房晟，周德峰，王斌

(江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

壓燃式發(fā)動機被廣泛應用已經(jīng)超過100年，盡管有著較高的燃油經(jīng)濟性，但近年來也面臨著挑戰(zhàn)，其發(fā)展的主要困境在于如何同時降低炭煙和NOx排放。為了達到這個目的，許多先進的新型燃燒方式被應用在發(fā)動機上，包括均質(zhì)充量壓燃(HCCI)、預混充量壓燃(PCCI)和活性可控壓燃(RCCI)等等[1]。其中，RCCI燃燒由于噴射不同活性的燃料進入氣缸燃燒，所以可以根據(jù)工況控制燃料比例改變?nèi)紵^程，有效改善發(fā)動機的經(jīng)濟性和排放性。RCCI燃燒是通過兩套獨立的燃料供給系統(tǒng)應用在壓燃式發(fā)動機中，低十六烷值的燃料在進氣道預混參與燃燒，高十六烷值的燃料直噴進入氣缸。

我國的能源結構以煤炭資源為主，具備低成本大規(guī)模生產(chǎn)甲醇的條件，此外，甲醇燃料的理化特性也有利于性能的改善，因此甲醇-柴油雙燃料DMDF系統(tǒng)是一種實現(xiàn)RCCI燃燒的理想手段。許多研究表明，DMDF燃燒能有效利用甲醇燃料，并能同時降低發(fā)動機的NOx和炭煙排放。長安大學李剛等[2]通過臺架試驗研究了柴油噴射參數(shù)對DMDF柴油機燃燒和排放的影響，試驗結果表明柴油噴射壓力增加，DMDF模式下燃燒持續(xù)時間縮短，缸內(nèi)峰值壓力和峰值放熱率增大，CO、HC排放和煙度降低，而CO2和NO2排放略有增加。天津大學的王全剛等[3]研究了DMDF燃燒的運行范圍，試驗發(fā)現(xiàn)DMDF燃燒的運行范圍被部分燃燒、失火、燃燒劇烈和爆震四個邊界限制。

從上述對DMDF燃燒的研究中可以看出，DMDF燃燒的穩(wěn)定性比傳統(tǒng)柴油機差，高循環(huán)波動在DMDF系統(tǒng)中是常見現(xiàn)象，國內(nèi)外很多專家已經(jīng)對雙燃料發(fā)動機的循環(huán)波動開展了相關研究[4-5]。長安大學李剛等[6]在1臺由高壓共軌柴油機改裝的DMDF發(fā)動機上研究了替代率、負荷、轉(zhuǎn)速和噴油正時對DMDF發(fā)動機循環(huán)波動的影響，試驗結果表明：在高替代率下，循環(huán)波動大；隨負荷增大或轉(zhuǎn)速升高，循環(huán)波動減小；適當提前柴油噴油正時可提高燃燒穩(wěn)定性，但提前太多會引起爆震。天津大學王全剛等[7]在1臺DMDF發(fā)動機上，研究了發(fā)動機負荷、替代率、噴油正時和進氣溫度對DMDF燃燒穩(wěn)定性的影響，試驗結果表明：DMDF燃燒在高負荷下更穩(wěn)定，此時替代率對循環(huán)波動影響更小；此外，相比較于噴油時刻，循環(huán)波動對進氣溫度更加敏感，過高的進氣溫度會直接導致甲醇出現(xiàn)自燃現(xiàn)象。Jia等[8]研究了燃料活性、柴油質(zhì)量分數(shù)、燃燒方式、EGR率和柴油控制策略對雙燃料RCCI燃燒穩(wěn)定性的影響。

上述研究主要是針對平原地區(qū)DMDF系統(tǒng)的燃燒穩(wěn)定性，而對高原地區(qū)雙燃料發(fā)動機循環(huán)波動的系統(tǒng)性理解對于優(yōu)化燃燒過程和擴展DMDF發(fā)動機運行范圍是至關重要的，因此，本研究在1臺改裝的DMDF發(fā)動機上進行了臺架試驗，研究高原地區(qū)DMDF燃燒的循環(huán)波動。

