噴油控制參數(shù)對中置噴油器GDI發(fā)動機噴霧及燃燒的影響

杜家坤，陳泓，李鈺懷，冶麟，張雙

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434)

直噴式汽油機(GDI)與氣道噴射式汽油機(PFI)相比，能夠在較為寬廣的曲軸轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)將燃料直接噴入缸內(nèi)，可有效降低缸內(nèi)溫度，抑制大負荷工況下爆震傾向，提升熱效率，同時也在實現(xiàn)分層稀薄燃燒模式控制方面表現(xiàn)出巨大潛力，成為國內(nèi)外研究機構(gòu)研發(fā)領(lǐng)域關(guān)注的焦點[1-2]。由于汽油具有較好的揮發(fā)性，即使通過與柴油機相似的直噴方式引入缸內(nèi)，也能在一定程度上保證油氣混合過程[3]。但在某些工況下，由于混合氣形成時間相對較短，存在缸內(nèi)混合氣不均勻的情況。因此，如何設(shè)計適宜的噴油控制策略并與燃燒室及缸內(nèi)氣流運動合理匹配成為直噴式汽油機燃燒系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵[4-5]。

隨著研究的深入和研究手段的進一步完善，研究者采用可視化發(fā)動機，并借助多種非介入式光學研究手段，開展了一系列燃燒系統(tǒng)控制參數(shù)對發(fā)動機性能影響的研究[6-8]。研究發(fā)現(xiàn)，燃油噴射時刻對燃燒及排放有顯著影響，通過對燃油噴射策略進行優(yōu)化，有助于提升燃燒穩(wěn)定性，降低HC等未完全燃燒產(chǎn)物排放[9]。同時，通過燃油系統(tǒng)與燃燒室、進氣流動特性等進行合理匹配，可有效改善缸內(nèi)混合氣形成特性，在保證發(fā)動機高效清潔燃燒方面表現(xiàn)出一定潛力[10-11]。

以往研究主要針對側(cè)置噴油器直噴汽油機進行相應(yīng)的光學試驗，而對于中置噴油器直噴汽油機的研究較少[12-13]?；诖耍狙芯坎捎闷ヅ渲兄脟娪推鞲邏褐眹娤到y(tǒng)的單缸光學發(fā)動機進行試驗研究，進一步明晰燃油噴射策略對發(fā)動機缸內(nèi)噴霧發(fā)展及燃燒過程的影響規(guī)律。

1 試驗裝置和試驗條件

1.1 試驗用發(fā)動機和測控系統(tǒng)

研究中采用一臺匹配35 MPa高壓供油系統(tǒng)的單缸光學汽油發(fā)動機，進氣壓力及進氣溫度采用模擬增壓系統(tǒng)進行控制，噴油時刻、噴油量及點火時刻采用可編程的時序控制模塊進行調(diào)整。試驗用發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)

1.2 發(fā)動機光學測控平臺

研究中采用的單缸光學發(fā)動機測控系統(tǒng)主要包括光學發(fā)動機、AVL PUMA瞬態(tài)測功機、AVL 515進氣模擬增壓系統(tǒng)、AVL 577油水恒溫控制單元、ScienLab DICU噴油控制單元及時序控制單元等系統(tǒng)組件。缸壓測量采用Kistler 6054缸壓傳感器，轉(zhuǎn)角信號由AVL 365C角標器輸出，利用AVL Indicom系統(tǒng)對燃燒過程示功圖及時序控制信號進行采集，采樣分辨率為0.5°，每個工況點均采集70個循環(huán)進行平均以消除測量誤差。為保證燃油壓力的實時在線控制，研究中自行設(shè)計開發(fā)了35 MPa高壓汽油供油系統(tǒng)，具有精度高、響應(yīng)快等特點，并具備50 MPa的升級潛力，滿足試驗研究的需要。

