隨著環(huán)境和能源問題的日益突出，以及越來越嚴格的CO2排放法規(guī)限制，人們對于發(fā)動機高效和低污染燃燒的需求也變得急迫。近年來，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。除此之外，多點自燃和快速放熱的特點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刻卻無法直接控制，而是受到化學(xué)動力學(xué)的控制。因此，當HCCI發(fā)動機工作負荷增加時，過于集中和提前的燃燒相位導(dǎo)致發(fā)動機無法承受的壓力升高率和壓力震蕩。

本次推文基于一臺單缸發(fā)動機和商用92號汽油開展汽油壓燃(GCI)的爆震特征和燃燒過程研究，對GCI 爆震進行了統(tǒng)計學(xué)分析，并將其與點燃式(SI)典型爆震進行了對比，分析二者的燃燒過程、爆震產(chǎn)生的原因和壓力震蕩模式的不同。此外，進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  試驗裝置及研究方法

圖1為試驗裝置的示意，該試驗平臺由發(fā)動機、測功機、供油系統(tǒng)、可變氣門機構(gòu)(VVA)和控制及采集裝置構(gòu)成。VVA系統(tǒng)由液壓驅(qū)動，實現(xiàn)氣門時刻和升程的調(diào)節(jié)。以進氣門的控制方式為例闡述氣門的驅(qū)動方式，在圖1中與液壓缸相連接兩根進油管，為上進油管A 和下進油管B。當氣門需要開啟時，VVA控制器向三位四通伺服閥發(fā)送信號，伺服閥動作使得進油管A與高壓油連接，進油管B與低壓油連接，從而產(chǎn)生驅(qū)動力驅(qū)動氣門開啟；當氣門開啟達到目標升程時，伺服閥動作使得進油管A、B與高、低液源斷開，液壓缸的壓力得以保持；當氣門需要關(guān)閉時，伺服閥動作使得進油管B與高壓油連接，進油管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 實驗裝置示意

試驗中GCI和SI的燃燒均是通過同一臺發(fā)動機實現(xiàn)，GCI的試驗基于改造的加高活塞進行，對應(yīng)的壓縮比為17.5；而SI的試驗基于非加高活塞開展，對應(yīng)的壓縮比為10.0。在試驗中，發(fā)動機轉(zhuǎn)速固定在1 500 r/min，所有的試驗在室溫(25 ℃)條件下進行，環(huán)境壓力為0.1 MPa，氧體積分數(shù)為21%。為了研究兩種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行，即GCI部分負荷稀燃、SI全負荷當量燃燒工況。表1為GCI和SI兩種模式具體的工況和控制參數(shù)。

表1 試驗工況


02  GCI爆震與SI爆震特性對比

對于GCI燃燒模式而言，噴油時刻對缸內(nèi)燃油的分布狀態(tài)有著直接的影響，從而影響著缸內(nèi)的燃燒過程。圖2a為單次噴射不同噴油時刻下壓力升高率和壓力峰值的變化。隨著噴油時刻從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，并且在噴油時刻較為提前的工況下能明顯觀測到缸內(nèi)壓力震蕩的產(chǎn)生，如圖2b所示。與此同時，也能聽到明顯的敲缸聲。初步從壓力震蕩來看，GCI壓力震蕩與SI發(fā)動機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壓力震蕩的開始時刻在上止點附近，明顯比SI震蕩開始時刻提前。SI爆震時壓力震蕩開始于10～30°CA ATDC。

圖3為GCI和SI爆震與非爆震工況的爆震強度分布，對于每個工況，爆震強度均由小到大進行排序，以便更加直觀地看出其爆震分布特點。首先，對比圖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，對比圖3a和圖3c發(fā)現(xiàn)，GCI爆震和非爆震工況的爆震強度分布形態(tài)非常相似，其RSD值也非常近似，即GCI爆震并非隨機發(fā)生的，而是放熱集中、燃燒速率過快導(dǎo)致的。對比圖3b和圖3d可以看出，SI爆震強度極為分散，RSD值為1.598，這是SI爆震隨機性的一種宏觀表現(xiàn)。


