增壓中冷柴油機燃用F-T柴油的燃燒波動特性分析

楊甜甜，王鐵，喬靖，高吉，馮以卓，孫丹丹

(1.太原理工大學車輛工程系，山西 太原 030024;2.廣州市市政職業學校機電工程系，廣東 廣州 510507)

較汽油機而言，柴油機的排放、振動、噪聲等問題較突出，尋找可靠清潔的柴油代用燃料是解決柴油機的能源需求問題及滿足環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飽和烴構成的混合物。F-T柴油的氫碳比和十六烷值高，燃燒熱效率高，循環變動小[1-2]，污染物排放少[3-5]，燃燒噪聲小[6]，被認為是清潔高效的柴油機代用燃料，是實現煤炭在內燃機上清潔化利用的最佳載體。

燃燒壓力波動與柴油機的高頻結構振動和輻射噪聲密切相關，壓力波動會對柴油機部件產生強烈沖擊，從而產生振動和噪聲輻射[7]。試驗表明，比例不到燃燒室內總壓力能量5%的壓力波動能量，所激起的噪聲占燃燒噪聲總能量的80%左右[8]。其中，燃燒壓力高頻波動是影響燃燒噪聲的重要因素。燃燒壓力高頻波動與燃燒噪聲高頻成分具有較好的對應關系，較高的波動幅值對應的燃燒噪聲值較高。因此，研究F-T柴油對柴油機燃燒壓力波動的影響，對利用代用燃料改善柴油機的NVH性能有重要意義。

劉磊等從燃燒室內壓力頻譜方面研究F-T柴油與0號柴油以不同比例摻混時的燃燒特性，結果表明，隨著F-T柴油比例增加，燃燒壓力振蕩頻率逐漸降低，振蕩聲壓級能量幅值降低；在不同工況下發動機燃用F-T柴油時缸蓋振動加速度信號的幅值均低于燃燒0號柴油，且高頻成分的能量小于0號柴油，燃用F-T柴油可有效地降低燃燒引起的柴油機振動[9-10]。

本研究從時域和頻域兩方面，對比分析了F-T柴油及0號柴油的燃燒特性及燃燒壓力波動特性。

1 試驗設備及方法

本研究試驗柴油機為4100QBZL增壓中冷直噴柴油機，主要參數見表1。試驗前對供油系統按照原機參數進行了恢復出廠調整。本試驗主要針對F-T柴油和0號柴油兩種燃油2 000～3 000 r/min的外特性及最大扭矩轉速2 200 r/min下負荷特性進行研究，因為在中高轉速和負荷下更能體現F-T柴油的優勢。

試驗采用ET2500重力型油耗儀測量發動機油耗，采用ET2000測控系統控制DW160電渦流測功機來實現對發動機的工況調節，采用Kistler 6125B缸壓傳感器及4618A2電荷放大器來采集燃燒室內燃燒壓力。

為了保證試驗的可重復性以及結果一致性，對每種燃油均進行了2次重復試驗，在試驗開始前對測試設備進行校準；試驗過程中發動機在待測試工況運轉穩定30 s后，進行試驗數據采集工作；每一工況下，在燃燒分析儀采集的所有工作循環中，選取中間的100個循環求取平均后進行燃燒特性分析，以此減小燃燒分析儀在開始及結束采集數據時可能出現信號突變帶來的影響，此外，也可減小循環變動對分析結果的影響。

表1 柴油機主要參數

試驗所用燃油為市售0號柴油和F-T柴油。燃油主要參數見表2。

表2 燃料主要性能指標

從表2可以看出，F-T柴油的十六烷值遠高于0號柴油。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柴油的燃燒始點應早于0號柴油。從餾程溫度可以看出，F-T柴油的揮發性能優于0號柴油。F-T柴油的質量低熱值比0號柴油略大，但其密度比0號柴油小，導致其體積低熱值比0號柴油略低。對于配備柱塞式噴油泵(位置控制式噴射系統)的柴油機，外特性下油量調節桿處于最大位置，假設燃料的體積彈性模量可以忽略，則同一工況點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下，F-T柴油的動力性會較0號柴油略有下降。

2 試驗結果及分析

2.1 燃燒壓力分析

F-T柴油比0號柴油的能量密度低，所以在不對柴油機參數進行改動的情況下，在速度特性工況下，燃用F-T柴油的輸出扭矩低于0號柴油[11-12]，這與兩者的低熱值及燃燒狀況是密切相關的，還與發動機的傳熱損失等有關。

圖1和圖2示出柴油機燃用0號柴油及F-T柴油在外特性下和2 200 r/min轉速負荷特性下的燃燒壓力對比。從圖中可以看出，外特性下和2 200 r/min轉速負荷特性下，F-T柴油的燃燒壓力峰值均低于0號柴油，隨著轉速和負荷的升高，兩種燃油的燃燒壓力峰值均增大。同時，試驗表明速燃期F-T柴油的壓力上升趨勢較0號柴油低緩。這是因為F-T柴油的十六烷值高，揮發性好，能在短時間內形成壓燃所需的可燃混合氣并迅速達到壓燃所需的溫度和壓力條件，其燃燒過程中預混燃燒比例較0號柴油低。

