二甲醚發動機組合燃燒壓力振蕩特性研究

侯軍興，楊海鵬，鄭路，李樹豪，張華陽，安曉東

(1.鄭州航空工業管理學院航空宇航學院，河南 鄭州 450046；2.鄭州工程技術學院機電與車輛工程學院，河南 鄭州 450044)

能源危機和環境污染是發動機面臨的嚴峻挑戰，開發清潔低碳燃料燃燒技術是解決問題的方法之一。含氧燃料二甲醚十六烷值較高，壓燃發動機燃用二甲醚可以實現零炭煙排放和低NO排放。將二甲醚進氣道噴射與缸內噴射組合起來，根據發動機的性能需求采用不同的HCCI燃燒/缸內噴霧燃燒組合比例，可以進一步降低發動機的NO排放，拓展HCCI運行工況范圍。目前，國內外對組合燃燒的研究主要集中在燃燒和排放方面，針對壓力振蕩的研究較少。柴油機缸內的燃燒呈現一定的混沌特性，在燃燒過程中會出現缸內壓力振蕩，并且燃燒過程中的壓力振蕩與燃燒噪聲有很強的關聯性，它和氣體動力載荷是燃燒噪聲產生的主要原因。研究表明，控制預噴燃燒、主噴燃燒和添加聚甲氧基二甲醚等措施均可以控制燃燒壓力振蕩，其中預噴燃燒對壓力振蕩的影響大于主噴燃燒。柴油里添加聚甲氧基二甲醚，缸內壓力升高率峰值減小，峰值相位提前，燃燒振蕩能量和振蕩幅值減小。

試驗研究了不同轉速下二甲醚發動機組合燃燒的壓力振蕩特性，確定了組合燃燒壓力振蕩的時域特性和頻域特性，進一步考察了進氣道引入燃料量對壓力振蕩時域特性和頻域特性的影響規律。

1 試驗裝置

將傳統的二甲醚壓燃發動機改造為HCCI 燃燒/缸內噴霧的組合燃燒發動機，二甲醚組合燃燒試驗裝置示意見圖1。由圖1可知，組合燃燒包括兩部分：第一部分為缸內直噴燃燒，二甲醚罐內的燃料經過濾器過濾、低壓泵加壓、高壓泵二次加壓后，通過噴油器在氣缸內直接噴射燃燒；第二部分為進氣道引入HCCI燃燒，二甲醚罐內的燃料經過蒸發器蒸發，引入進氣道，在混合器內與新鮮空氣混合均勻，混合氣進入發動機氣缸內燃燒。

圖1 組合燃燒試驗裝置示意

缸內壓力采用壓力傳感器、電荷放大器和數據采集儀采集，采樣頻率為20 kHz。為研究不同燃燒狀態的壓力振蕩特性，試驗中引入進氣道的燃料量(PI)由小變大，使缸內壓力呈現正常燃燒狀態和不同程度的壓力振蕩。

2 試驗結果與分析

2.1 1 500 r/min不同燃燒狀態的壓力振蕩分析

圖2示出轉速1 500 r/min，平均有效壓力0.2 MPa，不同燃燒狀態的缸內壓力和放熱率。由圖2a可知，進氣道燃料量PI為0.77 mg/s時正常燃燒，燃燒較柔和，最大缸內壓力為5.57 MPa，其相位為上止點后7°。PI增加到1.22 mg/s時呈輕微壓力振蕩，最大缸內壓力增加，相位提前，分別為6.81 MPa和上止點后1°。PI進一步增加到1.37 mg/s時，缸內壓力振蕩加劇，出現劇烈壓力振蕩，最大缸內壓力增加到7.09 MPa，相位提前到上止點前1.5°。由圖2b可知，PI分別為0.77 mg/s，1.22 mg/s和1.37 mg/s時，放熱率曲線均呈三階段放熱，分別為進氣道引入二甲醚的HCCI燃燒的低溫放熱a、高溫放熱b和擴散燃燒c。PI與三階段放熱規律的關系如下：1)PI增加，HCCI燃燒低溫放熱a的峰值增加，峰值相位提前，其峰值分別為48.72 J/(°)，84.58 J/(°)和90.10 J/(°)，峰值相位分別為上止點前25°、上止點前26°和上止點前27°；2)PI增加，高溫放熱b先由單峰變為雙峰，進而雙峰峰值增加，峰值分別為99.25 J/(°)，244.38 J/(°)和372.62 J/(°)，峰值相位分別為上止點前9°、上止點前14°和上止點前14°；3)PI增加，擴散燃燒部分c波動劇烈。

