與柴油發(fā)動機相比，天然氣發(fā)動機以其燃料清潔、熱效率高、經(jīng)濟性能高、安全性能好以及燃料儲量豐富等特點逐漸成為替代燃料發(fā)動機的首選。在稀燃工況下，天然氣發(fā)動機經(jīng)濟性、熱效率和排放性能顯著改善，但燃燒過程會出現(xiàn)循環(huán)變動現(xiàn)象，從而影響發(fā)動機的穩(wěn)定性，特別是在稀燃邊界附近循環(huán)變動明顯增大，燃燒穩(wěn)定性惡化，嚴重影響發(fā)動機性能。本期推文筆者對天然氣發(fā)動機單個工作循環(huán)中每個曲軸轉角下的缸壓均進行循環(huán)變動分析，研究發(fā)動機燃燒過程各個階段的不穩(wěn)定性，同時分析缸壓時間序列的相空間重構，以揭示燃燒循環(huán)內部的動力學演變規(guī)律。

1、試驗設備

研究對象是一臺電控多點順序噴射天然氣發(fā)動機，發(fā)動機的主要參數(shù)見原文[1]，首先在過量空氣系數(shù)?a＝1.0、發(fā)動機轉矩為50 N·m 時記錄燃料量，保持該燃料量不變，通過改變節(jié)氣門的開度來改變?a的方式，利用寬域氧傳感器對?a進行實時監(jiān)測。缸內壓力時間序列由燃燒分析儀、缸內壓力傳感器、編碼器和計算機等組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取，該系統(tǒng)的最高采集分辨率可達0.025° CA，圖1為試驗臺示意。天然氣發(fā)動機在低負荷下燃燒不穩(wěn)定性更為明顯，為了探索發(fā)動機在稀燃邊界的穩(wěn)定性變化，選取了可在較大?a范圍內進行試驗數(shù)據(jù)采集的轉速。故在1 000 r/min、25%負荷及?a分別為1.0、1.2、1.4、1.6、1.8和1.9不同工況下進行臺架試驗。針對上述6種工況下分別測取1 800個工作循環(huán)的缸內壓力時間序列，其中數(shù)據(jù)采樣間隔為1° CA，每個循環(huán)包括720個數(shù)據(jù)點。圖2和圖3分別為1 000 r/min、25%負荷及?a為1.0、1.6 和1.9工況下試驗測得的缸內壓力時間序列和IMEP時間序列。燃燒過程中缸內壓力存在明顯波動，?a＝1.9 時，燃燒穩(wěn)定性惡化。

圖1 試驗臺示意

圖2 缸內壓力時間序列

圖3 IMEP時間序列

2、結果與討論

2.1 缸壓循環(huán)變動分析

圖4為不同?a工況下天然氣發(fā)動機的缸壓曲線和各曲軸轉角處缸內壓力循環(huán)變動（CCV） 曲線。CCV 曲線有兩個明顯峰值，前一個是進氣階段引起的變動，后一個是燃燒階段引起的變動。

圖4 缸內壓力時間序列在各曲軸轉角處的CCV曲線

圖5為進氣階段和燃燒階段引起的CCV峰值。進氣階段CCV峰值隨著?a的增大而下降，燃燒階段CCV峰值隨著?a的增大而上升。在進氣階段，進氣門的開關會引起缸內氣流擾動，而使CCV 增大；?a＝1.0 時，所需空氣量較少，節(jié)氣門開度較小，微小的外界進氣擾動就會使缸內壓力變化較大，且缸壓平均值很小，當缸壓出現(xiàn)微小變動時，會導致CCV變化較大。隨著?a增大，所需空氣量增多，節(jié)氣門開度變大，抗干擾能力增強，外界擾動引起的缸內壓力CCV峰值降低。在燃燒階段，上止點前混合氣體被點燃，由燃燒導致CCV的增大，?a＝1.0 時，不發(fā)生稀燃，燃燒速度快，燃燒過程的缸壓平均值較大，當缸壓出現(xiàn)較大變動時，CCV值的變化仍不如進氣過程明顯，CCV峰值相位提前于缸內壓力峰值相位；隨著?a的增大，燃燒不穩(wěn)定增強，CCV的峰值逐漸上升，峰值相位滯后；?a過大時，CCV峰值明顯上升，峰值相位滯后于缸內峰值壓力相位，這說明滯燃期過長，后燃現(xiàn)象嚴重。

圖5 進氣和燃燒階段缸壓時間序列的CCV峰值

2.2 CA 5和CA 90的循環(huán)變動分析

圖6為1 000 r/min、25%負荷工況下的燃燒始點、終點相位分布。隨著?a的增大，CA 5和CA 90均呈滯后趨勢，且波動范圍逐漸擴大，?a為1.8、1.9 時CA 5和CA 90的分界線逐漸消失。圖7為不同?a工況下CA 5和CA 90的CCV曲線。隨著?a增大，CA 5和CA 90的CCV均增大，這主要是因為混合氣濃度變稀會導致燃燒速度降低，滯燃期增長，點火可靠性降低。圖8為不同?a工況下CA 5和CA 90的統(tǒng)計分析。CA 5及其標準差均呈上升趨勢，CA 90相位及標準差在?a為1.2～1.8呈上升趨勢，當?a＝1.0 時CA 90的標準差較大，當?a＝1.9時CA 90 的平均相位稍有降低。

圖6不同?a工況下的CA 5和CA 90分布

圖7 不同?a工況下CA 5和CA 90的CCV分析

圖8 不同?a工況下CA 5和CA 90的統(tǒng)計分析

?a＝1.0 時，由于空氣量較少，會導致燃燒不完全現(xiàn)象，CA 90分布范圍較大，CCV較高；隨著?a的增大，空氣量逐漸增加，燃燒速度降低，滯燃期逐漸變長，CA 90的范圍相對集中。?a大于1.4時，空氣量較多，混合氣濃度變稀，燃燒速度變慢，CA 5和CA 90滯后且波動范圍變大，CCV明顯上升，后燃現(xiàn)象越來越嚴重。?a＝1.9 時，空氣量過多，出現(xiàn)失火現(xiàn)象，因而CA 90的平均相位有所提前。

相空間重構分析和返回映射分析等內容請參閱原文[1]。

3、文獻來源

[1]劉津津,丁順良,高建設,等.低負荷工況下天然氣發(fā)動機燃燒不穩(wěn)定性分析[J].內燃機學報,2022,(05):394-402.