目前,能源问题日趋严重,发动机排放法规日趋严格,燃油价格也不断提高,发展替代燃料发动机变得越来越重要[1]。天然气因燃烧清洁、单位热值高、安全可靠、价格低廉、储量丰富、绿色环保等优点,成为燃油发动机替代燃料的首选之一[2]。相对于新能源动力,天然气发动机技术成熟度较高[3];相对于燃油发动机,天然气发动机污染物和碳排放均有较大程度降低。因此,高效清洁的天然气发动机技术已成为发动机技术主要发展方向之一[4]。虽然稀燃工况下的天然气发动机热效率可以进一步提高[5],但是在稀燃工况下,尤其是低负荷运行期间,天然气发动机会产生较严重的循环变动,导致发动机燃烧不稳定,输出功率下降,污染物排放增多[6]。研究天然气发动机燃烧特征参数变化规律可以进一步揭示其在稀燃工况下燃烧不稳定性的演化机理,实现燃烧稳定性优化控制,从而提高天然气发动机燃油经济性、动力性和燃烧稳定性。
国内外学者利用统计分析等方法对发动机燃烧不稳定性进行了研究。Gupta等[7]对可变压缩比燃用甲烷和汽油燃料的火花点火式发动机燃烧不稳定性进行了研究,利用统计分析方法研究了指示平均有效压力(IMEP)、最大爆压pmax及最大爆压对应曲轴转角θpmax的频率分布。研究发现,与汽油相比,以甲烷作为燃料时,发动机在8.5∶1、10∶1和12∶1的压缩比运行时制动比能耗和排放量均有所降低。Duan等[8]研究了不同喷射策略对涡轮增压发动机燃烧不稳定性的影响,通过对缸内压力、pmax、θpmax、最大压力升高率dpmax、最大压力升高率对应的曲轴转角θdpmax和燃烧持续期等参数进行统计分析,发现采用双滞止喷射策略可以缓解缸内压力波动并实现集中整体放热。Huang等[9]通过分析IMEP的频率分布、pmax与θpmax的关联性、dpmax与θdpmax的关联性,研究了火花点火式掺氢发动机在不同废气再循环率和掺氢比工况下燃烧特征参数的变化规律。研究表明,当燃料量与种类不变时,随着废弃循环率的增加,缸内pmax和dpmax均下降,燃烧不稳定性增强。Yu等[10]研究了氢气直喷式火花点火汽油机的燃烧不稳定性,分析了不同节气门开度下,10%的氢含量对稀燃工况燃烧不稳定性的影响。结果表明,加氢后IMEP和dpmax均增大,其相应的循环变动减小,pmax与θpmax具有较强的相关性,加氢可以扩展发动机稀燃极限。Chen等[11]研究了火花点火发动机燃烧特性和燃烧不稳定性,统计分析了IMEP、pmax和峰值放热率等燃烧特征参数的循环变化规律。结果表明,与乙醇和正丁醇相比,发动机使用甲醇燃料具有更高的燃烧速率、更高的燃烧稳定性及更好的稀燃能力。郑建军等[12]研究了天然气直喷发动机在不同压缩比工况下,IMEP与燃烧持续期、主燃烧期及火焰发展期间的关联性。研究表明,IMEP更明显地反映出发动机燃烧不稳定性,较低的压缩比会使发动机产生燃烧不稳定的现象,增大压缩比会在一定程度上增强燃烧稳定性。张鹏[13]分析了不同燃油对发动机燃烧不稳定性的影响。结果表明,发动机燃用煤制油时燃烧不稳定性较弱,燃烧特征参数之间具有较强的相关性,通过缩短滞燃期可以改善燃烧过程,进而减弱柴油机的燃烧不稳定性。
国内外学者深入研究了发动机燃烧不稳定性,但目前的研究多是基于循环变动系数或统计方法,通过分析缸内压力等相关参数来研究燃烧不稳定性的整体变化规律,而缺乏对参数时间序列波动规律的研究,发动机燃烧循环间差异性及燃烧特征参数关联性的研究相对也还不够系统。除此之外,虽然有部分研究针对发动机稀燃工况的燃烧不稳定性,但是涉及稀燃极限工况的研究较少。基于此,为了改善天然气发动机稀燃稳定性,拓宽发动机稀燃稳定运行范围,本文以过量空气系数λ为关键影响因素,利用多个燃烧特征参数如IMEP、pmax、θpmax、dpmax、θdpmax、CA50(燃烧放热量达到总放热量50%时对应的曲轴转角)以及燃烧持续期等,分析燃烧循环间差异性及燃烧特征参数关联性,并借助循环变动系数和统计分析方法进行验证,从而对发动机燃烧不稳定性的变化规律进行定性、定量研究。
1 试验设备及方案
本文以一台电控多点顺序喷射天然气发动机为研究对象,天然气发动机试验台示意图如图1所示,进气方式为自然吸气,燃料供给形式为多点顺序喷射。表1给出了天然气发动机主要参数。
表1 天然气发动机主要参数
Table 1 Main parameters of the natural gas engine
