黃 彬

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201206）

前言

增壓直噴汽油機(jī)因其可在進(jìn)氣形成和壓縮行程靈活控制噴油策略，可實(shí)現(xiàn)較低的缸內(nèi)進(jìn)氣溫度和燃燒溫度，充氣效率高爆震傾向低，可實(shí)現(xiàn)較高的功率扭矩。直噴系統(tǒng)燃油控制更精確利于發(fā)動機(jī)動態(tài)空燃比控制，從而實(shí)現(xiàn)較好的燃油經(jīng)濟(jì)性和冷啟動排放性能等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已逐漸成為國內(nèi)外汽油機(jī)研發(fā)的主流產(chǎn)品[1,2]。

然而，由于直噴系統(tǒng)噴射油束貫穿距較大，開發(fā)階段需重點(diǎn)關(guān)注因油束與燃燒室內(nèi)壁干涉引起的燃油濕壁現(xiàn)象，對于小排量發(fā)動機(jī)因其缸徑較小干涉更難避免。研究表明，燃油濕壁后難以及時有效的蒸發(fā)，部分濕壁燃油以液態(tài)形式參與燃燒，極易因不完全燃燒引起發(fā)動機(jī)碳煙和碳?xì)渑欧懦瑯?biāo)[3,4]。國六排放法規(guī)收嚴(yán)氣體排放限值的同時，增加對整車排放碳煙數(shù)量的要求，相比在排氣系統(tǒng)增加汽油機(jī)顆粒物過濾裝置（GPF），在開發(fā)匹配階段即關(guān)注避免增壓直噴汽油機(jī)燃油濕壁風(fēng)險更顯重要。

隨著發(fā)動機(jī)研究的深入和研發(fā)手段的發(fā)展完善，單缸機(jī)試驗(yàn)已成為發(fā)動機(jī)燃燒系統(tǒng)開發(fā)的核心部分，此階段借助可視化光學(xué)發(fā)動機(jī)直接觀測缸內(nèi)工作過程，成為研究發(fā)動機(jī)燃油霧化形態(tài)、混合氣分布均勻性、燃燒火焰形態(tài)和碳煙生成等特性的有效手段，可在項(xiàng)目開發(fā)初期鎖定發(fā)動機(jī)燃燒系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)[5-8]。

本研究在一臺可視化光學(xué)單缸機(jī)上，在相同試驗(yàn)邊界條件下，對比兩種不同形式噴油器和兩種活塞頂面燃燒室的多種硬件組合匹配狀態(tài)，從兩個典型工況基于燃燒穩(wěn)定性、燃油濕壁風(fēng)險等方面綜合對比，得到優(yōu)化的噴油器和燃燒室匹配組合，為后續(xù)多缸機(jī)開發(fā)打下堅實(shí)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)

圖1 為試驗(yàn)用光學(xué)發(fā)動機(jī)的實(shí)物圖。此發(fā)動機(jī)主要聚焦于試驗(yàn)研究燃燒室類型、噴油器形式和活塞頂面形狀等燃燒核心部件。發(fā)動機(jī)安裝的大可視窗的熔融石英缸套，可支持光學(xué)測量缸內(nèi)混合氣流動組織、噴油油束特性、燃燒火焰發(fā)展傳播和排放物生成位置，另外，透明缸套利于觀測噴油濕壁位置。缸蓋系統(tǒng)的特殊設(shè)計利于噴油器、火花塞和缸壓傳感器的靈活布置和更換，便于高效開展硬件選型試驗(yàn)。

圖1 光學(xué)單缸機(jī)實(shí)物圖

此研究中主要針對噴油控制參數(shù)開展試驗(yàn)，噴油壓力由20MPa 可控升壓單元提供，噴油時刻、噴油次數(shù)、噴油相位和點(diǎn)火時刻等關(guān)鍵控制參數(shù)由開放式ECU 控制，由模擬增壓控制單元控制發(fā)動機(jī)進(jìn)氣壓力和溫度。表1 給出了此發(fā)動機(jī)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。

表1 發(fā)動機(jī)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

1.2 測量系統(tǒng)

本研究試驗(yàn)采用AVL 電力測功機(jī)測量控制發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩，發(fā)動機(jī)冷卻水和機(jī)油溫度壓力由AVL577 單元控制。采用Kistler6052 型缸壓傳感器配合AVL Indicom 采集分析缸內(nèi)燃燒壓力信號，信號采樣間隔為0.1°CA，由安裝在曲軸前端的AVL 角標(biāo)器觸發(fā)記錄。發(fā)動機(jī)氣體排放由AMA i60測量，顆粒物質(zhì)量濃由AVL 483 測量得到。

