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噴油特性對(duì)F-T煤制油壓力振蕩影響規(guī)律研究

2024-04-27 00:16冀冠佐石晉宏王浩亞
機(jī)械設(shè)計(jì)與制造 2024年4期
關(guān)鍵詞:原機(jī)噴油量煤制油

冀冠佐,王 鐵,石晉宏,王浩亞

(太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院,山西 太原 030024)

1 引言

柴油機(jī)熱效率高、動(dòng)力性好,在商用車(chē)上得到廣泛應(yīng)用。但柴油機(jī)工作的粗暴度及振動(dòng)和沖擊載荷等特征,一直是內(nèi)燃機(jī)工作者重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題之一[1-2],柴油機(jī)工作粗暴的典型特征正是其工作過(guò)程中產(chǎn)生的燃燒壓力振蕩[3]。而且,壓力振蕩是引起柴油機(jī)燃燒噪聲的原因之一[4],壓力振蕩的增大,會(huì)導(dǎo)致燃燒噪聲的惡化[5]。研究并揭示壓力振蕩的影響因素是改善柴油機(jī)壓力振蕩特性,減小燃燒噪聲的重要手段[6]。文獻(xiàn)[7]對(duì)柴油機(jī)燃燒過(guò)程中的氣體高頻聲波振蕩問(wèn)題建立聲學(xué)模型,證明了放熱速率是直接影響壓力振蕩的重要因素。文獻(xiàn)[8]在一臺(tái)直噴單缸柴油機(jī)進(jìn)行預(yù)主噴燃燒試驗(yàn),結(jié)果表明主噴燃燒對(duì)高頻振蕩的影響小于預(yù)噴燃燒,而且大預(yù)噴量結(jié)合較早的預(yù)噴時(shí)刻的噴油策略產(chǎn)生的高頻壓力振蕩最小。文獻(xiàn)[9]在4100QBZL柴油機(jī)上對(duì)F-T和柴油摻混燃料的壓力振蕩特性進(jìn)行研究,研究發(fā)現(xiàn)F-T 煤制油摻混比例越高,高頻壓力振蕩幅值越小,燃燒越柔和。文獻(xiàn)[10]從時(shí)域和頻域兩方面對(duì)比F-T煤制油和0#柴油的燃燒壓力波動(dòng)特性,結(jié)果表明在負(fù)荷特性下和外特性下,F(xiàn)-T 柴油的壓力波動(dòng)幅值及波動(dòng)的RMS值均小于0#柴油。上述研究表明:噴油特性對(duì)柴油機(jī)的壓力振蕩特性有顯著影響,同時(shí)在柴油中摻混F-T煤制油,有助于改善柴油機(jī)的壓力振蕩特性,但柴油機(jī)中直接燃用F-T煤制油,在不同噴油特性下對(duì)柴油機(jī)壓力振蕩的影響規(guī)律還有待研究。

在已有研究的基礎(chǔ)上,選取高壓共軌柴油機(jī)典型工況,分析噴油特性對(duì)F-T煤制油柴油機(jī)燃燒壓力振蕩的時(shí)域和頻域特性的作用規(guī)律,為改善F-T煤制油柴油機(jī)燃燒壓力振蕩特性,降低其燃燒噪聲奠定基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)裝置和燃料特性

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)以F-T煤制油作為燃料,柴油機(jī)主要參數(shù),如表1所示。通過(guò)Bosch電控單元和MCV100開(kāi)放式ECU系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)噴油系統(tǒng)參數(shù)的靈活調(diào)節(jié)。缸內(nèi)壓力使用采用Kistler傳感器進(jìn)行采集,通過(guò)德維創(chuàng)燃燒分析系統(tǒng)對(duì)壓力進(jìn)行分析測(cè)量,試驗(yàn)裝置,如圖1所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.1 Diagram of Engine Test System

表1 柴油機(jī)原機(jī)參數(shù)Tab.1 Original Diesel Engine Parameters

2.2 燃料特性

試驗(yàn)用F-T煤制油由山西潞安礦業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn),燃料主要參數(shù),如表2所示。燃料品質(zhì)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的著火、燃燒性能,十六烷值和餾程溫度等油品參數(shù)對(duì)燃燒過(guò)程有重要影響。由表2可以看出,相較于國(guó)Ⅵ0#柴油,F(xiàn)-T煤制油十六烷值高和餾程溫度高等特性,具有降低柴油機(jī)壓力振蕩的潛質(zhì)。

表2 F-T煤制油與國(guó)Ⅵ0#柴油參數(shù)對(duì)比Tab.2 Comparison of Parameters Between F-T Coal-to-Liquid and GuoVI0# Diesel

