孫 哲，崔明利，王鴻雨，李雪松，許 敏

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海 200240)

面對嚴(yán)苛的排放法規(guī)以及油耗法規(guī)，汽車動力系統(tǒng)迎來史無前例的技術(shù)革命.眾多先進(jìn)燃燒技術(shù)中均質(zhì)稀薄燃燒被認(rèn)為是未來革命性提升發(fā)動機(jī)熱效率、降低有害排放的主要技術(shù)路徑之一[1].稀薄燃燒利用較低的燃燒溫度可以降低熱損失，低溫富氧的環(huán)境可以抑制有害排放，有效改善燃燒效果[2-3].然而稀薄燃燒因?yàn)槿加拖”?、混合不均以及全局溫度較低，會導(dǎo)致著火困難，出現(xiàn)失火的現(xiàn)象，火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@降低，惡化發(fā)動機(jī)性能[4-5].為了穩(wěn)定火核生成，可以利用高能點(diǎn)火建立更強(qiáng)的離子通道來增強(qiáng)燃燒的穩(wěn)定性.然而，火核生成穩(wěn)定并不能加速火焰?zhèn)鞑ニ俣龋貏e在低速工況下，由于氣流作用較弱，等離子體無法有效傳播，火核生成也會受到限制[5-7].

閃沸噴霧已被認(rèn)為是增強(qiáng)燃料與空氣混合并減少碰壁相互作用的方法.利用提升相應(yīng)燃油溫度發(fā)生噴射瞬間的相變微爆閃急沸騰現(xiàn)象，可以有效增強(qiáng)霧化以及油滴蒸發(fā)，既可以減少壁膜生成的可能性，又可以增加噴霧傳播過程中的阻力，降低貫穿距，增強(qiáng)燃料與空氣的混合[8-9].更加均質(zhì)的油氣混合可以有效優(yōu)化燃燒過程，相關(guān)閃沸噴霧燃燒的研究均證實(shí)，開發(fā)閃沸噴霧燃燒系統(tǒng)在改善油氣混合、提升稀薄燃燒速度、提升熱效率方面擁有巨大潛力[10-11].

本論文研究利用一臺光學(xué)發(fā)動機(jī)通過加熱油軌的方式，制造閃沸噴霧來改善燃油霧化以及缸內(nèi)油氣混合，并通過缸壓以及光學(xué)診斷技術(shù)進(jìn)行可視化燃燒分析.研究表明，閃沸噴霧可以有效加快燃燒放熱速度，改善缸內(nèi)指示平均有效壓力(IMEP).

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 光學(xué)發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)置

如圖1 給出了本次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理圖.該實(shí)驗(yàn)在一臺單缸四沖程發(fā)動機(jī)上進(jìn)行，燃燒室燃燒過程基于Bowditch 方法通過石英活塞由45°鏡子反射，由NAC HX-5E 高速彩色相機(jī)(CMOS)拍攝記錄.發(fā)動機(jī)配有水套的金屬缸套用于控制燃燒系統(tǒng)邊界溫度.在缸蓋位置布置缸壓傳感器，配合AND 燃燒分析儀記錄發(fā)動機(jī)缸壓數(shù)據(jù).所有信號由控制器同步，并在給出點(diǎn)火信號后同時記錄圖像.圖像幀速率為6 000 幅/s，分辨率為327×221 像素，每個循環(huán)記錄150 張圖片，在缸內(nèi)穩(wěn)定燃燒1 min 后同時記錄100個循環(huán)缸壓以及圖像.實(shí)驗(yàn)使用博世對稱八孔噴油器(Bosch HDEV5.1)，中置直噴，與火花塞布置于燃燒室中央.為了保證應(yīng)用效果的準(zhǔn)確性，該實(shí)驗(yàn)采用92 號汽油作為燃料，以異辛烷作為計(jì)算過熱度的主要單質(zhì)油品，確保大多數(shù)燃油組分處于完全閃沸狀態(tài).油溫由加熱帶加熱油管控制，根據(jù)之前大量的噴霧研究，不同的環(huán)境-飽和壓力比(pa/ps)會產(chǎn)生不同的噴霧形態(tài)，并對噴霧霧化形態(tài)、粒徑等噴霧特性參數(shù)產(chǎn)生明顯影響[10].該實(shí)驗(yàn)分別設(shè)定過冷噴霧為30 ℃，完全閃沸噴霧為200 ℃，并利用保溫措施確保燃料溫度精確控制在±3 ℃的誤差范圍.發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，進(jìn)氣背壓為90 kPa，過量空氣系數(shù)通過控制噴油量設(shè)定為1.55.此外，該實(shí)驗(yàn)采用高能點(diǎn)火技術(shù)(826 mJ，2 ms 充磁時間)以維持穩(wěn)定的稀薄燃燒狀態(tài).燃油噴射時刻、點(diǎn)火時刻經(jīng)過掃點(diǎn)確定在最大扭矩點(diǎn)(MBT).其他實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)匯總于表1.

