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0 前言

近年來(lái)，汽油直噴系統(tǒng)開(kāi)發(fā)進(jìn)展的重點(diǎn)是增壓小型化和稀薄燃燒。與此同時(shí)，由于全球汽車保有量的日益增長(zhǎng)，對(duì)適應(yīng)各種燃料的燃燒系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)也是發(fā)展方向，A、B級(jí)車搭載的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化型發(fā)動(dòng)機(jī)性能得到了提升[1-4]。

為了滿足未來(lái)小型發(fā)動(dòng)機(jī)的要求，有必要開(kāi)發(fā)一種多點(diǎn)噴射(MPI)系統(tǒng)來(lái)應(yīng)對(duì)未來(lái)的顆粒物(PM)/顆粒數(shù)(PN)帶來(lái)的排放挑戰(zhàn)。開(kāi)發(fā)了一種MPI雙噴嘴系統(tǒng)(指對(duì)著每個(gè)進(jìn)氣門有獨(dú)立的噴嘴噴射燃油，即1個(gè)氣缸內(nèi)有2個(gè)進(jìn)氣門和2個(gè)噴嘴的MPI噴射系統(tǒng))?？梢阅M直噴系統(tǒng)的混合氣形成，憑借高進(jìn)氣效率在缸內(nèi)形成噴霧，同時(shí)保留了MPI系統(tǒng)的油氣均勻混合的優(yōu)點(diǎn)。闡明了傳統(tǒng)MPI單噴嘴系統(tǒng)的混合氣形成，特別是在開(kāi)閥噴射過(guò)程中均質(zhì)混合氣的形成，并提出了MPI雙噴嘴系統(tǒng)概念。指出了在該系統(tǒng)中采用開(kāi)閥噴射需要考慮進(jìn)氣流動(dòng)和良好的霧化。最后，本文提出了一種新MPI系統(tǒng)，其噴孔具有獨(dú)特的霧化結(jié)構(gòu)，其噴霧形態(tài)也得以優(yōu)化。

1 方法

1.1 MPI發(fā)動(dòng)機(jī)PM排放特性分析

鑒于未來(lái)排放法規(guī)重點(diǎn)可能在PM上，因此研究人員進(jìn)行了關(guān)于PM排放特性的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)和分析。試驗(yàn)中使用了Cambustion DMS500 顆粒分析儀，可以提供基于時(shí)域的顆粒尺寸和數(shù)量分布。

有研究指出，由于燃油濕壁，混合氣長(zhǎng)時(shí)間處于過(guò)濃燃燒狀態(tài)，則PM會(huì)不斷地聚集導(dǎo)致顆粒直徑變大。另一方面，已證實(shí)濃混合氣燃燒分布于整個(gè)燃燒室，而不是集中在某個(gè)特定的地方。因此，如果沒(méi)有聚集，PM直徑往往就很小。相關(guān)文獻(xiàn)研究了實(shí)際燃燒室中混合氣的形成，以及對(duì)PM排放顆粒直徑的影響。

1.2 實(shí)際噴霧分析

為了量化噴霧特性，采用了DANTEC PDA儀器用于噴霧粒徑分析，光散射法(激光片)測(cè)試噴霧分布，以及Photron 高速攝像機(jī)觀察噴霧發(fā)展歷程。

1.3 混合氣形成分析

應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)方法分析驗(yàn)證了實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣形成特性的模型精度。分析采用了Convergent Science 公司的CONVERGE 軟件。表1列出了本研究中的CFD條件。

表1 本研究中的CFD條件

噴霧模型精度一直被認(rèn)為是CFD分析中的重要內(nèi)容。由于本文提出的霧化結(jié)構(gòu)是電裝獨(dú)有的技術(shù)，研究人員認(rèn)為使用軟件中自帶的噴霧模型將導(dǎo)致其與試驗(yàn)結(jié)果不匹配。因此，為了保證CFD分析中的噴霧精度，將噴霧特性的物理量(顆粒直徑、初始速度、分布、噴霧方向等)作為初始值。

圖1給出了3種不同噴霧形態(tài)的建模示例。通過(guò)與圖中紅線的測(cè)量值的比較，可以認(rèn)為，在圖中藍(lán)線所示的噴霧特性計(jì)算值，包括貫穿距和噴霧角度的計(jì)算值具有足夠的精度。

圖1 噴霧形態(tài)建模

2 新MPI發(fā)動(dòng)機(jī)概念的開(kāi)發(fā)