参数数值气缸数2缸径/mm135行程/mm140压缩比11标定转速/(r·min-1)1 500怠速转速/(r·min-1)500标定功率/kW29.4最大转矩/(N·m)200单缸排量/L2
图1 试验台示意图
Figure 1 Schematic diagram of the experimental bench
试验过程中控制发动机扭矩不变以保持进入气缸内的燃料量恒定,天然气发动机节气门开度由电子节气门驱动控制模块调节,通过控制进入气缸的空气量来改变λ,通过氧传感器与λ计实时监测λ的数值。发动机运行过程中,缸内燃烧压力由缸压采集系统进行测量,最终在计算机内呈现缸内压力时间序列,缸压采集系统由燃烧分析仪、缸压传感器、编码器和计算机等构成,该系统的最高采集分辨率为0.03 ℃A。
在低负荷工况下,天然气发动机燃烧不稳定性更为明显,为了研究发动机在稀燃工况燃烧不稳定性的变化规律,扩展天然气发动机稳定运行界限,选取了天然气发动机可在较大λ范围内进行试验的转速。因此,在25%负荷、转速为1 000 r/min时,λ=1.0、 1.2、 1.4、 1.6、 1.8、 1.9 工况下分别进行试验并采集数据,采样间隔为1 ℃A。
图2给出了天然气发动机在λ=1.0、 1.6、 1.9工况下50个连续燃烧循环的缸内压力时间序列。从图2中可以看出,峰值压力波动随着λ增大而波动明显,表明缸内燃烧循环间差异性逐渐增大。
图2 缸内压力时间序列
Figure 2 In-cylinder pressure time series
图3给出了天然气发动机在λ=1.0、 1.6、 1.9工况下1 800个连续循环的IMEP时间序列。从图3可以看出,随着λ增大,IMEP波动范围增大,燃烧稳定性减弱。
图3 IMEP时间序列
Figure 3 IMEP time series
2 燃烧特征参数的频率分布
2.1 最大爆压的频率分布
图4给出了不同λ工况下1 800个连续燃烧循环pmax频率分布图。
图4 pmax的频率分布
Figure 4 Frequency distribution of pmax
由图4可以看出,λ=1.0时,pmax平均值为1.634 MPa,pmax频率分布集中在1.2～1.9 MPa,分布图覆盖范围小,表明此时循环间差异性小,发动机燃烧不稳定性较弱;λ从1.0增加到1.6时,pmax频率分布逐渐分散,分布区间由1.2～1.9 MPa变化为1.0～3.0 MPa,分布覆盖范围增大,pmax频率分布图两侧散落的小频带逐渐增多,pmax平均值由1.634 MPa增大至1.922 MPa,表现为pmax的频率分布逐渐右移,最大频带对应的pmax值逐渐增大,缸内燃烧质量得到提高,但最大频数由404减小至293,表明此时循环与循环之间存在较大的差异;λ从1.8增加到1.9,pmax频率分布更加分散,覆盖范围继续增大,频率分布图中最大频带对应的pmax值减小,pmax平均值由1.773 MPa减小至1.542 MPa,pmax的频率分布逐渐左移,缸内火焰平均速度降低,燃烧恶化,尤其当λ=1.9时,pmax分布趋势由类似正态分布变为高耸-低平的分布,此时循环间差异性增大,燃烧不稳定性更加明显。
λ从1.0增加到1.6时,由于燃料量不变,而进入缸内的空气质量增加,使燃料与空气的混合气总质量增加,同时一定程度的稀燃促进燃烧质量提高,使得pmax逐渐增大,但同时稀燃降低了燃烧速度。λ继续从1.8增加到1.9,此时缸内混合气浓度过稀,缸内火焰传播速度减慢,滞燃期增加,不完全燃烧及失火概率增大,导致pmax逐渐减小。由此可见,λ增加会使发动机的燃烧更加不稳定。
2.2 最大爆压对应曲轴转角的频率分布
