不同燃油对某重型柴油机燃烧稳定性影响分析

2020-04-16顾程乔新勇韩立军

兵工学报 2020年3期

顾程，乔新勇，韩立军

(1.陆军装甲兵学院车辆工程系，北京 100072；2.武警工程大学乌鲁木齐校区，新疆乌鲁木齐 830049)

0 引言

我国现役装备主要使用重型柴油机作为动力装置[1]。由于柴油机燃烧过程的随机性，会导致出现燃烧的循环变动，不仅影响柴油机的输出功率稳定性、降低装备的操作性能，而且对柴油机的使用寿命也有一定影响[2]。

早在发动机发展之初，这种燃烧不稳定现象就被学者发现，并围绕燃烧循环波动进行研究。Wagner等[3]利用单缸机研究了气流运动状态和喷油时间对发动机循环波动的影响。Efthimios[4]利用天然气发动机考虑了整个燃烧过程得到每个曲轴转角下的循环波动率曲线，并由该曲线得到燃烧始点、燃烧终点以及CA50点。Litak等[5-6]研究了最大爆发压力及其相位的循环变动规律，并结合多尺度熵估计波动随机性的影响。王立媛等[7]和杨立平等[8]利用时间延迟法对增压中冷天然气发动机进行研究，结果表明系统运动轨线都是有限范围内的非周期运动，具有复杂重叠的几何结构。李冰林等[9]研究了小型二冲程发动机在中高速不同负荷条件下的燃烧循环变动，结果表明燃烧百分率对应的曲轴转角能够更好地表征循环波动，并认为气体不均匀度减小是大负荷工况下循环变动变小的主要原因。刘帅等[10]以一台点燃式发动机为研究对象，利用非线性动力学研究了汽油、液化石油气以及压缩天然气3种燃料的循环变动规律，发现发动机燃烧过程具有混沌特性，且随着燃料不同而改变。王利民等[11]针对天然气- 汽油双燃料发动机进行研究，发现在不同负荷下发动机循环变动特性不完全相同。臧杰等[12]研究了醇类混合燃料对发动机燃烧特性的影响，结果表明小负荷工况醇类燃料的循环波动高于纯汽油，而大负荷工况下,醇类燃料有利于火核的形成,导致循环波动低于纯汽油。汤琛等[13]研究了运行参数对汽油均质压燃(HCCI)燃烧着火时刻循环变动的影响，表明进气温度和冷却水温度升高、进气压力增大有助于减小着火时刻循环变动,过量空气系数和废气再循环率增大会增大着火时刻循环变动。

上述研究表明，国内外学者对点火式汽油机的循环变动研究较多，对于压燃式柴油机研究较少，针对现役装备所用的重型柴油机研究几乎空缺。本文以现役某型坦克12缸增压柴油机为研究对象，利用非线性动力学理论对最大扭矩工况和标定工况下3种燃油的柴油机燃烧循环波动进行分析，揭示了循环变动的动力学本质，所得结果可为改善柴油机燃烧稳定性、提高装备动力性能提供理论支撑。

1 试验设备及方案

本文试验的研究对象为现役某型坦克柴油机，该柴油机为12缸V型四冲程涡轮增压发动机，其气缸直径为150 mm，压缩比为13～14(左右两排气缸略有差异)，标定转速为2 000 r/min，最大扭矩转速为1 400 r/min.根据试验要求搭建试验台架如图1所示，主要包含柴油机试验控制系统、柴油机试验辅助系统和奥地利德维创公司生产的DEWETRON燃烧分析仪等。试验以左2缸为测试对象，将该缸的空气起动阀卸下，装入Kistler压力传感器。图1中，pc、pe、pi、Q分别为缸内压力、排气压力、进气压力和进气量。

图1 柴油机台架试验设备Fig.1 Test equipment of diesel engine bench

试验过程中，选用3种不同品质的军用柴油作为燃料，分别进行标定工况下及最大扭矩工况下的台架试验。工况稳定后，采用德国奇石乐公司生产的Kistler 6056A型压力传感器，通过DEWETRON燃烧分析仪连续采集117个工作循环，记录缸内压力变化曲线。该传感器测量范围为0～250 bar，灵敏度为20 pC/bar，固有频率为160 kHz，热冲击误差较低，瞬时压力误差Δp≤±0.5 bar，平均有效压力误差ΔIMEP≤±2%，可用于爆震压力波的测量。其中，数据采样间隔为0.4 °CA，每个工作循环采用1 800个点，试验所用3种燃油的主要理化性质如表1所示。