試驗中采用高速相機對噴霧圖像進行采集，光學高速成像系統(tǒng)見圖1。為提高拍攝質(zhì)量，試驗中利用以熔融石英缸套為中心布置的八盞高亮頻閃照明燈作為光源，通過時序控制模塊控制照明燈僅在每個做功周期的330°BTDC～14°ATDC點亮，以利于噴霧形態(tài)的捕捉，同時可避免在采集燃燒過程圖像時燈光對成像質(zhì)量的影響。研究中使用的高速相機為Photron High Speed Star Z系列高速數(shù)字相機，拍攝速度可達20 000 幀/s，曝光時間200 μs，采樣時間分辨率為3°，能夠滿足試驗研究的需要。

圖1 試驗臺架示意

1.3 數(shù)據(jù)分析方法與研究方案

為保證試驗結(jié)果重復(fù)性，研究中設(shè)定燃燒開始50次循環(huán)后開始采樣，此時燃燒過程趨于穩(wěn)定，能夠較好地反映實際的燃燒特性。本研究選取典型的催化器起燃工況(1 200 r/min@0.19 MPa (pmi))，發(fā)動機水溫及機油溫度均由油水恒溫系統(tǒng)精確控制在20 ℃左右，燃油噴射模式根據(jù)實際負荷和噴油器線性區(qū)間選取三段噴射模式。為保證催化器快速起燃，通過推遲發(fā)動機點火提高排氣溫度，試驗中為保證數(shù)據(jù)的可比性，點火時刻均為20°ATDC。由于較晚的點火時刻不利于燃燒過程穩(wěn)定進行，因此采用多次噴射策略保證混合氣均質(zhì)性的同時在火花塞附近形成適宜的混合氣濃度，改善點火穩(wěn)定性。第一段噴射時刻θSOI1及第二段噴射時刻θSOI2分別控制在280°BTDC和240°BTDC，第三段噴射時刻θSOI3調(diào)整范圍控制在80°BTDC～160°BTDC以內(nèi)。研究中三段噴射過程加電脈寬均保持在0.85 ms，以保證數(shù)據(jù)的可比性。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 噴油時刻對缸內(nèi)噴霧發(fā)展的影響

對于直噴式汽油機，如何有效形成穩(wěn)定的混合氣是可靠點火的關(guān)鍵。對于本研究所選試驗工況范圍，由于汽油揮發(fā)性好，前兩次噴射發(fā)生在進氣沖程，主要在早期形成較為均質(zhì)的混合氣，對燃燒的影響相對較小，因此重點針對第三段噴射時刻對噴霧及燃燒的影響進行試驗研究。圖2示出采用3次噴射模式時，不同θSOI3下缸內(nèi)壓力對比。從圖2可以看出，催化起燃工況下，由于點火時刻較晚，點火后缸內(nèi)混合氣經(jīng)過一段時間后開始著火放熱，缸壓曲線明顯脫離壓縮線，呈現(xiàn)明顯的雙峰形態(tài)，其中第2個峰表征燃燒放熱過程。同時，隨θSOI3提前，缸內(nèi)燃燒壓力峰值先升高后降低，并于120°BTDC時達到最大值，且此時峰值相位相對較早。

圖2 不同θSOI3下缸內(nèi)燃燒壓力對比

進一步研究θSOI3對燃燒過程的影響規(guī)律，研究中對燃燒過程特征參數(shù)進行對比分析。本研究定義：累計放熱量達到總放熱量10%時所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角位置為燃燒始點；累計放熱量達到總放熱量90%時所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角位置為燃燒終點；燃燒始點與燃燒終點之間所占的曲軸轉(zhuǎn)角為燃燒持續(xù)期；點火時刻至燃燒始點所占曲軸轉(zhuǎn)角為滯燃期。

