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     作者：鄭曉敏

     目前，普遍認(rèn)為混合氣成分變動(dòng)、氣體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變動(dòng)是影響柴油機(jī)循環(huán)變動(dòng)的最重要的兩個(gè)因素。隨著循環(huán)變動(dòng)的加劇，不正常燃燒甚至失火的循環(huán)數(shù)逐漸增多,HC等不完全燃燒產(chǎn)物增多，動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性主差由于燃燒過(guò)程不穩(wěn)定，使得振動(dòng)和噪聲增大，降詆了發(fā)動(dòng)機(jī)壽命。因此，有必要對(duì)二元煤基燃料柴油機(jī)的循環(huán)變動(dòng)進(jìn)行深入研究。

    本文對(duì)甲醇均質(zhì)混合氣F-T柴油引燃燃燒方式的柴油機(jī)循環(huán)變動(dòng)進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)研究，旨在探討不同壓縮比對(duì)二元煤基燃料柴油機(jī)循環(huán)變動(dòng)的影響，分析了不同壓縮比下燃燒壓力特征參數(shù)的變化規(guī)律，并采用Fourier變換方法對(duì)采集到的壓力信號(hào)進(jìn)行頻域變換，研究循環(huán)變動(dòng)的潛在規(guī)律。為二元煤基燃料柴油機(jī)優(yōu)化壓縮比、降低循環(huán)變動(dòng)提供了理論支撐和新的研究方法。

1試驗(yàn)裝置和方法

1.1試驗(yàn)裝置

    本試驗(yàn)所用的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架示于圖1，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)列于表1。試驗(yàn)采用的甲醇均質(zhì)混合氣F-T柴油引燃發(fā)動(dòng)機(jī)是由1115型柴油機(jī)改裝而成，在原柴油機(jī)基礎(chǔ)上，進(jìn)氣管加裝一套甲醇電控噴射裝置；缸壓信號(hào)由Kistler 6125C11型壓力傳感器采集，曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)由Kistler 2613B型角標(biāo)儀采集，與曲軸同軸安裝的角標(biāo)儀保證曲軸轉(zhuǎn)角分辨率為0.1 0。

1.2試驗(yàn)方法

    本試驗(yàn)在轉(zhuǎn)速（n）分別為1 200，1 600，2 000r/min．平均有效壓力(BMEP)分別為0.30，0.45，0.60 MPa時(shí)，進(jìn)行了壓縮比(s)分別為16.90，15.93 ,15.40的27種工況的對(duì)比試驗(yàn)研究。原機(jī)壓縮比為16.90，在原缸墊的基礎(chǔ)上增加缸墊厚度(0.50 mm，0.80 mm)改變壓縮比，通過(guò)理論計(jì)算得到15.93和15.40兩種壓縮比。引燃F-T柴油的供給由原機(jī)供油系統(tǒng)完成；甲醇混合方式為進(jìn)氣道預(yù)混合，甲醇啟噴時(shí)刻為10 0CA BTDC.由霍爾開(kāi)關(guān)采集到的安裝在飛輪上的霍爾元件信號(hào)，作為甲醇啟噴信號(hào)。試驗(yàn)中，固定發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷不變，同時(shí)調(diào)整F-T柴油的油門(mén)開(kāi)度和甲醇的噴射脈寬，實(shí)現(xiàn)甲醇占能比的變化，定義預(yù)混引燃燃燒模式中甲醇占能比(M)為發(fā)動(dòng)機(jī)每工作循環(huán)消耗的甲醇能量占總能量的比值，具體計(jì)算公式為

式中：Bm,Bf分別為甲醇和F-T柴油每循環(huán)的消耗量，kg/(kW-h)；Hum,Huf分別為甲醇和F-T柴油的低熱值，MJ/kg

    選取每個(gè)工況下甲醇占能比為0.5的工況點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，通過(guò)計(jì)算平均指示壓力和最高壓力的循環(huán)變動(dòng)系數(shù)來(lái)研究循環(huán)變動(dòng)程度。每工況采集120個(gè)循環(huán)的缸壓數(shù)據(jù)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)均在發(fā)動(dòng)機(jī)處于穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)氣溫度為10℃，機(jī)油溫度為80℃時(shí)測(cè)得，本試驗(yàn)所用F-T柴油的十六烷值為73,6，20 cC的運(yùn)動(dòng)黏度為3.276 mm2/S，甲醇研究法辛烷值為114。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

    常用循環(huán)變動(dòng)系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)循環(huán)變動(dòng)程度，一般認(rèn)為循環(huán)變動(dòng)系數(shù)不應(yīng)大于10%。由每循環(huán)采集到的缸壓信號(hào)可以提取到平均指示壓力、最高壓力等壓力特征參數(shù)，并用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法處理壓力特征參數(shù)，求取每工況的循環(huán)變動(dòng)系數(shù)，分析同一工況下壓力特征參數(shù)之間的相關(guān)性，循環(huán)系數(shù)(CoV)和相關(guān)系數(shù)(R)的定義如下：

