作者：郑晓敏
目前，普遍认为混合气成分变动、气体运动状态变动是影响柴油机循环变动的最重要的两个因素。随着循环变动的加剧，不正常燃烧甚至失火的循环数逐渐增多,HC等不完全燃烧产物增多，动力经济性主差由于燃烧过程不稳定，使得振动和噪声增大，降诋了发动机寿命。因此，有必要对二元煤基燃料柴油机的循环变动进行深入研究。
本文对甲醇均质混合气F-T柴油引燃燃烧方式的柴油机循环变动进行了发动机台架试验研究，旨在探讨不同压缩比对二元煤基燃料柴油机循环变动的影响，分析了不同压缩比下燃烧压力特征参数的变化规律，并采用Fourier变换方法对采集到的压力信号进行频域变换，研究循环变动的潜在规律。为二元煤基燃料柴油机优化压缩比、降低循环变动提供了理论支撑和新的研究方法。
1试验装置和方法
1.1试验装置
本试验所用的发动机台架示于图1，发动机运行参数列于表1。试验采用的甲醇均质混合气F-T柴油引燃发动机是由1115型柴油机改装而成，在原柴油机基础上，进气管加装一套甲醇电控喷射装置；缸压信号由Kistler 6125C11型压力传感器采集，曲轴转角信号由Kistler 2613B型角标仪采集，与曲轴同轴安装的角标仪保证曲轴转角分辨率为0.1 0。
1.2试验方法
本试验在转速（n）分别为1 200，1 600，2 000r/min．平均有效压力(BMEP)分别为0.30，0.45，0.60 MPa时，进行了压缩比(s)分别为16.90，15.93 ,15.40的27种工况的对比试验研究。原机压缩比为16.90，在原缸垫的基础上增加缸垫厚度(0.50 mm，0.80 mm)改变压缩比，通过理论计算得到15.93和15.40两种压缩比。引燃F-T柴油的供给由原机供油系统完成；甲醇混合方式为进气道预混合，甲醇启喷时刻为10 0CA BTDC.由霍尔开关采集到的安装在飞轮上的霍尔元件信号，作为甲醇启喷信号。试验中，固定发动机的转速和负荷不变，同时调整F-T柴油的油门开度和甲醇的喷射脉宽，实现甲醇占能比的变化，定义预混引燃燃烧模式中甲醇占能比(M)为发动机每工作循环消耗的甲醇能量占总能量的比值，具体计算公式为
式中：Bm,Bf分别为甲醇和F-T柴油每循环的消耗量，kg/(kW-h)；Hum,Huf分别为甲醇和F-T柴油的低热值，MJ/kg
选取每个工况下甲醇占能比为0.5的工况点数据进行处理分析，通过计算平均指示压力和最高压力的循环变动系数来研究循环变动程度。每工况采集120个循环的缸压数据。试验数据均在发动机处于稳定状态，进气温度为10℃，机油温度为80℃时测得，本试验所用F-T柴油的十六烷值为73,6，20 cC的运动黏度为3.276 mm2/S，甲醇研究法辛烷值为114。
2试验结果及分析
常用循环变动系数来评价循环变动程度，一般认为循环变动系数不应大于10%。由每循环采集到的缸压信号可以提取到平均指示压力、最高压力等压力特征参数，并用统计学分析方法处理压力特征参数，求取每工况的循环变动系数，分析同一工况下压力特征参数之间的相关性，循环系数(CoV)和相关系数(R)的定义如下：
式中：x，y为分析对象参数；x，y为x，y的平均值；N为x的样本总数；Sx，Sy为x，y的样本标准差：Co Vx为x的循环变动系数；R（x，y)为x，y的相关系数；N为循环数
21压力特征参数分析
图2所示为不同工况下二元煤基燃料柴油机平均指示压力循环变动数随压缩比的变化情况。从图2中可以看出．压缩比的改变对平均指示压力的循环变动有很大影响。同一转速下，相同压缩比时，提高平均有效压力可以有效地降低平均指示压力的循环变动系数，发动机工作稳定性有所改善：这是因为，随着负荷的增加，F-T柴油和甲醇的喷射量均会增加，缸内混合气浓度变大，引燃F-T柴油的空间颗粒数量增加，更易于压燃，滞燃期随之缩短，降低了燃烧循环变动程度。低转速下，随着压缩比变大，平均指示压力的循环变动系数呈减小趋势；而在中高转速下，提高压缩比会增大循环变动系数，增加发动机的振动和噪声。这
是因为一方面，在低转速下，随着压缩比增大，缸内残余废气系数降低，滞燃期变短，提高了燃烧速率，使循环变动系数降低；另一方面，在中高转速下，随压缩比增大，缸内气体流动增强，湍流强度增强，使甲醇颗粒的空间分布更加均匀，甲醇的汽化潜热降低了F-T柴油着火环境的温度，延迟了着火时刻，使得燃烧压升率增大，出现爆震现象，发动机燃烧恶化，循环变动系数随之升高。