θpmax是火焰速度快慢的标志,其平均值和标准差分别反映了平均火焰速度和火焰速度的变化[7]。通过分析θpmax可以观测缸内火焰速度的波动,以此来研究循环间的变动。在往复式发动机中,为了获得最佳扭矩和热效率,θpmax通常应达到10～15 ℃A ATDC(上止点后)[14],若提前或延迟过多,发动机输出功率都会降低,因此,研究燃烧特征参数θpmax的波动也具有重要意义[15]。图5给出了不同λ工况下1 800个连续燃烧循环θpmax的频率分布图。λ从1.0增加到1.4时,θpmax的频率分布区间由11～23 ℃A ATDC变化为11～27 ℃A ATDC,其频率分布覆盖范围变大,最大频数由418减小至371,左右两侧小频带增多,此时大部分θpmax滞后于15 ℃A ATDC,缸内燃烧未达到最佳状态。λ=1.6时,θpmax大部分位于10～15 ℃A ATDC,此时虽然燃烧不稳定性略有增强,但由于空气量增多,一定程度上改善了燃烧状况,使得输出扭矩和热效率也增加。λ从1.6增加到1.8时,θpmax频率分布在0～24 ℃A ATDC,分布图中小频带明显增多,表明此时循环间差异性逐渐增大。λ=1.9时,频率分布图覆盖范围左移且增大,分布图最大频数减小至161,此时循环间存在较大差异性,燃烧不稳定性较强。
图5 θpmax的频率分布
Figure 5 Frequency distribution of θpmax
2.3 IMEP的频率分布
图6给出了不同λ工况下1 800个连续燃烧循环IMEP的频率分布图。λ从1.0增加到1.6时,IMEP频率分布逐渐分散,频率分布区间由0.22～0.25 MPa增大至0.12～0.39 MPa,最大频带对应的IMEP逐渐增大,IMEP的频率分布逐渐右移,表明发动机做功能力逐渐增强,但同时IMEP的频率分布图两侧散落的小频带逐渐增多,分布图中最大频数由733减小至601,表明循环与循环间存在较大差异。λ增加到1.8和1.9时,IMEP频率分布图更加分散,频率分布区间增大至-0.050～0.317 MPa,分布图两侧散落的小频带增多,且频率分布图中IMEP含有负值,表明此时缸内存在部分燃烧及失火现象,缸内燃烧更加不稳定。这与pmax和θpmax分析得到的结论是一致的。
图6 IMEP的频率分布
Figure 6 Frequency distribution of IMEP
3 燃烧特征参数关联性分析
2.2节分析提到,为了获得最佳扭矩和热效率,须使θpmax接近上止点,因此,分析pmax和θpmax的关系在评估燃烧不稳定性时较为重要[15]。Granet等[16]在分析这一关系时定义了3个区域,即Linear区域、Return区域和Hook-back区域。在Linear区域中,pmax与θpmax的关系呈线性分布;在Return区域,pmax较小,θpmax靠近上止点,此时缸内燃烧速率小于缸内容积变化速率;在Hook-back区域,pmax变化显著,θpmax变化较小。Duan等[17]的研究也发现了这3个区域的存在。本文在图7给出的pmax和θpmax的关系图中进一步验证了这一规律,当λ从1.0增大到1.4时,pmax和θpmax的关系呈线性分布,此时关系图中大多数点分布在Linear区域,pmax和θpmax分布集中,pmax越大,θpmax越靠近上止点。随着λ增加,燃烧质量得到一定程度的提高,相同曲轴转角位置对应的pmax升高,但从pmax和θpmax关系图中可以看到部分点逐渐分散,表明此时燃烧不稳定性增强。当λ增加到1.6时,pmax和θpmax关系图中的点分布在Hook-back区域,pmax变动范围增大,而θpmax分布集中。当λ增加至1.8和1.9时,pmax和θpmax关系图中点的分布更加分散并出现拐点,关系图中大部分点分布在Return区域和Hook-back区域,少部分点位于Linear区域,此时很大一部分pmax值较小且θpmax靠近上止点,此时燃烧错过最佳相位,缸内燃烧速率小于缸内容积变化速率,缸内燃烧不稳定性较强。
图7 pmax和θpmax的关联性
Figure 7 Correlation between pmax and θpmax
图8给出了pmax与IMEP之间的关系。λ从1.0增加到1.6时,pmax与IMEP呈现线性关系,在图8中,pmax与IMEP分布逐渐向右偏移,分布范围逐渐增大且逐渐出现散落的点,原因是随着λ增加,空气质量增加,缸内燃烧质量提高,做功能力进一步增强,但稀燃也导致缸内燃烧稳定性逐渐减弱。当λ继续增加时,pmax与IMEP关系图中出现了拐点,线性关系减弱,此时进入缸内的空气过多,火焰传播速度降低,缸内出现不完全燃烧及失火现象。λ=1.9时,pmax与IMEP关系图中左侧的分布更加明显,原因是过稀的混合气导致缸内燃烧质量差,燃烧错过了最佳相位,缸内燃烧状况较差,发动机做功能力严重下降。
