二甲醚发动机组合燃烧压力振荡特性研究

侯军兴，杨海鹏，郑路，李树豪，张华阳，安晓东

(1.郑州航空工业管理学院航空宇航学院，河南 郑州 450046；2.郑州工程技术学院机电与车辆工程学院，河南 郑州 450044)

能源危机和环境污染是发动机面临的严峻挑战，开发清洁低碳燃料燃烧技术是解决问题的方法之一。含氧燃料二甲醚十六烷值较高，压燃发动机燃用二甲醚可以实现零炭烟排放和低NO排放。将二甲醚进气道喷射与缸内喷射组合起来，根据发动机的性能需求采用不同的HCCI燃烧/缸内喷雾燃烧组合比例，可以进一步降低发动机的NO排放，拓展HCCI运行工况范围。目前，国内外对组合燃烧的研究主要集中在燃烧和排放方面，针对压力振荡的研究较少。柴油机缸内的燃烧呈现一定的混沌特性，在燃烧过程中会出现缸内压力振荡，并且燃烧过程中的压力振荡与燃烧噪声有很强的关联性，它和气体动力载荷是燃烧噪声产生的主要原因。研究表明，控制预喷燃烧、主喷燃烧和添加聚甲氧基二甲醚等措施均可以控制燃烧压力振荡，其中预喷燃烧对压力振荡的影响大于主喷燃烧。柴油里添加聚甲氧基二甲醚，缸内压力升高率峰值减小，峰值相位提前，燃烧振荡能量和振荡幅值减小。

试验研究了不同转速下二甲醚发动机组合燃烧的压力振荡特性，确定了组合燃烧压力振荡的时域特性和频域特性，进一步考察了进气道引入燃料量对压力振荡时域特性和频域特性的影响规律。

1 试验装置

将传统的二甲醚压燃发动机改造为HCCI 燃烧/缸内喷雾的组合燃烧发动机，二甲醚组合燃烧试验装置示意见图1。由图1可知，组合燃烧包括两部分：第一部分为缸内直喷燃烧，二甲醚罐内的燃料经过滤器过滤、低压泵加压、高压泵二次加压后，通过喷油器在气缸内直接喷射燃烧；第二部分为进气道引入HCCI燃烧，二甲醚罐内的燃料经过蒸发器蒸发，引入进气道，在混合器内与新鲜空气混合均匀，混合气进入发动机气缸内燃烧。

图1 组合燃烧试验装置示意

缸内压力采用压力传感器、电荷放大器和数据采集仪采集，采样频率为20 kHz。为研究不同燃烧状态的压力振荡特性，试验中引入进气道的燃料量(PI)由小变大，使缸内压力呈现正常燃烧状态和不同程度的压力振荡。

2 试验结果与分析

2.1 1 500 r/min不同燃烧状态的压力振荡分析

图2示出转速1 500 r/min，平均有效压力0.2 MPa，不同燃烧状态的缸内压力和放热率。由图2a可知，进气道燃料量PI为0.77 mg/s时正常燃烧，燃烧较柔和，最大缸内压力为5.57 MPa，其相位为上止点后7°。PI增加到1.22 mg/s时呈轻微压力振荡，最大缸内压力增加，相位提前，分别为6.81 MPa和上止点后1°。PI进一步增加到1.37 mg/s时，缸内压力振荡加剧，出现剧烈压力振荡，最大缸内压力增加到7.09 MPa，相位提前到上止点前1.5°。由图2b可知，PI分别为0.77 mg/s，1.22 mg/s和1.37 mg/s时，放热率曲线均呈三阶段放热，分别为进气道引入二甲醚的HCCI燃烧的低温放热a、高温放热b和扩散燃烧c。PI与三阶段放热规律的关系如下：1)PI增加，HCCI燃烧低温放热a的峰值增加，峰值相位提前，其峰值分别为48.72 J/(°)，84.58 J/(°)和90.10 J/(°)，峰值相位分别为上止点前25°、上止点前26°和上止点前27°；2)PI增加，高温放热b先由单峰变为双峰，进而双峰峰值增加，峰值分别为99.25 J/(°)，244.38 J/(°)和372.62 J/(°)，峰值相位分别为上止点前9°、上止点前14°和上止点前14°；3)PI增加，扩散燃烧部分c波动剧烈。