試驗(yàn)中的光學(xué)可視化測量主要基于對平面激光誘導(dǎo)熒光法（PLIF，Planar Laser Induced Fluorescence）和高精攝像系統(tǒng)的應(yīng)用。由YAG 光譜物理激光器產(chǎn)生10Hz 的266nm 激光束，傳導(dǎo)后經(jīng)過片光器后變?yōu)槠?，片光沿石英缸套徑向射入燃燒室?nèi)，激發(fā)平面內(nèi)的熒光反應(yīng)。本研究使用sCMOS相機(jī)采樣頻率可達(dá)50fps，像素分辨率最高達(dá)2560×2160。試驗(yàn)中相機(jī)垂直于激光平面，采集缸內(nèi)激光平面內(nèi)的圖像信息。通過時序控制模塊同步光學(xué)測量系統(tǒng)激光和采樣時刻，準(zhǔn)確采集研究關(guān)注的曲軸轉(zhuǎn)角時刻缸內(nèi)圖像信號。圖2 給出了光學(xué)測量系統(tǒng)布置示意圖。此系統(tǒng)也可關(guān)閉激光器，調(diào)節(jié)攝像系統(tǒng)參數(shù)以直接拍攝缸內(nèi)燃燒火焰圖像信息。

圖2 可視化測量系統(tǒng)布置示意圖

1.3 試驗(yàn)方案與分析方法

本研究涵蓋三角形6 孔和菱形7 孔兩種噴油器，凹頂和平面兩種活塞頂面燃燒室方案，對各噴油器和燃燒室組合方案進(jìn)行同邊界條件對比試驗(yàn)，如表2 所列。基于整機(jī)典型關(guān)注工況點(diǎn)，選取典型試驗(yàn)工況分別代表發(fā)動機(jī)在催化器起燃和全油門條件下的性能表現(xiàn)，從燃燒特性、排放特性、噴油霧化光學(xué)測量和燃燒火焰特性等方面數(shù)據(jù)綜合對比，確定最優(yōu)組合方案。

表2 噴油器和活塞頂面選型方案

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 催化器起燃工況

催化器起燃工況要求發(fā)動機(jī)燃燒穩(wěn)定且排放水平較低，以通過推遲點(diǎn)火角提高排溫盡量降低整機(jī)排放?？紤]典型性，本研究選取轉(zhuǎn)速1200rpm 負(fù)荷IMEP 1.6bar 作為催化器起燃工況開展試驗(yàn)。發(fā)動機(jī)冷卻液水溫和機(jī)油溫控制在20℃模擬冷態(tài)環(huán)境。試驗(yàn)中點(diǎn)火角固定在20 CA ATDC，噴油模式采用三段式噴射，以保障缸內(nèi)混合氣整體均勻性的同時，點(diǎn)火時刻在火花塞附近形成相對較濃的混合氣以利于穩(wěn)定點(diǎn)火燃燒?；谥把芯拷Y(jié)果，固定前兩次噴射時刻SOI1 為260 CA bTDC， SOI2 為230 CA bTDC，第三次噴射時刻研究范圍140-50 CA bTDC。

圖3 催化器起燃工況燃燒和排放參數(shù)

圖3 給出第三次噴射時刻對發(fā)動機(jī)燃燒和排放的影響。由圖可知，四種組合在催化器起燃工況下碳煙排放水平基本一致。噴油器I-129 和活塞頂面P-A 的組合可保持最寬廣范圍內(nèi)穩(wěn)定的燃燒，且在四種組合中燃燒最快，說明此組合可得到更好的混合氣組織，利于催化器起燃。在較晚的噴油時刻I-129 和P-B 的組合燃燒明顯偏慢。基于燃燒穩(wěn)定性、燃燒持續(xù)期、碳煙排放等綜合比較，選定第三次噴射時刻110 CA bTDC。

圖4 不同噴油器缸內(nèi)混合氣霧化混合過程

基于選定的第三次噴射時刻，測量比較兩種噴油器形式對燃油霧化混合的影響。圖4 給出第三次噴射后到接近上止點(diǎn)的過程中，缸內(nèi)噴油霧化混合氣形成過程的PLIF 測量結(jié)果?？梢妰煞N噴油器第三次噴射形成的混合氣均在燃燒室中心區(qū)域相對集中，這得益于高滾流比氣道設(shè)計。對比各時刻測量結(jié)果可見，I-129 噴油器在燃燒室中心區(qū)域可實(shí)現(xiàn)相對更明顯的弱分層混合氣分布，這更易實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火時刻火花塞附近混合氣偏濃，以利于火核形成并成功傳播，得到良好的燃燒穩(wěn)定性。

綜上所述，在催化器起燃工況下I-129 噴油器利于形成利于燃燒和排放的缸內(nèi)混合氣分布。

2.2 全油門工況

從整車動力匹配角度考慮，發(fā)動機(jī)最大扭矩關(guān)系整車加速能力，最大扭矩的有效轉(zhuǎn)速區(qū)間需盡量寬廣。通常將轉(zhuǎn)速1500rpm 全油門工況作為一個典型工況開發(fā)，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的最大扭矩指標(biāo)。本研究在1500rpm 設(shè)定進(jìn)氣壓力為2bar、噴油壓力250bar，分別研究單次噴射策略和三次噴射策略噴油時刻對發(fā)動機(jī)燃燒特性的影響。過程中考慮光學(xué)單缸機(jī)石英缸套強(qiáng)度限制，設(shè)定點(diǎn)火角為8 CA aTDC。

