不同燃油對(duì)某重型柴油機(jī)燃燒穩(wěn)定性影響分析

顧程，喬新勇，韓立軍

(1.陸軍裝甲兵學(xué)院 車(chē)輛工程系，北京 100072；2.武警工程大學(xué)烏魯木齊校區(qū)，新疆 烏魯木齊 830049)

0 引言

我國(guó)現(xiàn)役裝備主要使用重型柴油機(jī)作為動(dòng)力裝置[1]。由于柴油機(jī)燃燒過(guò)程的隨機(jī)性，會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)燃燒的循環(huán)變動(dòng)，不僅影響柴油機(jī)的輸出功率穩(wěn)定性、降低裝備的操作性能，而且對(duì)柴油機(jī)的使用壽命也有一定影響[2]。

早在發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展之初，這種燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象就被學(xué)者發(fā)現(xiàn)，并圍繞燃燒循環(huán)波動(dòng)進(jìn)行研究。Wagner等[3]利用單缸機(jī)研究了氣流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和噴油時(shí)間對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)波動(dòng)的影響。Efthimios[4]利用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)考慮了整個(gè)燃燒過(guò)程得到每個(gè)曲軸轉(zhuǎn)角下的循環(huán)波動(dòng)率曲線(xiàn)，并由該曲線(xiàn)得到燃燒始點(diǎn)、燃燒終點(diǎn)以及CA50點(diǎn)。Litak等[5-6]研究了最大爆發(fā)壓力及其相位的循環(huán)變動(dòng)規(guī)律，并結(jié)合多尺度熵估計(jì)波動(dòng)隨機(jī)性的影響。王立媛等[7]和楊立平等[8]利用時(shí)間延遲法對(duì)增壓中冷天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行研究，結(jié)果表明系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌線(xiàn)都是有限范圍內(nèi)的非周期運(yùn)動(dòng)，具有復(fù)雜重疊的幾何結(jié)構(gòu)。李冰林等[9]研究了小型二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)在中高速不同負(fù)荷條件下的燃燒循環(huán)變動(dòng)，結(jié)果表明燃燒百分率對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角能夠更好地表征循環(huán)波動(dòng)，并認(rèn)為氣體不均勻度減小是大負(fù)荷工況下循環(huán)變動(dòng)變小的主要原因。劉帥等[10]以一臺(tái)點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，利用非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)研究了汽油、液化石油氣以及壓縮天然氣3種燃料的循環(huán)變動(dòng)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程具有混沌特性，且隨著燃料不同而改變。王利民等[11]針對(duì)天然氣- 汽油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在不同負(fù)荷下發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)變動(dòng)特性不完全相同。臧杰等[12]研究了醇類(lèi)混合燃料對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響，結(jié)果表明小負(fù)荷工況醇類(lèi)燃料的循環(huán)波動(dòng)高于純汽油，而大負(fù)荷工況下,醇類(lèi)燃料有利于火核的形成,導(dǎo)致循環(huán)波動(dòng)低于純汽油。湯琛等[13]研究了運(yùn)行參數(shù)對(duì)汽油均質(zhì)壓燃(HCCI)燃燒著火時(shí)刻循環(huán)變動(dòng)的影響，表明進(jìn)氣溫度和冷卻水溫度升高、進(jìn)氣壓力增大有助于減小著火時(shí)刻循環(huán)變動(dòng),過(guò)量空氣系數(shù)和廢氣再循環(huán)率增大會(huì)增大著火時(shí)刻循環(huán)變動(dòng)。