图2 1 500 r/min时不同燃烧状态的缸内压力和放热率

参照声压级的定义，将缸内压力级定义为缸内压力快速傅里叶变换(FFT)结果与基准压力(20 μPa)的比值，取自然对数，再乘以20，单位为dB。对1 500 r/min时不同燃烧状态的缸内压力信号进行FFT变换，计算其缸内压力级，不同PI下的缸内压力级频谱曲线见图3。

图3 1 500 r/min时不同燃烧状态的缸内压力级

由图3可知，PI为0.77 mg/s，1.22 mg/s和1.37 mg/s时，缸内压力级频谱曲线均呈现三个阶段：速降段1、缓降段2和波动段3。随着PI值的增加，燃烧状态由正常燃烧演变为轻微压力振荡，再由轻微压力振荡演变为剧烈压力振荡，这个过程中速降段1的下降变缓，缓降段2和波动段3的波动幅度变大。PI为0.77 mg/s，1.22 mg/s和1.37 mg/s时，速降段1的范围分别为0～0.35 kHz，0～0.56 kHz和0～0.53 kHz；缓降段2的范围分别为0.35～5.4 kHz，0.56～4.4 kHz 和0.53～4.3 kHz；波动段3的范围分别为0.35～10 kHz，0.56～10 kHz和4.3～10 kHz。

2.2 1 100 r/min不同燃烧状态的压力振荡分析

图4示出转速1 100 r/min，平均有效压力0.2 MPa，不同燃烧状态的缸内压力和放热率。由图4a可知，0.80 mg/s正常燃烧和1.00 mg/s轻微压力振荡时，最大缸内压力分别为6.79 MPa和7.85 MPa，其相位分别为上止点后5.5°和4.5°。由图4b可知，PI为0.80 mg/s和1.00 mg/s时，放热率曲线呈HCCI燃烧低温放热a、高温放热b和扩散燃烧c三个阶段。PI与三阶段放热规律的关系如下：1)PI增加，低温放热部分a的峰值增加，分别为65.73 J/(°)和94.51 J/(°)，峰值相位提前，分别为上止点前24.5°和上止点前25°；2)PI增加，高温放热部分b由单峰变为双峰，其峰值分别为116.76 J/(°)和280.13 J/(°)，峰值相位分别为上止点前11.5°和上止点前15.5°；3)PI增加，扩散燃烧部分c波动趋于剧烈。

图4 1 100 r/min时不同燃烧状态的缸内压力和放热率

图5示出1 100 r/min时不同燃烧状态的缸内压力级频谱曲线。由图5可知，0.80 mg/s正常燃烧和1.00 mg/s轻微压力振荡时，缸内压力级频谱曲线也呈现速降段1、缓降段2和波动段3三个阶段。PI由0.80 mg/s增加为1.00 mg/s时，由正常燃烧演变为轻微压力振荡，速降段1下降变缓，缓降段2和波动段3的波幅变大。两个PI值下，速降段1的范围分别为0～0.27 kHz和0～0.41 kHz，缓降段2的范围分别为0.27～4.41 kHz和0.41～4.14 kHz，波动段3的范围分别为5.39～10 kHz和4.14～10 kHz。

图5 1 100 r/min时不同燃烧状态的缸内压力级

2.3 不同特征频域的压力振荡分析

根据图3缸内压力级频谱曲线速降段1、缓降段2和波动段3的频率范围，分别对缸内压力进行带通滤波，滤波后的缸内压力定义为，和，分别代表了低频域、中频域和高频域三个不同频域的缸内压力。缸内压力信息中包括正常燃烧压力信息和压力振荡信息两部分，低频域子信号包含了正常燃烧压力信息，子信号和包含压力振荡信息。图6示出发动机转速1 500 r/min，平均有效压力0.2 MPa，PI为0.77 mg/s，1.22 mg/s和1.37 mg/s时不同燃烧状态的缸内压力子信号。由图6a可知，子信号的曲线形状与图2a中缸内压力的曲线形状相似，其最大值分别为5.54 MPa，6.69 MPa和7.02 MPa，略低于图2a中对应PI的缸内压力最大值；其相位分别为上止点后6°，3°和3°。由图6b可知，PI为0.77 mg/s，1.22 mg/s和1.37 mg/s时，子信号均有两个峰，第一峰出现的范围分别为上止点前28.5°～13.5°、上止点前28°～15.5°和上止点前29°～17.5°，第二峰出现的范围分别为上止点前13.5°～1.5°、上止点前15.5°～3°和上止点前17.5°～7.5°。与图2b放热率曲线对比可知，子信号第一峰的范围对应HCCI燃烧的低温放热部分a，第二峰的范围对应HCCI燃烧的高温放热部分b。这说明中频域子信号包含了HCCI燃烧过程的压力振荡信息。由图6c可知，PI为0.77 mg/s正常燃烧时，由于没有出现压力振荡，信号曲线的振荡幅值很小。当PI为1.22 mg/s轻微压力振荡和1.37 mg/s剧烈压力振荡时，子信号曲线的振荡幅值显著变大，主要振荡范围分别为上止点前14°～上止点后9°、上止点前18°～上止点0°。与图2b放热率曲线对比可知，子信号主要振荡范围对应HCCI燃烧的高温放热部分和缸内直喷的扩散燃烧部分，说明高频域子信号包含了这两部分燃烧过程的压力振荡信息。

