增压中冷柴油机燃用F-T柴油的燃烧波动特性分析

第1期（总第234期)2〇18年2月车用发动机VEHICLEENGINENo.l(SerialNo.234)Feb.2018增压中冷柴油机燃用F-T柴油的燃烧波动特性分析杨甜甜1，王铁1，乔靖1，高吉1，冯以卓1，孙丹丹2(1•太原理工大学车辆工程系，山西太原030024;2•广州市市政职业学校机电工程系，广东广州510507)摘要：为了分析柴油机燃用F-T柴油的燃烧波动特性，在增压中冷直喷柴油机上对燃用F-T柴油和0号柴油的中高转速和负荷工况进行了对比试验研究。研究表明：在同一工况下，与〇号柴油相比，燃用F-T柴油的燃烧始点较早，燃烧压力峰值较低，压力波动幅值较小；对燃烧压力进行频谱分析可以看出，F-T柴油的燃烧压力波动一阶主频率小于0号柴油的主频率，两种燃料的一阶主频率均随转速的增加而增大，随着负荷的增加有降低的趋势，且负荷对F-T柴油的影响较0号柴油更加显著。从燃烧振动噪声源的角度考虑，燃用F-T柴油有利于降低柴油机的燃烧噪声和缸内燃烧时的爆发冲击载荷。关键词：F-T柴油；缸内压力；压力波动；频域分析DOI：10.3969/j.issn.l001-2222.2018.01.011中图分类号：TK464;TK411.2文献标志码：B文章编号：1001-2222(2018)01-0062-05较汽油机而言，柴油机的排放、振动、噪声等问题较突出，寻找可靠清洁的柴油代用燃料是解决柴油机的能源需求问题及满足环保要求的重要途径之一。F-T柴油是将煤间接液化得到的主要由直链饱和烃和分枝异构饱和烃构成的混合物。F-T柴油的氢碳比和十六烷值高，燃烧热效率高，循环变动小[1_2]，污染物排放少[3_5]，燃烧噪声小[6]，被认为是清洁高效的柴油机代用燃料，是实现煤炭在内燃机上清洁化利用的最佳载体。燃烧压力波动与柴油机的高频结构振动和辐射噪声密切相关，压力波动会对柴油机部件产生强烈冲击，从而产生振动和噪声辐射[7]。试验表明，比例不到燃烧室内总压力能量5%的压力波动能量，所激起的噪声占燃烧噪声总能量的80%左右[8]。其中，燃烧压力高频波动是影响燃烧噪声的重要因素。燃烧压力高频波动与燃烧噪声高频成分具有较好的对应关系，较高的波动幅值对应的燃烧噪声值较高。因此，研究F-T柴油对柴油机燃烧压力波动的影响，对利用代用燃料改善柴油机的NVH性能有重要意义。刘磊等从燃烧室内压力频谱方面研究F-T柴油与〇号柴油以不同比例掺混时的燃烧特性，结果表明，随着F-T柴油比例增加，燃烧压力振荡频率逐渐降低，振荡声压级能量幅值降低;在不同工况下发动机燃用F-T柴油时缸盖振动加速度信号的幅值均低于燃烧〇号柴油，且高频成分的能量小于〇号柴油，燃用F-T柴油可有效地降低燃烧引起的柴油机振动[9_w]。本研究从时域和频域两方面，对比分析了F-T柴油及〇号柴油的燃烧特性及燃烧压力波动特性。1试验设备及方法本研究试验柴油机为4100QBZL增压中冷直喷柴油机，主要参数见表1。试验前对供油系统按照原机参数进行了恢复出厂调整。本试验主要针对F-T柴油和0号柴油两种燃油2000〜3000r/min的外特性及最大扭矩转速2200r/min下负荷特性进行研究，因为在中高转速和负荷下更能体现F-T柴油的优势。试验采用ET2500重力型油耗仪测量发动机油耗，采用ET2000测控系统控制DW160电涡流测功机来实现对发动机的工况调节，采用Kistler6125B缸压传感器及4618A2电荷放大器来采集燃烧室内燃烧压力。为了保证试验的可重复性以及结果一致性，对每种燃油均进行了2次重复试验，在试验开始前对收稿日期：2017-12-06;修回日期：2018-01-05基金项目：山西省研究生教育创新项目“F-T柴油/甲醇混合燃料燃烧机理及化学动力学研究”（2017SY027)作者简介：杨甜甜（1989—），女，博士，主要研究方向为柴油机清洁代用燃料；[e-mail]。