圖5 為單次噴射策略下發(fā)動機(jī)燃燒和排放測試結(jié)果，噴油時刻研究范圍為300-250 CA bTDC?？梢姴煌M合條件下均可得到較低的燃燒循環(huán)變動率（IMEP_COV），燃燒持續(xù)期均較短，滿足開發(fā)目標(biāo)要求。全油門工況噴油脈寬長，一般首次噴射盡量提前以利于燃油的充分霧化混合，從圖中可見若噴油時刻早于290 CA bTDC 碳煙排放大幅度升高，這是由于此時活塞位置較高，易與油束干涉引起燃燒室內(nèi)大面積濕壁引起燃油蒸發(fā)不充分，因此選定第一次噴射時刻290 CA bTDC 作為后續(xù)開發(fā)試驗(yàn)的基礎(chǔ)。

圖5 全油門單次噴射燃燒和排放參數(shù)

缸內(nèi)直噴汽油機(jī)開發(fā)過程中需盡量避免燃燒室內(nèi)燃油濕壁現(xiàn)象的產(chǎn)生，因?yàn)槿加蜐癖诓焕谌加涂諝獬浞只旌?，局部偏濃引發(fā)碳煙生成。全油門工況油束貫穿距較長，一般很難避免局部濕壁現(xiàn)象，典型濕壁位置為缸套、活塞頂面、氣門等處，活塞頂面和排氣門位置因溫度較高，濕壁燃油仍可較完善蒸發(fā)，但缸套和氣門位置的濕壁需嚴(yán)格避免。圖6 為噴油器和活塞四種組合條件下，缸內(nèi)燃燒后期碳煙明亮火焰圖像。四種組合在單次噴射條件下，均發(fā)現(xiàn)不同程度的碳煙火焰產(chǎn)生。P-A 活塞和I-129 組合在排氣側(cè)缸套附近存在碳煙火焰，P-A 和I-535 組合在進(jìn)氣門附近存在大量碳煙火焰且持續(xù)后燃，且缸套附近也存在很輕微的碳煙火焰；P-B 活塞匹配兩種噴油器時，分別在活塞頂面和進(jìn)氣門附近發(fā)現(xiàn)輕微碳煙火焰?？梢姡巾敾钊鸓-B 相對于凹頂活塞P-A 活塞更利于避免碳煙生成，這也與圖5 所示的碳煙排放結(jié)果一致。表明此平頂活塞燃燒室滾流組織更利于燃油蒸發(fā)混合，內(nèi)壁燃油濕壁風(fēng)險相對更小。

圖6 單次噴射碳煙火焰對比

相對于單次噴射，多次噴射可更靈活分配噴油脈寬，避免因油束貫穿距較大與活塞、氣門等處干涉引起燃油濕壁?；趩未螄娚溲芯拷Y(jié)果，僅在P-B 活塞頂面燃燒室上進(jìn)行三次噴射時刻掃描試驗(yàn)，基于燃燒和排放數(shù)據(jù)選定三次噴射時刻分別為290、240、110CA bTDC。 圖7 為P-B 活塞頂面匹配兩種噴油器考察濕壁、碳煙火焰對比情況。由圖可知，兩種噴油器均在活塞表面存在輕微碳煙火焰，I-535 噴油器在進(jìn)氣門附近存在很輕微的碳煙火焰?？梢?，三次噴射相對于單次噴射濕壁問題得到很大改善，在噴油相位掃描試驗(yàn)完成后，石英缸套避免也均未見濕壁痕跡。另外，結(jié)合試驗(yàn)后拆機(jī)檢查缸內(nèi)情況來看，I-535 噴油器對進(jìn)氣門仍有沖刷痕跡。

綜合來講，在全油門工況下I-129 噴油器匹配P-B 活塞為最優(yōu)組合方案，I-535 噴油器匹配P-B 活塞需要進(jìn)一步通過優(yōu)化噴油器形式以避免進(jìn)氣門輕微濕壁現(xiàn)象。

圖7 三次噴射碳煙火焰圖像

3 結(jié)論

在催化器起燃工況，I-129 和I-535 噴油器匹配P-A 和P-B兩種活塞頂面燃燒室均能滿足燃燒穩(wěn)定性和碳煙排放的要求，第三次噴射時刻選擇110CA bTDC。

I-129 噴油器形成的混合氣分布形態(tài)，更利于發(fā)動機(jī)在催化器起燃工況發(fā)動機(jī)燃燒和排放性能。

在全油門工況下，三次噴射更有利于發(fā)動機(jī)燃燒和避免因燃油濕壁產(chǎn)生碳煙排放，最優(yōu)相位三次噴射時刻為290、240、110CA bTDC。

采用I-129 噴油器匹配P-B 活塞頂面的組合，在全油門工況活塞頂面、缸套附近燃油濕壁風(fēng)險最小。