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，王铁，乔靖，高吉，冯以卓，孙丹丹

(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)

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0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0号柴油，且高频成分的能量小于0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[9-10]。

本研究从时域和频域两方面，对比分析了F-T柴油及0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2 000～3 000 r/min的外特性及最大扭矩转速2 200 r/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Kistler 6125B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30 s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

试验所用燃油为市售0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

从表2可以看出，F-T柴油的十六烷值远高于0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0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0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。

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[11-12]，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2 200 r/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2 200 r/min转速负荷特性下，F-T柴油的燃烧压力峰值均低于0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柴油的十六烷值高，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0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。

图1 外特性下缸压曲线对比

图2 2 200 r/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4 000 Hz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0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0号柴油有较明显的减小。

图3 外特性下的压力波动对比

图4 2 200 r/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(Root Mean Square，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)。

(1)

式中：aj为压力波动信号的时域值；N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0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。

图5 外特性的压力波动有效值对比

图6 2 200 r/min转速下的压力波动有效值对比

外特性下，随着发动机转速的增加，燃烧室内湍流强度增加，压力分布不均匀性增强，这是由柴油机的压燃特性决定的。燃用F-T柴油时，柴油机的燃烧压力波动幅值较小，有利于从源头上降低波动传播激起的机体振动和辐射噪声。

负荷特性下，由于F-T柴油体积热值较低，随着负荷的增加，F-T柴油的供油量将比0号柴油增加更多，但是F-T柴油的成分主要是烷烃类，C9～C17的含量较高，挥发性好，且随着负荷的增加，缸内温度增加，进而较明显地缩短了F-T柴油的滞燃期，因此，在滞燃期内形成的可燃混合气量更少，使得燃用F-T柴油产生的波动RMS值随负荷增加而减小的趋势较0号柴油更加明显。

2.3 气缸声压频谱分析

为了对缸内压力进行更加深入地分析，对其进行了傅里叶变换，研究缸内燃烧压力在频域的分布规律。在作缸内压力频谱分析研究时，常会用到气缸压力声压级(Cylinder Sound Pressure Level，SPL)这个概念，而SPL(f)则表示在各频率上的声压级，由式(2)计算得到：

(2)

式中：p(f)为气缸燃烧压力信号的频谱；p0为参考压力，取参考声压值，即20 μPa。

根据柴油机的工作过程，将时域的燃烧压力信号分解为三部分：活塞运动引起的纯压缩曲线部分；由燃料燃烧放热引起的燃烧室内压力的急剧变化；由燃烧室内气体被激发而引起的波动。压力信号在频域上也会体现这些特征。

气缸声压级频谱反映了气体压力信号在频域上的分布。图7和图8分别示出燃用F-T柴油与0号柴油气缸压力声压级对比。从图中可以看出，在小于1 kHz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；1～4 kHz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4～7 kHz，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4 kHz作为高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0号柴油的波动能量高于F-T柴油，且F-T柴油的波动主频率低于0号柴油。

图7 外特性下气缸压力声压级对比

图8 2 200 r/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0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]，燃烧开始时刻燃烧室容积较大，压力波动传播行程短能量耗散小，一阶主频率略有降低，但是随着转速的增加，活塞上下运动速度增加，对燃烧室内气体的压缩和膨胀激励更强，所以随着转速的增加一阶主频率会略有增大。由于在压力测量过程中，活塞上下运动改变了燃烧室的容积，从而会改变压力波动的传播及反射行程，所以在频域图上会表现出波动频率段而不是频率点。

图9和图10所示的一阶主频率段主要体现的是缸内燃烧压力波与燃烧室产生的共振频率段。该频率段与燃烧室内声速、温度及介质的特征常数有关。F-T柴油的波动主频率段低，也可以说F-T柴油燃烧的压力波与燃烧室结构发生共振的频率段较低，该频率段低则由此激励出的柴油机结构振动及辐射噪声会较小，进一步验证了F-T柴油有助于降低柴油机的振动噪声的潜能。

图9 外特性下压力波动主频率段对比

图10 2 200 r/min转速下的压力波动主频率段对比

3 结论

a) F-T柴油和0号柴油两种燃料的燃烧波动幅值在外特性下随着转速的增加而显著增加，负荷特性下随着负荷的增加显著降低；F-T柴油的压力波动幅值及波动的RMS值均小于0号柴油；

b) 对缸内燃烧压力波动进行频谱分析，可以观察到F-T柴油的波动一阶主频率低于0号柴油，且两种燃料的主频率在外特性下随着转速的增加而增加，负荷特性下随着扭矩的增加而降低；

c) 从燃烧压力波动的角度考虑，燃用F-T柴油有利于降低柴油机的燃烧噪声，降低燃烧时的爆发冲击载荷。

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