圖2 1 500 r/min時不同燃燒狀態的缸內壓力和放熱率

參照聲壓級的定義，將缸內壓力級定義為缸內壓力快速傅里葉變換(FFT)結果與基準壓力(20 μPa)的比值，取自然對數，再乘以20，單位為dB。對1 500 r/min時不同燃燒狀態的缸內壓力信號進行FFT變換，計算其缸內壓力級，不同PI下的缸內壓力級頻譜曲線見圖3。

圖3 1 500 r/min時不同燃燒狀態的缸內壓力級

由圖3可知，PI為0.77 mg/s，1.22 mg/s和1.37 mg/s時，缸內壓力級頻譜曲線均呈現三個階段：速降段1、緩降段2和波動段3。隨著PI值的增加，燃燒狀態由正常燃燒演變為輕微壓力振蕩，再由輕微壓力振蕩演變為劇烈壓力振蕩，這個過程中速降段1的下降變緩，緩降段2和波動段3的波動幅度變大。PI為0.77 mg/s，1.22 mg/s和1.37 mg/s時，速降段1的范圍分別為0～0.35 kHz，0～0.56 kHz和0～0.53 kHz；緩降段2的范圍分別為0.35～5.4 kHz，0.56～4.4 kHz 和0.53～4.3 kHz；波動段3的范圍分別為0.35～10 kHz，0.56～10 kHz和4.3～10 kHz。

2.2 1 100 r/min不同燃燒狀態的壓力振蕩分析

圖4示出轉速1 100 r/min，平均有效壓力0.2 MPa，不同燃燒狀態的缸內壓力和放熱率。由圖4a可知，0.80 mg/s正常燃燒和1.00 mg/s輕微壓力振蕩時，最大缸內壓力分別為6.79 MPa和7.85 MPa，其相位分別為上止點后5.5°和4.5°。由圖4b可知，PI為0.80 mg/s和1.00 mg/s時，放熱率曲線呈HCCI燃燒低溫放熱a、高溫放熱b和擴散燃燒c三個階段。PI與三階段放熱規律的關系如下：1)PI增加，低溫放熱部分a的峰值增加，分別為65.73 J/(°)和94.51 J/(°)，峰值相位提前，分別為上止點前24.5°和上止點前25°；2)PI增加，高溫放熱部分b由單峰變為雙峰，其峰值分別為116.76 J/(°)和280.13 J/(°)，峰值相位分別為上止點前11.5°和上止點前15.5°；3)PI增加，擴散燃燒部分c波動趨于劇烈。

圖4 1 100 r/min時不同燃燒狀態的缸內壓力和放熱率

圖5示出1 100 r/min時不同燃燒狀態的缸內壓力級頻譜曲線。由圖5可知，0.80 mg/s正常燃燒和1.00 mg/s輕微壓力振蕩時，缸內壓力級頻譜曲線也呈現速降段1、緩降段2和波動段3三個階段。PI由0.80 mg/s增加為1.00 mg/s時，由正常燃燒演變為輕微壓力振蕩，速降段1下降變緩，緩降段2和波動段3的波幅變大。兩個PI值下，速降段1的范圍分別為0～0.27 kHz和0～0.41 kHz，緩降段2的范圍分別為0.27～4.41 kHz和0.41～4.14 kHz，波動段3的范圍分別為5.39～10 kHz和4.14～10 kHz。

圖5 1 100 r/min時不同燃燒狀態的缸內壓力級

2.3 不同特征頻域的壓力振蕩分析

根據圖3缸內壓力級頻譜曲線速降段1、緩降段2和波動段3的頻率范圍，分別對缸內壓力進行帶通濾波，濾波后的缸內壓力定義為，和，分別代表了低頻域、中頻域和高頻域三個不同頻域的缸內壓力。缸內壓力信息中包括正常燃燒壓力信息和壓力振蕩信息兩部分，低頻域子信號包含了正常燃燒壓力信息，子信號和包含壓力振蕩信息。圖6示出發動機轉速1 500 r/min，平均有效壓力0.2 MPa，PI為0.77 mg/s，1.22 mg/s和1.37 mg/s時不同燃燒狀態的缸內壓力子信號。由圖6a可知，子信號的曲線形狀與圖2a中缸內壓力的曲線形狀相似，其最大值分別為5.54 MPa，6.69 MPa和7.02 MPa，略低于圖2a中對應PI的缸內壓力最大值；其相位分別為上止點后6°，3°和3°。由圖6b可知，PI為0.77 mg/s，1.22 mg/s和1.37 mg/s時，子信號均有兩個峰，第一峰出現的范圍分別為上止點前28.5°～13.5°、上止點前28°～15.5°和上止點前29°～17.5°，第二峰出現的范圍分別為上止點前13.5°～1.5°、上止點前15.5°～3°和上止點前17.5°～7.5°。與圖2b放熱率曲線對比可知，子信號第一峰的范圍對應HCCI燃燒的低溫放熱部分a，第二峰的范圍對應HCCI燃燒的高溫放熱部分b。這說明中頻域子信號包含了HCCI燃燒過程的壓力振蕩信息。由圖6c可知，PI為0.77 mg/s正常燃燒時，由于沒有出現壓力振蕩，信號曲線的振蕩幅值很小。當PI為1.22 mg/s輕微壓力振蕩和1.37 mg/s劇烈壓力振蕩時，子信號曲線的振蕩幅值顯著變大，主要振蕩范圍分別為上止點前14°～上止點后9°、上止點前18°～上止點0°。與圖2b放熱率曲線對比可知，子信號主要振蕩范圍對應HCCI燃燒的高溫放熱部分和缸內直噴的擴散燃燒部分，說明高頻域子信號包含了這兩部分燃燒過程的壓力振蕩信息。