圖1 光學(xué)發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)原理Fig.1 Schematic of optical engine experiment

表1 光學(xué)發(fā)動機(jī)參數(shù)Tab.1 Parameters of optical engine

1.2 顏色模型圖像處理方法

針對實(shí)驗(yàn)得到的彩色圖像，該實(shí)驗(yàn)應(yīng)用數(shù)字化HSV 顏色處理模型對預(yù)混火焰區(qū)域進(jìn)行重新標(biāo)定，針對火焰圖像的預(yù)混火焰區(qū)域進(jìn)行了提取增強(qiáng)，在不同工況下對閃沸噴霧燃燒與過冷噴霧燃燒過程進(jìn)行量化對比分析.在之前的研究里[12-13]，該顏色模型利用光譜儀以及特定波長的帶寬濾鏡，對火焰預(yù)混燃燒的主要生成物C2*(516 nm)以及CH*(430 nm)進(jìn)行標(biāo)定，成功從彩色高速相機(jī)圖像中分離出預(yù)混火焰區(qū)域的色度(Hue)區(qū)間118°～252°.圖2 為該顏色模型的原理示意圖，該標(biāo)定過程對碳?xì)鋽U(kuò)散火焰下不同的火焰結(jié)構(gòu)區(qū)域進(jìn)行了精確標(biāo)定，詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)標(biāo)定過程以及相關(guān)應(yīng)用可見文獻(xiàn)[14-18]，利用該區(qū)間可以實(shí)現(xiàn)對碳?xì)淙剂匣鹧娴牟煌Y(jié)構(gòu)進(jìn)行量化分析，并認(rèn)為該火焰區(qū)域可以進(jìn)行有效的火焰?zhèn)鞑?，油氣混合良好，可以?shí)現(xiàn)高效的燃料放熱做功.

圖2 基于HSV顏色模型的預(yù)混火焰區(qū)域提取原理Fig.2 Schematic of premixed flame region extraction based on HSV color model

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 發(fā)動機(jī)燃燒表現(xiàn)

圖3 給出了不同工況下100 個循環(huán)IMEP 與CA 50(完成50%全部放熱量時的曲軸轉(zhuǎn)角)關(guān)系對比.首先閃沸噴霧燃燒具有更高的IMEP，其平均IMEP 由過冷噴霧的655 kPa 上升到684 kPa，提升4.43%，這說明在等量的燃油條件下，閃沸噴霧燃燒有更高的熱效率.此外，可以看出100 循環(huán)整體閃沸噴霧燃燒的波動性較小，由IMEP 的循環(huán)變動(CoV)計(jì)算得出，利用閃沸噴霧可以將過冷噴霧燃燒的1.65%進(jìn)一步優(yōu)化至0.89%，循環(huán)變動降低46.06%.閃沸噴霧其快速蒸發(fā)的能力主要在稀薄燃燒模式中體現(xiàn)為更加均質(zhì)的混合氣生成，這導(dǎo)致在火焰擴(kuò)散過程里降低了由油氣分布帶來的循環(huán)變動.整體CA 50明顯更加提前，過冷噴霧出現(xiàn)了個別循環(huán)的CA 50大于17°CA ATDC，惡化了IMEP 以及燃燒穩(wěn)定性.