圖2 GCI發(fā)動機不同噴油時刻對缸內(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度分布

為了進一步研究GCI和SI爆震發(fā)生時，其燃燒過程有何區(qū)別，需要對缸內(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)生的共同特征是過于集中的放熱過程。對GCI爆震而言，其放熱率形態(tài)與非爆震時沒有本質(zhì)上的區(qū)別，其爆震發(fā)生是由于較為提前的噴油時刻導(dǎo)致較為提前的燃燒相位和更加集中的放熱過程，這種過于集中的放熱過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)生時的燃燒過程之后，進一步采用小波變換對GCI和SI在發(fā)生爆震時壓力波在缸內(nèi)的震蕩頻率和震蕩模式進行了研究．所得到的結(jié)果如圖5所示。從爆震特征信號的頻率分布來看，GCI爆震特征信號峰值明顯低于SI爆震特征信號峰值出現(xiàn)的頻率。爆震時燃燒室內(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?shù)芈曀?。總而言之，由于燃燒室?nèi)徑向震蕩和周向震蕩的相對強弱存在差異，GCI爆震存在兩個特征信號，以一階特征信號為主；而SI 則存在4個爆震特征信號，以一、二階特征信號為主。


圖5 GCI與SI爆震的時間-頻率譜

03  不同燃油分布對GCI爆震特性的影響

噴油時刻對GCI爆震強度有著最為直接的影響，也就是說燃油在缸內(nèi)的分布直接決定了GCI的燃燒過程和爆震特性。因此，進一步采用兩次噴射以營造不同的缸內(nèi)燃油分布，從而研究燃油濃度分布對GCI爆震特性的影響。

在試驗中，兩次噴射中預(yù)噴比為10%、20% 和30%，預(yù)噴時刻設(shè)在240°CA BTDC，即在進氣行程進行預(yù)噴，使之在缸內(nèi)形成較為均勻的混合氣；主噴時刻則設(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(COVIMEP)。預(yù)噴量逐漸增加，發(fā)動機的性能也逐漸提升，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)波動也明顯有所降低，發(fā)動機燃燒穩(wěn)定性提升。圖7為不同噴油策略的爆震強度，在主噴時刻相同的情況下，隨著預(yù)噴比的增加，爆震強度也逐漸增加，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程導(dǎo)致了更強的壓力震蕩。因此，適當?shù)念A(yù)噴比可在相同的爆震強度限值下提升發(fā)動機的性能，并且可以通過主噴時刻調(diào)節(jié)爆震強度。但當預(yù)噴比提高到30%時，GCI爆震變得不可控，所有工況的爆震強度均高于爆震限值，即使推遲噴油時刻也無法降低爆震的強度。


圖6 不同預(yù)噴比例下的BMEP和循環(huán)波動


圖7 不同噴油策略下的爆震強度

總的來說，通過兩次噴射來提高燃料的預(yù)混比能明顯提升發(fā)動機的性能，試驗中預(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)混比過大時(試驗中超過30%)會導(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實際工作中，這樣的工況應(yīng)盡可能避免，以免對發(fā)動機造成嚴重的破壞。

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)局部燃燒速率過快導(dǎo)致的，不具有明顯的隨機性，并且可通過噴油時刻對震蕩強度進行調(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)通過不同的兩次噴射策略可對缸內(nèi)燃油分布進行調(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)過大的預(yù)噴比會帶來GCI的“過度預(yù)混”，從而導(dǎo)致爆震的不可控，即無法通過推遲主噴時刻來抑制爆震；預(yù)混比達到30%時爆震將無法控制，在該比例下若主噴時刻較晚，則可能因為循環(huán)波動的增加而導(dǎo)致某些放熱過于集中、爆震強度極高的極端燃燒循環(huán)，對發(fā)動機造成較大的破壞。