1 試驗裝置及方法

1.1 試驗機型和燃油

試驗用DMDF發(fā)動機由1臺4缸、高壓共軌、增壓、直噴式柴油機改裝而來，其主要技術參數(shù)見表1，整個試驗裝置的結構簡圖見圖1。加裝的甲醇供給系統(tǒng)包括甲醇燃料箱、甲醇泵、甲醇壓力調(diào)節(jié)閥、甲醇噴射器和雙燃料控制單元，在原機基礎上，改裝進氣道，在每個進氣歧管處增加甲醇電控噴射器，甲醇壓力調(diào)節(jié)閥控制甲醇噴射壓力在0.4 MPa，并由雙燃料控制單元控制甲醇噴射。

表1 發(fā)動機主要參數(shù)

圖1 試驗系統(tǒng)示意

為了研究海拔對循環(huán)波動的作用，在臺架上加裝一套高原模擬裝置，該裝置主要采用進氣節(jié)流和排氣抽真空的原理設計。圖2和圖3分別示出了進氣口和排氣口的大氣模擬系統(tǒng)結構簡圖，其主要由進/排氣口節(jié)流碟閥、穩(wěn)壓桶和真空泵組成，并調(diào)節(jié)閥門控制進排氣壓力模擬10 m,700 m和1 670 m下的環(huán)境條件。海拔的增加對大氣壓力、空氣密度和大氣溫度都會產(chǎn)生影響，其中大氣壓力的變化最為明顯，對柴油機缸內(nèi)燃燒過程的影響最大，所以試驗中主要對進氣壓力進行控制。表2示出高原環(huán)境對應的進氣口和排氣口壓力，在試驗中依照表2所示來模擬高原工況[9]。

圖2 高原進氣模擬裝置示意

圖3 高原排氣模擬裝置示意

表2 模擬海拔對應進排氣壓力

雙燃料發(fā)動機測試臺架由CAC75電力測功機控制，采用FC2210油耗儀，缸內(nèi)壓力采集及分析采用Kistler 6056A壓電式缸壓傳感器、5011B10電荷放大器和AVL 622燃燒分析儀。缸壓傳感器安裝在一缸氣缸蓋上，采集的信號經(jīng)過電荷放大器處理后轉(zhuǎn)化為電壓信號傳輸給燃燒分析儀處理。表3示出了在試驗中使用的柴油和甲醇的具體參數(shù)，使用的柴油是硫含量不超過100×10-6的商用柴油，甲醇是純度為99%的甲醇燃料。

表3 柴油和甲醇燃料的理化性質(zhì)

1.2 試驗條件

發(fā)動機轉(zhuǎn)速維持在1 800 r/min，整個試驗模擬的海拔工況為10 m,700 m和1 670 m，50%負荷和30%替代率的工況是試驗對比的基準工況，通過調(diào)整負荷、替代率、柴油噴射參數(shù)和模擬海拔，與基準工況進行對比，研究不同海拔下各參數(shù)對DMDF燃燒循環(huán)波動率的影響。表4示出了具體的試驗工況。

表4 試驗參數(shù)

1.3 評價指標

表征發(fā)動機燃燒穩(wěn)定性的參數(shù)一般采用循環(huán)波動系數(shù)COV，COV定義為標準差和平均值之比，其計算式為

式中：n為一組測試點的循環(huán)次數(shù)。

甲醇替代率MSR的計算式為

式中：qdd為發(fā)動機純柴油模式下的柴油消耗率；qdm為雙燃料模式下的柴油消耗率。

試驗中，純柴油工況記為D100，甲醇替代率10%，30%和50%工況分別記為M10，M30和M50。

2 結果與分析

2.1 不同海拔下負荷對循環(huán)波動的影響

發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，替代率為M30，將發(fā)動機噴射參數(shù)調(diào)整在平原工況下的最優(yōu)狀態(tài)，此時發(fā)動機運行穩(wěn)定，功率與原機相當，沒有出現(xiàn)爆震、失火?？刂瓢l(fā)動機在25%，50%，75%負荷率運行，調(diào)節(jié)閥門模擬10 m,700 m,1 670 m 3個不同海拔工況，圖4示出不同工況下連續(xù)100個測試點的峰值壓力瞬時值散點圖，圖5示出不同工況下COVIMEP連續(xù)100個循環(huán)的平均值柱狀圖。