试验的测量误差主要来自安装引起的误差和仪器误差。在安装过程中，通过拆卸气缸的空气起动阀装入压力传感器，破坏了原有结构，测量数据较原数据有所偏差；所用设备的精度以及设定的数据采样间隔也会对测量误差产生一定的影响。

表1 3种燃油理化性质指标Tab.1 Physical and chemical indicators of three fuels

2 基于相空间重构的燃烧稳定性分析

燃烧稳定性是指发动机燃烧室内燃烧状态的平稳性。柴油机是一个复杂的非线性系统，柴油机缸内燃烧过程伴随着复杂的物理化学变化，其状态变量之间的相互作用规律往往难以直接观察得到[14]。相空间能够对系统所有可能状态空间完备表示，即系统的每个潜在状态均在相空间中有对应点，系统的全部信息隐含在任一分量的演化过程中，运用相空间分析能够直观地反映系统的动力学特性。

延迟坐标法和微分坐标法是相空间重构的两种基本方法[15]。由于燃烧过程缸内压力时间序列的导数具有重要的物理意义，选用微分坐标法对缸内压力时间序列进行相空间重构，对燃烧过程的动力学规律进行研究。

经相空间重构后，建立的三维微分坐标系如(1)式所示，重建的相空间ΩXYZ如(2)式所示：

(1)

ΩXYZ={(X,Y,Z)∈R3}，

(2)

为了更直观地对相空间变化规律进行研究，对重构的相空间采用平面投影方式降维，将三维相空间投影到平面ΣXY={(X,Y)∈R2}上，探讨相空间轨迹的变化规律。

图2所示为缸内压力相空间重构后在OXY平面的投影及部分缸内压力变化图。由图2可知，每条封闭的曲线对应柴油机的一个燃烧循环，曲线的发展规律类似又不尽相同，表明柴油机缸内状态呈现一定的混沌特性。图2中的尖端为柴油机进气与排气阶段，这一阶段缸内压力升高率上升缓慢，燃烧开始后压力升高率迅速增大，拐点位置代表燃烧始点。燃烧开始后压力升高率迅速上升，燃烧时刻、位置以及混合物浓度分布等影响引起了燃烧的循环变动。在燃烧过程中，缸内压力呈现振荡的特点，这是因为在一定条件下，柴油机放热速度和加速度过大、引起缸内压力升高速度及加速度激增，气体来不及正常膨胀和传递压力，产生了带有爆炸性质的燃烧。图2可以划分为3个区域：Ⅰ区为缸内压力首次振荡区域，主要由于滞燃期阶段积累了部分燃油，一旦着火，火焰迅速蔓延引起缸内压力突升；Ⅱ区为缸内压力第2次振荡区域，由于处在预混合燃烧阶段，且此时喷油速率较高，该区域的压力升高率依然较高，出现第2次压力振荡；Ⅲ区为压力振荡频繁区域，由于该区域燃烧发生在上止点附近，近似于等容燃烧，燃烧产生的冲击波在燃烧室壁发生多次反射，造成缸内压力频繁振荡。燃烧稳定时，各循环轨迹线相对集中，重合度高，相空间结构较为紧密，3个区域能够明显区分；由于燃料或外界环境的变化等原因造成燃烧稳定性下降，相空间中的轨线明显分散，区域边界不再清晰，尤其是Ⅱ区、Ⅲ区可能发生混叠。

图2 相空间重构后缸内压力在OXY平面的投影图Fig.2 Projection diagram of in-cylinder pressure on OXY plane after phase space reconstruction

