李鈺懷，陳泓，冶麟，張雙

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GDI汽油機(jī)多孔噴油器噴霧特性的試驗(yàn)研究*

李鈺懷，陳泓，冶麟，張雙

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

為研究GDI汽油機(jī)采用均質(zhì)燃燒模式和分層燃燒模式火焰?zhèn)鞑サ默F(xiàn)象，在光學(xué)單缸發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行了GDI汽油機(jī)燃燒火焰可視化的試驗(yàn)。研究結(jié)果表明，采用化學(xué)計(jì)量空燃比均質(zhì)燃燒時(shí)，單次噴射和三次噴射對(duì)火焰的傳播和均勻度都有顯著影響，三次噴射的缸內(nèi)火焰分布較單次噴射均勻；而采用壁面引導(dǎo)的稀薄分層燃燒模式時(shí)，火焰較為明亮，且分布不均勻?？梢哉J(rèn)為，三次噴射有利于噴射霧束與空氣的交換，促進(jìn)油氣混合；且缸內(nèi)油氣混合的分布對(duì)火焰的傳播和分布有重要影響。

GDI汽油機(jī)；多孔噴油器；噴霧特性；試驗(yàn)研究

前言

隨著油耗法規(guī)的日益嚴(yán)格和環(huán)境壓力的日益嚴(yán)峻，探索和開發(fā)更加節(jié)能減排的發(fā)動(dòng)機(jī)一直是發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的熱點(diǎn)。缸內(nèi)燃油直接高壓噴射因具有良好的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及瞬態(tài)響應(yīng)特性，正逐漸成為現(xiàn)代汽油機(jī)發(fā)展的主流技術(shù)[1,2]。

GDI技術(shù)能夠精確靈活的控制噴油正時(shí)、噴射次數(shù)和噴油脈寬等噴油規(guī)律參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)汽油機(jī)燃燒過程的合理組織，從而有利于發(fā)動(dòng)機(jī)性能的全面提升。文獻(xiàn)資料的相關(guān)報(bào)道表明，噴油規(guī)律的有效組織能夠控制汽油機(jī)缸內(nèi)的火焰發(fā)展形成和傳播，對(duì)燃燒過程產(chǎn)生重要影響；GDI均質(zhì)燃燒模式采用燃油進(jìn)氣行程早期噴射，油氣混合均勻，產(chǎn)生均勻、較暗的火焰，而分層燃燒模式則采用燃油壓縮沖程末期噴射，油氣混合不均勻，有明亮的擴(kuò)散火焰發(fā)生[3,4]。目前，研究GDI汽油機(jī)噴油規(guī)律對(duì)燃燒過程的影響日益成為熱點(diǎn)課題。

本文在一臺(tái)光學(xué)單缸發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上，進(jìn)行GDI汽油機(jī)采用均質(zhì)和分層兩種不同燃燒模式的試驗(yàn)。在均質(zhì)燃燒模式下，研究了單次噴射和多次噴射對(duì)火焰?zhèn)鞑ゾ鶆蛐援a(chǎn)生變化的規(guī)律；在分層燃燒模式下，研究了噴油規(guī)律對(duì)分層燃燒實(shí)現(xiàn)的影響，并分析了分層燃燒模式下擴(kuò)散火焰的特性。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

本文試驗(yàn)研究采用的光學(xué)單缸機(jī)臺(tái)架系統(tǒng)如圖1所示。主要由光學(xué)單缸機(jī)本體、臺(tái)架相關(guān)集成設(shè)備以及進(jìn)氣控制系統(tǒng)、高壓油泵、Scienlab噴油控制單元、VisioScope拍照系統(tǒng)、時(shí)序同步單元（Engine Timing Unit，ETU）、角標(biāo)儀和燃燒分析儀組成。光學(xué)單缸機(jī)缸徑為74mm，行程為84.5mm，壓縮比為9.3。

圖1 光學(xué)單缸機(jī)臺(tái)架系統(tǒng)

光學(xué)單缸發(fā)動(dòng)機(jī)由電力測(cè)功機(jī)倒拖運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火，集成臺(tái)架設(shè)備同時(shí)提供冷卻水和潤(rùn)滑油循環(huán)。加長(zhǎng)活塞的中空部分引入壓縮空氣對(duì)其進(jìn)行冷卻，同時(shí)采用抽風(fēng)系統(tǒng)使曲軸箱保持一定負(fù)壓，以防止廢氣和潤(rùn)滑油溢出。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力由進(jìn)氣控制系統(tǒng)控制，可實(shí)現(xiàn)最高200kpa的進(jìn)氣壓力。采用的屋脊形的石英玻璃缸套能夠擴(kuò)大視窗范圍，可獲取缸蓋部分燃燒室的圖像信息。

