隨著環(huán)境和能源問(wèn)題的日益突出，以及越來(lái)越嚴(yán)格的CO2排放法規(guī)限制，人們對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)高效和低污染燃燒的需求也變得急迫。近年來(lái)，低溫燃燒受到世界范圍的廣泛關(guān)注，其中最為著名的便是均質(zhì)壓燃(HCCI)燃燒模式。這種燃燒方式具有混合氣稀薄、燃燒溫度低、顆粒物(PM)和氮氧化物(NOx)排放幾乎為零的特點(diǎn)。除此之外，多點(diǎn)自燃和快速放熱的特點(diǎn)使其也具有非常高的熱效率。然而，HCCI燃燒模式的燃燒相位和著火時(shí)刻卻無(wú)法直接控制，而是受到化學(xué)動(dòng)力學(xué)的控制。因此，當(dāng)HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)工作負(fù)荷增加時(shí)，過(guò)于集中和提前的燃燒相位導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法承受的壓力升高率和壓力震蕩。

本次推文基于一臺(tái)單缸發(fā)動(dòng)機(jī)和商用92號(hào)汽油開(kāi)展汽油壓燃(GCI)的爆震特征和燃燒過(guò)程研究，對(duì)GCI 爆震進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，并將其與點(diǎn)燃式(SI)典型爆震進(jìn)行了對(duì)比，分析二者的燃燒過(guò)程、爆震產(chǎn)生的原因和壓力震蕩模式的不同。此外，進(jìn)一步研究了不同燃油分層狀態(tài)下GCI 的爆震特征變化，發(fā)現(xiàn)了GCI 可控爆震和不可控爆震兩種不同的爆震形態(tài)及其發(fā)生的條件。

01  試驗(yàn)裝置及研究方法

圖1為試驗(yàn)裝置的示意，該試驗(yàn)平臺(tái)由發(fā)動(dòng)機(jī)、測(cè)功機(jī)、供油系統(tǒng)、可變氣門機(jī)構(gòu)(VVA)和控制及采集裝置構(gòu)成。VVA系統(tǒng)由液壓驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)氣門時(shí)刻和升程的調(diào)節(jié)。以進(jìn)氣門的控制方式為例闡述氣門的驅(qū)動(dòng)方式，在圖1中與液壓缸相連接兩根進(jìn)油管，為上進(jìn)油管A 和下進(jìn)油管B。當(dāng)氣門需要開(kāi)啟時(shí)，VVA控制器向三位四通伺服閥發(fā)送信號(hào)，伺服閥動(dòng)作使得進(jìn)油管A與高壓油連接，進(jìn)油管B與低壓油連接，從而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)氣門開(kāi)啟；當(dāng)氣門開(kāi)啟達(dá)到目標(biāo)升程時(shí)，伺服閥動(dòng)作使得進(jìn)油管A、B與高、低液源斷開(kāi)，液壓缸的壓力得以保持；當(dāng)氣門需要關(guān)閉時(shí)，伺服閥動(dòng)作使得進(jìn)油管B與高壓油連接，進(jìn)油管A與低壓油連接，氣門在液壓力和彈簧彈力的作用下被推回。


圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意

試驗(yàn)中GCI和SI的燃燒均是通過(guò)同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)，GCI的試驗(yàn)基于改造的加高活塞進(jìn)行，對(duì)應(yīng)的壓縮比為17.5；而SI的試驗(yàn)基于非加高活塞開(kāi)展，對(duì)應(yīng)的壓縮比為10.0。在試驗(yàn)中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速固定在1 500 r/min，所有的試驗(yàn)在室溫(25 ℃)條件下進(jìn)行，環(huán)境壓力為0.1 MPa，氧體積分?jǐn)?shù)為21%。為了研究?jī)煞N燃燒模式的燃燒和爆震特性，需要兩種燃燒模式在各自典型的工況運(yùn)行，即GCI部分負(fù)荷稀燃、SI全負(fù)荷當(dāng)量燃燒工況。表1為GCI和SI兩種模式具體的工況和控制參數(shù)。

