朱宏飛 張雙 江梟梟 杜家坤 陳泓

摘 要：在一臺(tái)側(cè)置多孔噴油器的單缸光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)上通過(guò)時(shí)序控制單元控制噴油時(shí)刻，研究噴油策略對(duì)缸內(nèi)噴霧發(fā)展過(guò)程及燃燒特性的影響。研究結(jié)果表明，噴油時(shí)刻過(guò)早，油束會(huì)撞擊活塞頂面形成油膜，產(chǎn)生擴(kuò)散燃燒火焰，增加碳煙排放，且會(huì)減小燃燒速率，增加燃燒不穩(wěn)定性;噴油過(guò)晚，缸內(nèi)滾流變?nèi)?，缸?nèi)油氣混合不均勻，局部過(guò)濃區(qū)域會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散燃燒火焰，增加燃燒不穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：光學(xué)單缸機(jī);噴油時(shí)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(nèi)直噴汽油機(jī)可以通過(guò)精準(zhǔn)的調(diào)節(jié)噴油時(shí)刻，噴油量來(lái)控制缸內(nèi)空燃比，提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和熱效率;還可以通過(guò)調(diào)整噴油策略，實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)分層燃燒和稀薄燃燒;缸內(nèi)直噴汽油機(jī)缸內(nèi)燃燒溫度低，噴油壓力大，燃油霧化蒸發(fā)快，有較好的排放性能，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)關(guān)注的重點(diǎn)[1，2]。

隨著研究手段的進(jìn)一步完善，研究者們利用先進(jìn)的光學(xué)設(shè)備及可視化研究方法開展了一系列的燃燒系統(tǒng)控制參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響[3-6]。JingeunSong[3]等人在一臺(tái)光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)上研究了噴油策略對(duì)缸內(nèi)混合物的形成及燃燒特性的影響，結(jié)果表明，對(duì)于一次噴射策略，推遲噴油時(shí)刻，由于缸內(nèi)滾流強(qiáng)度大，火焰?zhèn)鞑ニ俾士?在點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)湍流強(qiáng)度高，缸內(nèi)爆發(fā)壓力大。XiongboDuan[4]等人，在一臺(tái)增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)上，使用乙醇和汽油的混合物研究了噴油策略對(duì)缸內(nèi)循環(huán)變動(dòng)的影響，試驗(yàn)采用兩次噴射的噴油策略，通過(guò)改變二次噴射的噴油時(shí)間和噴油量來(lái)研究對(duì)缸壓，缸內(nèi)爆發(fā)壓力，壓力升高率等影響。研究結(jié)果表明，第二次噴油時(shí)刻和噴油量對(duì)燃燒持續(xù)期的影響較小;噴油策略三的缸內(nèi)燃燒循環(huán)變動(dòng)率最小。P.Efthymiou[5]等人使用一臺(tái)光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)和高速彩色相機(jī)研究發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略對(duì)冷啟動(dòng)工況的影響。研究結(jié)果表明，在冷啟動(dòng)工況的不同時(shí)刻火焰?zhèn)鞑ニ俾?、火焰前鋒面結(jié)構(gòu)和空燃比變化很大;在碳煙生成區(qū)域的火焰呈現(xiàn)明亮狀態(tài)。S.breda[6]等人在光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)上研究了分次噴射策略對(duì)缸內(nèi)混合物形成的影響，研究結(jié)果表明，分次噴射可以增加缸內(nèi)混合氣的均勻度，缸內(nèi)混合氣的狀態(tài)與噴油策略有很大關(guān)系，缸內(nèi)的過(guò)濃區(qū)域會(huì)加速碳煙的生成。

本文基于可視化的光學(xué)單缸機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)時(shí)序控制單元控制噴油器的噴油時(shí)刻，利用燃燒分析儀記錄燃燒參數(shù)，來(lái)研究不同噴油時(shí)刻對(duì)缸內(nèi)噴霧發(fā)展過(guò)程和燃燒特性的影響。為燃燒系統(tǒng)開發(fā)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，并且可以為熱力學(xué)開發(fā)提前制定合理的控制策略。

