增壓中冷柴油機(jī)燃用F-T柴油的燃燒波動(dòng)特性分析

楊甜甜，王鐵，喬靖，高吉，馮以卓，孫丹丹

(1.太原理工大學(xué)車(chē)輛工程系，山西 太原 030024;2.廣州市市政職業(yè)學(xué)校機(jī)電工程系，廣東 廣州 510507)

較汽油機(jī)而言，柴油機(jī)的排放、振動(dòng)、噪聲等問(wèn)題較突出，尋找可靠清潔的柴油代用燃料是解決柴油機(jī)的能源需求問(wèn)題及滿(mǎn)足環(huán)保要求的重要途徑之一。F-T柴油是將煤間接液化得到的主要由直鏈飽和烴和分枝異構(gòu)飽和烴構(gòu)成的混合物。F-T柴油的氫碳比和十六烷值高，燃燒熱效率高，循環(huán)變動(dòng)小[1-2]，污染物排放少[3-5]，燃燒噪聲小[6]，被認(rèn)為是清潔高效的柴油機(jī)代用燃料，是實(shí)現(xiàn)煤炭在內(nèi)燃機(jī)上清潔化利用的最佳載體。

燃燒壓力波動(dòng)與柴油機(jī)的高頻結(jié)構(gòu)振動(dòng)和輻射噪聲密切相關(guān)，壓力波動(dòng)會(huì)對(duì)柴油機(jī)部件產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊，從而產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲輻射[7]。試驗(yàn)表明，比例不到燃燒室內(nèi)總壓力能量5%的壓力波動(dòng)能量，所激起的噪聲占燃燒噪聲總能量的80%左右[8]。其中，燃燒壓力高頻波動(dòng)是影響燃燒噪聲的重要因素。燃燒壓力高頻波動(dòng)與燃燒噪聲高頻成分具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，較高的波動(dòng)幅值對(duì)應(yīng)的燃燒噪聲值較高。因此，研究F-T柴油對(duì)柴油機(jī)燃燒壓力波動(dòng)的影響，對(duì)利用代用燃料改善柴油機(jī)的NVH性能有重要意義。

劉磊等從燃燒室內(nèi)壓力頻譜方面研究F-T柴油與0號(hào)柴油以不同比例摻混時(shí)的燃燒特性，結(jié)果表明，隨著F-T柴油比例增加，燃燒壓力振蕩頻率逐漸降低，振蕩聲壓級(jí)能量幅值降低；在不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)燃用F-T柴油時(shí)缸蓋振動(dòng)加速度信號(hào)的幅值均低于燃燒0號(hào)柴油，且高頻成分的能量小于0號(hào)柴油，燃用F-T柴油可有效地降低燃燒引起的柴油機(jī)振動(dòng)[9-10]。

本研究從時(shí)域和頻域兩方面，對(duì)比分析了F-T柴油及0號(hào)柴油的燃燒特性及燃燒壓力波動(dòng)特性。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

本研究試驗(yàn)柴油機(jī)為4100QBZL增壓中冷直噴柴油機(jī)，主要參數(shù)見(jiàn)表1。試驗(yàn)前對(duì)供油系統(tǒng)按照原機(jī)參數(shù)進(jìn)行了恢復(fù)出廠調(diào)整。本試驗(yàn)主要針對(duì)F-T柴油和0號(hào)柴油兩種燃油2 000～3 000 r/min的外特性及最大扭矩轉(zhuǎn)速2 200 r/min下負(fù)荷特性進(jìn)行研究，因?yàn)樵谥懈咿D(zhuǎn)速和負(fù)荷下更能體現(xiàn)F-T柴油的優(yōu)勢(shì)。

試驗(yàn)采用ET2500重力型油耗儀測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)油耗，采用ET2000測(cè)控系統(tǒng)控制DW160電渦流測(cè)功機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況調(diào)節(jié)，采用Kistler 6125B缸壓傳感器及4618A2電荷放大器來(lái)采集燃燒室內(nèi)燃燒壓力。

為了保證試驗(yàn)的可重復(fù)性以及結(jié)果一致性，對(duì)每種燃油均進(jìn)行了2次重復(fù)試驗(yàn)，在試驗(yàn)開(kāi)始前對(duì)測(cè)試設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)；試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)在待測(cè)試工況運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定30 s后，進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集工作；每一工況下，在燃燒分析儀采集的所有工作循環(huán)中，選取中間的100個(gè)循環(huán)求取平均后進(jìn)行燃燒特性分析，以此減小燃燒分析儀在開(kāi)始及結(jié)束采集數(shù)據(jù)時(shí)可能出現(xiàn)信號(hào)突變帶來(lái)的影響，此外，也可減小循環(huán)變動(dòng)對(duì)分析結(jié)果的影響。

