不同海拔下甲醇-柴油雙燃料發動機的燃燒循環波動研究

房晟，周德峰，王斌

(江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江 212013)

壓燃式發動機被廣泛應用已經超過100年，盡管有著較高的燃油經濟性，但近年來也面臨著挑戰，其發展的主要困境在于如何同時降低炭煙和NOx排放。為了達到這個目的，許多先進的新型燃燒方式被應用在發動機上，包括均質充量壓燃(HCCI)、預混充量壓燃(PCCI)和活性可控壓燃(RCCI)等等[1]。其中，RCCI燃燒由于噴射不同活性的燃料進入氣缸燃燒，所以可以根據工況控制燃料比例改變燃燒過程，有效改善發動機的經濟性和排放性。RCCI燃燒是通過兩套獨立的燃料供給系統應用在壓燃式發動機中，低十六烷值的燃料在進氣道預混參與燃燒，高十六烷值的燃料直噴進入氣缸。

我國的能源結構以煤炭資源為主，具備低成本大規模生產甲醇的條件，此外，甲醇燃料的理化特性也有利于性能的改善，因此甲醇-柴油雙燃料DMDF系統是一種實現RCCI燃燒的理想手段。許多研究表明，DMDF燃燒能有效利用甲醇燃料，并能同時降低發動機的NOx和炭煙排放。長安大學李剛等[2]通過臺架試驗研究了柴油噴射參數對DMDF柴油機燃燒和排放的影響，試驗結果表明柴油噴射壓力增加，DMDF模式下燃燒持續時間縮短，缸內峰值壓力和峰值放熱率增大，CO、HC排放和煙度降低，而CO2和NO2排放略有增加。天津大學的王全剛等[3]研究了DMDF燃燒的運行范圍，試驗發現DMDF燃燒的運行范圍被部分燃燒、失火、燃燒劇烈和爆震四個邊界限制。

從上述對DMDF燃燒的研究中可以看出，DMDF燃燒的穩定性比傳統柴油機差，高循環波動在DMDF系統中是常見現象，國內外很多專家已經對雙燃料發動機的循環波動開展了相關研究[4-5]。長安大學李剛等[6]在1臺由高壓共軌柴油機改裝的DMDF發動機上研究了替代率、負荷、轉速和噴油正時對DMDF發動機循環波動的影響，試驗結果表明：在高替代率下，循環波動大；隨負荷增大或轉速升高，循環波動減小；適當提前柴油噴油正時可提高燃燒穩定性，但提前太多會引起爆震。天津大學王全剛等[7]在1臺DMDF發動機上，研究了發動機負荷、替代率、噴油正時和進氣溫度對DMDF燃燒穩定性的影響，試驗結果表明：DMDF燃燒在高負荷下更穩定，此時替代率對循環波動影響更小；此外，相比較于噴油時刻，循環波動對進氣溫度更加敏感，過高的進氣溫度會直接導致甲醇出現自燃現象。Jia等[8]研究了燃料活性、柴油質量分數、燃燒方式、EGR率和柴油控制策略對雙燃料RCCI燃燒穩定性的影響。

上述研究主要是針對平原地區DMDF系統的燃燒穩定性，而對高原地區雙燃料發動機循環波動的系統性理解對于優化燃燒過程和擴展DMDF發動機運行范圍是至關重要的，因此，本研究在1臺改裝的DMDF發動機上進行了臺架試驗，研究高原地區DMDF燃燒的循環波動。

1 試驗裝置及方法

1.1 試驗機型和燃油

試驗用DMDF發動機由1臺4缸、高壓共軌、增壓、直噴式柴油機改裝而來，其主要技術參數見表1，整個試驗裝置的結構簡圖見圖1。加裝的甲醇供給系統包括甲醇燃料箱、甲醇泵、甲醇壓力調節閥、甲醇噴射器和雙燃料控制單元，在原機基礎上，改裝進氣道，在每個進氣歧管處增加甲醇電控噴射器，甲醇壓力調節閥控制甲醇噴射壓力在0.4 MPa，并由雙燃料控制單元控制甲醇噴射。

表1 發動機主要參數

圖1 試驗系統示意

為了研究海拔對循環波動的作用，在臺架上加裝一套高原模擬裝置，該裝置主要采用進氣節流和排氣抽真空的原理設計。圖2和圖3分別示出了進氣口和排氣口的大氣模擬系統結構簡圖，其主要由進/排氣口節流碟閥、穩壓桶和真空泵組成，并調節閥門控制進排氣壓力模擬10 m,700 m和1 670 m下的環境條件。海拔的增加對大氣壓力、空氣密度和大氣溫度都會產生影響，其中大氣壓力的變化最為明顯，對柴油機缸內燃燒過程的影響最大，所以試驗中主要對進氣壓力進行控制。表2示出高原環境對應的進氣口和排氣口壓力，在試驗中依照表2所示來模擬高原工況[9]。