從圖中還可以看到，從燃燒開始，燃燒壓力曲線上均伴隨著波動。由于圖示壓力曲線是多個循環求取平均后得到的結果，測試過程中的隨機成分得到了有效抑制，因而燃燒壓力波動的存在是該柴油機的固有特性。柴油機燃燒壓力波動對機體振動及輻射噪聲均有較大影響，而燃料的物化性質對壓力波動有較大影響，有必要就兩種燃料燃燒波動進行細致研究。

圖1 外特性下缸壓曲線對比

圖2 2 200 r/min轉速下的缸壓曲線對比

2.2 壓力波動時域分析

壓力波動的產生、發展、衰減和消失均與燃燒條件及燃燒進程有密不可分的關系。壓力振蕩起始于預混合燃燒階段，然后在速燃期內迅速發展到最大振幅，隨后消失在緩燃期內，或延遲到后燃期的初始段。為了方便觀察試驗得到的缸內壓力波動，將缸壓曲線進行了4 000 Hz的高通濾波，濾掉了大時間尺度的基礎缸壓，得到如圖3和圖4所示的缸內燃燒壓力波動曲線。

從圖中可以看出，F-T柴油的波動幅值明顯小于0號柴油，F-T柴油的波動始點早于0號柴油，這也間接說明了F-T柴油的燃燒始點早于0號柴油。由于F-T柴油的燃燒始點更遠離上止點，開始燃燒時的燃燒室容積較大，壓力傳播過程的能量耗散效應也會相應增強，導致壓力振幅比0號柴油有較明顯的減小。

圖3 外特性下的壓力波動對比

圖4 2 200 r/min轉速下的壓力波動對比

為了評估F-T柴油燃燒形成的高頻壓力振蕩的能量幅值，根據式(1)計算了圖3和圖4所示信號的有效值(Root Mean Square，RMS)(aRMS)。為了強調F-T柴油燃燒過程中的壓力波動特性，在圖中，僅顯示了部分周期循環的曲線及針對該段曲線求取的壓力波動的RMS值(見圖5和圖6)。

(1)

式中：aj為壓力波動信號的時域值；N為圖3和圖4所示信號的總采樣點數(600點)。

從圖5和圖6可以看出，壓力波動信號的RMS值受轉速和負荷影響顯著。外特性下，隨著轉速的增加，兩種燃料的壓力波動RMS值均顯著增加；負荷特性下，隨著負荷的增加，兩種燃料的壓力波動RMS值均有降低，但F-T柴油的降低趨勢更加明顯，且0號柴油與F-T柴油的波動RMS值的差值隨負荷增大逐漸增大。這一結果表明，轉速變化對兩種燃油的燃燒壓力波動均有較大影響，負荷變化對F-T柴油的壓力振蕩有著明顯影響，對0號柴油燃燒波動影響較小。

圖5 外特性的壓力波動有效值對比

圖6 2 200 r/min轉速下的壓力波動有效值對比

外特性下，隨著發動機轉速的增加，燃燒室內湍流強度增加，壓力分布不均勻性增強，這是由柴油機的壓燃特性決定的。燃用F-T柴油時，柴油機的燃燒壓力波動幅值較小，有利于從源頭上降低波動傳播激起的機體振動和輻射噪聲。

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

2.3 氣缸聲壓頻譜分析

為了對缸內壓力進行更加深入地分析，對其進行了傅里葉變換，研究缸內燃燒壓力在頻域的分布規律。在作缸內壓力頻譜分析研究時，常會用到氣缸壓力聲壓級(Cylinder Sound Pressure Level，SPL)這個概念，而SPL(f)則表示在各頻率上的聲壓級，由式(2)計算得到：

(2)

式中：p(f)為氣缸燃燒壓力信號的頻譜；p0為參考壓力，取參考聲壓值，即20 μPa。

根據柴油機的工作過程，將時域的燃燒壓力信號分解為三部分：活塞運動引起的純壓縮曲線部分；由燃料燃燒放熱引起的燃燒室內壓力的急劇變化；由燃燒室內氣體被激發而引起的波動。壓力信號在頻域上也會體現這些特征。

氣缸聲壓級頻譜反映了氣體壓力信號在頻域上的分布。圖7和圖8分別示出燃用F-T柴油與0號柴油氣缸壓力聲壓級對比。從圖中可以看出，在小于1 kHz的頻率段，氣缸聲壓級幅值較高，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。對圖3和圖4時域圖中上止點附近的壓力波動進行計算可知，燃燒波動頻率集中在4～7 kHz，其主要表征缸內微小時間尺度的壓力信號特征，這也是前文選擇4 kHz作為高通濾波截止頻率的依據。由圖7和圖8中可以看出，在燃燒波動頻段內0號柴油的波動能量高于F-T柴油，且F-T柴油的波動主頻率低于0號柴油。