3 壓力振蕩的影響因素研究

試驗(yàn)選用柴油機(jī)的典型工況2000r∕min-150N·m,采用控制單一因子的方法,分析噴油壓力、主噴提前角、預(yù)噴提前角和預(yù)噴油量等參數(shù)對(duì)F-T煤制油柴油機(jī)壓力振蕩的作用規(guī)律。原機(jī)的噴油參數(shù)和試驗(yàn)因子水平,如表3所示。

表3 原機(jī)噴油參數(shù)和試驗(yàn)因子水平Tab.3 Fuel Injection Parameters and Test Factor Levels of the Original Engine

3.1 主噴提前角對(duì)燃燒壓力振蕩的影響

保持原機(jī)預(yù)噴提前角,預(yù)噴油量和噴油壓力不變的情況下,不同主噴提前角對(duì)缸內(nèi)壓力,壓力升高率、燃燒放熱率和壓力振蕩的作用規(guī)律曲線(xiàn),如圖2(a)、圖2(b)所示。

圖2 主噴提前角對(duì)燃燒過(guò)程和壓力振蕩的影響Fig.2 The Influence of Main Injection Timing on Combustion Process and Pressure Oscillation

由圖2(a)、圖2(b)可知:隨著主噴提前角的推遲,燃燒壓力、壓力升高率和放熱率的峰值均降低,相應(yīng)的壓力振蕩的最大值分別為1.00bar,0.95bar 和0.60bar。不同主噴提前角的柴油機(jī)缸內(nèi)壓力聲壓級(jí)曲線(xiàn)圖,如圖2(c)所示。由圖可以看出,主噴提前角由-7.4oCA 推遲到-5.4oCA,氣缸壓力級(jí)峰值由91dB 降為80dB,對(duì)比可知?dú)飧讐毫Σ▌?dòng)主要集中(4000~15000)Hz 的頻段內(nèi)。

因此,一定程度的推遲主噴提前角,可以降低燃燒壓力振蕩幅值,原因在于隨著主噴正時(shí)的推遲,燃燒放熱時(shí)刻推后,導(dǎo)致燃燒等容度降低,放熱率集中度降低,燃燒壓力和放熱率峰值降低,進(jìn)而導(dǎo)致氣缸壓力級(jí)減小,壓力振蕩幅值降低。

3.2 預(yù)噴提前角對(duì)燃燒壓力振蕩的影響

保持原機(jī)預(yù)噴提前角,主噴油量和噴油壓力參數(shù)不變的情況下,不同預(yù)噴提前角對(duì)缸內(nèi)壓力,壓力升高率、燃燒放熱率和壓力振蕩的作用規(guī)律曲線(xiàn),如圖3(a)、圖3(b)所示。

圖3 預(yù)噴提前角對(duì)燃燒過(guò)程和壓力振蕩的影響Fig.3 The Influence of the Pre-Injection Advance Angle on the Combustion Process and Pressure Oscillation

由此可見(jiàn),相對(duì)于主噴提前角,預(yù)噴提前角對(duì)壓力振蕩的影響要更為明顯。原因在于隨著預(yù)噴提前角的提前,燃油蒸發(fā)時(shí)刻提前,燃燒條件改善,燃燒始點(diǎn)提前,但同時(shí)也會(huì)使得預(yù)噴提前角和主噴提前角之間的間隔增大,缸內(nèi)的溫度和壓力也隨之下降,放熱率集中度降低,進(jìn)而使壓力級(jí)減小,壓力振蕩的幅值降低

3.3 預(yù)噴油量對(duì)燃燒壓力振蕩的影響

在原機(jī)預(yù)噴提前角,主噴提前角和噴油壓力參數(shù)不變的情況下,不同預(yù)噴油量對(duì)缸內(nèi)壓力,壓力升高率和燃燒放熱率的作用規(guī)律曲線(xiàn),如圖4(a)、圖4(b)所示。

圖4 預(yù)噴油量對(duì)燃燒過(guò)程和壓力振蕩的影響Fig.4 The Influence of the Amount of Pre-Injection on the Combustion Process and Pressure Oscillation

由圖4(a)、圖4(b)可以看出,隨著預(yù)噴油量的增大,預(yù)噴階段的壓力和壓力升高率稍有增大,在預(yù)噴燃燒結(jié)束的階段,缸內(nèi)壓力下降速度變緩,從而到主噴階段時(shí),缸內(nèi)的初始燃燒壓力較之前大,從而在一定程度上緩解了主噴階段壓力升高率,不過(guò)主噴階段的缸內(nèi)壓力峰值仍有所增長(zhǎng)。