最大扭矩工况下，3种燃油缸内燃烧过程相空间平面投影如图3所示。从图3中可以看出，柴油机在燃用不同燃油时，缸内燃烧过程发展趋势较一致，即缸压- 压升曲线形状具有相似性，均存在明显的压力波动。然而由于3种燃油的理化性质不同，其循环变动的迹线及波动的位置、幅值也有所差异。由图3可见：当燃用柴油A时，燃烧阶段各循环迹线集中分布在轨迹平均线两侧，轨迹重合度高，相空间结构相对紧密，3个区域边界明显，压力振荡幅值较小，表明各循环相空间各点状态一致性好，燃烧稳定性高；当燃用柴油B时，燃烧阶段各循环迹线发散程度明显增大，压力振荡幅值上升，Ⅱ区、Ⅲ区发生混叠，燃烧稳定性下降；当燃用柴油C时，最大缸内压力明显低于前两种燃油，区域边界模糊，Ⅱ区、Ⅲ区发生混叠且与Ⅰ区的边界也不明显，燃烧始点推迟，图3(c)中圆圈区域的最大压力升高率较其他循环明显升高，出现爆燃循环，表明柴油C做功能力较差且燃烧稳定性差。

图3 3种燃油在最大扭矩工况下缸内燃烧过程相空间平面投影Fig.3 Planar projection diagrams of phase spaces of three fuels in the combustion process under the maximum torque condition

标定工况下，3种燃油缸内燃烧过程相空间平面投影如图4所示。对比图3最大扭矩工况可以看出，随着转速的上升，燃用3种燃油的循环变动迹线重合度提高，各循环迹线集中分布在轨迹平均线两侧，相空间结构相对紧密，区域界线明显，压力升高率也变得缓和，燃烧稳定性升高。

图4 3种燃油在标定工况下缸内燃烧过程相空间平面投影Fig.4 Planar projection diagrams of phase spaces of three fuels in the process of in-cylinder combustion under calibration conditions

不同燃油理化性质造成燃烧过程缸内压力变化规律的差异。柴油A和柴油B的指标参数较接近，燃烧过程差异不大，而柴油C与其他两种相差较大，其十六烷值较柴油A、柴油B分别低7.7和6.2，不容易着火，滞燃期延长，且10%馏出温度分别低46.8 ℃和38.9 ℃，预混燃烧增强，压力升高率增大，燃烧不稳定。

3 燃烧参数的循环波动分析

柴油机燃烧过程的随机性必然引起其燃烧参数的循环波动，利用各燃烧参数的标准偏差和循环波动率，能够对循环波动进行有效的分析。循环波动率的计算公式如(3)式所示：

(3)

3.1 缸内压力循环波动分析

为分析缸内压力各个位置循环变动规律，对循环中每个曲轴转角处的压力循环波动率进行计算。图5显示了柴油机在工作过程中各曲轴转角处压力波动规律。从图5中可以看出，各曲轴转角处压力波动曲线整体呈W字形分布，曲线分别在该缸进气门开关阶段、燃烧阶段以及同排缸进气门关闭阶段出现峰值。在进气阶段，进气门的开关均会导致缸内气流扰动、形成湍流，进而引起缸内压力波动率变大。由于排气门直径比进气门稍小，且开关时刻均在活塞下行阶段，排气门开关引起的缸内压力波动较小。进气门关闭后，缸内形成一个封闭空间，缸内混合气运动较稳定，压力波动率逐渐下降，曲线出现第1个极小值点；上止点前燃料压燃，燃烧导致缸内压力的循环波动迅速上升，达到燃烧阶段峰值。由图5(b)看出：燃烧阶段压力波动率峰值分别对应前述缸内压力振荡的3个区域，即压力波动率随着压力振荡的出现而上升，且I区压力波动率峰值最高、Ⅱ区次之、Ⅲ区最低；燃烧结束后，压力波动率出现第2个极小值点，排气门开启后，压力波动率再次上升到较高的水平。

图5 各曲轴转角处压力波动规律及局部放大图Fig.5 Fluctuations and parial enlarged view of inclyinder preasures at all crank angles

图6所示为3种燃油在最大扭矩工况下各曲轴转角处循环波动规律。从图6中可以看出，燃用不同燃油时各曲轴转角处波动循环规律趋势相似，峰值幅值和相位略有差异。压力振荡主要发生在预混合燃烧阶段，压力振荡的随机性也是造成压力循环波动的原因。燃烧阶段循环波动率越高，表明每循环在该阶段的压力不确定性越大，出现爆燃的概率越高，燃烧越不稳定。本文选取燃烧开始后前两次振荡区域(即Ⅰ区和Ⅱ区)对3种燃油的循环波动率进行分析。燃用柴油A时，燃烧过程较稳定，循环波动率前两个峰值为8.2%和5.5%；燃用柴油B和柴油C时，燃烧稳定性出现不同程度的下降，循环波动率前两个峰值分别上升到11.8%、13.9%和6.5%、6.6%.另外，循环波动率峰值出现的相位不同也在一定程度上反映了滞燃期的长短，柴油A最短，柴油C最长。燃烧开始后，柴油C累积的可燃混合物较多，预混燃烧加强，缸内燃烧不确定性增大，导致压力循环波动率上升，燃烧稳定性下降。该缸进气门开关时刻的波动率峰值为柴油A>柴油B>柴油C，同排缸进气门的开关对燃用不同柴油的循环波动率影响不大。

