zhengzhou 450011, China)

Having analyzed the change mechanism of flame propagation when knocking, investigate the relation of net pressure rise and knocking, establish a method that can judge knocking availability, provide reference to diagnose abnormal combustion. The method based on the number of wave crest in pressure rise curve, when the net pressure rise appear two or more wave crest, produce knocking.

Hydrogen engine; Combustion; Knocking; The net pressure rise

TK43

A

1008–2093(2016)04–0004–03

2016-06-16

李清博（1987―），男，河南開(kāi)封人，助理工程師，碩士，主要從事客車底盤(pán)裝配工藝研究。