圖4 在不同模擬海拔下峰值壓力隨負荷的變化

DMDF發(fā)動機循環(huán)波動的原因主要有預噴柴油引燃點的不穩(wěn)定性和引燃時刻甲醇混合氣組分的不穩(wěn)定性。高負荷率下，由于燃料增加提供了更大的點火能量，改善了柴油引燃點的穩(wěn)定性，所以平原條件下COVpmax在75%負荷下只有1.14%，在高原條件下大負荷時COVpmax的變化趨勢與平原類似。低負荷率下，缸內(nèi)溫度較低，加上甲醇對進氣溫度的降溫效果，滯燃期延長，在滯燃期內(nèi)形成的混合氣增多，引燃后迅速燃燒，導致峰值壓力循環(huán)波動變大。隨著負荷率增加，缸內(nèi)溫度升高，滯燃期縮短，甲醇的降溫作用有利于改善燃燒過程，充分發(fā)揮了甲醇有氧燃料的特性。因此，在發(fā)動機不爆震的前提下，大負荷時燃燒穩(wěn)定性更佳，更有利于DMDF發(fā)動機穩(wěn)定運行。

衡量燃燒穩(wěn)定性的重要指標除去峰值壓力循環(huán)波動系數(shù)COVpmax，平均指示壓力波動系數(shù)COVIMEP同樣非常重要，它定義了發(fā)動機做功能力的穩(wěn)定性，研究顯示，當COVIMEP超過10%時車輛會出現(xiàn)駕駛性能問題[5]。由圖5可以看出，大負荷率下COVIMEP同樣降低，這進一步表明了DMDF發(fā)動機更適合在大負荷下運行。但是與峰值壓力不同的是，大負荷下，COVpmax與COVIMEP隨海拔升高都呈現(xiàn)下降趨勢，而在中小負荷下，COVpmax與COVIMEP隨海拔變化趨勢相反，在高海拔下，COVpmax明顯增大，而COVIMEP保持下降趨勢。這是由于中小負荷時，滯燃期延長，預混燃燒占比變多，導致峰值壓力循環(huán)波動率增加；而含氧燃料甲醇在1 800 r/min的中小負荷時，對高原下的燃燒有改善作用，降低了做功能力的循環(huán)波動，COVIMEP保持下降趨勢。

圖5 COVIMEP平均值隨負荷和海拔的變化

2.2 不同海拔下替代率對循環(huán)波動的影響

發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，負荷率為50%，將發(fā)動機噴射參數(shù)調(diào)整在平原工況下的最優(yōu)狀態(tài)，控制發(fā)動機在D100、M10、M30、M50替代率下運行，調(diào)節(jié)閥門模擬10 m,700 m,1 670 m 3個不同海拔工況，圖6示出不同工況下連續(xù)100個測試點的峰值壓力瞬時值散點圖，圖7示出不同工況下COVIMEP的平均值柱狀圖。

由圖6可以看出，隨著替代率的增加，峰值壓力增大，峰值壓力的循環(huán)波動系數(shù)增大，在高海拔下趨勢更加明顯。這是因為替代率的升高導致甲醇預混量增大，缸內(nèi)溫度降低，滯燃期延長，滯燃期內(nèi)形成的預混氣體增加，引燃后迅速燃燒，缸內(nèi)壓力增大，峰值壓力的循環(huán)波動增加。在高海拔下，由于進氣量減少，滯燃期進一步拉長，峰值壓力由于進氣量不足有所下降，峰值壓力的循環(huán)波動系數(shù)顯著增大。

由圖7可以看出，COVIMEP的趨勢與COVpmax有所不同，當發(fā)動機運行在純柴油模式(D100)時，COVIMEP同樣在高海拔下更大，但是隨著替代率的增加，COVIMEP在高海拔下有所減小，并且隨著替代率不斷升高，COVIMEP隨海拔升高的下降趨勢更加明顯，這意味著在高原工況下，發(fā)動機在高替代率下運行更加穩(wěn)定。進氣量的減少導致預混氣體混合質(zhì)量變差，導致峰值壓力循環(huán)波動增加，但是由于甲醇是含氧燃料，在柴油引燃以后，甲醇加入燃燒，有效改善了后續(xù)燃燒過程，因此，發(fā)動機做功能力的循環(huán)波動減小。COVpmax與COVIMEP隨海拔變化出現(xiàn)相反趨勢的情況，這與圖6中出現(xiàn)的情況相符，進一步證明了高海拔下DMDF發(fā)動機在高替代率下運行更加穩(wěn)定。但在M10工況，COVIMEP隨海拔升高先增加后減小，是由于海拔升高使循環(huán)波動增加的趨勢和替代率使高海拔下循環(huán)波動減小的趨勢共同作用的結果，在1 670 m的M10工況下，循環(huán)波動減小的趨勢發(fā)揮主要作用，使得其比700 m時的循環(huán)波動更低。