上述研究表明，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)點(diǎn)火式汽油機(jī)的循環(huán)變動(dòng)研究較多，對(duì)于壓燃式柴油機(jī)研究較少，針對(duì)現(xiàn)役裝備所用的重型柴油機(jī)研究幾乎空缺。本文以現(xiàn)役某型坦克12缸增壓柴油機(jī)為研究對(duì)象，利用非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)理論對(duì)最大扭矩工況和標(biāo)定工況下3種燃油的柴油機(jī)燃燒循環(huán)波動(dòng)進(jìn)行分析，揭示了循環(huán)變動(dòng)的動(dòng)力學(xué)本質(zhì)，所得結(jié)果可為改善柴油機(jī)燃燒穩(wěn)定性、提高裝備動(dòng)力性能提供理論支撐。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方案

本文試驗(yàn)的研究對(duì)象為現(xiàn)役某型坦克柴油機(jī)，該柴油機(jī)為12缸V型四沖程渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，其氣缸直徑為150 mm，壓縮比為13～14(左右兩排氣缸略有差異)，標(biāo)定轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，最大扭矩轉(zhuǎn)速為1 400 r/min.根據(jù)試驗(yàn)要求搭建試驗(yàn)臺(tái)架如圖1所示，主要包含柴油機(jī)試驗(yàn)控制系統(tǒng)、柴油機(jī)試驗(yàn)輔助系統(tǒng)和奧地利德維創(chuàng)公司生產(chǎn)的DEWETRON燃燒分析儀等。試驗(yàn)以左2缸為測(cè)試對(duì)象，將該缸的空氣起動(dòng)閥卸下，裝入Kistler壓力傳感器。圖1中，pc、pe、pi、Q分別為缸內(nèi)壓力、排氣壓力、進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣量。

圖1 柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)設(shè)備Fig.1 Test equipment of diesel engine bench

試驗(yàn)過(guò)程中，選用3種不同品質(zhì)的軍用柴油作為燃料，分別進(jìn)行標(biāo)定工況下及最大扭矩工況下的臺(tái)架試驗(yàn)。工況穩(wěn)定后，采用德國(guó)奇石樂(lè)公司生產(chǎn)的Kistler 6056A型壓力傳感器，通過(guò)DEWETRON燃燒分析儀連續(xù)采集117個(gè)工作循環(huán)，記錄缸內(nèi)壓力變化曲線(xiàn)。該傳感器測(cè)量范圍為0～250 bar，靈敏度為20 pC/bar，固有頻率為160 kHz，熱沖擊誤差較低，瞬時(shí)壓力誤差Δp≤±0.5 bar，平均有效壓力誤差ΔIMEP≤±2%，可用于爆震壓力波的測(cè)量。其中，數(shù)據(jù)采樣間隔為0.4 °CA，每個(gè)工作循環(huán)采用1 800個(gè)點(diǎn)，試驗(yàn)所用3種燃油的主要理化性質(zhì)如表1所示。

試驗(yàn)的測(cè)量誤差主要來(lái)自安裝引起的誤差和儀器誤差。在安裝過(guò)程中，通過(guò)拆卸氣缸的空氣起動(dòng)閥裝入壓力傳感器，破壞了原有結(jié)構(gòu)，測(cè)量數(shù)據(jù)較原數(shù)據(jù)有所偏差；所用設(shè)備的精度以及設(shè)定的數(shù)據(jù)采樣間隔也會(huì)對(duì)測(cè)量誤差產(chǎn)生一定的影響。

表1 3種燃油理化性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Physical and chemical indicators of three fuels

2 基于相空間重構(gòu)的燃燒穩(wěn)定性分析

燃燒穩(wěn)定性是指發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)燃燒狀態(tài)的平穩(wěn)性。柴油機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的非線(xiàn)性系統(tǒng)，柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒過(guò)程伴隨著復(fù)雜的物理化學(xué)變化，其狀態(tài)變量之間的相互作用規(guī)律往往難以直接觀察得到[14]。相空間能夠?qū)ο到y(tǒng)所有可能狀態(tài)空間完備表示，即系統(tǒng)的每個(gè)潛在狀態(tài)均在相空間中有對(duì)應(yīng)點(diǎn)，系統(tǒng)的全部信息隱含在任一分量的演化過(guò)程中，運(yùn)用相空間分析能夠直觀地反映系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性。