图8 pmax和IMEP的关联性
Figure 8 Correlation between pmax and IMEP
图9给出了pmax与燃烧中点CA50之间的关系图。研究pmax与CA50的关系可以进一步深入分析缸内燃烧不稳定性的变化规律。λ从1.0增大到1.6时,CA50分布在5～30 ℃A ATDC之内,且pmax与CA50呈现明显的线性关系,λ越小,分布范围越集中,CA50越靠近上止点;λ=1.8和1.9时,pmax与CA50关系图分布范围增大,且线性关系减弱,上止点前出现了少数点,部分pmax对应的CA50明显滞后于30 ℃A ATDC,表明此时出现了后燃和失火现象,导致缸内燃烧不稳定性急剧增强。
图9 pmax和CA50的关联性
Figure 9 Correlation between pmax and CA50
图10给出了IMEP与燃烧持续期之间的关系图。λ从1.0增大到1.6时,燃烧持续期稳定分布在30～60 ℃A ATDC,IMEP稳定分布在0.2～0.3 MPa。随着λ增大,IMEP与燃烧持续期关系图向左偏移,说明λ增大对减少燃烧持续期具有促进作用,能提供缸内燃烧质量。λ增大到1.8和1.9时,分布图左侧的点远离上止点,IMEP与燃烧持续期关系图中点的分布较分散,表明混合气浓度过稀导致燃烧持续期延长,此时异常燃烧现象频发,燃烧状况恶化,燃烧稳定性减弱,发动机做功能力急剧下降。
图10 IMEP和燃烧持续期的关联性
Figure 10 Correlation between IMEP and combustion duration
图11给出了不同λ工况下dpmax与θdpmax之间的关系图。通过dpmax和θdpmax可以进一步揭示放热率的变动。从图11可以看出,dpmax和θdpmax关系图中,点的分布范围较大,当λ为1.0、 1.2和1.4时,θdpmax集中在0～20 ℃A ATDC之内。λ继续增大到1.8时,混合气浓度更加稀薄,dpmax和θdpmax分布图变得更加分散,θdpmax远离上止点,这种现象在λ=1.9时更加明显。图11中出现负值燃烧持续期,这是由于缸内燃烧过程出现失火现象,消耗缸内能量,表明此时部分燃烧及失火循环增多,这是因为此时在活塞远离上止点阶段,火焰传播速度低于缸内容积变化速率,缸内温度降低,导致放热变缓,放热量和做功能力均明显降低。
图11 dpmax和θdpmax的关联性
Figure 11 Correlation between dpmax and θdpmax
4 循环变动系数分析
天然气发动机燃烧不稳定性会导致燃烧特征参数的循环变动,循坏变动系数CCV是反映发动机燃烧不稳定性的重要指标之一[18],也是常用指标之一,通常用于验证相关分析方法。CCV计算公式如下:
(1)
(2)
式中:
表示参数x的平均值;STDx表示参数x的标准差;N表示时间序列样本数。
图12给出了各燃烧特征参数的CCV值,可以直观地看到,随着λ增大,各燃烧特征参数的CCV值均增大,表明缸内燃烧不稳定性逐渐增强,在λ=1.8和1.9时,CCV值迅速升高,呈现陡增趋势,表明此时缸内燃烧不稳定性剧烈,燃烧质量和做功能力降低,这与前文分析得到的规律是一致的。
图12 燃烧特征参数的CCV分析
Figure 12 CCV analysis of the combustion characteristic parameters
5 结论
(1)随着混合气浓度变稀,pmax、θpmax、IMEP的频率分布范围逐渐增大,循环间差异性均增加,燃烧不稳定性增强。
(2)随着混合气浓度变稀,pmax与θpmax、pmax与IMEP、pmax与CA50、IMEP与燃烧持续期、dpmax与θdpmax关系图分布范围均增大。除dpmax与θdpmax外,其他燃烧特征参数间存在线性关系,当混合气浓度过稀时线性关系减弱。
(3)随着混合气浓度变稀,燃烧特征参数IMEP、pmax、θpmax、CA50的循环变动系数增大,在λ=1.8和1.9时,循环变动系数急剧增大,此时缸内不完全燃烧及失火现象频发,燃烧稳定性严重恶化。因此,综合考虑天然气发动机燃烧稳定性和做功能力,发动机λ应该控制在1.4～1.6。
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