通讯作者：王铁（1957—），男，教授，博士生导师，主要研究方向为柴油机清洁代用燃料与排放控制；[e-mail]。2〇18年2月杨甜甜，等：增压中冷柴油机燃用F-T柴油的燃烧波动特性分析•63•020曲轴转角/(°)a2000r/min40020曲轴转角/(°)b2400r/min40020曲轴转角/(°)c2800r/min40020曲轴转角/(°)d3000r/min40图1外特性下缸压曲线对比2试验结果及分析2.1燃烧压力分析F-T柴油比0号柴油的能量密度低，所以在不对柴油机参数进行改动的情况下，在速度特性工况下，燃用F-T柴油的输出扭矩低于0号柴油[1112]，这与两者的低热值及燃烧状况是密切相关的，还与发动机的传热损失等有关。图1和图2示出柴油机燃用0号柴油及F-T柴油在外特性下和2200r/min转速负荷特性下的燃烧压力对比。从图中可以看出，外特性下和2200r/min转速负荷特性下，F-T柴油的燃烧压力峰值均低于〇号柴油，随着转速和负荷的升高，两种燃油的燃烧压力峰值均增大。同时，试验表明速燃期F-T柴油的压力上升趋势较0号柴油低缓。这是因为F-T柴油的十六烷值髙，挥发性好，能在短时间内形成压燃所需的可燃混合气并迅速达到压燃所需的温度和压力条件，其燃烧过程中预混燃烧比例较〇号柴油低。从图中还可以看到，从燃烧开始，燃烧压力曲线上均伴随着波动。由于图示压力曲线是多个循环求取平均后得到的结果，测试过程中的随机成分得到了有效抑制，因而燃烧压力波动的存在是该柴油机的固有特性。柴油机燃烧压力波动对机体振动及辐射噪声均有较大影响，而燃料的物化性质对压力波动有较大影响，有必要就两种燃料燃烧波动进行细致研究。参数指标〇号柴油F-T柴油十六烷值4578.4低热值/MJ•kg142.643.9密度（20°C)/g•cm-30.830.7896运动黏度（20°C)/mm2•s-13〜82.62闪点（闭口）/°c6554初馏点/°c180161终馏点/°c370337总芳香烃体积分数/%34.680.1氢碳比1.852.15从表2可以看出，F-T柴油的十六烷值远高于〇号柴油。燃料的十六烷值越高，其着火性能越好，所以相同工况下F-T柴油的燃烧始点应早于0号柴油。从馏程温度可以看出，F-T柴油的挥发性能优于〇号柴油。F-T柴油的质量低热值比0号柴油略大，但其密度比0号柴油小，导致其体积低热值比〇号柴油略低。对于配备柱塞式喷油泵（位置控制式喷射系统）的柴油机，外特性下油量调节杆处于最大位置，假设燃料的体积弹性模量可以忽略，则同一工况点下燃油的体积供油量是相等的。因此，在相同的外特性工况点下，F-T柴油的动力性会较0号柴油略有下降。测试设备进行校准；试验过程中发动机在待测试工况运转稳定30s后，进行试验数据采集工作；每一工况下，在燃烧分析仪采集的所有工作循环中，选取中间的100个循环求取平均后进行燃烧特性分析，以此减小燃烧分析仪在开始及结束采集数据时可能出现信号突变带来的影响，此外，也可减小循环变动对分析结果的影响。表1柴油机主要参数缸径/mm100行程/mm105气缸数/个4燃烧室型式直喷00型排量/L3.298压缩比17.5：1最大扭矩/N•m245最大扭矩转速/r•min_12000〜2200供油提前角/〇14±2试验所用燃油为市售〇号柴油和F-T柴油。燃油主要参数见表2。表2燃料主要性能指标1210121086•64•车用发动机2018年第1期U.1U0.050-0.05_0号一F-T-2002040-2002040曲轴转角/(°)曲轴转角/(°)c150N•md180N•m图42200r/min转速下的压力波动对比为了评估F-T柴油燃烧形成的高频压力振荡的能量幅值，根据式（1)计算了图3和图4所示信号的有效值（RootMeanSquare，RMS)(aRMS)。为了强调F-T柴油燃烧过程中的压力波动特性，在图中，仅显示了部分周期循环的曲线及针对该段曲线求取的压力波动的RMS值(见图5和图6)。aRMs=」j^J^。