噴油策略對發動機噴霧及燃燒的可視化研究

朱宏飛 張雙 江梟梟 杜家坤 陳泓

摘 要：在一臺側置多孔噴油器的單缸光學發動機上通過時序控制單元控制噴油時刻，研究噴油策略對缸內噴霧發展過程及燃燒特性的影響。研究結果表明，噴油時刻過早，油束會撞擊活塞頂面形成油膜，產生擴散燃燒火焰，增加碳煙排放，且會減小燃燒速率，增加燃燒不穩定性;噴油過晚，缸內滾流變弱，缸內油氣混合不均勻，局部過濃區域會產生擴散燃燒火焰，增加燃燒不穩定性。

關鍵詞：光學單缸機;噴油時刻;燃燒室;燃燒特性

Abstract： The influence of injection strategycontrolled by Engine Timing Unit on spray development and combustion characteristics was experimentally studied on a direct injection optical single cylinder gasoline engine with side-mounted multihole injectors. The results show that if the injection timing is too early， the spray will impingement on the piston， produce diffused flame， generate more soot and improve the combustion instability. If the injection timing is too late， the mixture in the cylinder forms uneven because of the weak tumble， and the rich area will generate more soot and improve the combustion instability.

Keywords： Optical engine; Injection timing; Combustion chamber; Combustion system design

前言

缸內直噴汽油機可以通過精準的調節噴油時刻，噴油量來控制缸內空燃比，提高發動機燃油經濟性和熱效率;還可以通過調整噴油策略，實現缸內分層燃燒和稀薄燃燒;缸內直噴汽油機缸內燃燒溫度低，噴油壓力大，燃油霧化蒸發快，有較好的排放性能，已經成為國內外研究機構關注的重點[1，2]。

隨著研究手段的進一步完善，研究者們利用先進的光學設備及可視化研究方法開展了一系列的燃燒系統控制參數對發動機性能的影響[3-6]。JingeunSong[3]等人在一臺光學發動機上研究了噴油策略對缸內混合物的形成及燃燒特性的影響，結果表明，對于一次噴射策略，推遲噴油時刻，由于缸內滾流強度大，火焰傳播速率快;在點火時刻缸內湍流強度高，缸內爆發壓力大。XiongboDuan[4]等人，在一臺增壓直噴發動機上，使用乙醇和汽油的混合物研究了噴油策略對缸內循環變動的影響，試驗采用兩次噴射的噴油策略，通過改變二次噴射的噴油時間和噴油量來研究對缸壓，缸內爆發壓力，壓力升高率等影響。研究結果表明，第二次噴油時刻和噴油量對燃燒持續期的影響較小;噴油策略三的缸內燃燒循環變動率最小。P.Efthymiou[5]等人使用一臺光學發動機和高速彩色相機研究發動機控制策略對冷啟動工況的影響。研究結果表明，在冷啟動工況的不同時刻火焰傳播速率、火焰前鋒面結構和空燃比變化很大;在碳煙生成區域的火焰呈現明亮狀態。S.breda[6]等人在光學發動機上研究了分次噴射策略對缸內混合物形成的影響，研究結果表明，分次噴射可以增加缸內混合氣的均勻度，缸內混合氣的狀態與噴油策略有很大關系，缸內的過濃區域會加速碳煙的生成。

本文基于可視化的光學單缸機試驗平臺，通過時序控制單元控制噴油器的噴油時刻，利用燃燒分析儀記錄燃燒參數，來研究不同噴油時刻對缸內噴霧發展過程和燃燒特性的影響。為燃燒系統開發提供試驗數據支撐，并且可以為熱力學開發提前制定合理的控制策略。

1 試驗條件

1.1 試驗裝置

試驗用的發動機是一臺缸套為石英玻璃的光學單缸機，圖1為光學發動機的實體圖片。光學單缸機的缸徑為83mm，沖程為92mm。試驗用發動機主要技術參數如表1所示。發動機采用側置噴油器，單電極火花塞，試驗中選用的是自潤滑性的材料作為活塞環，且玻璃缸套段沒有與活塞環接觸，因此視窗范圍內沒有使用機油，保證了試驗過程中視窗的清潔度，避免機油對成像造成影響。

試驗臺架示意圖及視場圖片如圖2所示。試驗用的光學單缸發動機的測控平臺包括：光學單缸發動機，電力測功機、油水恒溫控制系統、35MPa高壓供油系統、時序控制單元、LED光源、高速攝像機等。圖像采集使用的是Photron High Speed Star Z系列的高速相機，拍攝速度可達20000幀/秒，曝光時間200μs，采樣時間分辨率為3°CA;缸壓信號采集使用Kistler 6054型缸壓傳感器;曲軸轉角信號由AVL 365C型角標器輸出;燃燒過程示功圖及時序控制信號采集利用AVL Indicom系統，采樣分辨率為0.5°CA。為了保證試驗的可靠性，試驗在各項參數趨于穩定后采集數據。為提高拍攝圖片的質量，通過時序控制單元控制LED光源在359°CA BTDC-32°CA BTDC打開，以利于噴霧形態的捕捉，其余時刻熄滅，以保證燈光不影響火焰形態。