圖3 不同工況下100個循環(huán)IMEP與CA 50關(guān)系對比Fig.3 Comparison of relationship between IMEP in 100 cycles and CA 50 under different operating conditions

圖4 給出了不同工況下100 個循環(huán)平均缸壓對比，也給出了閃沸噴霧以及過冷噴霧燃燒100 個循環(huán)平均累積放熱百分比對比.如圖4(a)所示，閃沸噴霧燃燒明顯加快缸壓上升速度，并具有更高的最大缸壓值以及更快的最大缸壓相位.這直接說明閃沸噴霧燃燒的缸內(nèi)的燃燒速度更加劇烈，做功更加明顯.可以明顯看到閃沸噴霧燃燒的放熱速度要明顯高于冷態(tài)噴霧.如圖4(b)所示，在10%～90%的放熱持續(xù)期內(nèi)，閃沸噴霧燃燒并沒有表現(xiàn)出明顯的放熱速度加快的優(yōu)勢.整體的放熱持續(xù)期差別不大.然而仔細(xì)對比燃燒開始相位CA 10 以及燃燒中點(diǎn)CA 50，100 個測試循環(huán)的平均結(jié)果表明，閃沸噴霧燃燒的CA 10 為1.74°CA ATDC，CA 50 為11.81°CA ATDC，相比于過冷噴霧燃燒的3.19°CA ATDC 以及14.18°CA ATDC 分別提前了1.45°CA 以及2.37°CA.這說明閃沸噴霧燃燒有更快的開始燃燒相位以及燃燒中點(diǎn)更加提前，更加接近發(fā)動機(jī)做功上止點(diǎn).進(jìn)一步對比前期放熱持續(xù)期CA 10～CA 50，閃沸噴霧燃燒為10.07°CA 以及10.99°CA，縮短了8.37%，這說明在閃沸噴霧燃燒前期燃燒速度更快.

圖4 不同工況下缸壓以及放熱規(guī)律對比Fig.4 Comparison of cylinder pressure and heat release under different operating conditions

圖5 給出了閃沸噴霧以及過冷噴霧燃燒的瞬時放熱率以及瞬時放熱率2 階微分對比.從瞬時放熱速度中可以更加明顯地看出閃沸噴霧燃燒的最大瞬時放熱率更高，瞬時放熱峰值相位更早，擁有更快的放熱速度.這使得在發(fā)動機(jī)膨脹做功的過程里，更多的燃料以更快的燃燒速度放熱，從而改善功能轉(zhuǎn)化.此外，對放熱速度進(jìn)行微分發(fā)現(xiàn)，閃沸噴霧以及過冷噴霧均出現(xiàn)了明顯的兩段燃燒特征[19-20].閃沸噴霧以及過冷噴霧燃燒的快速放熱階段(放熱后第1次瞬時放熱加速度為0 的時刻)的結(jié)束時間分別為15.64°CA ATDC 和18.64°CA ATDC，閃沸噴霧燃燒擁有更加接近上止點(diǎn)的快速放熱階段結(jié)束位置，提前3°CA.在快速放熱階段，冷態(tài)噴霧燃燒放熱65.40%，而閃沸噴霧燃燒放熱64.13%，這說明閃沸噴霧燃燒在不犧牲放熱比重的前提下，提升了快速放熱階段的定容度，優(yōu)化了燃燒過程的熱效率，從而提升IMEP[20].相應(yīng)地，閃沸噴霧在整個燃燒過程中均有較大的累積放熱以及最終累積放熱，這說明閃沸噴霧燃燒可以釋放更多熱量，擁有更充分的燃燒效果.