同時(shí)放熱率隨著預(yù)噴油量的增長(zhǎng),預(yù)噴階段的峰值也隨之增大,但主噴階段燃燒放熱率的峰值基本保持不變,產(chǎn)生的高頻壓力振蕩也基本保持不變。不同預(yù)噴油量對(duì)柴油機(jī)缸內(nèi)壓力聲壓級(jí)曲線(xiàn)圖,如圖4(c)所示。預(yù)噴油量的增加會(huì)一定程度提升在4000Hz附近的壓力級(jí),但總體上看氣缸壓力級(jí)基本保持不變,且主要集中在(4000~16000)Hz之間。

這是因?yàn)轭A(yù)噴油量增大,會(huì)使預(yù)噴階段的燃燒劇烈。同時(shí),由于預(yù)噴階段燃燒更為劇烈,主噴開(kāi)始前的缸內(nèi)溫度提高,燃燒始點(diǎn)提前,且隨著預(yù)噴油量的增加,主噴燃燒的始點(diǎn)壓力和溫度越高。

當(dāng)預(yù)噴油量減少時(shí),預(yù)噴階段的缸內(nèi)壓力和壓力升高率降低,焰前反應(yīng)不夠充分,以致較多的可燃混合氣積聚至主噴階段,放熱率有所增長(zhǎng),壓力升高率變大。所以主噴階段的放熱率峰值基本保持不變,高頻壓力振蕩的變化也較小。

3.4 噴射壓力對(duì)燃燒壓力振蕩的影響

在原機(jī)預(yù)噴提前角,預(yù)噴油量和主噴提前角參數(shù)不變的情況下,不同噴射壓力對(duì)缸內(nèi)壓力,壓力升高率、燃燒放熱率和壓力振蕩的作用規(guī)律曲線(xiàn),如圖5(a)、圖5(b)所示。

圖5 噴射壓力對(duì)燃燒過(guò)程和壓力振蕩的影響Fig.5 The Influence of Injection Pressure on the Combustion Process and Pressure Oscillation

從圖5(a)可以看出,隨著噴射壓力的提高,預(yù)噴階段和主噴階段的缸內(nèi)壓力峰值和升高率都明顯升高,峰值相位提前。預(yù)噴及主噴燃燒階段的放熱率峰值也逐漸增大,如圖5(b)所示。在115MPa噴射壓力下放熱速度明顯加快,此時(shí)缸內(nèi)壓力振蕩幅值增大到1.8bar。相較于85MPa 噴射壓力,壓力振蕩幅值增加了1.24bar。不同噴油壓力對(duì)柴油機(jī)缸內(nèi)壓力聲壓級(jí)的作用規(guī)律曲線(xiàn),如圖5(c)所示。

從圖中可以看出,隨著噴射壓力的提高,壓力聲壓級(jí)有著明顯的提升,尤其是在4000Hz 以上的高頻范圍內(nèi),明顯增大。且聲壓級(jí)的集中范圍更廣,集中在(4000~20000)Hz之間。這是由于噴射壓力增大會(huì)使燃料霧化更加完全,燃油噴霧與空氣的碰撞頻率增加,形成了更多的均質(zhì)可燃混合氣,使得缸內(nèi)壓力和放熱率明顯提升,壓力級(jí)幅值和頻率范圍都明顯增大,使得壓力振蕩幅值大幅增加。

4 結(jié)論

主要分析了典型工況下噴油特性對(duì)F-T煤制油柴油機(jī)燃燒壓力振蕩的時(shí)域和頻域特性的作用規(guī)律,主要結(jié)論如下:

(1)F-T煤制油柴油機(jī)中壓力振蕩的產(chǎn)生與放熱率的變化呈現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性。隨著主噴提前角的推遲,缸內(nèi)壓力峰值相位推遲,燃燒放熱時(shí)刻推后,放熱率峰值降低,氣缸壓力級(jí)峰值縮小了約11dB,壓力振蕩最大幅值降低約0.4bar。隨著預(yù)噴正時(shí)的提前,會(huì)使得預(yù)噴提前角和主噴提前角之間的間隔增大,放熱率集中度降低,壓力振蕩出現(xiàn)相位最大提前約5℃A,氣缸壓力級(jí)峰值縮小了約18dB,壓力振蕩的幅值最大減小約0.44bar。預(yù)噴油量的增加對(duì)壓力振蕩的影響較小,壓力振蕩變化不明顯。隨著噴油壓力的增加,放熱率曲線(xiàn)上升時(shí)的相位提前,峰值顯著增加,壓力振蕩最大幅值增大約1.24bar,壓力級(jí)峰值增加,范圍擴(kuò)大,壓力振蕩現(xiàn)象變化也最為明顯。

(2)采取合適的噴油正時(shí)和噴射壓力可以減緩燃燒放熱速度,降低放熱率峰值,減小燃燒壓力振蕩幅值。綜合考慮適當(dāng)提前預(yù)噴提前角、減小噴射壓力是降低F-T煤制油柴油機(jī)壓力振蕩的有效手段。

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