缸內直噴與氣道噴射汽油機燃燒過程可視化研究

付磊　宮艷峰　竇慧莉　李顯　李華

（中國第一汽車股份有限公司技術中心，長春130011）

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缸內直噴與氣道噴射汽油機燃燒過程可視化研究

付磊宮艷峰竇慧莉李顯李華

（中國第一汽車股份有限公司技術中心，長春130011）

【摘要】為了對比分析缸內直噴汽油機和氣道噴射汽油機缸內燃燒過程，基于高速攝像系統進行了缸內燃燒過程可視化研究，并獲得兩種供油方式的缸內燃燒特征。對比結果表明，氣道噴射汽油機在暖機過程缸內擴散燃燒現象明顯；氣道噴射汽油機在暖機過程的高速攝像結果中火焰區域亮度不均勻，而缸內直噴汽油機的缸內燃燒高速攝像結果中火焰區域亮度較均勻，可以較清楚的識別火焰邊界。

1　前言

汽油機是乘用車的主要動力源，增壓技術是提高其燃油經濟性最有效的技術之一。增壓發動機可以采用氣道噴射和缸內直噴兩種供油方式。缸內直噴技術通過增加壓縮比提高發動機燃油經濟性，同時與增壓技術相結合，可以進一步提高發動機的性能。氣道噴射技術的使用呈下降趨勢，但從成本和技術成熟程度上看，氣道噴射依然具有很大的市場，不斷提高氣道噴射汽油機的技術水平仍是汽油機主要技術方向之一。

合理組織缸內燃油噴射、著火、燃燒等過程是缸內直噴汽油機燃燒系統開發的關鍵工作，尤其在許多早期的分層燃燒直噴汽油機產品開發過程中都做了大量的缸內過程研究工作[1]。

氣道噴射汽油機燃油進入缸內有4種方式：剝離霧化、噴霧霧化、油膜擠入、氣門和缸蓋底部油膜沉積[2]。Vincent等人經過研究，進一步明確了氣道噴射汽油機混合氣的形成機理[3]。氣道噴射汽油機燃油噴射過程對缸內燃燒也有顯著影響。Cinzia等人利用光學單缸機研究了燃油噴射對氣道噴射汽油機缸內燃燒過程的影響，認為在暖機工況，與閉閥噴射相比，開閥噴射會使缸內擴散燃燒更少[4]。

近年來，采用高速攝像方法進行代用燃料或混合燃料缸內燃燒過程的研究較多，文獻[5]為了表明不同燃料燃燒過程的差異性，采用圖片信息量化與缸內壓力分析相結合的方法，分析了火焰發展過程；文獻[6]采用高速攝像方法研究了生物柴油火焰發展過程；文獻[7]研究了不同控制參數對CNG火焰發展過程的影響；文獻[8]研究了含氮比例對柴油機著火和燃燒過程的影響。雖然利用缸壓分析和排放分析相結合可以推測出燃燒過程，但是采用高速攝像方法直接進行不同控制參數下的缸內噴霧和燃燒過程的研究有助于提高對缸內直噴汽油機工作過程的了解，有利于從內因解釋排放和性能等外在表現。

本文基于光學單缸機及高速攝像系統，研究缸內直噴與氣道噴射兩種供油方式的缸內燃燒過程，并對其進行對比。

2　試驗概述

試驗樣機為一臺缸套是石英玻璃的光學單缸發動機，其主要參數如表1所列。可視缸套高度為55 mm，可以測量點火及燃燒等主要過程。相機為高速黑白相機（Phatom V611），鏡頭采用Nikkor 105 mm定焦鏡頭，曝光時間為1 μs，分辨率為1 280×800。采用丹迪公司的Dynamicstudio控制系統，系統中包含根據角標信號輸出角度信號的設備，可以輸出一定角度間隔（可設置）的脈沖信號，相機采用外觸發模式，接收到脈沖信號后進行拍攝，可實現指定多角度多循環連續拍攝。試驗工況如表2所列。

表1　試驗樣機基本參數

表2　試驗工況

試驗方法：調整噴油量和節氣門開度，利用燃燒分析儀計算平均指示壓力，分別確定兩種供油方式對應目標工況的噴油脈寬和節氣門開度；測量前先用測功機倒拖光學單缸機300 s，將點火開關打開后，再打開燃油噴射開關，當λ和缸壓等參數相對穩定后，啟動高速攝像系統進行記錄，每次記錄40個循環。鑒于缸內直噴汽油機燃燒過程的特點，利用經平均處理后的圖像、偽彩圖和原始圖像相結合的方式對其進行分析；因霧化不充分，擴散燃燒較多，同一火焰中亮度相差大（過多的亮斑存在），采用平均的方式會掩蓋燃燒的真實特征，所以氣道噴射采用原始圖像反映其燃燒特點。

3　缸內直噴與氣道噴射缸內燃燒過程對比分析

3.1缸內直噴汽油機暖機工況燃燒過程特點分析

缸內直噴汽油機暖機工況缸內燃燒過程的原始圖像、平均圖像和偽彩圖如圖1～圖3所示，其對應的點火正時為上止點前（BTDC）41°，噴油正時為BTDC 250°。由圖3可以看出，在BTDC 28°時，火核已經形成，在BT?DC16°時，火焰已經擴散較大，并且火焰發展不對稱，偏向于排氣側；火焰繼續發展，到BTDC 4°時，火焰寬度已經達到約缸徑的一半，之后圖像基本飽和。原始圖像所示的燃燒過程與偽彩圖相似，但在火焰發展期出現了幾個由于擴散燃燒產生的亮點。圖2所示的平均圖像描述了火焰的發展過程和強度變化，在偽彩圖大幅度飽和階段可以通過平均圖像觀察缸內燃燒過程的變化，在上止點后（ATDC）20°之后，缸內亮度也開始減弱。

