噴油特性對F-T煤制油壓力振蕩影響規律研究

冀冠佐，王 鐵，石晉宏，王浩亞

（太原理工大學機械與運載工程學院，山西 太原 030024）

1 引言

柴油機熱效率高、動力性好，在商用車上得到廣泛應用。但柴油機工作的粗暴度及振動和沖擊載荷等特征，一直是內燃機工作者重點關注的問題之一[1-2]，柴油機工作粗暴的典型特征正是其工作過程中產生的燃燒壓力振蕩[3]。而且，壓力振蕩是引起柴油機燃燒噪聲的原因之一[4]，壓力振蕩的增大，會導致燃燒噪聲的惡化[5]。研究并揭示壓力振蕩的影響因素是改善柴油機壓力振蕩特性，減小燃燒噪聲的重要手段[6]。文獻[7]對柴油機燃燒過程中的氣體高頻聲波振蕩問題建立聲學模型，證明了放熱速率是直接影響壓力振蕩的重要因素。文獻[8]在一臺直噴單缸柴油機進行預主噴燃燒試驗，結果表明主噴燃燒對高頻振蕩的影響小于預噴燃燒，而且大預噴量結合較早的預噴時刻的噴油策略產生的高頻壓力振蕩最小。文獻[9]在4100QBZL柴油機上對F-T和柴油摻混燃料的壓力振蕩特性進行研究，研究發現F-T 煤制油摻混比例越高，高頻壓力振蕩幅值越小，燃燒越柔和。文獻[10]從時域和頻域兩方面對比F-T煤制油和0#柴油的燃燒壓力波動特性，結果表明在負荷特性下和外特性下，F-T 柴油的壓力波動幅值及波動的RMS值均小于0#柴油。上述研究表明：噴油特性對柴油機的壓力振蕩特性有顯著影響，同時在柴油中摻混F-T煤制油，有助于改善柴油機的壓力振蕩特性，但柴油機中直接燃用F-T煤制油，在不同噴油特性下對柴油機壓力振蕩的影響規律還有待研究。

在已有研究的基礎上，選取高壓共軌柴油機典型工況，分析噴油特性對F-T煤制油柴油機燃燒壓力振蕩的時域和頻域特性的作用規律，為改善F-T煤制油柴油機燃燒壓力振蕩特性，降低其燃燒噪聲奠定基礎。

2 試驗裝置和燃料特性

2.1 試驗裝置

試驗以F-T煤制油作為燃料，柴油機主要參數，如表1所示。通過Bosch電控單元和MCV100開放式ECU系統實現噴油系統參數的靈活調節。缸內壓力使用采用Kistler傳感器進行采集，通過德維創燃燒分析系統對壓力進行分析測量，試驗裝置，如圖1所示。

圖1 發動機試驗系統圖Fig.1 Diagram of Engine Test System

表1 柴油機原機參數Tab.1 Original Diesel Engine Parameters

2.2 燃料特性

試驗用F-T煤制油由山西潞安礦業有限責任公司生產，燃料主要參數，如表2所示。燃料品質直接影響發動機的著火、燃燒性能，十六烷值和餾程溫度等油品參數對燃燒過程有重要影響。由表2可以看出，相較于國Ⅵ0#柴油，F-T煤制油十六烷值高和餾程溫度高等特性，具有降低柴油機壓力振蕩的潛質。

表2 F-T煤制油與國Ⅵ0#柴油參數對比Tab.2 Comparison of Parameters Between F-T Coal-to-Liquid and GuoVI0# Diesel

3 壓力振蕩的影響因素研究

試驗選用柴油機的典型工況2000r∕min-150N·m，采用控制單一因子的方法，分析噴油壓力、主噴提前角、預噴提前角和預噴油量等參數對F-T煤制油柴油機壓力振蕩的作用規律。原機的噴油參數和試驗因子水平，如表3所示。

表3 原機噴油參數和試驗因子水平Tab.3 Fuel Injection Parameters and Test Factor Levels of the Original Engine

3.1 主噴提前角對燃燒壓力振蕩的影響

保持原機預噴提前角，預噴油量和噴油壓力不變的情況下，不同主噴提前角對缸內壓力，壓力升高率、燃燒放熱率和壓力振蕩的作用規律曲線，如圖2（a）、圖2（b）所示。

圖2 主噴提前角對燃燒過程和壓力振蕩的影響Fig.2 The Influence of Main Injection Timing on Combustion Process and Pressure Oscillation

由圖2（a）、圖2（b）可知：隨著主噴提前角的推遲，燃燒壓力、壓力升高率和放熱率的峰值均降低，相應的壓力振蕩的最大值分別為1.00bar，0.95bar 和0.60bar。不同主噴提前角的柴油機缸內壓力聲壓級曲線圖，如圖2（c）所示。由圖可以看出，主噴提前角由-7.4oCA 推遲到-5.4oCA，氣缸壓力級峰值由91dB 降為80dB，對比可知氣缸壓力波動主要集中（4000～15000）Hz 的頻段內。

因此，一定程度的推遲主噴提前角，可以降低燃燒壓力振蕩幅值，原因在于隨著主噴正時的推遲，燃燒放熱時刻推后，導致燃燒等容度降低，放熱率集中度降低，燃燒壓力和放熱率峰值降低，進而導致氣缸壓力級減小，壓力振蕩幅值降低。