1.2 試驗(yàn)方法

光學(xué)單缸發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，首先由電力測(cè)功機(jī)倒拖運(yùn)轉(zhuǎn)，然后完成試驗(yàn)所需工況發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境條件（進(jìn)氣狀態(tài)，噴油規(guī)律，冷卻水、潤(rùn)滑油壓力、溫度，點(diǎn)火參數(shù)等）的設(shè)定，最后通過控制缸內(nèi)供油觸發(fā)信號(hào)的通斷，來實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)數(shù)的控制，使排氣溫度不超溫，以保護(hù)石英缸套。

針對(duì)不同噴油規(guī)律，光學(xué)單缸機(jī)轉(zhuǎn)速2000r/min、IMEP 2.5bar的工況，采用pixelfly VGA99相機(jī)（拍攝頻率約為50fps，曝光時(shí)間100μs），結(jié)合VisioScope系統(tǒng)拍攝不同曲軸轉(zhuǎn)角的缸內(nèi)火焰；拍攝石英玻璃缸套內(nèi)的噴霧霧束時(shí)，以LED燈板（色溫6000K冷白光，照度約300lm）為光源。試驗(yàn)中，循環(huán)變動(dòng)COV控制在1.5%以內(nèi)，每個(gè)曲軸轉(zhuǎn)角下的缸內(nèi)圖像取30幀進(jìn)行濾色、疊加平均后來獲取更為準(zhǔn)確的信息。圖像后處理采用VisioScope自帶的軟件系統(tǒng)。

噴油規(guī)律在光學(xué)單缸發(fā)動(dòng)機(jī)上通過Scienlab系統(tǒng)（單個(gè)循環(huán)最多可進(jìn)行5次噴射）控制實(shí)現(xiàn)，噴油壓力由高壓油泵ECU單元控制，噴射壓力可達(dá)200bar。噴油脈寬為IP（Injection Pulse, IP），噴油時(shí)間間隔為DT（Dwell Time），多次噴射的描述示意圖如圖2所示。

圖2 多次噴油規(guī)律描述示意圖

2 GDI均質(zhì)燃燒火焰的研究

分別進(jìn)行單次噴射和多次噴射對(duì)光學(xué)單缸機(jī)運(yùn)行在2000r/min、IMEP 2.5bar時(shí)燃燒火焰?zhèn)鞑ミ^程影響的試驗(yàn)研究。噴油及點(diǎn)火的基本參數(shù)如表1和圖3所示。

表1 不同噴射次數(shù)時(shí)的噴射及點(diǎn)火參數(shù)

（備注：表中曲軸轉(zhuǎn)角相對(duì)于點(diǎn)火上止點(diǎn)）

兩種不同的噴射次數(shù)下，進(jìn)氣壓力、轉(zhuǎn)速、冷卻水和潤(rùn)滑油溫度等參數(shù)都不變，保持噴油壓力相同，同為80bar。由于缸內(nèi)氣體流動(dòng)循環(huán)變動(dòng)因素影響噴射時(shí)的背壓，同時(shí)噴射次數(shù)增加時(shí)會(huì)受到噴油器線性度問題影響，因此應(yīng)合理的調(diào)整三次噴射的噴油脈寬，盡可能確保過量空氣系數(shù)為1。

采用VisioScope系統(tǒng)分別拍攝不同曲軸轉(zhuǎn)角的缸內(nèi)燃燒及火焰?zhèn)鞑ミ^程和噴霧霧束在缸內(nèi)形態(tài)發(fā)展過程，結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 單次噴射及三次噴射霧束圖像

從圖4（a）可以看出，單次噴射的霧束貫穿距較大，霧束存在撞壁以及接觸活塞頂面的可能，從而影響燃油在缸內(nèi)分布；而圖4（b）的三次噴射每次霧束貫穿距均較小，不會(huì)出現(xiàn)濕壁和撞擊活塞頂面情況，霧束的噴射能量多次與氣體交換，空間霧化效果較好，有利于混合氣在缸內(nèi)的均勻分布。

圖5 單次噴射及三次噴射缸內(nèi)火焰

從圖5的單次噴射火焰和三次噴射火焰?zhèn)鞑ミ^程可以看出，二者火焰均較暗，但三次噴射的火焰與單次噴射相比，火焰更為均勻。從火焰的初期傳播來看，單次噴射火焰?zhèn)鞑ポ^慢，說明火花塞附近油氣混合效果不夠好；在火焰?zhèn)鞑ブ泻笃?，單次噴射火焰在活塞頂面附件出現(xiàn)了明亮的擴(kuò)散燃燒火焰，表明存在燃油濕潤(rùn)活塞頂面和燃油分布不均勻現(xiàn)象，而三次噴射火焰一直較為均勻，基本不存在擴(kuò)散火焰?；鹧?zhèn)鞑ミ^程所表現(xiàn)出的現(xiàn)象與缸內(nèi)噴霧結(jié)果和分析較為吻合。