2.1 MPI發(fā)動(dòng)機(jī)PM排放特性

表2給出了2輛搭載有MPI發(fā)動(dòng)機(jī)(自然吸氣和渦輪增壓)車輛的參數(shù)。車輛測(cè)試基于對(duì)排放要求更嚴(yán)格的全球統(tǒng)一輕型試驗(yàn)循環(huán)(WLTC)。

表2 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)(量產(chǎn)型)

圖2展示了典型工況下顆粒排放的數(shù)量和粒徑分布隨時(shí)間變化的結(jié)果，包括：冷起動(dòng)、冷機(jī)加速、熱機(jī)行駛和熱機(jī)高速大負(fù)荷。

圖2 WLTC試驗(yàn)PM排放特性

對(duì)于增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，因?yàn)閺牡退贍顟B(tài)到中速霧化狀態(tài)，期間有足夠的時(shí)間，可以推斷較小直徑的PM源于燃油加濃控制，而不是由于噴霧效果差。由于氣道和缸壁燃油濕壁而造成燃油輸送延遲，于是發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)混合氣進(jìn)行加濃補(bǔ)償。自然吸氣和增壓這兩種發(fā)動(dòng)機(jī)都表明，MPI系統(tǒng)燃油濕壁面臨著一系列技術(shù)挑戰(zhàn)，因此必須改善MPI系統(tǒng)中的濕壁控制狀態(tài)。

其次PM是在高速/高負(fù)荷運(yùn)行工況下產(chǎn)生的，此工況下形成的PM直徑較小。通常認(rèn)為加濃的原因是為了避免爆燃和減少排氣系統(tǒng)熱負(fù)荷。然而，對(duì)控制邏輯進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有進(jìn)行加濃控制。因此，由于大量非均質(zhì)混合氣在氣缸內(nèi)燃燒，即使在高轉(zhuǎn)速時(shí)氣缸氣流運(yùn)動(dòng)促進(jìn)油氣混合，也可能產(chǎn)生PM排放。此外，由于在增壓發(fā)動(dòng)機(jī)上負(fù)荷更高，則需要更長(zhǎng)的噴油持續(xù)期，并且由于燃油濕壁和濃混合燃燒現(xiàn)象的存在，從而導(dǎo)致了PM排放量顯著增加。

2.2 MPI系統(tǒng)中混合氣形成問(wèn)題

混合氣形成特性的CFD分析結(jié)果見(jiàn)圖3，基于實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)該P(yáng)M排放結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。對(duì)比說(shuō)明了高速工況下開(kāi)閥噴射與閉閥噴射氣道噴射噴霧形成的差異，該工況在實(shí)際車輛測(cè)試中會(huì)導(dǎo)致PM排放量較高。

圖3 單次噴射噴霧特性

對(duì)于閉閥噴射，雖然按照設(shè)計(jì)噴霧可以擴(kuò)散到整個(gè)氣道，但是在進(jìn)氣門開(kāi)啟前，噴霧會(huì)附著在進(jìn)氣門和氣道壁面上，也就是說(shuō)越好的霧化效果要求噴霧破碎長(zhǎng)度越短。因此，噴嘴安裝位置的選擇需要考慮到噴霧破碎長(zhǎng)度以減少濕壁。

對(duì)于開(kāi)閥噴射，當(dāng)噴霧到達(dá)進(jìn)氣閥時(shí)，開(kāi)啟進(jìn)氣門，對(duì)此進(jìn)行了CFD分析。在初始噴射階段，噴霧可以擴(kuò)散至整個(gè)進(jìn)氣道。然而，隨著進(jìn)氣流速的增加，噴霧進(jìn)入氣缸后發(fā)生漂移。這是因?yàn)閷?duì)于單次噴射，油束外側(cè)需橫向穿過(guò)氣流。同樣，即使在主要采用閉閥噴射的控制系統(tǒng)中，在高負(fù)荷情況下也會(huì)發(fā)生缸內(nèi)噴霧漂移，這是因?yàn)閲娪统掷m(xù)期較長(zhǎng)的緣故，噴油持續(xù)期從進(jìn)氣門關(guān)閉一直到進(jìn)氣門開(kāi)啟。這表明在強(qiáng)進(jìn)氣氣流下混合氣的形成要求噴霧具備很好的穩(wěn)定性(噴霧貫穿距離)，以及噴霧形態(tài)設(shè)計(jì)需與進(jìn)氣氣流或噴嘴安裝位置相匹配，以防止噴霧穿過(guò)氣流。