式中：x，y為分析對(duì)象參數(shù)；x，y為x，y的平均值；N為x的樣本總數(shù)；Sx，Sy為x，y的樣本標(biāo)準(zhǔn)差：Co Vx為x的循環(huán)變動(dòng)系數(shù)；R（x，y)為x，y的相關(guān)系數(shù)；N為循環(huán)數(shù)

21壓力特征參數(shù)分析

    圖2所示為不同工況下二元煤基燃料柴油機(jī)平均指示壓力循環(huán)變動(dòng)數(shù)隨壓縮比的變化情況。從圖2中可以看出．壓縮比的改變對(duì)平均指示壓力的循環(huán)變動(dòng)有很大影響。同一轉(zhuǎn)速下，相同壓縮比時(shí)，提高平均有效壓力可以有效地降低平均指示壓力的循環(huán)變動(dòng)系數(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定性有所改善：這是因?yàn)�，隨著負(fù)荷的增加，F(xiàn)-T柴油和甲醇的噴射量均會(huì)增加，缸內(nèi)混合氣濃度變大，引燃F-T柴油的空間顆粒數(shù)量增加，更易于壓燃，滯燃期隨之縮短，降低了燃燒循環(huán)變動(dòng)程度。低轉(zhuǎn)速下，隨著壓縮比變大，平均指示壓力的循環(huán)變動(dòng)系數(shù)呈減小趨勢(shì)；而在中高轉(zhuǎn)速下，提高壓縮比會(huì)增大循環(huán)變動(dòng)系數(shù)，增加發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和噪聲。這

是因?yàn)橐环矫�，在低轉(zhuǎn)速下，隨著壓縮比增大，缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)降低，滯燃期變短，提高了燃燒速率，使循環(huán)變動(dòng)系數(shù)降低；另一方面，在中高轉(zhuǎn)速下，隨壓縮比增大，缸內(nèi)氣體流動(dòng)增強(qiáng)，湍流強(qiáng)度增強(qiáng)，使甲醇顆粒的空間分布更加均勻，甲醇的汽化潛熱降低了F-T柴油著火環(huán)境的溫度，延遲了著火時(shí)刻，使得燃燒壓升率增大，出現(xiàn)爆震現(xiàn)象，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒惡化，循環(huán)變動(dòng)系數(shù)隨之升高。

    圖3所示為平均有效壓力為0.45 MPa時(shí)，中等負(fù)荷工況下二元煤基燃料柴油機(jī)平均指示壓力的頻率分布n=1 200 r/min時(shí)，隨著壓縮比變大，平均指示壓力的分布呈現(xiàn)先分散后集中的變化趨勢(shì)，說(shuō)明平均指示壓力的循環(huán)變動(dòng)系數(shù)逐漸變小，這與圖2(a)相吻合。結(jié)合圖2(a)，圖3(b)，(c)可以看出，圖3(b)，(c)中的循環(huán)變動(dòng)系數(shù)均在10%以下，在低轉(zhuǎn)速下，壓縮比的變大，會(huì)有效改善缸內(nèi)湍流程度．從而提高混合氣混合均勻程度，降低發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)變動(dòng)。中高轉(zhuǎn)速下，平均指示壓力的分布隨壓縮比增大呈現(xiàn)分散趨勢(shì)，循環(huán)變動(dòng)變大，與圖2(b)．(c)相吻合，說(shuō)明在該工況下，殘余廢氣系數(shù)的降低和湍流強(qiáng)度的增加對(duì)循環(huán)變動(dòng)的改善效果小于甲醇汽化潛熱對(duì)滯燃期延長(zhǎng)作用帶來(lái)的循環(huán)變動(dòng)惡化程度。圖3(1)工況下，由于平均指示壓力分布過(guò)于分散，會(huì)出現(xiàn)缸內(nèi)局部失火和某循環(huán)非正常燃燒現(xiàn)象。

 圖4和圖5分別為n=1 600 r/min.BMEP=0.45 MPa時(shí)，不同壓縮比下Pi和Pmax隨循環(huán)數(shù)的分布情況。

    圖4,5中的橫線為Pi，Pmax的線性擬合趨勢(shì)線，從其水平度可以間接看出該工況發(fā)動(dòng)機(jī)工作的平穩(wěn)性，數(shù)據(jù)偏離趨勢(shì)線的大小反應(yīng)壓力特征參數(shù)的離散程度。圖4(c)和圖5(c)中的趨勢(shì)項(xiàng)均偏離水平，表明該工況下Pi和Pmax均出現(xiàn)大幅度波動(dòng)，循環(huán)變動(dòng)系數(shù)均大于10%。這與該工況下甲醇的大量噴入有關(guān)，甲醇汽化潛熱導(dǎo)致缸內(nèi)局部過(guò)冷，溫度分布不均勻；局部迅速著火，壓力驟增，而局部失火，導(dǎo)致缸內(nèi)壓力和溫度的不正常傳播，造成爆震現(xiàn)象，循環(huán)變動(dòng)增大。