圖2 高原進氣模擬裝置示意

圖3 高原排氣模擬裝置示意

表2 模擬海拔對應進排氣壓力

雙燃料發動機測試臺架由CAC75電力測功機控制，采用FC2210油耗儀，缸內壓力采集及分析采用Kistler 6056A壓電式缸壓傳感器、5011B10電荷放大器和AVL 622燃燒分析儀。缸壓傳感器安裝在一缸氣缸蓋上，采集的信號經過電荷放大器處理后轉化為電壓信號傳輸給燃燒分析儀處理。表3示出了在試驗中使用的柴油和甲醇的具體參數，使用的柴油是硫含量不超過100×10-6的商用柴油，甲醇是純度為99%的甲醇燃料。

表3 柴油和甲醇燃料的理化性質

1.2 試驗條件

發動機轉速維持在1 800 r/min，整個試驗模擬的海拔工況為10 m,700 m和1 670 m，50%負荷和30%替代率的工況是試驗對比的基準工況，通過調整負荷、替代率、柴油噴射參數和模擬海拔，與基準工況進行對比，研究不同海拔下各參數對DMDF燃燒循環波動率的影響。表4示出了具體的試驗工況。

表4 試驗參數

1.3 評價指標

表征發動機燃燒穩定性的參數一般采用循環波動系數COV，COV定義為標準差和平均值之比，其計算式為

式中：n為一組測試點的循環次數。

甲醇替代率MSR的計算式為

式中：qdd為發動機純柴油模式下的柴油消耗率；qdm為雙燃料模式下的柴油消耗率。

試驗中，純柴油工況記為D100，甲醇替代率10%，30%和50%工況分別記為M10，M30和M50。

2 結果與分析

2.1 不同海拔下負荷對循環波動的影響

發動機轉速為1 800 r/min，替代率為M30，將發動機噴射參數調整在平原工況下的最優狀態，此時發動機運行穩定，功率與原機相當，沒有出現爆震、失火。控制發動機在25%，50%，75%負荷率運行，調節閥門模擬10 m,700 m,1 670 m 3個不同海拔工況，圖4示出不同工況下連續100個測試點的峰值壓力瞬時值散點圖，圖5示出不同工況下COVIMEP連續100個循環的平均值柱狀圖。

圖4 在不同模擬海拔下峰值壓力隨負荷的變化

DMDF發動機循環波動的原因主要有預噴柴油引燃點的不穩定性和引燃時刻甲醇混合氣組分的不穩定性。高負荷率下，由于燃料增加提供了更大的點火能量，改善了柴油引燃點的穩定性，所以平原條件下COVpmax在75%負荷下只有1.14%，在高原條件下大負荷時COVpmax的變化趨勢與平原類似。低負荷率下，缸內溫度較低，加上甲醇對進氣溫度的降溫效果，滯燃期延長，在滯燃期內形成的混合氣增多，引燃后迅速燃燒，導致峰值壓力循環波動變大。隨著負荷率增加，缸內溫度升高，滯燃期縮短，甲醇的降溫作用有利于改善燃燒過程，充分發揮了甲醇有氧燃料的特性。因此，在發動機不爆震的前提下，大負荷時燃燒穩定性更佳，更有利于DMDF發動機穩定運行。

衡量燃燒穩定性的重要指標除去峰值壓力循環波動系數COVpmax，平均指示壓力波動系數COVIMEP同樣非常重要，它定義了發動機做功能力的穩定性，研究顯示，當COVIMEP超過10%時車輛會出現駕駛性能問題[5]。由圖5可以看出，大負荷率下COVIMEP同樣降低，這進一步表明了DMDF發動機更適合在大負荷下運行。但是與峰值壓力不同的是，大負荷下，COVpmax與COVIMEP隨海拔升高都呈現下降趨勢，而在中小負荷下，COVpmax與COVIMEP隨海拔變化趨勢相反，在高海拔下，COVpmax明顯增大，而COVIMEP保持下降趨勢。這是由于中小負荷時，滯燃期延長，預混燃燒占比變多，導致峰值壓力循環波動率增加；而含氧燃料甲醇在1 800 r/min的中小負荷時，對高原下的燃燒有改善作用，降低了做功能力的循環波動，COVIMEP保持下降趨勢。

圖5 COVIMEP平均值隨負荷和海拔的變化

2.2 不同海拔下替代率對循環波動的影響

發動機轉速為1 800 r/min，負荷率為50%，將發動機噴射參數調整在平原工況下的最優狀態，控制發動機在D100、M10、M30、M50替代率下運行，調節閥門模擬10 m,700 m,1 670 m 3個不同海拔工況，圖6示出不同工況下連續100個測試點的峰值壓力瞬時值散點圖，圖7示出不同工況下COVIMEP的平均值柱狀圖。

由圖6可以看出，隨著替代率的增加，峰值壓力增大，峰值壓力的循環波動系數增大，在高海拔下趨勢更加明顯。這是因為替代率的升高導致甲醇預混量增大，缸內溫度降低，滯燃期延長，滯燃期內形成的預混氣體增加，引燃后迅速燃燒，缸內壓力增大，峰值壓力的循環波動增加。在高海拔下，由于進氣量減少，滯燃期進一步拉長，峰值壓力由于進氣量不足有所下降，峰值壓力的循環波動系數顯著增大。

