低负荷工况下天然气发动机燃烧不稳定性分析

与柴油发动机相比，天然气发动机以其燃料清洁、热效率高、经济性能高、安全性能好以及燃料储量丰富等特点逐渐成为替代燃料发动机的首选。在稀燃工况下，天然气发动机经济性、热效率和排放性能显著改善，但燃烧过程会出现循环变动现象，从而影响发动机的稳定性，特别是在稀燃边界附近循环变动明显增大，燃烧稳定性恶化，严重影响发动机性能。本期推文笔者对天然气发动机单个工作循环中每个曲轴转角下的缸压均进行循环变动分析，研究发动机燃烧过程各个阶段的不稳定性，同时分析缸压时间序列的相空间重构，以揭示燃烧循环内部的动力学演变规律。

1、试验设备

研究对象是一台电控多点顺序喷射天然气发动机，发动机的主要参数见原文[1]，首先在过量空气系数ϕa＝1.0、发动机转矩为50 N·m 时记录燃料量，保持该燃料量不变，通过改变节气门的开度来改变ϕa的方式，利用宽域氧传感器对ϕa进行实时监测。缸内压力时间序列由燃烧分析仪、缸内压力传感器、编码器和计算机等组成的数据采集系统获取，该系统的最高采集分辨率可达0.025° CA，图1为试验台示意。天然气发动机在低负荷下燃烧不稳定性更为明显，为了探索发动机在稀燃边界的稳定性变化，选取了可在较大ϕa范围内进行试验数据采集的转速。故在1 000 r/min、25%负荷及ϕa分别为1.0、1.2、1.4、1.6、1.8和1.9不同工况下进行台架试验。针对上述6种工况下分别测取1 800个工作循环的缸内压力时间序列，其中数据采样间隔为1° CA，每个循环包括720个数据点。图2和图3分别为1 000 r/min、25%负荷及ϕa为1.0、1.6 和1.9工况下试验测得的缸内压力时间序列和IMEP时间序列。燃烧过程中缸内压力存在明显波动，ϕa＝1.9 时，燃烧稳定性恶化。

图1 试验台示意

图2 缸内压力时间序列

图3 IMEP时间序列

2、结果与讨论

2.1 缸压循环变动分析

图4为不同ϕa工况下天然气发动机的缸压曲线和各曲轴转角处缸内压力循环变动（CCV） 曲线。CCV 曲线有两个明显峰值，前一个是进气阶段引起的变动，后一个是燃烧阶段引起的变动。

图4 缸内压力时间序列在各曲轴转角处的CCV曲线

图5为进气阶段和燃烧阶段引起的CCV峰值。进气阶段CCV峰值随着ϕa的增大而下降，燃烧阶段CCV峰值随着ϕa的增大而上升。在进气阶段，进气门的开关会引起缸内气流扰动，而使CCV 增大；ϕa＝1.0 时，所需空气量较少，节气门开度较小，微小的外界进气扰动就会使缸内压力变化较大，且缸压平均值很小，当缸压出现微小变动时，会导致CCV变化较大。随着ϕa增大，所需空气量增多，节气门开度变大，抗干扰能力增强，外界扰动引起的缸内压力CCV峰值降低。在燃烧阶段，上止点前混合气体被点燃，由燃烧导致CCV的增大，ϕa＝1.0 时，不发生稀燃，燃烧速度快，燃烧过程的缸压平均值较大，当缸压出现较大变动时，CCV值的变化仍不如进气过程明显，CCV峰值相位提前于缸内压力峰值相位；随着ϕa的增大，燃烧不稳定增强，CCV的峰值逐渐上升，峰值相位滞后；ϕa过大时，CCV峰值明显上升，峰值相位滞后于缸内峰值压力相位，这说明滞燃期过长，后燃现象严重。

图5 进气和燃烧阶段缸压时间序列的CCV峰值

2.2 CA 5和CA 90的循环变动分析

图6为1 000 r/min、25%负荷工况下的燃烧始点、终点相位分布。随着ϕa的增大，CA 5和CA 90均呈滞后趋势，且波动范围逐渐扩大，ϕa为1.8、1.9 时CA 5和CA 90的分界线逐渐消失。图7为不同ϕa工况下CA 5和CA 90的CCV曲线。随着ϕa增大，CA 5和CA 90的CCV均增大，这主要是因为混合气浓度变稀会导致燃烧速度降低，滞燃期增长，点火可靠性降低。图8为不同ϕa工况下CA 5和CA 90的统计分析。CA 5及其标准差均呈上升趋势，CA 90相位及标准差在ϕa为1.2～1.8呈上升趋势，当ϕa＝1.0 时CA 90的标准差较大，当ϕa＝1.9时CA 90 的平均相位稍有降低。

图6不同ϕa工况下的CA 5和CA 90分布

图7 不同ϕa工况下CA 5和CA 90的CCV分析

图8 不同ϕa工况下CA 5和CA 90的统计分析

ϕa＝1.0 时，由于空气量较少，会导致燃烧不完全现象，CA 90分布范围较大，CCV较高；随着ϕa的增大，空气量逐渐增加，燃烧速度降低，滞燃期逐渐变长，CA 90的范围相对集中。ϕa大于1.4时，空气量较多，混合气浓度变稀，燃烧速度变慢，CA 5和CA 90滞后且波动范围变大，CCV明显上升，后燃现象越来越严重。ϕa＝1.9 时，空气量过多，出现失火现象，因而CA 90的平均相位有所提前。

相空间重构分析和返回映射分析等内容请参阅原文[1]。

3、文献来源

[1]刘津津,丁顺良,高建设,等.低负荷工况下天然气发动机燃烧不稳定性分析[J].内燃机学报,2022,(05):394-402.