    圖6為n=1 600 r/min,BMEP=0.45 MPa,不同壓縮比下Pi與Pmax的相關(guān)性及其對(duì)應(yīng)的Co Vpi和Pi與Pmax的相關(guān)性分析采用的方法是最小二乘法多項(xiàng)式擬合，其擬合精度高于線性擬合，R(Pi，Pmax)為Pi與Pmax的相關(guān)系數(shù)。該轉(zhuǎn)速下，隨著壓縮比增加，相關(guān)系數(shù)先增加后減�。粔嚎s比為15.93時(shí)，R(Pi，Pmax)最大，Pi分布重心向后移動(dòng)，

Pmax分布在5.0 MPa附近，發(fā)動(dòng)機(jī)壓力特征參數(shù)分布在較優(yōu)區(qū)域，對(duì)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性有利；隨著壓縮比變大或變小，二者相關(guān)性變差，使得發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)熱效率有所損失，燃燒噪聲和振動(dòng)增加，發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能變差。

212壓力特征參數(shù)的Fourier變換分析

    圖7為以不同壓縮比,n=1 600 r/min．BMEP=0.45、MPa下的Pmax作為采樣數(shù)據(jù)，利用離散時(shí)間Fourier變換對(duì)采集到的離散非周期性缸壓信號(hào)進(jìn)行頻域影；從圖7中可以看出，隨著壓縮比的增大，頻域正弦信號(hào)幅值最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率逐漸增大，并且最大最小幅值差變大，這與逐漸變大的循環(huán)變動(dòng)系數(shù)相吻合二從頻譜圖來(lái)看，幅值最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)著能量較高的一段正弦波，也就是對(duì)循環(huán)采樣中最大最小Pmax起決定性作用的一個(gè)因素，因此，對(duì)幅值最高點(diǎn)的頻率和相位的進(jìn)一步分析可以更好地解釋Pmax外在表現(xiàn)值，對(duì)研究缸內(nèi)燃燒壓力有一定的幫助。

3結(jié)論

    本文通過(guò)研究壓縮比對(duì)二元煤基燃料柴油機(jī)循環(huán)變動(dòng)的影響，得到以下結(jié)論。

    (1)低轉(zhuǎn)速下，提高壓縮比會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)變動(dòng)：中高轉(zhuǎn)速下，提高壓縮比會(huì)增加發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)變動(dòng)：相同壓縮比下，增加負(fù)荷可以降低循環(huán)變動(dòng)。

    (2)轉(zhuǎn)速為1 600 r/min時(shí)，中等負(fù)荷丁況下，壓縮比為16.90時(shí)，平均指示壓力和最高壓力波動(dòng)較大，循環(huán)變動(dòng)系數(shù)較高，缸內(nèi)不正常燃燒甚至失火，出現(xiàn)爆震現(xiàn)象；壓縮比為15.93時(shí)，Pi和Pmax相關(guān)性最強(qiáng)。

(3)Fourier變換對(duì)燃燒壓力的頻域分析同樣可以得到壓力特征參數(shù)的循環(huán)變動(dòng)規(guī)律，并且能夠?qū)�壓力特征參�?shù)頻域分量進(jìn)行精確分析，對(duì)研究各參數(shù)的內(nèi)在影響因素有一定的幫助。4摘要：

通過(guò)改變壓縮比，進(jìn)行柴油機(jī)燃用二元煤基燃料發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，研究了3種壓縮比下甲醇均質(zhì)混合氣F-T柴油引燃燃燒模式的循環(huán)變動(dòng)特性。結(jié)果表明：平均指示壓力Pi和最高壓力(Pmax)相關(guān)系數(shù)最高達(dá)0.90：轉(zhuǎn)速為1200 r/min時(shí)，提高壓縮比會(huì)降低Pi和Pmax的循環(huán)變動(dòng)系數(shù)，轉(zhuǎn)速為1 600 r/min和2 000 r/min時(shí)，提高壓縮比會(huì)增大循環(huán)變動(dòng)；中等負(fù)荷，轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，壓縮比為16.90時(shí)柵分布離散度較高，發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)爆震：利用離散時(shí)間Fourier變換能夠準(zhǔn)確判斷發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)變動(dòng)程度，并且可以對(duì)頻域內(nèi)正弦波分量進(jìn)一步研究，探索信號(hào)內(nèi)在影響因素。