此外，關(guān)于缸內(nèi)的燃油特性，觀察到開(kāi)閥噴射會(huì)使噴霧直接被吸入燃燒室內(nèi)，而進(jìn)氣氣流會(huì)加速這一現(xiàn)象，并使其沖擊到排氣側(cè)的氣缸壁。結(jié)果顯示，為了保證良好霧化和減少缸內(nèi)濕壁，伴隨均勻進(jìn)氣的噴霧擴(kuò)散是必不可少的。

2.3 雙噴射概念

在分析了發(fā)動(dòng)機(jī)PM排放特性試驗(yàn)后，確定未來(lái)MPI系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的重要要素包括：減少濕壁，以防止燃油輸送延遲；進(jìn)氣門開(kāi)閥噴射時(shí)采用直接、均勻的噴霧。同時(shí)，對(duì)進(jìn)氣道和氣缸內(nèi)的CFD分析揭示了以下因素的重要性：強(qiáng)氣流下的噴射位置和噴霧靶點(diǎn)；對(duì)于均勻氣流混合效果最優(yōu)的噴霧靶點(diǎn)和大噴霧角；進(jìn)一步進(jìn)行噴霧優(yōu)化以防止氣缸濕壁現(xiàn)象出現(xiàn)。

在此基礎(chǔ)上，研究人員提出了一種“MPI多點(diǎn)氣道噴射雙噴嘴系統(tǒng)”， 該系統(tǒng)作為面向全球市場(chǎng)新MPI系統(tǒng)，并且可以解決當(dāng)前的問(wèn)題。

在這個(gè)系統(tǒng)中，可以通過(guò)在每個(gè)進(jìn)氣道上安裝噴嘴來(lái)實(shí)現(xiàn)以下目的：通過(guò)將噴射點(diǎn)靠近進(jìn)氣氣流中心來(lái)防止噴霧穿過(guò)氣流，從而實(shí)現(xiàn)噴霧均勻流的效果；噴孔數(shù)越多、噴孔直徑越小，霧化越好；相同的噴孔尺寸，以較高的噴射速率(縮短噴射持續(xù)時(shí)間)確?；旌蠚庑纬珊驼舭l(fā)所需時(shí)間。

通過(guò)CFD分析，檢驗(yàn)了該MPI雙噴嘴系統(tǒng)。單噴嘴與雙噴嘴的噴霧形態(tài)、缸內(nèi)噴霧特性和進(jìn)氣門開(kāi)啟區(qū)域燃油分布的比較分別見(jiàn)圖4、圖5和圖6。這些對(duì)比基于開(kāi)閥噴射，研究了進(jìn)氣氣流穩(wěn)定性對(duì)噴霧形成的影響?？紤]到進(jìn)氣道的截面形狀，憑借MPI雙噴嘴系統(tǒng)的高度靈活噴霧設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)圓形和橢圓形噴霧。

如前所述，傳統(tǒng)的MPI單噴嘴系統(tǒng)由于進(jìn)氣氣流強(qiáng)度的改變而難以產(chǎn)生均勻的氣流，并使其進(jìn)入氣缸。因此，噴霧通常以聚集的方式到達(dá)排氣側(cè)的氣缸壁。在MPI雙噴嘴系統(tǒng)中，噴霧水平漂移現(xiàn)象得以消除，于是可以產(chǎn)生均勻的氣流；噴霧在到達(dá)排氣側(cè)的氣缸壁之前，噴霧處于均勻分布狀態(tài)。然而，需要避免噴霧的垂直漂移，這是因?yàn)槿加褪菑臍獾理敳窟M(jìn)行噴射的。這表明，由于MPI雙噴嘴系統(tǒng)應(yīng)用橢圓形噴霧，增強(qiáng)了垂直流的穩(wěn)定性，能以更均勻的狀態(tài)流入，并且有助于增加直接進(jìn)入氣缸的燃油。

圖4 MPI雙噴系統(tǒng)噴霧形態(tài)

