房晟，周德峰，王斌

(江蘇大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)被廣泛應(yīng)用已經(jīng)超過(guò)100年，盡管有著較高的燃油經(jīng)濟(jì)性，但近年來(lái)也面臨著挑戰(zhàn)，其發(fā)展的主要困境在于如何同時(shí)降低炭煙和NOx排放。為了達(dá)到這個(gè)目的，許多先進(jìn)的新型燃燒方式被應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)上，包括均質(zhì)充量壓燃(HCCI)、預(yù)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(jìn)入氣缸燃燒，所以可以根據(jù)工況控制燃料比例改變?nèi)紵^(guò)程，有效改善發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放性。RCCI燃燒是通過(guò)兩套獨(dú)立的燃料供給系統(tǒng)應(yīng)用在壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中，低十六烷值的燃料在進(jìn)氣道預(yù)混參與燃燒，高十六烷值的燃料直噴進(jìn)入氣缸。

我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)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(shí)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(shí)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx和炭煙排放。長(zhǎng)安大學(xué)李剛等[2]通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)研究了柴油噴射參數(shù)對(duì)DMDF柴油機(jī)燃燒和排放的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明柴油噴射壓力增加，DMDF模式下燃燒持續(xù)時(shí)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(xué)的王全剛等[3]研究了DMDF燃燒的運(yùn)行范圍，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)DMDF燃燒的運(yùn)行范圍被部分燃燒、失火、燃燒劇烈和爆震四個(gè)邊界限制。

從上述對(duì)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(jī)差，高循環(huán)波動(dòng)在DMDF系統(tǒng)中是常見(jiàn)現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外很多專(zhuān)家已經(jīng)對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)波動(dòng)開(kāi)展了相關(guān)研究[4-5]。長(zhǎng)安大學(xué)李剛等[6]在1臺(tái)由高壓共軌柴油機(jī)改裝的DMDF發(fā)動(dòng)機(jī)上研究了替代率、負(fù)荷、轉(zhuǎn)速和噴油正時(shí)對(duì)DMDF發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)波動(dòng)的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明：在高替代率下，循環(huán)波動(dòng)大；隨負(fù)荷增大或轉(zhuǎn)速升高，循環(huán)波動(dòng)減?。贿m當(dāng)提前柴油噴油正時(shí)可提高燃燒穩(wěn)定性，但提前太多會(huì)引起爆震。天津大學(xué)王全剛等[7]在1臺(tái)DMDF發(fā)動(dòng)機(jī)上，研究了發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷、替代率、噴油正時(shí)和進(jìn)氣溫度對(duì)DMDF燃燒穩(wěn)定性的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明：DMDF燃燒在高負(fù)荷下更穩(wěn)定，此時(shí)替代率對(duì)循環(huán)波動(dòng)影響更小；此外，相比較于噴油時(shí)刻，循環(huán)波動(dòng)對(duì)進(jìn)氣溫度更加敏感，過(guò)高的進(jìn)氣溫度會(huì)直接導(dǎo)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?jǐn)?shù)、燃燒方式、EGR率和柴油控制策略對(duì)雙燃料RCCI燃燒穩(wěn)定性的影響。

上述研究主要是針對(duì)平原地區(qū)DMDF系統(tǒng)的燃燒穩(wěn)定性，而對(duì)高原地區(qū)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)波動(dòng)的系統(tǒng)性理解對(duì)于優(yōu)化燃燒過(guò)程和擴(kuò)展DMDF發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行范圍是至關(guān)重要的，因此，本研究在1臺(tái)改裝的DMDF發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)，研究高原地區(qū)DMDF燃燒的循環(huán)波動(dòng)。

1 試驗(yàn)裝置及方法

1.1 試驗(yàn)機(jī)型和燃油

試驗(yàn)用DMDF發(fā)動(dòng)機(jī)由1臺(tái)4缸、高壓共軌、增壓、直噴式柴油機(jī)改裝而來(lái)，其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1，整個(gè)試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。加裝的甲醇供給系統(tǒng)包括甲醇燃料箱、甲醇泵、甲醇?jí)毫φ{(diào)節(jié)閥、甲醇噴射器和雙燃料控制單元，在原機(jī)基礎(chǔ)上，改裝進(jìn)氣道，在每個(gè)進(jìn)氣歧管處增加甲醇電控噴射器，甲醇?jí)毫φ{(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(dòng)機(jī)主要參數(shù)

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)示意

為了研究海拔對(duì)循環(huán)波動(dòng)的作用，在臺(tái)架上加裝一套高原模擬裝置，該裝置主要采用進(jìn)氣節(jié)流和排氣抽真空的原理設(shè)計(jì)。圖2和圖3分別示出了進(jìn)氣口和排氣口的大氣模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，其主要由進(jìn)/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(mén)控制進(jìn)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(duì)大氣壓力、空氣密度和大氣溫度都會(huì)產(chǎn)生影響，其中大氣壓力的變化最為明顯，對(duì)柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒過(guò)程的影響最大，所以試驗(yàn)中主要對(duì)進(jìn)氣壓力進(jìn)行控制。表2示出高原環(huán)境對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣口和排氣口壓力，在試驗(yàn)中依照表2所示來(lái)模擬高原工況[9]。