圖6 在不同模擬海拔下峰值壓力隨替代率的變化

圖7 COVIMEP平均值隨替代率和海拔的變化

2.3 不同海拔下噴油參數(shù)對循環(huán)波動的影響

發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，負荷率為50%，替代率為M30，調(diào)整柴油噴射參數(shù)，控制其他柴油噴射參數(shù)在最佳條件下，調(diào)節(jié)閥門模擬10 m,700 m,1 670 m 3個不同海拔工況。圖8示出在不同柴油預噴油量、噴油正時和噴射壓力下，DMDF發(fā)動機的循環(huán)波動系數(shù)折線圖。

由圖8可以看出，隨海拔升高，COVpmax有所增大，而COVIMEP的變化趨勢相反，這個現(xiàn)象與前述論述相符。柴油預噴油量增加，在缸內(nèi)形成更多混合均勻的充量，預混燃燒比例增大，主噴始點的溫度壓力升高，整個放熱過程更加平穩(wěn)，所以隨著預噴油量的增加，DMDF燃燒循環(huán)波動顯著減小[10]。噴油正時對COVIMEP的影響很小，相較之下，COVpmax對于噴油正時的變化更加敏感。柴油噴油正時推遲，燃燒始點更接近上止點位置，此時缸內(nèi)溫度壓力較高，有利于柴油引燃的穩(wěn)定性，因此峰值壓力的循環(huán)波動系數(shù)有所減小[11]。相比較其他噴油參數(shù)，柴油噴射壓力對燃燒循環(huán)波動的影響不大，試驗結果顯示隨噴射壓力增加，COVpmax略微增大，COVIMEP隨噴射壓力變化很小，在各種噴射壓力條件下COVIMEP都保持在1.4%以下。

圖8 噴油參數(shù)對循環(huán)波動的影響

2.4 海拔對峰值壓力對應曲軸轉(zhuǎn)角的影響

發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，負荷率為50%，替代率為M30，將發(fā)動機噴射參數(shù)調(diào)整在平原工況下的最優(yōu)狀態(tài)，調(diào)節(jié)閥門模擬10 m,700 m,1 670 m3個不同海拔工況。圖9示出在不同海拔條件下，DMDF燃燒連續(xù)100個測試點的峰值壓力對應曲軸轉(zhuǎn)角的分布柱狀圖。

由圖9可以看出，隨海拔升高，峰值壓力對應曲軸轉(zhuǎn)角的分布趨于集中，且峰值壓力所對應的曲軸轉(zhuǎn)角推后。在1 670 m的模擬海拔下，峰值壓力出現(xiàn)的曲軸轉(zhuǎn)角范圍集中在8.75°～9.25°曲軸轉(zhuǎn)角之間，然而在平原地區(qū)，DMDF燃燒的峰值壓力對應曲軸轉(zhuǎn)角分布在7.75°～9.5°曲軸轉(zhuǎn)角之間。這是因為高海拔下進氣量的減少導致滯燃期延長，滯燃期內(nèi)預混的混合氣量增多，燃燒始點相應推后，預混燃燒比例增多，因此放熱更加集中，峰值壓力出現(xiàn)位置推后。

圖9 在不同模擬海拔下峰值壓力對應曲軸轉(zhuǎn)角的分布

3 結論

a)DMDF發(fā)動機在大負荷下峰值壓力升高，COVpmax明顯降低，特別是在高海拔工況；在大負荷下，COVpmax和COVIMEP隨海拔變化表現(xiàn)出相似的下降趨勢，但是在中小負荷下COVpmax隨海拔升高增大，COVIMEP在高海拔下有所下降；

b)高替代率工況下的COVpmax高于低替代率工況，特別是在高海拔下更加明顯；當發(fā)動機運行在純柴油模式下時，COVIMEP在高海拔下升高，然而當運行在更高的替代率下時，COVIMEP反而在高海拔下下降；

c)預噴油量增加有利于高原工況下的燃燒穩(wěn)定性；在所有海拔條件下，柴油噴射正時對COVIMEP的影響都不大，但COVpmax隨噴射正時推后下降明顯；相比較于其他參數(shù)，柴油噴射壓力引起的循環(huán)波動變化較?。?/p>

d)在高原工況下，峰值壓力對應的曲軸轉(zhuǎn)角分布趨于集中，但峰值出現(xiàn)時刻滯后。