圖5 混合氣形成特點(diǎn)比較

圖6 燃油質(zhì)量分布

2.4 新設(shè)計(jì)噴油嘴優(yōu)化

下文將介紹一種能夠確保噴孔數(shù)量和橢圓形噴霧效果的噴嘴開(kāi)發(fā)。優(yōu)化霧化效果的常用方法為加快噴射速度(恒定供油壓力下減少壓力損失)，以及增大燃油和空氣之間的接觸面積。在霧化技術(shù)中，研究人員開(kāi)發(fā)了錐形噴孔，可通過(guò)膨脹流加速噴霧破碎。霧化設(shè)計(jì)和錐形噴孔特征見(jiàn)圖7和表3，其效果如圖8所示。

錐形噴孔具有良好的霧化效果和防止氣流干擾噴霧的穩(wěn)定性(貫穿距穩(wěn)定)。對(duì)于MPI雙噴嘴系統(tǒng)和開(kāi)閥噴射，錐形噴孔可形成有效的噴霧。

圖9展示了一種全新的噴嘴設(shè)計(jì)理念，即運(yùn)用錐形噴孔設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)橢圓形噴射形態(tài)。隨著孔數(shù)的增加，由于噴嘴入口壓力損失增大，燃料流速度減小，減小孔徑可以增大燃油和空氣接觸面積。

圖7 錐形噴孔設(shè)計(jì)

表3 錐形噴孔優(yōu)點(diǎn)

+++：最優(yōu)；++：優(yōu)異；+：優(yōu)良；0：一般。

圖8 錐形噴孔噴霧特性

減小噴孔長(zhǎng)度/噴孔直徑比(長(zhǎng)徑比)，以盡量減少由摩擦造成的壓力損失。此外，噴霧穿透性也可借助每個(gè)油束之間的相互作用而增強(qiáng)，這樣有利于削弱氣道氣流的影響。如同橢圓型噴霧，噴孔數(shù)越少，則噴嘴進(jìn)口處的壓力損失小，流速就會(huì)增加。因此，錐形孔的長(zhǎng)徑比較大，可以加速噴霧擴(kuò)張，降低油膜厚度。增大長(zhǎng)徑比，噴霧的方向性將有所增強(qiáng)，使噴霧形態(tài)更寬。

圖10顯示了上述兩種設(shè)計(jì)概念下不同孔數(shù)對(duì)霧化的影響。如圖10所示，隨著孔數(shù)的增加，噴霧油束內(nèi)部的燃料密度變大，并且噴霧的貫穿距可改善氣流的穩(wěn)定性，這一點(diǎn)可從噴霧長(zhǎng)度方面得以顯示。即使孔數(shù)少，新設(shè)計(jì)的噴嘴通過(guò)優(yōu)化壓力損失達(dá)到了與多孔小直徑噴嘴相同水平的霧化性能。

圖9 錐形噴孔設(shè)計(jì)比較

圖10 噴嘴優(yōu)化對(duì)橢圓形噴霧的影響

2.5 在發(fā)動(dòng)機(jī)上驗(yàn)證新設(shè)計(jì)噴嘴

圖11給出了采用新設(shè)計(jì)(MPI雙噴+霧化噴嘴)噴射系統(tǒng)，并在發(fā)動(dòng)機(jī)上驗(yàn)證了混合氣形成的優(yōu)化結(jié)果。

試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了采用MPI雙噴系統(tǒng)能夠減少燃油濕壁并可實(shí)現(xiàn)均勻氣流，從而在實(shí)際駕駛狀態(tài)下大大減少了PM排放量。此外，燃燒持續(xù)期的縮短提高了抗爆燃性能。

圖11 MPI雙噴嘴發(fā)動(dòng)機(jī)的收益

3 結(jié)論

對(duì)環(huán)境友好的MPI系統(tǒng)(應(yīng)用開(kāi)閥噴射)的研究有助于MPI發(fā)動(dòng)機(jī)在全球市場(chǎng)的發(fā)展，并獲得了以下研究結(jié)論：

(1)在強(qiáng)氣流條件下需要進(jìn)行實(shí)現(xiàn)均勻直接進(jìn)氣流和更好霧化的噴霧形態(tài)設(shè)計(jì)；

(2)應(yīng)用MPI雙噴系統(tǒng)可以同時(shí)滿足均勻的直接進(jìn)氣流和更好的霧化效果；

(3)采用錐形噴孔設(shè)計(jì)可進(jìn)一步減小油膜厚度并加速霧化。

(4)MPI雙噴系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)表明，噴霧直接流入氣缸不影響均質(zhì)混合氣的形成，而且可以提高抗爆性能，以及減少PM排放。