图6 3种燃油在最大扭矩工况下各曲轴转角处循环波动规律Fig.6 In-cylinder pressure fluctuations of 3 fuels at all crank angles under maximum torque condition

标定工况下循环波动规律如图7所示。由图7可见，3种燃油在燃烧阶段各曲轴转角处循环波动率均有所下降，柴油A、柴油B、柴油C的循环波动率第1峰值分别为3.7%、3.3%、3.9%，第2峰值分别为3.1%、2.7%、3.0%，由此可以看出，随着转速的上升，燃烧稳定性增强，燃料理化性质引起的燃烧阶段循环波动差异逐渐减小。但转速升高、进气量增大，会导致进气门开关阶段的循环波动峰值变大。

图7 3种燃油在标定工况下各曲轴转角处循环波动规律Fig.7 In-cylinder pressure fluctuations of 3 fuels at all crank angles under calibration condition

3.2 燃烧始终点循环波动分析

图8所示为3种燃油在最大扭矩工况下的燃烧始点和终点。从图8可以看出：在最大扭矩工况下，柴油A的燃烧始点、燃烧终点均出现较早、滞燃期较短，燃烧始点分布在上止点前18 °CA～16 °CA之间，循环波动率为2.87%，燃烧终点分布在48 °CA～58 °CA之间，循环波动率为4.21%；燃用柴油B时，燃烧始点分布在上止点前17 °CA～15 °CA之间，循环波动率为3.44%，燃烧终点分布在50 °CA～60 °CA之间，循环波动率为3.28%；燃用柴油C时，燃烧始点分布在上止点前16 °CA～14 °CA之间，循环波动率为3.78%，燃烧终点分布在50 °CA～65 °CA之间，循环波动率为4.88%，且出现2个燃烧循环后燃严重。

图8 3种燃油在最大扭矩工况下燃烧始点与终点Fig.8 Starting and end points of combustion of three fuels under maximum torque condition

图9所示为3种燃油在标定工况下的燃烧始点与终点。从图9可以看出，在标定工况下，3种燃油燃烧始点分布的排列次序同最大扭矩工况一致，但柴油A的燃烧终点较其他两种相对延后，表明柴油A的燃烧持续期较长。整体来看，随着转速的增加，燃烧始点、燃烧终点均后移，以曲轴转角计的滞燃期增长。

图9 3种燃油在标定工况下燃烧始点与终点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

返回映射是选取相邻循环的某一参数分别做横坐标、纵坐标得到的离散映射，实质是嵌入维数为2、时间延迟为1的相空间重构方式，既能简化相空间轨迹，又能保留大多数信息。

为了更方便直观地观察缸内燃烧过程的动力学特性，选用能表征整个燃烧循环压力变动的平均指示压力(IMEP)作为参数，将相邻两个循环的平均指示压力组成一组数据点，117个循环共组成116组数据点，得到一组返回映射。返回映射计算公式如(4)式所示：

(4)

图10、图11分别为3种燃油在最大扭矩工况和标定工况下平均指示压力时间序列的返回映射。最大扭矩工况下，柴油A、柴油B的平均指示压力相当，略高于柴油C，即柴油A和柴油B的做功能力强于柴油C.但柴油A的映射点较密集，表明柴油A各循环间平均指示压力有较强的相关性，对外做功过程较为稳定。柴油B和柴油C的映射点较分散，平均指示压力循环波动率分别较柴油A高2.1%和4%，表明燃用柴油B和柴油C时，各循环间平均指示压力出现随机性，对外做功稳定性下降。随着转速的提高，3种燃油平均指示压力的循环波动率均有所提高，柴油B的升高幅度最明显。