延遲坐標(biāo)法和微分坐標(biāo)法是相空間重構(gòu)的兩種基本方法[15]。由于燃燒過(guò)程缸內(nèi)壓力時(shí)間序列的導(dǎo)數(shù)具有重要的物理意義，選用微分坐標(biāo)法對(duì)缸內(nèi)壓力時(shí)間序列進(jìn)行相空間重構(gòu)，對(duì)燃燒過(guò)程的動(dòng)力學(xué)規(guī)律進(jìn)行研究。

經(jīng)相空間重構(gòu)后，建立的三維微分坐標(biāo)系如(1)式所示，重建的相空間ΩXYZ如(2)式所示：

(1)

ΩXYZ={(X,Y,Z)∈R3}，

(2)

為了更直觀地對(duì)相空間變化規(guī)律進(jìn)行研究，對(duì)重構(gòu)的相空間采用平面投影方式降維，將三維相空間投影到平面ΣXY={(X,Y)∈R2}上，探討相空間軌跡的變化規(guī)律。

圖2所示為缸內(nèi)壓力相空間重構(gòu)后在OXY平面的投影及部分缸內(nèi)壓力變化圖。由圖2可知，每條封閉的曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)柴油機(jī)的一個(gè)燃燒循環(huán)，曲線(xiàn)的發(fā)展規(guī)律類(lèi)似又不盡相同，表明柴油機(jī)缸內(nèi)狀態(tài)呈現(xiàn)一定的混沌特性。圖2中的尖端為柴油機(jī)進(jìn)氣與排氣階段，這一階段缸內(nèi)壓力升高率上升緩慢，燃燒開(kāi)始后壓力升高率迅速增大，拐點(diǎn)位置代表燃燒始點(diǎn)。燃燒開(kāi)始后壓力升高率迅速上升，燃燒時(shí)刻、位置以及混合物濃度分布等影響引起了燃燒的循環(huán)變動(dòng)。在燃燒過(guò)程中，缸內(nèi)壓力呈現(xiàn)振蕩的特點(diǎn)，這是因?yàn)樵谝欢l件下，柴油機(jī)放熱速度和加速度過(guò)大、引起缸內(nèi)壓力升高速度及加速度激增，氣體來(lái)不及正常膨脹和傳遞壓力，產(chǎn)生了帶有爆炸性質(zhì)的燃燒。圖2可以劃分為3個(gè)區(qū)域：Ⅰ區(qū)為缸內(nèi)壓力首次振蕩區(qū)域，主要由于滯燃期階段積累了部分燃油，一旦著火，火焰迅速蔓延引起缸內(nèi)壓力突升；Ⅱ區(qū)為缸內(nèi)壓力第2次振蕩區(qū)域，由于處在預(yù)混合燃燒階段，且此時(shí)噴油速率較高，該區(qū)域的壓力升高率依然較高，出現(xiàn)第2次壓力振蕩；Ⅲ區(qū)為壓力振蕩頻繁區(qū)域，由于該區(qū)域燃燒發(fā)生在上止點(diǎn)附近，近似于等容燃燒，燃燒產(chǎn)生的沖擊波在燃燒室壁發(fā)生多次反射，造成缸內(nèi)壓力頻繁振蕩。燃燒穩(wěn)定時(shí)，各循環(huán)軌跡線(xiàn)相對(duì)集中，重合度高，相空間結(jié)構(gòu)較為緊密，3個(gè)區(qū)域能夠明顯區(qū)分；由于燃料或外界環(huán)境的變化等原因造成燃燒穩(wěn)定性下降，相空間中的軌線(xiàn)明顯分散，區(qū)域邊界不再清晰，尤其是Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)可能發(fā)生混疊。

圖2 相空間重構(gòu)后缸內(nèi)壓力在OXY平面的投影圖Fig.2 Projection diagram of in-cylinder pressure on OXY plane after phase space reconstruction

