基于小波包的二甲醚發(fā)動機(jī)復(fù)合燃燒爆震能量分析

李帥博,尹發(fā)輝,胡文帥,侯軍興

鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院航空宇航學(xué)院,河南 鄭州 450046

0 引言

當(dāng)前碳達(dá)峰、碳中和已成為國際社會的共識,交通能源低碳綠色轉(zhuǎn)型迫在眉睫,清潔代用燃料-先進(jìn)燃燒方式是緩解發(fā)動機(jī)燃料短缺和環(huán)境污染的方式之一[1-3]。二甲醚是一種清潔含氧燃料,發(fā)動機(jī)燃用二甲醚可以實現(xiàn)零碳煙排放和較低的NOx排放[4-5]。復(fù)合燃燒是一種清潔燃燒方式,包括均質(zhì)充量壓燃(homogeneous charge compression ignition, HCCI)燃燒和直接噴射(direct injection, DI)噴霧燃燒,通過優(yōu)化復(fù)合燃燒中HCCI燃燒、DI燃燒的比例,可以拓展HCCI運行范圍,進(jìn)一步降低發(fā)動機(jī)排放。目前,復(fù)合燃燒的研究主要集中在燃燒特性和排放特性方面。柴油/甲醇復(fù)合燃燒的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),預(yù)噴油量增加,缸內(nèi)壓力峰值顯著增加,HC、CO等排放降低,NOx排放增加;噴射時刻提前,超細(xì)顆粒在顆粒中所占比例增大[6-7]。醇醚燃料復(fù)合燃燒研究發(fā)現(xiàn),甲醇的高汽化潛熱使燃燒初期的缸內(nèi)溫度降低,燃燒相位后移[8]。HCCI燃燒在復(fù)合燃燒中所占比例過高時,易發(fā)生爆震燃燒[9-11]。目前,對爆震研究主要針對火花點火發(fā)動機(jī)爆震[12-14]。對HCCI、汽油壓燃(gasoline compression ignition, GCI)和火花點火等不同燃燒模式的爆震特性研究發(fā)現(xiàn),不同燃燒模式的爆震具有不同的統(tǒng)計學(xué)特征,但是現(xiàn)有的爆震研究中很少涉及到復(fù)合燃燒爆震[15]。

本文中在一臺二甲醚發(fā)動機(jī)上進(jìn)行復(fù)合燃燒爆震特性研究,利用小波包變換對正常燃燒、爆震燃燒工況下缸內(nèi)壓力信號進(jìn)行3層小波包分解,得到不同頻率范圍的缸內(nèi)壓力子信號,確定正常燃燒、爆震燃燒時缸內(nèi)壓力在各個頻率范圍的子信號的小波包能量,進(jìn)而確定爆震的敏感頻帶;分析平均有效壓力和循環(huán)對爆震燃燒時缸內(nèi)壓力在各個頻率范圍的子信號的小波包能量和能量熵的影響規(guī)律,為檢測判別復(fù)合燃燒爆震、提高發(fā)動機(jī)性能提供參考。

1 試驗裝置與分析方法

將一臺二甲醚壓燃發(fā)動機(jī)改造為二甲醚HCCI-DI復(fù)合燃燒發(fā)動機(jī),開展二甲醚HCCI-DI復(fù)合燃燒試驗,試驗裝置包括HCCI燃燒和DI燃燒2部分:1)HCCI燃燒部分。二甲醚經(jīng)過蒸發(fā)器蒸發(fā),進(jìn)入混合器,在混合器里與新鮮空氣混合均勻后進(jìn)入發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)進(jìn)行HCCI燃燒。2)DI燃燒部分。二甲醚經(jīng)過過濾器過濾,再經(jīng)過低壓泵和高壓泵加壓,由高壓噴油器噴射在氣缸內(nèi)進(jìn)行DI燃燒。復(fù)合燃燒試驗裝置示意如圖1所示。

圖1 復(fù)合燃燒試驗裝置示意圖

為了研究二甲醚復(fù)合燃燒爆震特性,試驗中調(diào)節(jié)不同的HCCI燃料的質(zhì)量流量qm,使之出現(xiàn)正常燃燒和爆震燃燒工況。不同工況的缸內(nèi)壓力由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集,包括壓力傳感器、電荷放大器和數(shù)據(jù)采集儀,采樣頻率為20 kHz。