表1 試驗(yàn)工況


02  GCI爆震與SI爆震特性對(duì)比

對(duì)于GCI燃燒模式而言，噴油時(shí)刻對(duì)缸內(nèi)燃油的分布狀態(tài)有著直接的影響，從而影響著缸內(nèi)的燃燒過(guò)程。圖2a為單次噴射不同噴油時(shí)刻下壓力升高率和壓力峰值的變化。隨著噴油時(shí)刻從16°CA BTDC逐漸提前到34°CA BTDC，缸內(nèi)的壓力和壓力升高率先維持穩(wěn)定，后逐漸升高，并且在噴油時(shí)刻較為提前的工況下能明顯觀測(cè)到缸內(nèi)壓力震蕩的產(chǎn)生，如圖2b所示。與此同時(shí)，也能聽(tīng)到明顯的敲缸聲。初步從壓力震蕩來(lái)看，GCI壓力震蕩與SI發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力震蕩非常相似，唯一能觀察到的與SI壓力震蕩不同的是GCI壓力震蕩的開(kāi)始時(shí)刻在上止點(diǎn)附近，明顯比SI震蕩開(kāi)始時(shí)刻提前。SI爆震時(shí)壓力震蕩開(kāi)始于10～30°CA ATDC。

圖3為GCI和SI爆震與非爆震工況的爆震強(qiáng)度分布，對(duì)于每個(gè)工況，爆震強(qiáng)度均由小到大進(jìn)行排序，以便更加直觀地看出其爆震分布特點(diǎn)。首先，對(duì)比圖3a和圖3b可以看出，即使在正常工況下，GCI燃燒也是存在輕微壓力震蕩的，而SI正常燃燒工況存在壓力震蕩的循環(huán)非常少。其次，對(duì)比圖3a和圖3c發(fā)現(xiàn)，GCI爆震和非爆震工況的爆震強(qiáng)度分布形態(tài)非常相似，其RSD值也非常近似，即GCI爆震并非隨機(jī)發(fā)生的，而是放熱集中、燃燒速率過(guò)快導(dǎo)致的。對(duì)比圖3b和圖3d可以看出，SI爆震強(qiáng)度極為分散，RSD值為1.598，這是SI爆震隨機(jī)性的一種宏觀表現(xiàn)。


圖2 GCI發(fā)動(dòng)機(jī)不同噴油時(shí)刻對(duì)缸內(nèi)壓力、壓力升高率和壓力震蕩的影響


圖3 GCI和SI正常和爆震工況的爆震強(qiáng)度分布

為了進(jìn)一步研究GCI和SI爆震發(fā)生時(shí)，其燃燒過(guò)程有何區(qū)別，需要對(duì)缸內(nèi)壓力、放熱率和壓力震蕩具體分析。圖4為GCI與SI燃燒模式典型的爆震與非爆震缸內(nèi)壓力、壓力震蕩和放熱率曲線。導(dǎo)致GCI壓力震蕩和SI壓力震蕩發(fā)生的共同特征是過(guò)于集中的放熱過(guò)程。對(duì)GCI爆震而言，其放熱率形態(tài)與非爆震時(shí)沒(méi)有本質(zhì)上的區(qū)別，其爆震發(fā)生是由于較為提前的噴油時(shí)刻導(dǎo)致較為提前的燃燒相位和更加集中的放熱過(guò)程，這種過(guò)于集中的放熱過(guò)程往往是壓力震蕩產(chǎn)生的主要原因。


圖4 GCI和SI爆震與非爆震工況的缸內(nèi)壓力、壓力震蕩和放熱率

在分析了爆震發(fā)生時(shí)的燃燒過(guò)程之后，進(jìn)一步采用小波變換對(duì)GCI和SI在發(fā)生爆震時(shí)壓力波在缸內(nèi)的震蕩頻率和震蕩模式進(jìn)行了研究．所得到的結(jié)果如圖5所示。從爆震特征信號(hào)的頻率分布來(lái)看，GCI爆震特征信號(hào)峰值明顯低于SI爆震特征信號(hào)峰值出現(xiàn)的頻率。爆震時(shí)燃燒室內(nèi)的壓力震蕩頻率取決于燃燒室的形狀、大小、爆震模式和當(dāng)?shù)芈曀佟？偠灾?，由于燃燒室?nèi)徑向震蕩和周向震蕩的相對(duì)強(qiáng)弱存在差異，GCI爆震存在兩個(gè)特征信號(hào)，以一階特征信號(hào)為主；而SI 則存在4個(gè)爆震特征信號(hào)，以一、二階特征信號(hào)為主。


圖5 GCI與SI爆震的時(shí)間-頻率譜

03  不同燃油分布對(duì)GCI爆震特性的影響

噴油時(shí)刻對(duì)GCI爆震強(qiáng)度有著最為直接的影響，也就是說(shuō)燃油在缸內(nèi)的分布直接決定了GCI的燃燒過(guò)程和爆震特性。因此，進(jìn)一步采用兩次噴射以營(yíng)造不同的缸內(nèi)燃油分布，從而研究燃油濃度分布對(duì)GCI爆震特性的影響。

