不同海拔下甲醇-柴油双燃料发动机的燃烧循环波动研究

房晟，周德峰，王斌

(江苏大学汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013)

压燃式发动机被广泛应用已经超过100年，尽管有着较高的燃油经济性，但近年来也面临着挑战，其发展的主要困境在于如何同时降低炭烟和NOx排放。为了达到这个目的，许多先进的新型燃烧方式被应用在发动机上，包括均质充量压燃(HCCI)、预混充量压燃(PCCI)和活性可控压燃(RCCI)等等[1]。其中，RCCI燃烧由于喷射不同活性的燃料进入气缸燃烧，所以可以根据工况控制燃料比例改变燃烧过程，有效改善发动机的经济性和排放性。RCCI燃烧是通过两套独立的燃料供给系统应用在压燃式发动机中，低十六烷值的燃料在进气道预混参与燃烧，高十六烷值的燃料直喷进入气缸。

我国的能源结构以煤炭资源为主，具备低成本大规模生产甲醇的条件，此外，甲醇燃料的理化特性也有利于性能的改善，因此甲醇-柴油双燃料DMDF系统是一种实现RCCI燃烧的理想手段。许多研究表明，DMDF燃烧能有效利用甲醇燃料，并能同时降低发动机的NOx和炭烟排放。长安大学李刚等[2]通过台架试验研究了柴油喷射参数对DMDF柴油机燃烧和排放的影响，试验结果表明柴油喷射压力增加，DMDF模式下燃烧持续时间缩短，缸内峰值压力和峰值放热率增大，CO、HC排放和烟度降低，而CO2和NO2排放略有增加。天津大学的王全刚等[3]研究了DMDF燃烧的运行范围，试验发现DMDF燃烧的运行范围被部分燃烧、失火、燃烧剧烈和爆震四个边界限制。

从上述对DMDF燃烧的研究中可以看出，DMDF燃烧的稳定性比传统柴油机差，高循环波动在DMDF系统中是常见现象，国内外很多专家已经对双燃料发动机的循环波动开展了相关研究[4-5]。长安大学李刚等[6]在1台由高压共轨柴油机改装的DMDF发动机上研究了替代率、负荷、转速和喷油正时对DMDF发动机循环波动的影响，试验结果表明：在高替代率下，循环波动大；随负荷增大或转速升高，循环波动减小；适当提前柴油喷油正时可提高燃烧稳定性，但提前太多会引起爆震。天津大学王全刚等[7]在1台DMDF发动机上，研究了发动机负荷、替代率、喷油正时和进气温度对DMDF燃烧稳定性的影响，试验结果表明：DMDF燃烧在高负荷下更稳定，此时替代率对循环波动影响更小；此外，相比较于喷油时刻，循环波动对进气温度更加敏感，过高的进气温度会直接导致甲醇出现自燃现象。Jia等[8]研究了燃料活性、柴油质量分数、燃烧方式、EGR率和柴油控制策略对双燃料RCCI燃烧稳定性的影响。

上述研究主要是针对平原地区DMDF系统的燃烧稳定性，而对高原地区双燃料发动机循环波动的系统性理解对于优化燃烧过程和扩展DMDF发动机运行范围是至关重要的，因此，本研究在1台改装的DMDF发动机上进行了台架试验，研究高原地区DMDF燃烧的循环波动。

1 试验装置及方法

1.1 试验机型和燃油

试验用DMDF发动机由1台4缸、高压共轨、增压、直喷式柴油机改装而来，其主要技术参数见表1，整个试验装置的结构简图见图1。加装的甲醇供给系统包括甲醇燃料箱、甲醇泵、甲醇压力调节阀、甲醇喷射器和双燃料控制单元，在原机基础上，改装进气道，在每个进气歧管处增加甲醇电控喷射器，甲醇压力调节阀控制甲醇喷射压力在0.4 MPa，并由双燃料控制单元控制甲醇喷射。

表1 发动机主要参数

图1 试验系统示意

为了研究海拔对循环波动的作用，在台架上加装一套高原模拟装置，该装置主要采用进气节流和排气抽真空的原理设计。图2和图3分别示出了进气口和排气口的大气模拟系统结构简图，其主要由进/排气口节流碟阀、稳压桶和真空泵组成，并调节阀门控制进排气压力模拟10 m,700 m和1 670 m下的环境条件。海拔的增加对大气压力、空气密度和大气温度都会产生影响，其中大气压力的变化最为明显，对柴油机缸内燃烧过程的影响最大，所以试验中主要对进气压力进行控制。表2示出高原环境对应的进气口和排气口压力，在试验中依照表2所示来模拟高原工况[9]。