圖2 高原進(jìn)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(duì)應(yīng)進(jìn)排氣壓力

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試臺(tái)架由CAC75電力測(cè)功機(jī)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(hào)經(jīng)過(guò)電荷放大器處理后轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)傳輸給燃燒分析儀處理。表3示出了在試驗(yàn)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(guò)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(yàn)條件

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速維持在1 800 r/min，整個(gè)試驗(yàn)?zāi)M的海拔工況為10 m,700 m和1 670 m，50%負(fù)荷和30%替代率的工況是試驗(yàn)對(duì)比的基準(zhǔn)工況，通過(guò)調(diào)整負(fù)荷、替代率、柴油噴射參數(shù)和模擬海拔，與基準(zhǔn)工況進(jìn)行對(duì)比，研究不同海拔下各參數(shù)對(duì)DMDF燃燒循環(huán)波動(dòng)率的影響。表4示出了具體的試驗(yàn)工況。

表4 試驗(yàn)參數(shù)

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

表征發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性的參數(shù)一般采用循環(huán)波動(dòng)系數(shù)COV，COV定義為標(biāo)準(zhǔn)差和平均值之比，其計(jì)算式為

式中：n為一組測(cè)試點(diǎn)的循環(huán)次數(shù)。

甲醇替代率MSR的計(jì)算式為

式中：qdd為發(fā)動(dòng)機(jī)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(yàn)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(jié)果與分析

2.1 不同海拔下負(fù)荷對(duì)循環(huán)波動(dòng)的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，替代率為M30，將發(fā)動(dòng)機(jī)噴射參數(shù)調(diào)整在平原工況下的最優(yōu)狀態(tài)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，功率與原機(jī)相當(dāng)，沒(méi)有出現(xiàn)爆震、失火?？刂瓢l(fā)動(dòng)機(jī)在25%，50%，75%負(fù)荷率運(yùn)行，調(diào)節(jié)閥門(mén)模擬10 m,700 m,1 670 m 3個(gè)不同海拔工況，圖4示出不同工況下連續(xù)100個(gè)測(cè)試點(diǎn)的峰值壓力瞬時(shí)值散點(diǎn)圖，圖5示出不同工況下COVIMEP連續(xù)100個(gè)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(fù)荷的變化

DMDF發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)波動(dòng)的原因主要有預(yù)噴柴油引燃點(diǎn)的不穩(wěn)定性和引燃時(shí)刻甲醇混合氣組分的不穩(wěn)定性。高負(fù)荷率下，由于燃料增加提供了更大的點(diǎn)火能量，改善了柴油引燃點(diǎn)的穩(wěn)定性，所以平原條件下COVpmax在75%負(fù)荷下只有1.14%，在高原條件下大負(fù)荷時(shí)COVpmax的變化趨勢(shì)與平原類(lèi)似。低負(fù)荷率下，缸內(nèi)溫度較低，加上甲醇對(duì)進(jìn)氣溫度的降溫效果，滯燃期延長(zhǎng)，在滯燃期內(nèi)形成的混合氣增多，引燃后迅速燃燒，導(dǎo)致峰值壓力循環(huán)波動(dòng)變大。隨著負(fù)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(guò)程，充分發(fā)揮了甲醇有氧燃料的特性。因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)不爆震的前提下，大負(fù)荷時(shí)燃燒穩(wěn)定性更佳，更有利于DMDF發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。

衡量燃燒穩(wěn)定性的重要指標(biāo)除去峰值壓力循環(huán)波動(dòng)系數(shù)COVpmax，平均指示壓力波動(dòng)系數(shù)COVIMEP同樣非常重要，它定義了發(fā)動(dòng)機(jī)做功能力的穩(wěn)定性，研究顯示，當(dāng)COVIMEP超過(guò)10%時(shí)車(chē)輛會(huì)出現(xiàn)駕駛性能問(wèn)題[5]。由圖5可以看出，大負(fù)荷率下COVIMEP同樣降低，這進(jìn)一步表明了DMDF發(fā)動(dòng)機(jī)更適合在大負(fù)荷下運(yùn)行。但是與峰值壓力不同的是，大負(fù)荷下，COVpmax與COVIMEP隨海拔升高都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而在中小負(fù)荷下，COVpmax與COVIMEP隨海拔變化趨勢(shì)相反，在高海拔下，COVpmax明顯增大，而COVIMEP保持下降趨勢(shì)。這是由于中小負(fù)荷時(shí)，滯燃期延長(zhǎng)，預(yù)混燃燒占比變多，導(dǎo)致峰值壓力循環(huán)波動(dòng)率增加；而含氧燃料甲醇在1 800 r/min的中小負(fù)荷時(shí)，對(duì)高原下的燃燒有改善作用，降低了做功能力的循環(huán)波動(dòng)，COVIMEP保持下降趨勢(shì)。