在試驗(yàn)中，兩次噴射中預(yù)噴比為10%、20% 和30%，預(yù)噴時(shí)刻設(shè)在240°CA BTDC，即在進(jìn)氣行程進(jìn)行預(yù)噴，使之在缸內(nèi)形成較為均勻的混合氣；主噴時(shí)刻則設(shè)在壓縮行程，以形成燃油的濃度分層。圖6為不同預(yù)噴比的平均有效壓力(BMEP)和循環(huán)波動(dòng)(COVIMEP)。預(yù)噴量逐漸增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的性能也逐漸提升，表現(xiàn)為相同油量下的BMEP提升。此外，相比單次噴射，兩次噴射的循環(huán)波動(dòng)也明顯有所降低，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性提升。圖7為不同噴油策略的爆震強(qiáng)度，在主噴時(shí)刻相同的情況下，隨著預(yù)噴比的增加，爆震強(qiáng)度也逐漸增加，這是由于預(yù)混的燃油量增加加快了缸內(nèi)的燃燒速率，更加劇烈和集中的放熱過(guò)程導(dǎo)致了更強(qiáng)的壓力震蕩。因此，適當(dāng)?shù)念A(yù)噴比可在相同的爆震強(qiáng)度限值下提升發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，并且可以通過(guò)主噴時(shí)刻調(diào)節(jié)爆震強(qiáng)度。但當(dāng)預(yù)噴比提高到30%時(shí)，GCI爆震變得不可控，所有工況的爆震強(qiáng)度均高于爆震限值，即使推遲噴油時(shí)刻也無(wú)法降低爆震的強(qiáng)度。


圖6 不同預(yù)噴比例下的BMEP和循環(huán)波動(dòng)


圖7 不同噴油策略下的爆震強(qiáng)度

總的來(lái)說(shuō)，通過(guò)兩次噴射來(lái)提高燃料的預(yù)混比能明顯提升發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，試驗(yàn)中預(yù)混比為20%的最佳工況比預(yù)混比為0的最佳工況BMEP提升了16.7%；然而預(yù)混比過(guò)大時(shí)(試驗(yàn)中超過(guò)30%)會(huì)導(dǎo)致爆震的不可控。這種不可控的爆震燃燒可能導(dǎo)致某些循環(huán)的預(yù)混燃料提前著火，造成非常集中的放熱和劇烈的壓力震蕩。在GCI實(shí)際工作中，這樣的工況應(yīng)盡可能避免，以免對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成嚴(yán)重的破壞。

04  結(jié)論

(1)缸內(nèi)壓力震蕩在GCI燃燒模式中是一種普遍存在的現(xiàn)象，即使正常燃燒工況也存在輕微的壓力震蕩；與SI 中隨機(jī)的末端混合氣自燃產(chǎn)生的壓力震蕩不同，GCI壓力震蕩是由于燃燒室內(nèi)局部燃燒速率過(guò)快導(dǎo)致的，不具有明顯的隨機(jī)性，并且可通過(guò)噴油時(shí)刻對(duì)震蕩強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)控。

(2)由于燃燒溫度的不同，相同階次的GCI壓力震蕩頻率明顯低于SI壓力震蕩的頻率；由于壓力震蕩模式的差異，GCI壓力震蕩只能觀察到明顯的兩個(gè)階次的壓力震蕩頻率，并以一階震蕩占主導(dǎo)；SI壓力震蕩能觀察到4個(gè)階次的震蕩頻率，并以一階和二階震蕩頻率占主導(dǎo)。

(3)通過(guò)不同的兩次噴射策略可對(duì)缸內(nèi)燃油分布進(jìn)行調(diào)節(jié)，在小比例燃油預(yù)混(低于30%的預(yù)混比)燃油分布下GCI具有較優(yōu)的燃燒過(guò)程，其燃燒穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)矩輸出也有明顯提高；在相同的爆震限值下，相比無(wú)預(yù)混的工況而言，預(yù)混比為20%可在相同供油量的情況下提升16.7%的BMEP。

(4)過(guò)大的預(yù)噴比會(huì)帶來(lái)GCI的“過(guò)度預(yù)混”，從而導(dǎo)致爆震的不可控，即無(wú)法通過(guò)推遲主噴時(shí)刻來(lái)抑制爆震；預(yù)混比達(dá)到30%時(shí)爆震將無(wú)法控制，在該比例下若主噴時(shí)刻較晚，則可能因?yàn)檠h(huán)波動(dòng)的增加而導(dǎo)致某些放熱過(guò)于集中、爆震強(qiáng)度極高的極端燃燒循環(huán)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成較大的破壞。