图2 高原进气模拟装置示意

图3 高原排气模拟装置示意

表2 模拟海拔对应进排气压力

双燃料发动机测试台架由CAC75电力测功机控制，采用FC2210油耗仪，缸内压力采集及分析采用Kistler 6056A压电式缸压传感器、5011B10电荷放大器和AVL 622燃烧分析仪。缸压传感器安装在一缸气缸盖上，采集的信号经过电荷放大器处理后转化为电压信号传输给燃烧分析仪处理。表3示出了在试验中使用的柴油和甲醇的具体参数，使用的柴油是硫含量不超过100×10-6的商用柴油，甲醇是纯度为99%的甲醇燃料。

表3 柴油和甲醇燃料的理化性质

1.2 试验条件

发动机转速维持在1 800 r/min，整个试验模拟的海拔工况为10 m,700 m和1 670 m，50%负荷和30%替代率的工况是试验对比的基准工况，通过调整负荷、替代率、柴油喷射参数和模拟海拔，与基准工况进行对比，研究不同海拔下各参数对DMDF燃烧循环波动率的影响。表4示出了具体的试验工况。

表4 试验参数

1.3 评价指标

表征发动机燃烧稳定性的参数一般采用循环波动系数COV，COV定义为标准差和平均值之比，其计算式为

式中：n为一组测试点的循环次数。

甲醇替代率MSR的计算式为

式中：qdd为发动机纯柴油模式下的柴油消耗率；qdm为双燃料模式下的柴油消耗率。

试验中，纯柴油工况记为D100，甲醇替代率10%，30%和50%工况分别记为M10，M30和M50。

2 结果与分析

2.1 不同海拔下负荷对循环波动的影响

发动机转速为1 800 r/min，替代率为M30，将发动机喷射参数调整在平原工况下的最优状态，此时发动机运行稳定，功率与原机相当，没有出现爆震、失火。控制发动机在25%，50%，75%负荷率运行，调节阀门模拟10 m,700 m,1 670 m 3个不同海拔工况，图4示出不同工况下连续100个测试点的峰值压力瞬时值散点图，图5示出不同工况下COVIMEP连续100个循环的平均值柱状图。

图4 在不同模拟海拔下峰值压力随负荷的变化

DMDF发动机循环波动的原因主要有预喷柴油引燃点的不稳定性和引燃时刻甲醇混合气组分的不稳定性。高负荷率下，由于燃料增加提供了更大的点火能量，改善了柴油引燃点的稳定性，所以平原条件下COVpmax在75%负荷下只有1.14%，在高原条件下大负荷时COVpmax的变化趋势与平原类似。低负荷率下，缸内温度较低，加上甲醇对进气温度的降温效果，滞燃期延长，在滞燃期内形成的混合气增多，引燃后迅速燃烧，导致峰值压力循环波动变大。随着负荷率增加，缸内温度升高，滞燃期缩短，甲醇的降温作用有利于改善燃烧过程，充分发挥了甲醇有氧燃料的特性。因此，在发动机不爆震的前提下，大负荷时燃烧稳定性更佳，更有利于DMDF发动机稳定运行。

衡量燃烧稳定性的重要指标除去峰值压力循环波动系数COVpmax，平均指示压力波动系数COVIMEP同样非常重要，它定义了发动机做功能力的稳定性，研究显示，当COVIMEP超过10%时车辆会出现驾驶性能问题[5]。由图5可以看出，大负荷率下COVIMEP同样降低，这进一步表明了DMDF发动机更适合在大负荷下运行。但是与峰值压力不同的是，大负荷下，COVpmax与COVIMEP随海拔升高都呈现下降趋势，而在中小负荷下，COVpmax与COVIMEP随海拔变化趋势相反，在高海拔下，COVpmax明显增大，而COVIMEP保持下降趋势。这是由于中小负荷时，滞燃期延长，预混燃烧占比变多，导致峰值压力循环波动率增加；而含氧燃料甲醇在1 800 r/min的中小负荷时，对高原下的燃烧有改善作用，降低了做功能力的循环波动，COVIMEP保持下降趋势。

图5 COVIMEP平均值随负荷和海拔的变化

2.2 不同海拔下替代率对循环波动的影响

发动机转速为1 800 r/min，负荷率为50%，将发动机喷射参数调整在平原工况下的最优状态，控制发动机在D100、M10、M30、M50替代率下运行，调节阀门模拟10 m,700 m,1 670 m 3个不同海拔工况，图6示出不同工况下连续100个测试点的峰值压力瞬时值散点图，图7示出不同工况下COVIMEP的平均值柱状图。

由图6可以看出，随着替代率的增加，峰值压力增大，峰值压力的循环波动系数增大，在高海拔下趋势更加明显。这是因为替代率的升高导致甲醇预混量增大，缸内温度降低，滞燃期延长，滞燃期内形成的预混气体增加，引燃后迅速燃烧，缸内压力增大，峰值压力的循环波动增加。在高海拔下，由于进气量减少，滞燃期进一步拉长，峰值压力由于进气量不足有所下降，峰值压力的循环波动系数显著增大。