圖5 COVIMEP平均值隨負(fù)荷和海拔的變化

2.2 不同海拔下替代率對(duì)循環(huán)波動(dòng)的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，負(fù)荷率為50%，將發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)在D100、M10、M30、M50替代率下運(yùn)行，調(diào)節(jié)閥門(mén)模擬10 m,700 m,1 670 m 3個(gè)不同海拔工況，圖6示出不同工況下連續(xù)100個(gè)測(cè)試點(diǎn)的峰值壓力瞬時(shí)值散點(diǎn)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(dòng)系數(shù)增大，在高海拔下趨勢(shì)更加明顯。這是因?yàn)樘娲实纳邔?dǎo)致甲醇預(yù)混量增大，缸內(nèi)溫度降低，滯燃期延長(zhǎng)，滯燃期內(nèi)形成的預(yù)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(dòng)增加。在高海拔下，由于進(jìn)氣量減少，滯燃期進(jìn)一步拉長(zhǎng)，峰值壓力由于進(jìn)氣量不足有所下降，峰值壓力的循環(huán)波動(dòng)系數(shù)顯著增大。

由圖7可以看出，COVIMEP的趨勢(shì)與COVpmax有所不同，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在純柴油模式(D100)時(shí)，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(shì)更加明顯，這意味著在高原工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)在高替代率下運(yùn)行更加穩(wěn)定。進(jìn)氣量的減少導(dǎo)致預(yù)混氣體混合質(zhì)量變差，導(dǎo)致峰值壓力循環(huán)波動(dòng)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(guò)程，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)做功能力的循環(huán)波動(dòng)減小。COVpmax與COVIMEP隨海拔變化出現(xiàn)相反趨勢(shì)的情況，這與圖6中出現(xiàn)的情況相符，進(jìn)一步證明了高海拔下DMDF發(fā)動(dòng)機(jī)在高替代率下運(yùn)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(dòng)增加的趨勢(shì)和替代率使高海拔下循環(huán)波動(dòng)減小的趨勢(shì)共同作用的結(jié)果，在1 670 m的M10工況下，循環(huán)波動(dòng)減小的趨勢(shì)發(fā)揮主要作用，使得其比700 m時(shí)的循環(huán)波動(dòng)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(duì)循環(huán)波動(dòng)的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，負(fù)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(mén)模擬10 m,700 m,1 670 m 3個(gè)不同海拔工況。圖8示出在不同柴油預(yù)噴油量、噴油正時(shí)和噴射壓力下，DMDF發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)波動(dòng)系數(shù)折線(xiàn)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(shì)相反，這個(gè)現(xiàn)象與前述論述相符。柴油預(yù)噴油量增加，在缸內(nèi)形成更多混合均勻的充量，預(yù)混燃燒比例增大，主噴始點(diǎn)的溫度壓力升高，整個(gè)放熱過(guò)程更加平穩(wěn)，所以隨著預(yù)噴油量的增加，DMDF燃燒循環(huán)波動(dòng)顯著減小[10]。噴油正時(shí)對(duì)COVIMEP的影響很小，相較之下，COVpmax對(duì)于噴油正時(shí)的變化更加敏感。柴油噴油正時(shí)推遲，燃燒始點(diǎn)更接近上止點(diǎn)位置，此時(shí)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(dòng)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(duì)燃燒循環(huán)波動(dòng)的影響不大，試驗(yàn)結(jié)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(duì)循環(huán)波動(dòng)的影響

2.4 海拔對(duì)峰值壓力對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，負(fù)荷率為50%，替代率為M30，將發(fā)動(dòng)機(jī)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(mén)模擬10 m,700 m,1 670 m3個(gè)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(gè)測(cè)試點(diǎn)的峰值壓力對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角的分布趨于集中，且峰值壓力所對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角分布在7.75°～9.5°曲軸轉(zhuǎn)角之間。這是因?yàn)楦吆０蜗逻M(jìn)氣量的減少導(dǎo)致滯燃期延長(zhǎng)，滯燃期內(nèi)預(yù)混的混合氣量增多，燃燒始點(diǎn)相應(yīng)推后，預(yù)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(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角的分布

3 結(jié)論

a)DMDF發(fā)動(dòng)機(jī)在大負(fù)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(fù)荷下，COVpmax和COVIMEP隨海拔變化表現(xiàn)出相似的下降趨勢(shì)，但是在中小負(fù)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(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在純柴油模式下時(shí)，COVIMEP在高海拔下升高，然而當(dāng)運(yùn)行在更高的替代率下時(shí)，COVIMEP反而在高海拔下下降；

c)預(yù)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(shí)對(duì)COVIMEP的影響都不大，但COVpmax隨噴射正時(shí)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(dòng)變化較小；

d)在高原工況下，峰值壓力對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角分布趨于集中，但峰值出現(xiàn)時(shí)刻滯后。