圖1　缸內直噴汽油機缸內燃燒過程原始圖像

圖2　缸內直噴汽油機缸內燃燒過程平均圖像

圖3　缸內直噴汽油機缸內燃燒過程偽彩圖

3.2氣道噴射汽油機暖機工況燃燒過程特點分析

氣道噴射汽油機一般采用閉閥噴射，利用氣門及氣道較高的壁面溫度提高燃油的霧化速度和質量，氣門開啟后霧化的燃油進入缸內；但在暖機階段，氣門和氣道溫度不高，在氣門開啟時仍然會有較多的燃油以油膜形式存在，氣流對油膜的剝離起主要作用，油膜燃油過多會使剝離產生的油滴粒徑增大，增加了附著在缸套和活塞上形成燃油沉積的可能性。圖4所示為氣道噴射缸內燃燒過程。可知，在BTDC 20°時，可以看到明顯的火焰，并且火焰中有明顯亮斑；在火焰前鋒面發展過程中，亮斑數量增加，亮斑的大小也增加；火焰中的亮斑可以持續到燃燒后期。可觀測到的亮斑是由未充分霧化的燃油在高溫下進行擴散燃燒形成碳煙而發出較強的可見光引起的。

圖4　氣道噴射缸內燃燒過程

3.3缸內直噴與氣道噴射缸內燃燒過程對比分析

從兩種燃燒過程分析結果可以看出，缸內直噴汽油機與氣道噴射汽油機在暖機過程缸內燃燒現象具有較大差別：前者缸內存在擴散燃燒，但是較少；后者缸內擴散燃燒現象明顯，并且存在于點火至燃燒后期整個燃燒過程；前者因為擴散燃燒少，缸內亮度均勻，所以缸內燃燒的高速攝像結果中火焰的邊界明顯，容易確定火焰傳播過程；后者高速攝像結果的火焰傳播邊界不明顯，擴散燃燒使局部亮度增加，其它部分亮度減小。

4　結束語

本文利用光學單缸發動機和高速攝像系統，研究了缸內直噴汽油機與氣道噴射汽油機暖機工況缸內燃燒過程，并經對比分析可知，氣道噴射汽油機暖機燃燒過程缸內擴散燃燒現象明顯多于缸內直噴汽油機；氣道噴射汽油機暖機燃燒過程高速攝像結果的火焰區域亮度不均勻，而缸內直噴汽油機的火焰區域亮度均勻，可以較清楚的識別火焰邊界。

參考文獻

1Kuwahara K, Ueda K, Ando H. Mixing Control Strategy for Engine Performance Improvement in a Gasoline Direct In?jection Engine.SAE 980158, 1998 .

2 Meyer R, Heywood J. Liquid Fuel Transport Mechanisms in?to the Cylinder of a Firing Port-Injected SI Engine During Start Up.SAE 970865, 1997.

3 Costanzo V,Heywood J. Mixture Preparation Mechanisms in a Port Fuel Injected Engine.SAE 2005-01-2080.

4Tornatore C, Merola S, Sementa P. Combustion Process In?vestigation in a Small SI Engine using Optical Diagnostics. SAE2010-01-2262.

5 Lee P, Polcyn N, Lai M. Direct Visualization of Combustion in an E85- Fueled DISI Engine under Various Operation Conditions. SAE 2013-01-1129.

6 He X, Ma X,Wu F J, et al.Visualization investigation of soot characteristics of engine fuelled with biodiesel fuel. Chinese Internal Combustion Engine Engineering, 2009, 30（2）:1～5. 7Lin XD, Huang Y, Yuan FE, et al. A Study on the Factors Affecting the Process of Flame Propagation with Lean Burn in CNG DI Engine. Automotive Engineering, 2011, 33（10）: 845～849.

8Yao CD, Gao YQ, Liu ZY, et al. Study on the ef fect of volu?metric percentage of N2 in intake air on ignition and com?bustion of diesel engine.Journal of Thermat Science and Technology, 2002, 32（12）:133～137.

（責任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2015年10月13日。

Research on the In-cylinder Combustion Process of PFI and GDI Engine by Visualization

Fu Lei, Gong Yanfeng, Dou Huili, Li Xian, Li Hua （China FAW Co., Ltd R&D Center, Changchun 130011）

【Abstract】To compare and analyze the combustion process for PFI and GDI engine, visualization research is performed with high speed camera, and in-cylinder combustion characteristics of two fuel supply methods are obtained. The comparison results show that the diffusion combustion phenomena of PFI engine is more significant in the warm- up process; whereas brightness of the flame area of PFI engine is nonuniform in the warm-up process, but that of GDI engine is comparatively uniform and can be used to identify the flame boundary.

Key words:Gasoline direct injection, Port fuel injection, Gasoline engine, Combustion process, Visualization

中圖分類號:U464.1

文獻標識碼:A

文章編號:1000-3703（2016）01-0029-03

主題詞:缸內直噴氣道噴射汽油機燃燒過程可視化