1 試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)用的發(fā)動(dòng)機(jī)是一臺(tái)缸套為石英玻璃的光學(xué)單缸機(jī)，圖1為光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)體圖片。光學(xué)單缸機(jī)的缸徑為83mm，沖程為92mm。試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)采用側(cè)置噴油器，單電極火花塞，試驗(yàn)中選用的是自潤(rùn)滑性的材料作為活塞環(huán)，且玻璃缸套段沒有與活塞環(huán)接觸，因此視窗范圍內(nèi)沒有使用機(jī)油，保證了試驗(yàn)過(guò)程中視窗的清潔度，避免機(jī)油對(duì)成像造成影響。

試驗(yàn)臺(tái)架示意圖及視場(chǎng)圖片如圖2所示。試驗(yàn)用的光學(xué)單缸發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)控平臺(tái)包括：光學(xué)單缸發(fā)動(dòng)機(jī)，電力測(cè)功機(jī)、油水恒溫控制系統(tǒng)、35MPa高壓供油系統(tǒng)、時(shí)序控制單元、LED光源、高速攝像機(jī)等。圖像采集使用的是Photron High Speed Star Z系列的高速相機(jī)，拍攝速度可達(dá)20000幀/秒，曝光時(shí)間200μs，采樣時(shí)間分辨率為3°CA;缸壓信號(hào)采集使用Kistler 6054型缸壓傳感器;曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)由AVL 365C型角標(biāo)器輸出;燃燒過(guò)程示功圖及時(shí)序控制信號(hào)采集利用AVL Indicom系統(tǒng)，采樣分辨率為0.5°CA。為了保證試驗(yàn)的可靠性，試驗(yàn)在各項(xiàng)參數(shù)趨于穩(wěn)定后采集數(shù)據(jù)。為提高拍攝圖片的質(zhì)量，通過(guò)時(shí)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(tài)的捕捉，其余時(shí)刻熄滅，以保證燈光不影響火焰形態(tài)。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速固定在2000r/min，平均有效壓力（BMEP）為0.28MPa，冷卻水溫度和機(jī)油溫度均為60°C，試驗(yàn)采用單次噴射，噴油壓力控制在20Mpa，噴油時(shí)刻（SOI）從290°CA BTDC到240°CA BTDC每隔10°調(diào)節(jié)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 噴油時(shí)刻對(duì)缸內(nèi)噴霧發(fā)展的影響

圖3為不同噴射時(shí)刻下的噴霧發(fā)展情況。噴油時(shí)刻（SOI）過(guò)早，從（a）和（b）圖中可以看出噴油時(shí)刻位于290°CABTDC到280°CABTDC時(shí)，活塞距離上止點(diǎn)位置較近，噴霧油束會(huì)撞擊到活塞頂面，在活塞頂面易形成一層油膜，燃燒過(guò)程中，由于混合不均勻，易形成碳煙。隨著噴油時(shí)刻推遲，活塞遠(yuǎn)離上止點(diǎn)，噴霧撞擊到活塞頂?shù)内厔?shì)減小，隨著氣門開度的增加，缸內(nèi)滾流強(qiáng)度增加，氣流引導(dǎo)噴霧發(fā)展，從圖中噴油時(shí)刻270°CABTDC到250°CABTDC，可以看出，噴霧末端隨著氣流發(fā)展方向發(fā)生明顯的彎折，避免噴霧撞擊缸套，而且此時(shí)缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)，有利于缸內(nèi)混合氣混合均勻，易形成預(yù)混燃燒火焰，有利于降低排放。噴油時(shí)刻繼續(xù)推遲，從圖中噴油時(shí)刻為240°CABTDC可以看出，此時(shí)進(jìn)氣門逐漸關(guān)閉，缸內(nèi)滾流強(qiáng)度減小，氣流對(duì)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(shí)刻，有利于缸內(nèi)混合氣的形成，且可以減小噴霧撞擊壁面和活塞頂?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)，有利于減小排放。從本文的試驗(yàn)結(jié)果看，噴油時(shí)刻選擇在270°CABTDC到250°CABTDC時(shí)，既可以利用氣流引導(dǎo)噴霧發(fā)展，加強(qiáng)缸內(nèi)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(shí)刻對(duì)燃燒發(fā)展過(guò)程的影響