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，不同燃燒特征參數(shù)均在θSOI3=120°BTDC時存在明顯拐點，隨θSOI3提前，燃燒持續(xù)期與滯燃期均先減小后增大。產(chǎn)生以上現(xiàn)象的主要原因在于，位于壓縮沖程中的第3次噴射過程對火花塞周圍混合氣的形成有一定影響；噴油時刻過早，霧化的燃油隨缸內(nèi)氣流旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，易于形成更為均勻的混合氣，使得火花塞跳火時著火穩(wěn)定性降低；而噴油時刻過晚，油束與活塞頂相互干涉，形成壁面油膜，不利于燃油的揮發(fā)，同樣會使得火花塞附近點火穩(wěn)定性變差，燃燒過程pmi的循環(huán)變動(COVpmi)變大。

通過對比圖4光學發(fā)動機缸內(nèi)的噴霧發(fā)展結(jié)果發(fā)現(xiàn)，第三段噴射時缸內(nèi)滾流對噴霧的引導(dǎo)作用相對減弱，且不同噴射時刻下油束的貫穿距存在一定差異。θSOI3早于140°BTDC時，缸內(nèi)噴霧的發(fā)展情況較為相似，由于滾流強度的減弱，油束發(fā)展末期存在輕微濕壁的情況。隨θSOI3推遲，燃油噴出時缸內(nèi)工質(zhì)的壓縮程度增大，工質(zhì)密度增加，缸內(nèi)壓力升高，燃油與空氣分子的碰撞概率增加，空氣阻力加大，油束貫穿距減小。但當θSOI3推遲至80°BTDC時，可明顯觀察到在曲軸轉(zhuǎn)角位于69°BTDC時油束與活塞頂發(fā)生干涉，燃油壁面油膜的形成傾向明顯增大。結(jié)合圖3b中的拐點位置，可以認為當θSOI3=120°BTDC時，能夠較好地折中活塞頂油束濕壁及火花塞附近混合氣濃度場分布的問題。噴油時刻提前，由于汽油易揮發(fā)，過早的噴油時刻不利于壓縮點火前火花塞周圍混合氣的形成；噴油時刻推遲，由于活塞距離上止點較近，油束對活塞頂?shù)臐癖趦A向增大。

圖3 不同θSOI3下燃燒特征參數(shù)對比

圖4 第三段噴油時刻對缸內(nèi)噴霧發(fā)展的影響對比

圖5示出第三段噴油時刻對燃燒過程的影響。由圖可知，當θSOI3推遲至120°BTDC時，燃燒過程顯示出理想的均質(zhì)燃燒形態(tài)，燃燒過程整體以預(yù)混合燃燒為主，缸內(nèi)高溫明亮區(qū)較早噴情況明顯減少，同時炭煙生成傾向降低。產(chǎn)生以上現(xiàn)象的原因主要是火花塞附近混合氣略濃區(qū)在改善發(fā)火穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出一定優(yōu)勢。第三段噴射時刻對點火前火花塞周圍混合氣形成有顯著影響，噴油過早，第三段噴射產(chǎn)生局部濃混合氣區(qū)的能力減弱；噴油推遲，一方面利用活塞上行產(chǎn)生的壓力提高缸內(nèi)工質(zhì)整體密度、降低噴霧貫穿距、增大油束的橫向?qū)挾?、提高燃油與空氣的接觸面積、降低油束撞壁傾向，另一方面可利用活塞上行的動能，將略濃的混合氣壓縮于火花塞周圍，火花塞跳火后，利用火核引燃周圍略濃混合氣，提高火焰?zhèn)鞑ニ俾剩瑸榍捌谛纬傻木|(zhì)混合氣預(yù)混燃燒提供條件。從微觀角度講，略濃的局部混合氣區(qū)由于較快的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，在一定程度上可作為進氣沖程形成的均質(zhì)混合氣的發(fā)火源，保證燃燒過程順利進行。但當θSOI3推遲至80°BTDC時，由于噴油過晚，活塞逐漸靠近上止點位置，油束易發(fā)生沖擊活塞現(xiàn)象，導(dǎo)致活塞表面積炭。