采集的缸內(nèi)壓力存儲到計算機(jī)進(jìn)行小波包分解,分解示意圖如圖2所示。由圖2可知:選用db5 作為小波基,對正常燃燒和爆震燃燒工況下的缸內(nèi)壓力進(jìn)行3層小波包分解,得到8個子信號分量S3,0、S3,1、S3,2、S3,3、S3,4、S3,5、S3,6和S3,7,每個子信號分量包含的頻率成分不同,其頻率范圍逐漸由低到高,分別為0～1.25 kHz、1.25～2.50 kHz、2.50～3.75 kHz、3.75～5.00 kHz、5.00～6. 25 kHz、6.25～7.50 kHz、7.50～8.75 kHz和8.75～10.00 kHz。

圖2 小波包分解示意圖

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同燃燒狀態(tài)的缸內(nèi)壓力小波包分解

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min,平均有效壓力為0.2 MPa,調(diào)節(jié)HCCI燃料質(zhì)量流量qm分別為0.77、1.22 g/s,使燃燒狀態(tài)分別為正常燃燒和爆震燃燒。正常燃燒和爆震燃燒的缸內(nèi)壓力p和壓力升高加速度ap如圖3、4所示。

圖3 正常燃燒和爆震燃燒的缸內(nèi)壓力

a)qm=0.77 g/s b)qm=1.22 g/s圖4 正常燃燒和爆震燃燒的壓力升高加速度

由圖3、4可知:qm=0.77 g/s時,缸內(nèi)壓力曲線比較光滑,沒有出現(xiàn)壓力振蕩,缸內(nèi)壓力峰值為5.57 MPa;缸內(nèi)壓力升高加速度曲線波動幅值很小,最大波動幅值僅為0.53 MPa/(°)2;qm=1.22 g/s時,缸內(nèi)壓力增加,缸內(nèi)壓力曲線在上止點附近出現(xiàn)鋸齒狀振蕩,缸內(nèi)壓力峰值為6.81 MPa;缸內(nèi)壓力升高加速度曲線波動幅值顯著增大,波動時刻前提,最大波動幅值為2.70 MPa/(°)2,最大壓力升高加速度為1.75 MPa /(°)2,其相位為上止點前曲軸轉(zhuǎn)角6.5°。

qm分別為0.77 g/s和1.22 g/s時,正常燃燒和爆震燃燒的缸內(nèi)壓力小波包分解圖5、6所示。

圖5 qm=0.77 g/s時正常燃燒的缸內(nèi)壓力小波包分解

圖6 qm=1.22 g/s時爆震燃燒的缸內(nèi)壓力小波包分解

由圖5、6可知:缸內(nèi)壓力信號經(jīng)小波包分解后得到的8個分量S3,0～S3,7中,分量S3,0的缸內(nèi)壓力曲線形狀與原始缸內(nèi)壓力一致;qm=0.77 g/s正常燃燒時,分量S3,1～S3,7沒有出現(xiàn)壓力振蕩,壓力幅值均很小;qm=1.22 g/s爆震燃燒時,分量S3,1～S3,7的壓力振蕩幅值顯著增大,各分量出現(xiàn)了不同程度的壓力振蕩。

2.2 基于小波包能量熵的爆震燃燒分析

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 r/min,平均有效壓力為0.2 MPa,qm分別為0.77 g/s正常燃燒和1.22 g/s爆震燃燒時,缸內(nèi)壓力的小波包能量分布如圖7所示。由圖7可知:正常燃燒時缸內(nèi)壓力各分量的小波包能量均很小;爆震燃燒時缸內(nèi)壓力各分量的小波包能量出現(xiàn)不同程度增大,其中分量S3,6的小波包能量顯著增大,說明該分量包含爆震燃燒壓力振蕩的主要能量,分量S3,2、S3,7能量增加也較明顯。

圖7 正常燃燒和爆震燃燒的缸內(nèi)壓力小波包能量分布

為驗證qm=1.22 g/s爆震燃燒時,分量S3,6是否包含爆震燃燒壓力振蕩的主要能量,對該工況下不同發(fā)動機(jī)循環(huán)的缸內(nèi)壓力進(jìn)行了小波包分解,求解各分量的小波包能量。