綜合上述的分析可以認(rèn)為，多次噴射可以減小霧束的貫穿距，從而降低濕壁的風(fēng)險(xiǎn)，并實(shí)現(xiàn)多次與氣體能量交換，有利于燃油空間霧化和混合氣在缸內(nèi)的均勻分布，而均勻的缸內(nèi)油氣混合物分布將有效實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)均質(zhì)預(yù)混火焰的形成。

3 GDI分層燃燒火焰的研究

GDI分層燃燒和均質(zhì)燃燒的主要不同之處在于燃油噴射時(shí)刻和缸內(nèi)混合氣的組織。均質(zhì)燃燒的燃油一般較早噴射（進(jìn)氣行程），以形成均質(zhì)混合氣，分層燃燒則在壓縮沖程末期將燃油噴射進(jìn)氣缸，形成自火花塞附近由近及遠(yuǎn)由濃到稀的混合氣。為觀察分層燃燒火焰的傳播情況，試驗(yàn)設(shè)定噴油規(guī)律，在光學(xué)單缸機(jī)上實(shí)現(xiàn)分層燃燒。GDI分層燃燒點(diǎn)火及噴射參數(shù)描述如圖6和表2所示。所拍攝的噴霧及火焰如圖7和圖8所示。

圖6 GDI分層燃燒點(diǎn)火及噴射參數(shù)描述示意圖

表2 GDI分層燃燒時(shí)的噴射及點(diǎn)火參數(shù)

（備注：表中曲軸轉(zhuǎn)角相對(duì)于點(diǎn)火上止點(diǎn)）

圖7為分層燃燒的三次噴射過程，噴射壓力較高時(shí)，貫穿距有所變長(zhǎng)，接近上止點(diǎn)的兩次噴射霧束撞擊活塞頂面經(jīng)壁面引導(dǎo)后，在火花塞附近形成可點(diǎn)燃混合氣，保證點(diǎn)火的成功和火核形成及火焰?zhèn)鞑ァ?/p>

從圖8的分層燃燒火焰?zhèn)鞑ミ^程可以看出，相比于均質(zhì)燃燒的火焰，分層燃燒由于擴(kuò)散火焰的存在比較明亮；在火焰初期傳播階段（Ⅰ: 0°CA火焰），擴(kuò)散火焰輪廓對(duì)應(yīng)于油氣混合物的分布，中后期階段火焰明亮，且氣缸左邊火焰比右邊更為明亮，說明油氣在左邊聚集較多。

分析認(rèn)為，分層燃燒的噴油策略決定了擴(kuò)散火焰的存在。在壓縮行程末期，噴射的燃油與空氣混合時(shí)間極短，無(wú)法形成均質(zhì)的混合氣，大部分油氣是以邊混合邊燃燒的擴(kuò)散火焰方式燃燒，所以火焰較為明亮。

圖7 分層燃燒三次噴射霧束圖像

圖8 分層燃燒缸內(nèi)火焰

4 結(jié)論

1）GDI發(fā)動(dòng)機(jī)均質(zhì)燃燒模式的預(yù)混火焰在缸內(nèi)分布均勻，亮度較暗；分層燃燒模式的火焰主要以擴(kuò)散火焰為主，較為明亮。

2）多次噴射能實(shí)現(xiàn)霧束與空氣的多次能量交換，促進(jìn)燃油的空間霧化，且燃油早期噴射增加了油氣混合時(shí)間，均有利于在缸內(nèi)形成均勻的油氣分布。

3）GDI發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)油氣混合物分布是火焰?zhèn)鞑サ闹匾绊懸蛩兀A(yù)混、均勻分布的混合氣有利于缸內(nèi)燃燒火焰的均勻。

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Experimental investigation on spray characteristics for a multi-hole GDI injector

Li Yuhuai, Chen Hong, Ye Lin, Zhang Shuang

（GAC Automotive Research & Development Center, Guangzhou 511434）

This paper describes the experimental study of the flame propagation for homogeneous burn mode and stratified burn mode in an optical Gasoline Directed Injection (GDI) engine. The results show that, under homogeneous stoichiometric conditions, significant influence could be found on flame propagation whether single injection or triple injection is in used, the distribution of flame will be more uniform. However, for stratified burn mode, the flame distribution become non uniform and higher luminosity. Thus, triple injection might be benefit for the mixing process and the distribution of mixture in cylinder has important influence on flame propagation.

GDI engine; Multi-hole injector; Spray characteristics; Experimental study

U464.171

B

1671-7988(2018)22-43-03

李鈺懷，(1985- )，男，就職于廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院。

U464.171

B

1671-7988(2018)22-43-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.014