1.2 試驗方法

試驗中發動機轉速固定在2000r/min，平均有效壓力（BMEP）為0.28MPa，冷卻水溫度和機油溫度均為60°C，試驗采用單次噴射，噴油壓力控制在20Mpa，噴油時刻（SOI）從290°CA BTDC到240°CA BTDC每隔10°調節。

2 試驗結果及分析

2.1 噴油時刻對缸內噴霧發展的影響

圖3為不同噴射時刻下的噴霧發展情況。噴油時刻（SOI）過早，從（a）和（b）圖中可以看出噴油時刻位于290°CABTDC到280°CABTDC時，活塞距離上止點位置較近，噴霧油束會撞擊到活塞頂面，在活塞頂面易形成一層油膜，燃燒過程中，由于混合不均勻，易形成碳煙。隨著噴油時刻推遲，活塞遠離上止點，噴霧撞擊到活塞頂的趨勢減小，隨著氣門開度的增加，缸內滾流強度增加，氣流引導噴霧發展，從圖中噴油時刻270°CABTDC到250°CABTDC，可以看出，噴霧末端隨著氣流發展方向發生明顯的彎折，避免噴霧撞擊缸套，而且此時缸內氣流運動較強，有利于缸內混合氣混合均勻，易形成預混燃燒火焰，有利于降低排放。噴油時刻繼續推遲，從圖中噴油時刻為240°CABTDC可以看出，此時進氣門逐漸關閉，缸內滾流強度減小，氣流對噴霧的彎折作用減小，且不利于混合氣的形成。因此，選擇合適的噴油時刻，有利于缸內混合氣的形成，且可以減小噴霧撞擊壁面和活塞頂的風險，有利于減小排放。從本文的試驗結果看，噴油時刻選擇在270°CABTDC到250°CABTDC時，既可以利用氣流引導噴霧發展，加強缸內混合氣的形成，又可以避免噴霧撞擊活塞頂和缸壁，形成碳煙。

2.2 噴油時刻對燃燒發展過程的影響

圖4為噴油時刻對燃燒發展過程的影響。缸內火焰整體呈現為淡藍色預混燃燒火焰，缸內出現的明亮區域是擴散燃燒火焰，淡藍色火焰說明缸內油氣混合較好，明亮火焰說明油氣混合較差，是碳煙生成的主要原因。缸內直噴汽油機的優點是燃油直接噴射入汽缸內，配合高滾流氣道，進氣引導噴霧發展，促進燃油與空氣的混合。而且缸內直噴汽油機一般使用高壓噴射，噴出的燃油液滴直徑更小，容易霧化，與空氣更好的混合，形成均勻混合氣。火花塞跳火后，經過滯燃期、急燃期和后燃期，完成燃燒及做功過程。從圖4中可以看出，不同的噴油時刻，對燃燒過程的發展有很大影響。過早的噴油，油束撞擊活塞頂，在活塞頂形成油膜，燃油不完全燃燒，形成明亮燃燒火焰，產生大量未燃碳氫，過晚噴油，缸內滾流強度較弱，油氣混合不均勻，在缸內局部區域過濃，形成明亮燃燒火焰，產生大量未燃碳氫。因此，選取合適的噴油時刻，有助于缸內混合氣更加均勻的混合，火焰傳播速度增加，減小碳煙的生成傾向。從本文的試驗結果中看，噴油時刻選擇在270°CABTDC到260°CABTDC時，缸內形成預混燃燒火焰，沒有明顯的擴散燃燒火焰，可以降低排放。

2.3 噴油時刻對燃燒參數的影響

圖5為噴油時刻對燃燒參數的影響。噴油過早或過晚，均不利于缸內混合氣的形成，進而降低火焰傳播速率，圖5（a）是噴油時刻對AI50的影響。從圖中可以看出，隨著噴油時刻的推遲，AI50逐漸減小，在噴油時刻為260°CABTDC時，AI50達到最小值，之后AI50增加。在噴油時刻為260°CABTDC時，火焰傳播速率最大，燃燒速度最快。圖5（b）是噴油時刻對缸內循環變動的影響。試驗的幾個噴油時刻均在可接受范圍內，在噴油時刻為270°CABTDC時，循環變動最小，燃燒最穩定。

3 結論

（1）噴油時刻對缸內混合氣的形成有很大影響，過早和過晚的噴油，會增加噴霧撞擊活塞頂面和缸壁的風險，容易形成油膜，增加碳煙排放。

（2）缸內燃燒過程整體呈現淡藍色火焰，噴油過早，油束會撞擊活塞頂面形成一層油膜，生成明亮的擴散燃燒火焰，碳煙排放增加;噴油過晚，缸內油氣混合不均勻，缸內過濃區域會增加碳煙排放。

（3）噴油時刻對燃燒速率有一定的影響，過早或過晚都會降低火焰傳播速率，增大燃燒不穩定性。

參考文獻

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[2] M.Koegl， B.Hofbeck， S.Will， L.Zigan， Investigation of soot forma -tion and oxidation of ethanol and butanol fuel blends in a DISI engine at different exhaust gas recirculation rates.

[3] JingeunSong，TaehoonKim，JihwanJang，SungwookPark. Effects of the injection strategy on the mixture formation and combustion characteristics in a DISI （direct injection spark ignition） optical engine. Energy， 2015， 93：1758-1768.

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