最大扭矩工況下，3種燃油缸內(nèi)燃燒過(guò)程相空間平面投影如圖3所示。從圖3中可以看出，柴油機(jī)在燃用不同燃油時(shí)，缸內(nèi)燃燒過(guò)程發(fā)展趨勢(shì)較一致，即缸壓- 壓升曲線(xiàn)形狀具有相似性，均存在明顯的壓力波動(dòng)。然而由于3種燃油的理化性質(zhì)不同，其循環(huán)變動(dòng)的跡線(xiàn)及波動(dòng)的位置、幅值也有所差異。由圖3可見(jiàn)：當(dāng)燃用柴油A時(shí)，燃燒階段各循環(huán)跡線(xiàn)集中分布在軌跡平均線(xiàn)兩側(cè)，軌跡重合度高，相空間結(jié)構(gòu)相對(duì)緊密，3個(gè)區(qū)域邊界明顯，壓力振蕩幅值較小，表明各循環(huán)相空間各點(diǎn)狀態(tài)一致性好，燃燒穩(wěn)定性高；當(dāng)燃用柴油B時(shí)，燃燒階段各循環(huán)跡線(xiàn)發(fā)散程度明顯增大，壓力振蕩幅值上升，Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)發(fā)生混疊，燃燒穩(wěn)定性下降；當(dāng)燃用柴油C時(shí)，最大缸內(nèi)壓力明顯低于前兩種燃油，區(qū)域邊界模糊，Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)發(fā)生混疊且與Ⅰ區(qū)的邊界也不明顯，燃燒始點(diǎn)推遲，圖3(c)中圓圈區(qū)域的最大壓力升高率較其他循環(huán)明顯升高，出現(xiàn)爆燃循環(huán)，表明柴油C做功能力較差且燃燒穩(wěn)定性差。

圖3 3種燃油在最大扭矩工況下缸內(nèi)燃燒過(guò)程相空間平面投影Fig.3 Planar projection diagrams of phase spaces of three fuels in the combustion process under the maximum torque condition

標(biāo)定工況下，3種燃油缸內(nèi)燃燒過(guò)程相空間平面投影如圖4所示。對(duì)比圖3最大扭矩工況可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的上升，燃用3種燃油的循環(huán)變動(dòng)跡線(xiàn)重合度提高，各循環(huán)跡線(xiàn)集中分布在軌跡平均線(xiàn)兩側(cè)，相空間結(jié)構(gòu)相對(duì)緊密，區(qū)域界線(xiàn)明顯，壓力升高率也變得緩和，燃燒穩(wěn)定性升高。

圖4 3種燃油在標(biāo)定工況下缸內(nèi)燃燒過(guò)程相空間平面投影Fig.4 Planar projection diagrams of phase spaces of three fuels in the process of in-cylinder combustion under calibration conditions

不同燃油理化性質(zhì)造成燃燒過(guò)程缸內(nèi)壓力變化規(guī)律的差異。柴油A和柴油B的指標(biāo)參數(shù)較接近，燃燒過(guò)程差異不大，而柴油C與其他兩種相差較大，其十六烷值較柴油A、柴油B分別低7.7和6.2，不容易著火，滯燃期延長(zhǎng)，且10%餾出溫度分別低46.8 ℃和38.9 ℃，預(yù)混燃燒增強(qiáng)，壓力升高率增大，燃燒不穩(wěn)定。

3 燃燒參數(shù)的循環(huán)波動(dòng)分析

柴油機(jī)燃燒過(guò)程的隨機(jī)性必然引起其燃燒參數(shù)的循環(huán)波動(dòng)，利用各燃燒參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差和循環(huán)波動(dòng)率，能夠?qū)ρh(huán)波動(dòng)進(jìn)行有效的分析。循環(huán)波動(dòng)率的計(jì)算公式如(3)式所示：

(3)