表1 柴油機(jī)主要參數(shù)

試驗(yàn)所用燃油為市售0號(hào)柴油和F-T柴油。燃油主要參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 燃料主要性能指標(biāo)

從表2可以看出，F(xiàn)-T柴油的十六烷值遠(yuǎn)高于0號(hào)柴油。燃料的十六烷值越高，其著火性能越好，所以相同工況下F-T柴油的燃燒始點(diǎn)應(yīng)早于0號(hào)柴油。從餾程溫度可以看出，F(xiàn)-T柴油的揮發(fā)性能優(yōu)于0號(hào)柴油。F-T柴油的質(zhì)量低熱值比0號(hào)柴油略大，但其密度比0號(hào)柴油小，導(dǎo)致其體積低熱值比0號(hào)柴油略低。對(duì)于配備柱塞式噴油泵(位置控制式噴射系統(tǒng))的柴油機(jī)，外特性下油量調(diào)節(jié)桿處于最大位置，假設(shè)燃料的體積彈性模量可以忽略，則同一工況點(diǎn)下燃油的體積供油量是相等的。因此，在相同的外特性工況點(diǎn)下，F(xiàn)-T柴油的動(dòng)力性會(huì)較0號(hào)柴油略有下降。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 燃燒壓力分析

F-T柴油比0號(hào)柴油的能量密度低，所以在不對(duì)柴油機(jī)參數(shù)進(jìn)行改動(dòng)的情況下，在速度特性工況下，燃用F-T柴油的輸出扭矩低于0號(hào)柴油[11-12]，這與兩者的低熱值及燃燒狀況是密切相關(guān)的，還與發(fā)動(dòng)機(jī)的傳熱損失等有關(guān)。

圖1和圖2示出柴油機(jī)燃用0號(hào)柴油及F-T柴油在外特性下和2 200 r/min轉(zhuǎn)速負(fù)荷特性下的燃燒壓力對(duì)比。從圖中可以看出，外特性下和2 200 r/min轉(zhuǎn)速負(fù)荷特性下，F(xiàn)-T柴油的燃燒壓力峰值均低于0號(hào)柴油，隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的升高，兩種燃油的燃燒壓力峰值均增大。同時(shí)，試驗(yàn)表明速燃期F-T柴油的壓力上升趨勢(shì)較0號(hào)柴油低緩。這是因?yàn)镕-T柴油的十六烷值高，揮發(fā)性好，能在短時(shí)間內(nèi)形成壓燃所需的可燃混合氣并迅速達(dá)到壓燃所需的溫度和壓力條件，其燃燒過(guò)程中預(yù)混燃燒比例較0號(hào)柴油低。

從圖中還可以看到，從燃燒開(kāi)始，燃燒壓力曲線上均伴隨著波動(dòng)。由于圖示壓力曲線是多個(gè)循環(huán)求取平均后得到的結(jié)果，測(cè)試過(guò)程中的隨機(jī)成分得到了有效抑制，因而燃燒壓力波動(dòng)的存在是該柴油機(jī)的固有特性。柴油機(jī)燃燒壓力波動(dòng)對(duì)機(jī)體振動(dòng)及輻射噪聲均有較大影響，而燃料的物化性質(zhì)對(duì)壓力波動(dòng)有較大影響，有必要就兩種燃料燃燒波動(dòng)進(jìn)行細(xì)致研究。

圖1 外特性下缸壓曲線對(duì)比

圖2 2 200 r/min轉(zhuǎn)速下的缸壓曲線對(duì)比

2.2 壓力波動(dòng)時(shí)域分析

壓力波動(dòng)的產(chǎn)生、發(fā)展、衰減和消失均與燃燒條件及燃燒進(jìn)程有密不可分的關(guān)系。壓力振蕩起始于預(yù)混合燃燒階段，然后在速燃期內(nèi)迅速發(fā)展到最大振幅，隨后消失在緩燃期內(nèi)，或延遲到后燃期的初始段。為了方便觀察試驗(yàn)得到的缸內(nèi)壓力波動(dòng)，將缸壓曲線進(jìn)行了4 000 Hz的高通濾波，濾掉了大時(shí)間尺度的基礎(chǔ)缸壓，得到如圖3和圖4所示的缸內(nèi)燃燒壓力波動(dòng)曲線。