图6 不同燃烧状态的缸内压力子信号

图7示出1 500 r/min和1 100 r/min时不同燃烧状态下子信号，和各个循环的压力峰值，反映了不同燃烧状态下第1个循环、第10个循环、第20个循环和第30个循环的低频域、中频域和高频域的缸内压力信息。由图7a和图7b可知，对于低频域子信号，无论1 500 r/min还是1 100 r/min时，PI增加，各个循环的峰值均增加，各个循环之间的峰值差别均较小。这是由于低频域子信号主要包含缸内压力的正常燃烧信息，不包含中高频压力振荡信息，所以各个循环之间的压力峰值较稳定。由图7c可知，1 500 r/min，PI为0.77 mg/s时正常燃烧，中频域子信号各个循环的峰值均明显大于高频域子信号各个循环的峰值，各个循环之间、各个循环之间的峰值差别均较小。PI增加为1.22 mg/s时，缸内压力出现轻微压力振荡，子信号各个循环的峰值增加不明显，而子信号各个循环的峰值均显著增加，由于存在压力振荡，中频域子信号各个循环之间、高频域子信号各个循环之间的峰值差别均较大。PI进一步增加为1.37 mg/s时，出现剧烈压力振荡，子信号各个循环的峰值均显著增加，各个循环之间、各个循环之间的峰值差别均较大。

图7 不同燃烧状态各循环的子信号峰值

1 100 r/min，PI为0.80 mg/s时正常燃烧，中频域子信号各个循环的峰值显著大于高频域子信号各个循环的峰值，各个循环之间、各个循环之间的峰值差别均较小。PI为1.00 mg/s时，出现轻微压力振荡，子信号各个循环的峰值变化不明显，子信号各个循环的峰值均显著增加。综上，1 500 r/min和1 100 r/min，不同燃烧状态下子信号，和各个循环的峰值变化规律一致，即燃烧状态决定了缸内压力振荡的频域分布。低频域子信号反映了正常燃烧信息，中高频域子信号和反映了压力振荡信息。

3 结论

a) 1 500 r/min，PI分别为0.77 mg/s，1.22 mg/s和1.37 mg/s时，放热率曲线均呈三阶段放热，缸内压力级频谱曲线均呈现速降段、缓降段和波动段三个阶段：PI增加，HCCI燃烧低温放热部分的峰值增加，峰值相位提前，高温放热部分b由单峰变为双峰；扩散燃烧部分c波动趋于剧烈；1 100 r/min时规律类似；

b) 缸内压力滤波处理得到低频域子信号、中高频域子信号和，子信号对应正常燃烧压力信息，子信号和对应燃烧压力振荡信息，其中子信号第一峰对应HCCI燃烧的低温放热压力信息，第二峰对应HCCI燃烧的高温放热压力信息，子信号对应HCCI燃烧的高温放热和缸内直喷的扩散燃烧压力信息；

c) PI增加，子信号各个循环的峰值均增加，各个循环之间的差别很小；

d) 燃烧状态决定了缸内压力振荡的频域分布。正常燃烧状态，子信号各个循环的峰值均很小，子信号各个循环的峰值明显大于各个循环的峰值；发生轻微压力振荡时，子信号各个循环的峰值变化不明显，子信号各个循环的峰值均显著增加；发生剧烈压力振荡时，子信号各个循环的峰值均显著增加；发生压力振荡时，子信号各个循环之间、各个循环之间的差别均变大。