3.1 缸內(nèi)壓力循環(huán)波動(dòng)分析

為分析缸內(nèi)壓力各個(gè)位置循環(huán)變動(dòng)規(guī)律，對(duì)循環(huán)中每個(gè)曲軸轉(zhuǎn)角處的壓力循環(huán)波動(dòng)率進(jìn)行計(jì)算。圖5顯示了柴油機(jī)在工作過(guò)程中各曲軸轉(zhuǎn)角處壓力波動(dòng)規(guī)律。從圖5中可以看出，各曲軸轉(zhuǎn)角處壓力波動(dòng)曲線(xiàn)整體呈W字形分布，曲線(xiàn)分別在該缸進(jìn)氣門(mén)開(kāi)關(guān)階段、燃燒階段以及同排缸進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉階段出現(xiàn)峰值。在進(jìn)氣階段，進(jìn)氣門(mén)的開(kāi)關(guān)均會(huì)導(dǎo)致缸內(nèi)氣流擾動(dòng)、形成湍流，進(jìn)而引起缸內(nèi)壓力波動(dòng)率變大。由于排氣門(mén)直徑比進(jìn)氣門(mén)稍小，且開(kāi)關(guān)時(shí)刻均在活塞下行階段，排氣門(mén)開(kāi)關(guān)引起的缸內(nèi)壓力波動(dòng)較小。進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉后，缸內(nèi)形成一個(gè)封閉空間，缸內(nèi)混合氣運(yùn)動(dòng)較穩(wěn)定，壓力波動(dòng)率逐漸下降，曲線(xiàn)出現(xiàn)第1個(gè)極小值點(diǎn)；上止點(diǎn)前燃料壓燃，燃燒導(dǎo)致缸內(nèi)壓力的循環(huán)波動(dòng)迅速上升，達(dá)到燃燒階段峰值。由圖5(b)看出：燃燒階段壓力波動(dòng)率峰值分別對(duì)應(yīng)前述缸內(nèi)壓力振蕩的3個(gè)區(qū)域，即壓力波動(dòng)率隨著壓力振蕩的出現(xiàn)而上升，且I區(qū)壓力波動(dòng)率峰值最高、Ⅱ區(qū)次之、Ⅲ區(qū)最低；燃燒結(jié)束后，壓力波動(dòng)率出現(xiàn)第2個(gè)極小值點(diǎn)，排氣門(mén)開(kāi)啟后，壓力波動(dòng)率再次上升到較高的水平。

圖5 各曲軸轉(zhuǎn)角處壓力波動(dòng)規(guī)律及局部放大圖Fig.5 Fluctuations and parial enlarged view of inclyinder preasures at all crank angles

圖6所示為3種燃油在最大扭矩工況下各曲軸轉(zhuǎn)角處循環(huán)波動(dòng)規(guī)律。從圖6中可以看出，燃用不同燃油時(shí)各曲軸轉(zhuǎn)角處波動(dòng)循環(huán)規(guī)律趨勢(shì)相似，峰值幅值和相位略有差異。壓力振蕩主要發(fā)生在預(yù)混合燃燒階段，壓力振蕩的隨機(jī)性也是造成壓力循環(huán)波動(dòng)的原因。燃燒階段循環(huán)波動(dòng)率越高，表明每循環(huán)在該階段的壓力不確定性越大，出現(xiàn)爆燃的概率越高，燃燒越不穩(wěn)定。本文選取燃燒開(kāi)始后前兩次振蕩區(qū)域(即Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū))對(duì)3種燃油的循環(huán)波動(dòng)率進(jìn)行分析。燃用柴油A時(shí)，燃燒過(guò)程較穩(wěn)定，循環(huán)波動(dòng)率前兩個(gè)峰值為8.2%和5.5%；燃用柴油B和柴油C時(shí)，燃燒穩(wěn)定性出現(xiàn)不同程度的下降，循環(huán)波動(dòng)率前兩個(gè)峰值分別上升到11.8%、13.9%和6.5%、6.6%.另外，循環(huán)波動(dòng)率峰值出現(xiàn)的相位不同也在一定程度上反映了滯燃期的長(zhǎng)短，柴油A最短，柴油C最長(zhǎng)。燃燒開(kāi)始后，柴油C累積的可燃混合物較多，預(yù)混燃燒加強(qiáng)，缸內(nèi)燃燒不確定性增大，導(dǎo)致壓力循環(huán)波動(dòng)率上升，燃燒穩(wěn)定性下降。該缸進(jìn)氣門(mén)開(kāi)關(guān)時(shí)刻的波動(dòng)率峰值為柴油A>柴油B>柴油C，同排缸進(jìn)氣門(mén)的開(kāi)關(guān)對(duì)燃用不同柴油的循環(huán)波動(dòng)率影響不大。