從圖中可以看出，F(xiàn)-T柴油的波動(dòng)幅值明顯小于0號(hào)柴油，F(xiàn)-T柴油的波動(dòng)始點(diǎn)早于0號(hào)柴油，這也間接說(shuō)明了F-T柴油的燃燒始點(diǎn)早于0號(hào)柴油。由于F-T柴油的燃燒始點(diǎn)更遠(yuǎn)離上止點(diǎn)，開(kāi)始燃燒時(shí)的燃燒室容積較大，壓力傳播過(guò)程的能量耗散效應(yīng)也會(huì)相應(yīng)增強(qiáng)，導(dǎo)致壓力振幅比0號(hào)柴油有較明顯的減小。

圖3 外特性下的壓力波動(dòng)對(duì)比

圖4 2 200 r/min轉(zhuǎn)速下的壓力波動(dòng)對(duì)比

為了評(píng)估F-T柴油燃燒形成的高頻壓力振蕩的能量幅值，根據(jù)式(1)計(jì)算了圖3和圖4所示信號(hào)的有效值(Root Mean Square，RMS)(aRMS)。為了強(qiáng)調(diào)F-T柴油燃燒過(guò)程中的壓力波動(dòng)特性，在圖中，僅顯示了部分周期循環(huán)的曲線及針對(duì)該段曲線求取的壓力波動(dòng)的RMS值(見(jiàn)圖5和圖6)。

(1)

式中：aj為壓力波動(dòng)信號(hào)的時(shí)域值；N為圖3和圖4所示信號(hào)的總采樣點(diǎn)數(shù)(600點(diǎn))。

從圖5和圖6可以看出，壓力波動(dòng)信號(hào)的RMS值受轉(zhuǎn)速和負(fù)荷影響顯著。外特性下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，兩種燃料的壓力波動(dòng)RMS值均顯著增加；負(fù)荷特性下，隨著負(fù)荷的增加，兩種燃料的壓力波動(dòng)RMS值均有降低，但F-T柴油的降低趨勢(shì)更加明顯，且0號(hào)柴油與F-T柴油的波動(dòng)RMS值的差值隨負(fù)荷增大逐漸增大。這一結(jié)果表明，轉(zhuǎn)速變化對(duì)兩種燃油的燃燒壓力波動(dòng)均有較大影響，負(fù)荷變化對(duì)F-T柴油的壓力振蕩有著明顯影響，對(duì)0號(hào)柴油燃燒波動(dòng)影響較小。

圖5 外特性的壓力波動(dòng)有效值對(duì)比

圖6 2 200 r/min轉(zhuǎn)速下的壓力波動(dòng)有效值對(duì)比

外特性下，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，燃燒室內(nèi)湍流強(qiáng)度增加，壓力分布不均勻性增強(qiáng)，這是由柴油機(jī)的壓燃特性決定的。燃用F-T柴油時(shí)，柴油機(jī)的燃燒壓力波動(dòng)幅值較小，有利于從源頭上降低波動(dòng)傳播激起的機(jī)體振動(dòng)和輻射噪聲。

負(fù)荷特性下，由于F-T柴油體積熱值較低，隨著負(fù)荷的增加，F(xiàn)-T柴油的供油量將比0號(hào)柴油增加更多，但是F-T柴油的成分主要是烷烴類(lèi)，C9～C17的含量較高，揮發(fā)性好，且隨著負(fù)荷的增加，缸內(nèi)溫度增加，進(jìn)而較明顯地縮短了F-T柴油的滯燃期，因此，在滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣量更少，使得燃用F-T柴油產(chǎn)生的波動(dòng)RMS值隨負(fù)荷增加而減小的趨勢(shì)較0號(hào)柴油更加明顯。

2.3 氣缸聲壓頻譜分析

為了對(duì)缸內(nèi)壓力進(jìn)行更加深入地分析，對(duì)其進(jìn)行了傅里葉變換，研究缸內(nèi)燃燒壓力在頻域的分布規(guī)律。在作缸內(nèi)壓力頻譜分析研究時(shí)，常會(huì)用到氣缸壓力聲壓級(jí)(Cylinder Sound Pressure Level，SPL)這個(gè)概念，而SPL(f)則表示在各頻率上的聲壓級(jí)，由式(2)計(jì)算得到：

(2)

式中：p(f)為氣缸燃燒壓力信號(hào)的頻譜；p0為參考?jí)毫?，取參考聲壓值，?0 μPa。

根據(jù)柴油機(jī)的工作過(guò)程，將時(shí)域的燃燒壓力信號(hào)分解為三部分：活塞運(yùn)動(dòng)引起的純壓縮曲線部分；由燃料燃燒放熱引起的燃燒室內(nèi)壓力的急劇變化；由燃燒室內(nèi)氣體被激發(fā)而引起的波動(dòng)。壓力信號(hào)在頻域上也會(huì)體現(xiàn)這些特征。