圖6 不同燃燒狀態的缸內壓力子信號

圖7示出1 500 r/min和1 100 r/min時不同燃燒狀態下子信號，和各個循環的壓力峰值，反映了不同燃燒狀態下第1個循環、第10個循環、第20個循環和第30個循環的低頻域、中頻域和高頻域的缸內壓力信息。由圖7a和圖7b可知，對于低頻域子信號，無論1 500 r/min還是1 100 r/min時，PI增加，各個循環的峰值均增加，各個循環之間的峰值差別均較小。這是由于低頻域子信號主要包含缸內壓力的正常燃燒信息，不包含中高頻壓力振蕩信息，所以各個循環之間的壓力峰值較穩定。由圖7c可知，1 500 r/min，PI為0.77 mg/s時正常燃燒，中頻域子信號各個循環的峰值均明顯大于高頻域子信號各個循環的峰值，各個循環之間、各個循環之間的峰值差別均較小。PI增加為1.22 mg/s時，缸內壓力出現輕微壓力振蕩，子信號各個循環的峰值增加不明顯，而子信號各個循環的峰值均顯著增加，由于存在壓力振蕩，中頻域子信號各個循環之間、高頻域子信號各個循環之間的峰值差別均較大。PI進一步增加為1.37 mg/s時，出現劇烈壓力振蕩，子信號各個循環的峰值均顯著增加，各個循環之間、各個循環之間的峰值差別均較大。

圖7 不同燃燒狀態各循環的子信號峰值

1 100 r/min，PI為0.80 mg/s時正常燃燒，中頻域子信號各個循環的峰值顯著大于高頻域子信號各個循環的峰值，各個循環之間、各個循環之間的峰值差別均較小。PI為1.00 mg/s時，出現輕微壓力振蕩，子信號各個循環的峰值變化不明顯，子信號各個循環的峰值均顯著增加。綜上，1 500 r/min和1 100 r/min，不同燃燒狀態下子信號，和各個循環的峰值變化規律一致，即燃燒狀態決定了缸內壓力振蕩的頻域分布。低頻域子信號反映了正常燃燒信息，中高頻域子信號和反映了壓力振蕩信息。

3 結論

a) 1 500 r/min，PI分別為0.77 mg/s，1.22 mg/s和1.37 mg/s時，放熱率曲線均呈三階段放熱，缸內壓力級頻譜曲線均呈現速降段、緩降段和波動段三個階段：PI增加，HCCI燃燒低溫放熱部分的峰值增加，峰值相位提前，高溫放熱部分b由單峰變為雙峰；擴散燃燒部分c波動趨于劇烈；1 100 r/min時規律類似；

b) 缸內壓力濾波處理得到低頻域子信號、中高頻域子信號和，子信號對應正常燃燒壓力信息，子信號和對應燃燒壓力振蕩信息，其中子信號第一峰對應HCCI燃燒的低溫放熱壓力信息，第二峰對應HCCI燃燒的高溫放熱壓力信息，子信號對應HCCI燃燒的高溫放熱和缸內直噴的擴散燃燒壓力信息；

c) PI增加，子信號各個循環的峰值均增加，各個循環之間的差別很小；

d) 燃燒狀態決定了缸內壓力振蕩的頻域分布。正常燃燒狀態，子信號各個循環的峰值均很小，子信號各個循環的峰值明顯大于各個循環的峰值；發生輕微壓力振蕩時，子信號各個循環的峰值變化不明顯，子信號各個循環的峰值均顯著增加；發生劇烈壓力振蕩時，子信號各個循環的峰值均顯著增加；發生壓力振蕩時，子信號各個循環之間、各個循環之間的差別均變大。