圖4為噴油時(shí)刻對(duì)燃燒發(fā)展過(guò)程的影響。缸內(nèi)火焰整體呈現(xiàn)為淡藍(lán)色預(yù)混燃燒火焰，缸內(nèi)出現(xiàn)的明亮區(qū)域是擴(kuò)散燃燒火焰，淡藍(lán)色火焰說(shuō)明缸內(nèi)油氣混合較好，明亮火焰說(shuō)明油氣混合較差，是碳煙生成的主要原因。缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是燃油直接噴射入汽缸內(nèi)，配合高滾流氣道，進(jìn)氣引導(dǎo)噴霧發(fā)展，促進(jìn)燃油與空氣的混合。而且缸內(nèi)直噴汽油機(jī)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?；鸹ㄈ鸷螅?jīng)過(guò)滯燃期、急燃期和后燃期，完成燃燒及做功過(guò)程。從圖4中可以看出，不同的噴油時(shí)刻，對(duì)燃燒過(guò)程的發(fā)展有很大影響。過(guò)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(chǎn)生大量未燃碳?xì)?，過(guò)晚噴油，缸內(nèi)滾流強(qiáng)度較弱，油氣混合不均勻，在缸內(nèi)局部區(qū)域過(guò)濃，形成明亮燃燒火焰，產(chǎn)生大量未燃碳?xì)?。因此，選取合適的噴油時(shí)刻，有助于缸內(nèi)混合氣更加均勻的混合，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾樱瑴p小碳煙的生成傾向。從本文的試驗(yàn)結(jié)果中看，噴油時(shí)刻選擇在270°CABTDC到260°CABTDC時(shí)，缸內(nèi)形成預(yù)混燃燒火焰，沒有明顯的擴(kuò)散燃燒火焰，可以降低排放。

2.3 噴油時(shí)刻對(duì)燃燒參數(shù)的影響

圖5為噴油時(shí)刻對(duì)燃燒參數(shù)的影響。噴油過(guò)早或過(guò)晚，均不利于缸內(nèi)混合氣的形成，進(jìn)而降低火焰?zhèn)鞑ニ俾?，圖5（a）是噴油時(shí)刻對(duì)AI50的影響。從圖中可以看出，隨著噴油時(shí)刻的推遲，AI50逐漸減小，在噴油時(shí)刻為260°CABTDC時(shí)，AI50達(dá)到最小值，之后AI50增加。在噴油時(shí)刻為260°CABTDC時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俾首畲?，燃燒速度最快。圖5（b）是噴油時(shí)刻對(duì)缸內(nèi)循環(huán)變動(dòng)的影響。試驗(yàn)的幾個(gè)噴油時(shí)刻均在可接受范圍內(nèi)，在噴油時(shí)刻為270°CABTDC時(shí)，循環(huán)變動(dòng)最小，燃燒最穩(wěn)定。

3 結(jié)論

（1）噴油時(shí)刻對(duì)缸內(nèi)混合氣的形成有很大影響，過(guò)早和過(guò)晚的噴油，會(huì)增加噴霧撞擊活塞頂面和缸壁的風(fēng)險(xiǎn)，容易形成油膜，增加碳煙排放。

（2）缸內(nèi)燃燒過(guò)程整體呈現(xiàn)淡藍(lán)色火焰，噴油過(guò)早，油束會(huì)撞擊活塞頂面形成一層油膜，生成明亮的擴(kuò)散燃燒火焰，碳煙排放增加;噴油過(guò)晚，缸內(nèi)油氣混合不均勻，缸內(nèi)過(guò)濃區(qū)域會(huì)增加碳煙排放。

（3）噴油時(shí)刻對(duì)燃燒速率有一定的影響，過(guò)早或過(guò)晚都會(huì)降低火焰?zhèn)鞑ニ俾?，增大燃燒不穩(wěn)定性。

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