由图7可以看出，COVIMEP的趋势与COVpmax有所不同，当发动机运行在纯柴油模式(D100)时，COVIMEP同样在高海拔下更大，但是随着替代率的增加，COVIMEP在高海拔下有所减小，并且随着替代率不断升高，COVIMEP随海拔升高的下降趋势更加明显，这意味着在高原工况下，发动机在高替代率下运行更加稳定。进气量的减少导致预混气体混合质量变差，导致峰值压力循环波动增加，但是由于甲醇是含氧燃料，在柴油引燃以后，甲醇加入燃烧，有效改善了后续燃烧过程，因此，发动机做功能力的循环波动减小。COVpmax与COVIMEP随海拔变化出现相反趋势的情况，这与图6中出现的情况相符，进一步证明了高海拔下DMDF发动机在高替代率下运行更加稳定。但在M10工况，COVIMEP随海拔升高先增加后减小，是由于海拔升高使循环波动增加的趋势和替代率使高海拔下循环波动减小的趋势共同作用的结果，在1 670 m的M10工况下，循环波动减小的趋势发挥主要作用，使得其比700 m时的循环波动更低。

图6 在不同模拟海拔下峰值压力随替代率的变化

图7 COVIMEP平均值随替代率和海拔的变化

2.3 不同海拔下喷油参数对循环波动的影响

发动机转速为1 800 r/min，负荷率为50%，替代率为M30，调整柴油喷射参数，控制其他柴油喷射参数在最佳条件下，调节阀门模拟10 m,700 m,1 670 m 3个不同海拔工况。图8示出在不同柴油预喷油量、喷油正时和喷射压力下，DMDF发动机的循环波动系数折线图。

由图8可以看出，随海拔升高，COVpmax有所增大，而COVIMEP的变化趋势相反，这个现象与前述论述相符。柴油预喷油量增加，在缸内形成更多混合均匀的充量，预混燃烧比例增大，主喷始点的温度压力升高，整个放热过程更加平稳，所以随着预喷油量的增加，DMDF燃烧循环波动显著减小[10]。喷油正时对COVIMEP的影响很小，相较之下，COVpmax对于喷油正时的变化更加敏感。柴油喷油正时推迟，燃烧始点更接近上止点位置，此时缸内温度压力较高，有利于柴油引燃的稳定性，因此峰值压力的循环波动系数有所减小[11]。相比较其他喷油参数，柴油喷射压力对燃烧循环波动的影响不大，试验结果显示随喷射压力增加，COVpmax略微增大，COVIMEP随喷射压力变化很小，在各种喷射压力条件下COVIMEP都保持在1.4%以下。

图8 喷油参数对循环波动的影响

2.4 海拔对峰值压力对应曲轴转角的影响

发动机转速为1 800 r/min，负荷率为50%，替代率为M30，将发动机喷射参数调整在平原工况下的最优状态，调节阀门模拟10 m,700 m,1 670 m3个不同海拔工况。图9示出在不同海拔条件下，DMDF燃烧连续100个测试点的峰值压力对应曲轴转角的分布柱状图。

由图9可以看出，随海拔升高，峰值压力对应曲轴转角的分布趋于集中，且峰值压力所对应的曲轴转角推后。在1 670 m的模拟海拔下，峰值压力出现的曲轴转角范围集中在8.75°～9.25°曲轴转角之间，然而在平原地区，DMDF燃烧的峰值压力对应曲轴转角分布在7.75°～9.5°曲轴转角之间。这是因为高海拔下进气量的减少导致滞燃期延长，滞燃期内预混的混合气量增多，燃烧始点相应推后，预混燃烧比例增多，因此放热更加集中，峰值压力出现位置推后。

图9 在不同模拟海拔下峰值压力对应曲轴转角的分布

3 结论

a)DMDF发动机在大负荷下峰值压力升高，COVpmax明显降低，特别是在高海拔工况；在大负荷下，COVpmax和COVIMEP随海拔变化表现出相似的下降趋势，但是在中小负荷下COVpmax随海拔升高增大，COVIMEP在高海拔下有所下降；

b)高替代率工况下的COVpmax高于低替代率工况，特别是在高海拔下更加明显；当发动机运行在纯柴油模式下时，COVIMEP在高海拔下升高，然而当运行在更高的替代率下时，COVIMEP反而在高海拔下下降；

c)预喷油量增加有利于高原工况下的燃烧稳定性；在所有海拔条件下，柴油喷射正时对COVIMEP的影响都不大，但COVpmax随喷射正时推后下降明显；相比较于其他参数，柴油喷射压力引起的循环波动变化较小；

d)在高原工况下，峰值压力对应的曲轴转角分布趋于集中，但峰值出现时刻滞后。