圖6 3種燃油在最大扭矩工況下各曲軸轉(zhuǎn)角處循環(huán)波動(dòng)規(guī)律Fig.6 In-cylinder pressure fluctuations of 3 fuels at all crank angles under maximum torque condition

標(biāo)定工況下循環(huán)波動(dòng)規(guī)律如圖7所示。由圖7可見(jiàn)，3種燃油在燃燒階段各曲軸轉(zhuǎn)角處循環(huán)波動(dòng)率均有所下降，柴油A、柴油B、柴油C的循環(huán)波動(dòng)率第1峰值分別為3.7%、3.3%、3.9%，第2峰值分別為3.1%、2.7%、3.0%，由此可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的上升，燃燒穩(wěn)定性增強(qiáng)，燃料理化性質(zhì)引起的燃燒階段循環(huán)波動(dòng)差異逐漸減小。但轉(zhuǎn)速升高、進(jìn)氣量增大，會(huì)導(dǎo)致進(jìn)氣門(mén)開(kāi)關(guān)階段的循環(huán)波動(dòng)峰值變大。

圖7 3種燃油在標(biāo)定工況下各曲軸轉(zhuǎn)角處循環(huán)波動(dòng)規(guī)律Fig.7 In-cylinder pressure fluctuations of 3 fuels at all crank angles under calibration condition

3.2 燃燒始終點(diǎn)循環(huán)波動(dòng)分析

圖8所示為3種燃油在最大扭矩工況下的燃燒始點(diǎn)和終點(diǎn)。從圖8可以看出：在最大扭矩工況下，柴油A的燃燒始點(diǎn)、燃燒終點(diǎn)均出現(xiàn)較早、滯燃期較短，燃燒始點(diǎn)分布在上止點(diǎn)前18 °CA～16 °CA之間，循環(huán)波動(dòng)率為2.87%，燃燒終點(diǎn)分布在48 °CA～58 °CA之間，循環(huán)波動(dòng)率為4.21%；燃用柴油B時(shí)，燃燒始點(diǎn)分布在上止點(diǎn)前17 °CA～15 °CA之間，循環(huán)波動(dòng)率為3.44%，燃燒終點(diǎn)分布在50 °CA～60 °CA之間，循環(huán)波動(dòng)率為3.28%；燃用柴油C時(shí)，燃燒始點(diǎn)分布在上止點(diǎn)前16 °CA～14 °CA之間，循環(huán)波動(dòng)率為3.78%，燃燒終點(diǎn)分布在50 °CA～65 °CA之間，循環(huán)波動(dòng)率為4.88%，且出現(xiàn)2個(gè)燃燒循環(huán)后燃嚴(yán)重。

圖8 3種燃油在最大扭矩工況下燃燒始點(diǎn)與終點(diǎn)Fig.8 Starting and end points of combustion of three fuels under maximum torque condition