小波包能量熵是缸內(nèi)壓力能量分布有序度的標(biāo)識,描述能量分布的變化。進(jìn)一步考察不同循環(huán)的缸內(nèi)壓力各分量小波包能量和能量熵分布情況,第1個循環(huán)C1、第10個循環(huán)C10、第20個循環(huán)C20、第30個循環(huán)C30的缸內(nèi)壓力各分量小波包能量和能量熵分布如圖8、9所示。

圖8 各循環(huán)爆震燃燒時缸內(nèi)壓力小波包能量分布

由圖8可知:爆震燃燒時,C1、C10、C30的缸內(nèi)壓力各分量小波包能量分布情況相似,分量S3,6的小波包能量最大,分量S3,2、S3,7的較大,各分量的小波包能量分布沒有因為循環(huán)的不同而發(fā)生改變。由圖9可知:爆震燃燒時,C1、C10、C20、C30的缸內(nèi)壓力各分量小波包能量熵分布情況相似,分量S3,2、S3,6、S3,7的小波包能量熵較大,能量分布有序度,不同循環(huán)各分量的小波包能量熵分布相似。

圖9 各循環(huán)爆震燃燒時缸內(nèi)壓力小波包能量熵分布

進(jìn)一步考察平均有效壓力對正常燃燒和爆震燃燒缸內(nèi)壓力小波包能量的影響。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min,平均有效壓力為0.1 MPa,qm分別為0.98 g/s正常燃燒和1.26 g/s爆震燃燒時,缸內(nèi)壓力的小波包能量分布如圖10所示。由圖10可知:正常燃燒時缸內(nèi)壓力各分量的小波包能量均很小;爆震燃燒時缸內(nèi)壓力分量S3,6的小波包能量顯著增大,與圖8中平均有效壓力為0.2 MPa時小波包能量分布規(guī)律類似。

圖10 正常燃燒和爆震燃燒的缸內(nèi)壓力小波包能量分布

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min,平均有效壓力為0.1 MPa,qm為1.26 g/s爆震燃燒時,C1、C10、C20、C30的缸內(nèi)壓力各分量小波包能量和能量熵分布如圖11所示。由圖11a)可知,平均有效壓力為0.1 MPa 爆震燃燒時,除C10時分量S3,7的小波包能量最大外,C1、C20、C30的缸內(nèi)壓力各分量小波包能量中仍然是分量S3,6的最大,不同平均有效壓力下,各循環(huán)的小波包能量均為分量S3,6的最大。由圖11b)可知:爆震燃燒時,C1、C10、C20、C30的缸內(nèi)壓力各分量的小波包能量熵分布情況相似,與圖9平均有效壓力為0.2 MPa時小波包能量熵分布規(guī)律相似。這說明不同平均有效壓力、不同循環(huán)對小波包能量和能量熵的分布沒有影響,燃燒狀態(tài)是影響各分量小波包能量和能量熵分布的關(guān)鍵因素。

a) 各循環(huán)的小波包能量 b) 各循環(huán)的小波包能量熵圖11 各循環(huán)爆震燃燒時缸內(nèi)壓力小波包能量和能量熵分布

3 結(jié)論

試驗研究了二甲醚發(fā)動機(jī)復(fù)合燃燒中正常燃燒、爆震燃燒時缸內(nèi)壓力各個頻帶的小波包能量,確定了爆震的敏感頻帶,進(jìn)一步分析了不同平均有效壓力、不同循環(huán)爆震燃燒時缸內(nèi)壓力各分量小波包能量和能量熵的分布規(guī)律,得到如下結(jié)論。

1)正常燃燒時,缸內(nèi)壓力升高加速度波動幅值和缸內(nèi)壓力各分量的小波包能量均很小。爆震燃燒時,缸內(nèi)壓力升高加速度波動幅值顯著增大,波動時刻前提,各分量的小波包能量不同程度增大,其中分量S3,6的小波包能量顯著增大,其所在的頻帶是爆震敏感頻帶。

2)爆震燃燒時,不同平均有效壓力、不同循環(huán)缸內(nèi)壓力各分量的小波包能量、能量熵的分布規(guī)律相似,均為分量S3,2、S3,6、S3,7的小波包能量熵較大。

3)燃燒狀態(tài)決定了缸內(nèi)壓力在各個頻帶的小波包能量分布和能量熵分布,平均有效壓力、循環(huán)對各個頻帶的分布規(guī)律無影響。