图3所示为平均有效压力为0.45 MPa时，中等负荷工况下二元煤基燃料柴油机平均指示压力的频率分布
n=1 200 r/min时，随着压缩比变大，平均指示压力的分布呈现先分散后集中的变化趋势，说明平均指示压力的循环变动系数逐渐变小，这与图2(a)相吻合。结合图2(a)，图3(b)，(c)可以看出，图3(b)，(c)中的循环变动系数均在10%以下，在低转速下，压缩比的变大，会有效改善缸内湍流程度．从而提高混合气混合均匀程度，降低发动机循环变动。中高转速下，平均指示压力的分布随压缩比增大呈现分散趋势，循环变动变大，与图2(b)．(c)相吻合，说明在该工况下，残余废气系数的降低和湍流强度的增加对循环变动的改善效果小于甲醇汽化潜热对滞燃期延长作用带来的循环变动恶化程度。图3(1)工况下，由于平均指示压力分布过于分散，会出现缸内局部失火和某循环非正常燃烧现象。
图4和图5分别为n=1 600 r/min.BMEP=0.45 MPa时，不同压缩比下Pi和Pmax随循环数的分布情况。
图4,5中的横线为Pi，Pmax的线性拟合趋势线，从其水平度可以间接看出该工况发动机工作的平稳性，数据偏离趋势线的大小反应压力特征参数的离散程度。图4(c)和图5(c)中的趋势项均偏离水平，表明该工况下Pi和Pmax均出现大幅度波动，循环变动系数均大于10%。这与该工况下甲醇的大量喷入有关，甲醇汽化潜热导致缸内局部过冷，温度分布不均匀；局部迅速着火，压力骤增，而局部失火，导致缸内压力和温度的不正常传播，造成爆震现象，循环变动增大。
图6为n=1 600 r/min,BMEP=0.45 MPa,不同压缩比下Pi与Pmax的相关性及其对应的Co Vpi和
Pi与Pmax的相关性分析采用的方法是最小二乘法多项式拟合，其拟合精度高于线性拟合，R(Pi，Pmax)为Pi与Pmax的相关系数。该转速下，随着压缩比增加，相关系数先增加后减小；压缩比为15.93时，R(Pi，Pmax)最大，Pi分布重心向后移动，
Pmax分布在5.0 MPa附近，发动机压力特征参数分布在较优区域，对动力性和经济性有利；随着压缩比变大或变小，二者相关性变差，使得发动机循环热效率有所损失，燃烧噪声和振动增加，发动机综合性能变差。
212压力特征参数的Fourier变换分析
图7为以不同压缩比,n=1 600 r/min．BMEP=0.45、MPa下的Pmax作为采样数据，利用离散时间Fourier变换对采集到的离散非周期性缸压信号进行频域影；从图7中可以看出，随着压缩比的增大，频域正弦信号幅值最高点对应的频率逐渐增大，并且最大最小幅值差变大，这与逐渐变大的循环变动系数相吻合二从频谱图来看，幅值最高点对应着能量较高的一段正弦波，也就是对循环采样中最大最小Pmax起决定性作用的一个因素，因此，对幅值最高点的频率和相位的进一步分析可以更好地解释Pmax外在表现值，对研究缸内燃烧压力有一定的帮助。
3结论
本文通过研究压缩比对二元煤基燃料柴油机循环变动的影响，得到以下结论。
(1)低转速下，提高压缩比会降低发动机循环变动：中高转速下，提高压缩比会增加发动机循环变动：相同压缩比下，增加负荷可以降低循环变动。
(2)转速为1 600 r/min时，中等负荷丁况下，压缩比为16.90时，平均指示压力和最高压力波动较大，循环变动系数较高，缸内不正常燃烧甚至失火，出现爆震现象；压缩比为15.93时，Pi和Pmax相关性最强。
(3)Fourier变换对燃烧压力的频域分析同样可以得到压力特征参数的循环变动规律，并且能够对压力特征参数频域分量进行精确分析，对研究各参数的内在影响因素有一定的帮助。4摘要：
通过改变压缩比，进行柴油机燃用二元煤基燃料发动机台架试验，研究了3种压缩比下甲醇均质混合气F-T柴油引燃燃烧模式的循环变动特性。结果表明：平均指示压力Pi和最高压力(Pmax)相关系数最高达0.90：转速为1200 r/min时，提高压缩比会降低Pi和Pmax的循环变动系数，转速为1 600 r/min和2 000 r/min时，提高压缩比会增大循环变动；中等负荷，转速为2 000 r/min，压缩比为16.90时栅分布离散度较高，发动机出现爆震：利用离散时间Fourier变换能够准确判断发动机循环变动程度，并且可以对频域内正弦波分量进一步研究，探索信号内在影响因素。
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