(1)式中：…为压力波动信号的时域值；iV为图3和图4所示信号的总采样点数(600点）。从图5和图6可以看出，压力波动信号的RMS值受转速和负荷影响显著。外特性下，随着转速的增加，两种燃料的压力波动RMS值均显著增加；负荷特性下，随着负荷的增加，两种燃料的压力波动RMS值均有降低，但F-T柴油的降低趋势更加明显，且〇号柴油与F-T柴油的波动RMS值的差值随负荷增大逐渐增大。这一结果表明，转速变化对两种燃油的燃烧压力波动均有较大影响，负荷变化2000240028003000转速/r•min_1图5外特性的压力波动有效值对比U.1U0.050-0.05.〇号F-T020曲轴转角/(°)a100N•m40020曲轴转角/(°)b120N•m4012图22200r/min转速下的缸压曲线对比2.2压力波动时域分析压力波动的产生、发展、衰减和消失均与燃烧条件及燃烧进程有密不可分的关系。压力振荡起始于预混合燃烧阶段，然后在速燃期内迅速发展到最大振幅，随后消失在缓燃期内，或延迟到后燃期的初始段。为了方便观察试验得到的缸内压力波动，将缸压曲线进行了4000Hz的高通滤波，滤掉了大时间尺度的基础缸压，得到如图3和图4所示的缸内燃烧压力波动曲线。从图中可以看出，F-T柴油的波动幅值明显小于〇号柴油，F-T柴油的波动始点早于0号柴油，这也间接说明了F-T柴油的燃烧始点早于0号柴油。由于F-T柴油的燃烧始点更远离上止点，开始燃烧时的燃烧室容积较大，压力传播过程的能量耗散效应也会相应增强，导致压力振幅比〇号柴油有较明显的减小。02040曲轴转角/(°)c150N•m02040曲轴转角/(°)d180N•m02040-2002040曲轴转角/(°)曲轴转角/(°)a100N•mb120N•m图3外特性下的压力波动对比-0.1002040曲轴转角/(°)c2800r/min020曲轴转角/(°)d3000r/min4002040-2002040曲轴转角/(°)曲轴转角/(°)a2000r/minb2400r/min1010ml/lnE$086410050050.0.-0.8642〇18年2月杨甜甜，等：增压中冷柴油机燃用F-T柴油的燃烧波动特性分析•65•3691215频率/kHzd3000r/min36912频率/kHzc2800r/min51015051015频率/kHz频率/kHza100N•mb120N•m03691215〇3691215频率/kHz频率/kHza2000r/minb2400r/min图7外特性下气缸压力声压级对比柴油气缸压力声压级对比。从图中可以看出，在小于1kHz的频率段，气缸声压级幅值较高，且随频率的增大而迅速下降；1〜4kHz的频率段，幅值随频率变化较为平缓。对图3和图4时域图中上止点附近的压力波动进行计算可知，燃烧波动频率集中在4〜7kHz，其主要表征缸内微小时间尺度的压力信号特征，这也是前文选择4kHz作为髙通滤波截止频率的依据。由图7和图8中可以看出，在燃烧波动频段内〇号柴油的波动能量髙于F-T柴油，且F-T柴油的波动主频率低于0号柴油。051015)〇051015频率/kHz频率/kHzc150N•md180N•m图82200r/min转速下的气缸压力声压级对比将图7和图8中两种燃料的压力波动一阶主频率段提取出来，结果见图9和图10。从图中可明显看出，两种燃料的压力波动一阶主频率段的中心频率随转速的增加而增加，随负荷的增加而呈现降低趋势，但变化的程度均较小，即转速和负荷对波动频率的影响较小，且〇号柴油的频率均略高于F-T柴油。随着转速和负荷的增加，燃烧始点提前[13]，燃〇|------^skm----atm----atm----hlh------100120150180负荷/N•m图62200r/min转速下的压力波动有效值对比对F-T柴油的压力振荡有着明显影响，对0号柴油燃烧波动影响较小。外特性下，随着发动机转速的增加，燃烧室内揣流强度增加，压力分布不均匀性增强，这是由柴油