3.2 預噴提前角對燃燒壓力振蕩的影響

保持原機預噴提前角，主噴油量和噴油壓力參數不變的情況下，不同預噴提前角對缸內壓力，壓力升高率、燃燒放熱率和壓力振蕩的作用規律曲線，如圖3（a）、圖3（b）所示。

圖3 預噴提前角對燃燒過程和壓力振蕩的影響Fig.3 The Influence of the Pre-Injection Advance Angle on the Combustion Process and Pressure Oscillation

由此可見，相對于主噴提前角，預噴提前角對壓力振蕩的影響要更為明顯。原因在于隨著預噴提前角的提前，燃油蒸發時刻提前，燃燒條件改善，燃燒始點提前，但同時也會使得預噴提前角和主噴提前角之間的間隔增大，缸內的溫度和壓力也隨之下降，放熱率集中度降低，進而使壓力級減小，壓力振蕩的幅值降低

3.3 預噴油量對燃燒壓力振蕩的影響

在原機預噴提前角，主噴提前角和噴油壓力參數不變的情況下，不同預噴油量對缸內壓力，壓力升高率和燃燒放熱率的作用規律曲線，如圖4（a）、圖4（b）所示。

圖4 預噴油量對燃燒過程和壓力振蕩的影響Fig.4 The Influence of the Amount of Pre-Injection on the Combustion Process and Pressure Oscillation

由圖4（a）、圖4（b）可以看出，隨著預噴油量的增大，預噴階段的壓力和壓力升高率稍有增大，在預噴燃燒結束的階段，缸內壓力下降速度變緩，從而到主噴階段時，缸內的初始燃燒壓力較之前大，從而在一定程度上緩解了主噴階段壓力升高率，不過主噴階段的缸內壓力峰值仍有所增長。

同時放熱率隨著預噴油量的增長，預噴階段的峰值也隨之增大，但主噴階段燃燒放熱率的峰值基本保持不變，產生的高頻壓力振蕩也基本保持不變。不同預噴油量對柴油機缸內壓力聲壓級曲線圖，如圖4（c）所示。預噴油量的增加會一定程度提升在4000Hz附近的壓力級，但總體上看氣缸壓力級基本保持不變，且主要集中在（4000～16000）Hz之間。

這是因為預噴油量增大，會使預噴階段的燃燒劇烈。同時，由于預噴階段燃燒更為劇烈，主噴開始前的缸內溫度提高，燃燒始點提前，且隨著預噴油量的增加，主噴燃燒的始點壓力和溫度越高。

當預噴油量減少時，預噴階段的缸內壓力和壓力升高率降低，焰前反應不夠充分，以致較多的可燃混合氣積聚至主噴階段，放熱率有所增長，壓力升高率變大。所以主噴階段的放熱率峰值基本保持不變，高頻壓力振蕩的變化也較小。

3.4 噴射壓力對燃燒壓力振蕩的影響

在原機預噴提前角，預噴油量和主噴提前角參數不變的情況下，不同噴射壓力對缸內壓力，壓力升高率、燃燒放熱率和壓力振蕩的作用規律曲線，如圖5（a）、圖5（b）所示。

圖5 噴射壓力對燃燒過程和壓力振蕩的影響Fig.5 The Influence of Injection Pressure on the Combustion Process and Pressure Oscillation

從圖5（a）可以看出，隨著噴射壓力的提高，預噴階段和主噴階段的缸內壓力峰值和升高率都明顯升高，峰值相位提前。預噴及主噴燃燒階段的放熱率峰值也逐漸增大，如圖5（b）所示。在115MPa噴射壓力下放熱速度明顯加快，此時缸內壓力振蕩幅值增大到1.8bar。相較于85MPa 噴射壓力，壓力振蕩幅值增加了1.24bar。不同噴油壓力對柴油機缸內壓力聲壓級的作用規律曲線，如圖5（c）所示。

從圖中可以看出，隨著噴射壓力的提高，壓力聲壓級有著明顯的提升，尤其是在4000Hz 以上的高頻范圍內，明顯增大。且聲壓級的集中范圍更廣，集中在（4000～20000）Hz之間。這是由于噴射壓力增大會使燃料霧化更加完全，燃油噴霧與空氣的碰撞頻率增加，形成了更多的均質可燃混合氣，使得缸內壓力和放熱率明顯提升，壓力級幅值和頻率范圍都明顯增大，使得壓力振蕩幅值大幅增加。

4 結論

主要分析了典型工況下噴油特性對F-T煤制油柴油機燃燒壓力振蕩的時域和頻域特性的作用規律，主要結論如下：

（1）F-T煤制油柴油機中壓力振蕩的產生與放熱率的變化呈現出較強的相關性。隨著主噴提前角的推遲，缸內壓力峰值相位推遲，燃燒放熱時刻推后，放熱率峰值降低，氣缸壓力級峰值縮小了約11dB，壓力振蕩最大幅值降低約0.4bar。隨著預噴正時的提前，會使得預噴提前角和主噴提前角之間的間隔增大，放熱率集中度降低，壓力振蕩出現相位最大提前約5℃A，氣缸壓力級峰值縮小了約18dB，壓力振蕩的幅值最大減小約0.44bar。預噴油量的增加對壓力振蕩的影響較小，壓力振蕩變化不明顯。隨著噴油壓力的增加，放熱率曲線上升時的相位提前，峰值顯著增加，壓力振蕩最大幅值增大約1.24bar，壓力級峰值增加，范圍擴大，壓力振蕩現象變化也最為明顯。

（2）采取合適的噴油正時和噴射壓力可以減緩燃燒放熱速度，降低放熱率峰值，減小燃燒壓力振蕩幅值。綜合考慮適當提前預噴提前角、減小噴射壓力是降低F-T煤制油柴油機壓力振蕩的有效手段。