氣缸聲壓級(jí)頻譜反映了氣體壓力信號(hào)在頻域上的分布。圖7和圖8分別示出燃用F-T柴油與0號(hào)柴油氣缸壓力聲壓級(jí)對(duì)比。從圖中可以看出，在小于1 kHz的頻率段，氣缸聲壓級(jí)幅值較高，且隨頻率的增大而迅速下降；1～4 kHz的頻率段，幅值隨頻率變化較為平緩。對(duì)圖3和圖4時(shí)域圖中上止點(diǎn)附近的壓力波動(dòng)進(jìn)行計(jì)算可知，燃燒波動(dòng)頻率集中在4～7 kHz，其主要表征缸內(nèi)微小時(shí)間尺度的壓力信號(hào)特征，這也是前文選擇4 kHz作為高通濾波截止頻率的依據(jù)。由圖7和圖8中可以看出，在燃燒波動(dòng)頻段內(nèi)0號(hào)柴油的波動(dòng)能量高于F-T柴油，且F-T柴油的波動(dòng)主頻率低于0號(hào)柴油。

圖7 外特性下氣缸壓力聲壓級(jí)對(duì)比

圖8 2 200 r/min轉(zhuǎn)速下的氣缸壓力聲壓級(jí)對(duì)比

將圖7和圖8中兩種燃料的壓力波動(dòng)一階主頻率段提取出來(lái)，結(jié)果見(jiàn)圖9和圖10。從圖中可明顯看出，兩種燃料的壓力波動(dòng)一階主頻率段的中心頻率隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，隨負(fù)荷的增加而呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，但變化的程度均較小，即轉(zhuǎn)速和負(fù)荷對(duì)波動(dòng)頻率的影響較小，且0號(hào)柴油的頻率均略高于F-T柴油。隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增加，燃燒始點(diǎn)提前[13]，燃燒開(kāi)始時(shí)刻燃燒室容積較大，壓力波動(dòng)傳播行程短能量耗散小，一階主頻率略有降低，但是隨著轉(zhuǎn)速的增加，活塞上下運(yùn)動(dòng)速度增加，對(duì)燃燒室內(nèi)氣體的壓縮和膨脹激勵(lì)更強(qiáng)，所以隨著轉(zhuǎn)速的增加一階主頻率會(huì)略有增大。由于在壓力測(cè)量過(guò)程中，活塞上下運(yùn)動(dòng)改變了燃燒室的容積，從而會(huì)改變壓力波動(dòng)的傳播及反射行程，所以在頻域圖上會(huì)表現(xiàn)出波動(dòng)頻率段而不是頻率點(diǎn)。

圖9和圖10所示的一階主頻率段主要體現(xiàn)的是缸內(nèi)燃燒壓力波與燃燒室產(chǎn)生的共振頻率段。該頻率段與燃燒室內(nèi)聲速、溫度及介質(zhì)的特征常數(shù)有關(guān)。F-T柴油的波動(dòng)主頻率段低，也可以說(shuō)F-T柴油燃燒的壓力波與燃燒室結(jié)構(gòu)發(fā)生共振的頻率段較低，該頻率段低則由此激勵(lì)出的柴油機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)及輻射噪聲會(huì)較小，進(jìn)一步驗(yàn)證了F-T柴油有助于降低柴油機(jī)的振動(dòng)噪聲的潛能。

圖9 外特性下壓力波動(dòng)主頻率段對(duì)比

圖10 2 200 r/min轉(zhuǎn)速下的壓力波動(dòng)主頻率段對(duì)比

3 結(jié)論

a) F-T柴油和0號(hào)柴油兩種燃料的燃燒波動(dòng)幅值在外特性下隨著轉(zhuǎn)速的增加而顯著增加，負(fù)荷特性下隨著負(fù)荷的增加顯著降低；F-T柴油的壓力波動(dòng)幅值及波動(dòng)的RMS值均小于0號(hào)柴油；

b) 對(duì)缸內(nèi)燃燒壓力波動(dòng)進(jìn)行頻譜分析，可以觀察到F-T柴油的波動(dòng)一階主頻率低于0號(hào)柴油，且兩種燃料的主頻率在外特性下隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加，負(fù)荷特性下隨著扭矩的增加而降低；

c) 從燃燒壓力波動(dòng)的角度考慮，燃用F-T柴油有利于降低柴油機(jī)的燃燒噪聲，降低燃燒時(shí)的爆發(fā)沖擊載荷。

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