圖7 外特性下氣缸壓力聲壓級對比

圖8 2 200 r/min轉速下的氣缸壓力聲壓級對比

將圖7和圖8中兩種燃料的壓力波動一階主頻率段提取出來，結果見圖9和圖10。從圖中可明顯看出，兩種燃料的壓力波動一階主頻率段的中心頻率隨轉速的增加而增加，隨負荷的增加而呈現降低趨勢，但變化的程度均較小，即轉速和負荷對波動頻率的影響較小，且0號柴油的頻率均略高于F-T柴油。隨著轉速和負荷的增加，燃燒始點提前[13]，燃燒開始時刻燃燒室容積較大，壓力波動傳播行程短能量耗散小，一階主頻率略有降低，但是隨著轉速的增加，活塞上下運動速度增加，對燃燒室內氣體的壓縮和膨脹激勵更強，所以隨著轉速的增加一階主頻率會略有增大。由于在壓力測量過程中，活塞上下運動改變了燃燒室的容積，從而會改變壓力波動的傳播及反射行程，所以在頻域圖上會表現出波動頻率段而不是頻率點。

圖9和圖10所示的一階主頻率段主要體現的是缸內燃燒壓力波與燃燒室產生的共振頻率段。該頻率段與燃燒室內聲速、溫度及介質的特征常數有關。F-T柴油的波動主頻率段低，也可以說F-T柴油燃燒的壓力波與燃燒室結構發生共振的頻率段較低，該頻率段低則由此激勵出的柴油機結構振動及輻射噪聲會較小，進一步驗證了F-T柴油有助于降低柴油機的振動噪聲的潛能。

圖9 外特性下壓力波動主頻率段對比

圖10 2 200 r/min轉速下的壓力波動主頻率段對比

3 結論

a) F-T柴油和0號柴油兩種燃料的燃燒波動幅值在外特性下隨著轉速的增加而顯著增加，負荷特性下隨著負荷的增加顯著降低；F-T柴油的壓力波動幅值及波動的RMS值均小于0號柴油；

b) 對缸內燃燒壓力波動進行頻譜分析，可以觀察到F-T柴油的波動一階主頻率低于0號柴油，且兩種燃料的主頻率在外特性下隨著轉速的增加而增加，負荷特性下隨著扭矩的增加而降低；

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

[1] 張建業,裴毅強,秦靜,等.混合煤制油對共軌柴油機性能及排放影響的試驗研究[J].內燃機工程,2015,36(2):13-17.

[2] 王鐵,史偉奇,王丁丁,等.增壓中冷柴油機燃用F-T柴油的燃燒特性[J].車用發動機,2013(3):56-60.

[3] 郭紅松,秦宏宇, 陸紅雨,等.商業煤制柴油發動機排放特性試驗研究[J].車用發動機,2013(6):48-51.

[4] 石晉宏,王鐵,劉磊.柴油機燃燒0#柴油與F-T混合燃料的性能和排放[J].中國農機化學報,2014(5):144-148.

[5] Mathieu O,Chaumeix N,Paillard C E.Soot formation from a distillation cut of a Fischer-Tropsch diesel fuel: A shock tube study[J].Combustion & Flame,2012,159(6):2192-2201.

[6] Torregrosa A J，Broatch A,Plá B,et al. Impact of Fischer-Tropsch and biodiesel fuels on trade-offs between pollutant emissions and combustion noise in diesel engines[J].Biomass & Bioenergy,2013,52(3):22-33.

[7] 李維,薛冬新,宋希庚,等.內燃機燃燒過程中高頻壓力振蕩的熱聲耦合機理[J].內燃機學報,2014(5):454-459.

[8] 衛海橋,舒歌群,韓睿，等.直噴式柴油機燃燒壓力高頻振蕩與燃燒噪聲的關系[J].燃燒科學與技術,2006(2):131-136.

[9] 劉磊,王鐵,石晉宏,等.增壓中冷柴油機燃用F-T柴油的壓力振蕩特性研究[J].車用發動機,2013(6):44-47.

[10] 廖文蓉,王鐵,石晉宏,等.F-T柴油對增壓柴油機燃燒過程及振動特性的影響[J].小型內燃機與車輛技術,2014(5):30-33，41.

[11] 孫萬臣,張曙光,郭亮,等.柴油機燃用F-T合成柴油時的燃燒與排放特性分析[J].汽車工程,2016,38(10):1177-1183.

[12] 劉立東,宋崇林,呂剛,等.F-T柴油對電控高壓共軌柴油機燃燒特性的影響[J].天津大學學報,2011(9):810-815.

[13] 石晉宏.基于時頻域和小波分析的F-T柴油在柴油機上的振動特性研究[D].太原：太原理工大學,2014.