由圖7可以看出，COVIMEP的趨勢與COVpmax有所不同，當發動機運行在純柴油模式(D100)時，COVIMEP同樣在高海拔下更大，但是隨著替代率的增加，COVIMEP在高海拔下有所減小，并且隨著替代率不斷升高，COVIMEP隨海拔升高的下降趨勢更加明顯，這意味著在高原工況下，發動機在高替代率下運行更加穩定。進氣量的減少導致預混氣體混合質量變差，導致峰值壓力循環波動增加，但是由于甲醇是含氧燃料，在柴油引燃以后，甲醇加入燃燒，有效改善了后續燃燒過程，因此，發動機做功能力的循環波動減小。COVpmax與COVIMEP隨海拔變化出現相反趨勢的情況，這與圖6中出現的情況相符，進一步證明了高海拔下DMDF發動機在高替代率下運行更加穩定。但在M10工況，COVIMEP隨海拔升高先增加后減小，是由于海拔升高使循環波動增加的趨勢和替代率使高海拔下循環波動減小的趨勢共同作用的結果，在1 670 m的M10工況下，循環波動減小的趨勢發揮主要作用，使得其比700 m時的循環波動更低。

圖6 在不同模擬海拔下峰值壓力隨替代率的變化

圖7 COVIMEP平均值隨替代率和海拔的變化

2.3 不同海拔下噴油參數對循環波動的影響

發動機轉速為1 800 r/min，負荷率為50%，替代率為M30，調整柴油噴射參數，控制其他柴油噴射參數在最佳條件下，調節閥門模擬10 m,700 m,1 670 m 3個不同海拔工況。圖8示出在不同柴油預噴油量、噴油正時和噴射壓力下，DMDF發動機的循環波動系數折線圖。

由圖8可以看出，隨海拔升高，COVpmax有所增大，而COVIMEP的變化趨勢相反，這個現象與前述論述相符。柴油預噴油量增加，在缸內形成更多混合均勻的充量，預混燃燒比例增大，主噴始點的溫度壓力升高，整個放熱過程更加平穩，所以隨著預噴油量的增加，DMDF燃燒循環波動顯著減小[10]。噴油正時對COVIMEP的影響很小，相較之下，COVpmax對于噴油正時的變化更加敏感。柴油噴油正時推遲，燃燒始點更接近上止點位置，此時缸內溫度壓力較高，有利于柴油引燃的穩定性，因此峰值壓力的循環波動系數有所減小[11]。相比較其他噴油參數，柴油噴射壓力對燃燒循環波動的影響不大，試驗結果顯示隨噴射壓力增加，COVpmax略微增大，COVIMEP隨噴射壓力變化很小，在各種噴射壓力條件下COVIMEP都保持在1.4%以下。

圖8 噴油參數對循環波動的影響

2.4 海拔對峰值壓力對應曲軸轉角的影響

發動機轉速為1 800 r/min，負荷率為50%，替代率為M30，將發動機噴射參數調整在平原工況下的最優狀態，調節閥門模擬10 m,700 m,1 670 m3個不同海拔工況。圖9示出在不同海拔條件下，DMDF燃燒連續100個測試點的峰值壓力對應曲軸轉角的分布柱狀圖。

由圖9可以看出，隨海拔升高，峰值壓力對應曲軸轉角的分布趨于集中，且峰值壓力所對應的曲軸轉角推后。在1 670 m的模擬海拔下，峰值壓力出現的曲軸轉角范圍集中在8.75°～9.25°曲軸轉角之間，然而在平原地區，DMDF燃燒的峰值壓力對應曲軸轉角分布在7.75°～9.5°曲軸轉角之間。這是因為高海拔下進氣量的減少導致滯燃期延長，滯燃期內預混的混合氣量增多，燃燒始點相應推后，預混燃燒比例增多，因此放熱更加集中，峰值壓力出現位置推后。

圖9 在不同模擬海拔下峰值壓力對應曲軸轉角的分布

3 結論

a)DMDF發動機在大負荷下峰值壓力升高，COVpmax明顯降低，特別是在高海拔工況；在大負荷下，COVpmax和COVIMEP隨海拔變化表現出相似的下降趨勢，但是在中小負荷下COVpmax隨海拔升高增大，COVIMEP在高海拔下有所下降；

b)高替代率工況下的COVpmax高于低替代率工況，特別是在高海拔下更加明顯；當發動機運行在純柴油模式下時，COVIMEP在高海拔下升高，然而當運行在更高的替代率下時，COVIMEP反而在高海拔下下降；

c)預噴油量增加有利于高原工況下的燃燒穩定性；在所有海拔條件下，柴油噴射正時對COVIMEP的影響都不大，但COVpmax隨噴射正時推后下降明顯；相比較于其他參數，柴油噴射壓力引起的循環波動變化較小；

d)在高原工況下，峰值壓力對應的曲軸轉角分布趨于集中，但峰值出現時刻滯后。