圖5 第三段噴油時刻對缸內(nèi)燃燒過程的影響對比

2.2 噴油壓力對缸內(nèi)噴霧及燃燒的影響

對于直噴式燃燒系統(tǒng)，燃油噴射壓力是影響燃燒過程的關(guān)鍵控制參數(shù)?；诖耍竟?jié)重點針對燃油噴射壓力對缸內(nèi)噴霧發(fā)展及燃燒過程的影響開展試驗研究。試驗中分別設(shè)定燃油噴射壓力為10 MPa,11 MPa和12 MPa，噴油時刻θSOI1=280°BTDC，θSOI2=240°BTDC，θSOI3=100°BTDC。為避免噴油壓力的改變對實際循環(huán)供油量產(chǎn)生影響，保證試驗結(jié)果的可靠性及可比性，試驗中通過改變加電脈寬保證實際當量比為1。

圖6示出不同噴油壓力下燃燒特征參數(shù)的對比。由圖6可知，噴油壓力增大，滯燃期有所縮短，主要原因是提高噴油壓力能夠促進燃油液滴與空氣相互作用，有助于改善噴霧的霧化質(zhì)量，使得更多的液滴顆粒與空氣接觸，增大初始化學反應(yīng)速率。同時，良好的油氣混合氣組織有助于縮短燃燒持續(xù)期，提高定容度。但由于火花塞附近的濃度場分布對初期燃燒過程有明顯影響，提高噴油壓力雖能夠促進油氣混合，但過高的噴油壓力反而不利于點火前火花塞附近穩(wěn)定點燃濃度場的形成，使得滯燃期及燃燒持續(xù)期有所延長。

圖6 不同噴油壓力下燃燒持續(xù)期及滯燃期對比

由圖7光學發(fā)動機缸內(nèi)特性及燃燒過程對比結(jié)果可以看出，噴油壓力對缸內(nèi)噴霧發(fā)展影響較為顯著，壓力增大，油束縱向貫穿距明顯延長，同時油束橫向?qū)挾葴p小。此外，隨噴油壓力增大，油束整體包絡(luò)面積減小，表明提高噴油壓力有助于促進燃油液滴的進一步破碎及霧化，在促進燃油與空氣的混合過程中表現(xiàn)出巨大潛力。通過對比不同噴油壓力情況下缸內(nèi)燃燒過程可以發(fā)現(xiàn)，提高噴油壓力，改善混合氣形成，燃燒過程中后期高溫明亮區(qū)數(shù)量明顯減少，有助于抑制燃燒過程高溫區(qū)炭煙的生成。對于中置噴油器直噴式燃燒系統(tǒng)，提高噴油壓力能夠有效改善炭煙生成情況，但壓力過高，油束貫穿距進一步延長，易導(dǎo)致油束撞擊活塞頂或缸壁，在其表面形成不易揮發(fā)的壁面油膜，反而不利于混合氣的形成。因此，實際控制中需要綜合考慮油氣混合氣形成及油束與燃燒系統(tǒng)的綜合匹配。

圖7 不同噴油壓力下缸內(nèi)噴霧及燃燒特性

3 結(jié)論

a) 隨θSOI3提前，燃燒持續(xù)期與滯燃期均先減小后增大，燃燒特征參數(shù)均在θSOI3=120°BTDC時存在明顯拐點，此時pmi的循環(huán)變動COVpmi相對較??；

b) 試驗控制工況范圍下，缸內(nèi)燃燒過程主要以預(yù)混合燃燒為主，燃燒過程整體穩(wěn)定性較好；

c) 第三段噴油時刻過晚，由于活塞上行距上止點較近導(dǎo)致油束易于沖擊活塞表面；

d) 通過提高噴油壓力，可縮短燃燒持續(xù)期，有助于改善燃燒定容度，但噴油壓力過大，油束貫穿距進一步延長，油束沖擊缸壁的傾向增加，滯燃期及燃燒持續(xù)期反而延長；

e) 燃油噴射壓力增大，燃燒過程高溫明亮區(qū)數(shù)量減少。

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