圖9所示為3種燃油在標(biāo)定工況下的燃燒始點(diǎn)與終點(diǎn)。從圖9可以看出，在標(biāo)定工況下，3種燃油燃燒始點(diǎn)分布的排列次序同最大扭矩工況一致，但柴油A的燃燒終點(diǎn)較其他兩種相對(duì)延后，表明柴油A的燃燒持續(xù)期較長(zhǎng)。整體來(lái)看，隨著轉(zhuǎn)速的增加，燃燒始點(diǎn)、燃燒終點(diǎn)均后移，以曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)的滯燃期增長(zhǎng)。

圖9 3種燃油在標(biāo)定工況下燃燒始點(diǎn)與終點(diǎn)Fig.9 Starting and ending points of combustion of three fuels under calibration condition

4 基于返回映射的IMEP研究

返回映射是選取相鄰循環(huán)的某一參數(shù)分別做橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)得到的離散映射，實(shí)質(zhì)是嵌入維數(shù)為2、時(shí)間延遲為1的相空間重構(gòu)方式，既能簡(jiǎn)化相空間軌跡，又能保留大多數(shù)信息。

為了更方便直觀地觀察缸內(nèi)燃燒過(guò)程的動(dòng)力學(xué)特性，選用能表征整個(gè)燃燒循環(huán)壓力變動(dòng)的平均指示壓力(IMEP)作為參數(shù)，將相鄰兩個(gè)循環(huán)的平均指示壓力組成一組數(shù)據(jù)點(diǎn)，117個(gè)循環(huán)共組成116組數(shù)據(jù)點(diǎn)，得到一組返回映射。返回映射計(jì)算公式如(4)式所示：

(4)

圖10、圖11分別為3種燃油在最大扭矩工況和標(biāo)定工況下平均指示壓力時(shí)間序列的返回映射。最大扭矩工況下，柴油A、柴油B的平均指示壓力相當(dāng)，略高于柴油C，即柴油A和柴油B的做功能力強(qiáng)于柴油C.但柴油A的映射點(diǎn)較密集，表明柴油A各循環(huán)間平均指示壓力有較強(qiáng)的相關(guān)性，對(duì)外做功過(guò)程較為穩(wěn)定。柴油B和柴油C的映射點(diǎn)較分散，平均指示壓力循環(huán)波動(dòng)率分別較柴油A高2.1%和4%，表明燃用柴油B和柴油C時(shí)，各循環(huán)間平均指示壓力出現(xiàn)隨機(jī)性，對(duì)外做功穩(wěn)定性下降。隨著轉(zhuǎn)速的提高，3種燃油平均指示壓力的循環(huán)波動(dòng)率均有所提高，柴油B的升高幅度最明顯。

圖10 3種燃油在最大扭矩工況下平均指示壓力時(shí)間序列的返回映射Fig.10 Return maps of time series of IMEP with different fuels under maximum torque condition

圖11 3種燃油在標(biāo)定工況下平均指示壓力時(shí)間序列的返回映射Fig.11 Return maps of time series of IMEP with different fuels under calibration condition

5 結(jié)論

1)柴油機(jī)缸內(nèi)狀態(tài)呈現(xiàn)一定的混沌特性。按照缸內(nèi)壓力呈現(xiàn)出振蕩的特點(diǎn)將燃燒階段劃分為3個(gè)區(qū)域，與壓力波動(dòng)率峰值相對(duì)應(yīng)，且按照Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)的順序峰值依次下降。

2)最大扭矩工況下，柴油機(jī)燃用柴油A、柴油B、柴油C時(shí)，相空間跡線(xiàn)逐漸發(fā)散，燃燒階段的壓力波動(dòng)率峰值依次升高；燃燒始點(diǎn)延后，平均指示壓力波動(dòng)率上升，燃燒穩(wěn)定性降低，對(duì)外做功不穩(wěn)定。

3)標(biāo)定工況下，3種燃料的燃燒穩(wěn)定性均比最大扭矩工況有所提升，但在燃燒階段壓力波動(dòng)峰值以及各燃燒參數(shù)的循環(huán)波動(dòng)率上提升程度有所差異。