圖5 不同工況下2階燃燒對比Fig.5 Comparison of two-stage combustion under different operating conditions

2.2 缸內(nèi)火焰發(fā)展過程分析

圖6 為所選閃沸噴霧以及過冷噴霧燃燒過程的典型循環(huán)缸內(nèi)火焰發(fā)展過程.可以看到兩個工況火焰在充滿光學(xué)可視窗口前均經(jīng)歷了火花著火火核形成、火焰快速擴(kuò)散兩個主要過程.高能點(diǎn)火等離子體的擊穿油氣混合物、放熱的過程里同時加快火核生長，為快速火焰擴(kuò)散做準(zhǔn)備.可以明顯看到，在點(diǎn)火階段，過冷噴霧有較長的等離子體持續(xù)時間，由-21.5°CA ATDC 開始明顯擊穿到-0.5°CA ATDC.相比之下，閃沸噴霧燃燒的該階段較短.此外該點(diǎn)燃過程強(qiáng)度也有較大差別，閃沸噴霧在更快更強(qiáng)的點(diǎn)燃過程后更快地形成火核向外擴(kuò)散火焰，明顯可以看到閃沸噴霧燃燒有更快的燃燒速度，并更早地充滿整個光學(xué)可視窗口.

圖6 不同工況下典型缸內(nèi)燃燒發(fā)展過程對比Fig.6 Comparison of the development process of typical in-cylinder combustion under different operating conditions

圖7 給出了通過顏色分析模型提取的不同噴霧工況下，預(yù)混火焰區(qū)域的發(fā)展過程.可以明顯看到在整個過程里閃沸噴霧燃燒有相位更加提前以及強(qiáng)度更高的預(yù)混火焰區(qū)域.在點(diǎn)火過程中(虛線紅框標(biāo)注)，閃沸噴霧可以在點(diǎn)火過程中以更快的速度生成大量預(yù)混火焰，這說明閃沸噴霧燃燒通過更好的燃油霧化以及油氣混合能力縮短了該工況下有效火核的生成.在生成的火核的火焰結(jié)構(gòu)中，更大比例的預(yù)混火焰可以促使進(jìn)一步的能量傳遞，形成高速的火焰擴(kuò)散速度.在第2 階段的火焰擴(kuò)散過程里，更高強(qiáng)度以及更大面積的預(yù)混火焰比例說明閃沸噴霧的霧化、油氣混合能力得到了增強(qiáng).這是閃沸噴霧燃燒更快燃燒速度的關(guān)鍵因素.

進(jìn)一步量化對比閃沸噴霧燃燒與過冷噴霧燃燒的發(fā)展過程，如圖8(a)所示為燃燒火焰占窗口比例的發(fā)展過程，閃沸噴霧燃燒可以明顯地加快火焰擴(kuò)散，更早充滿整個火焰窗口.在點(diǎn)火開始到形成穩(wěn)定的火核開始快速火焰擴(kuò)散這一過程中，過冷噴霧燃燒需要經(jīng)歷30°CA.相比之下，閃沸噴霧燃燒可以將這個過程縮短25%，為22.5°CA，以更快的速度開始進(jìn)行火焰?zhèn)鞑?此外，對比觀察火核生成的過程，在高能點(diǎn)火的作用下，閃沸噴霧燃燒具有短時、高強(qiáng)擊穿的點(diǎn)火特性，促使點(diǎn)火能量的高速釋放以及火核的快速形成.在擴(kuò)散過程中，通過對到充滿可視窗口這個過程里火焰面積的等效火焰半徑進(jìn)行計(jì)算，得到閃沸噴霧、過冷噴霧的燃燒過程平均火焰速度為16.07 m/s 和11.75 m/s，相比于過冷噴霧燃燒，閃沸噴霧燃燒可以有效提升燃燒速度高達(dá)36.77%.圖8(b)給出了不同工況典型缸內(nèi)燃燒過程預(yù)混火焰區(qū)域強(qiáng)度對比，在整個火焰擴(kuò)散過程中，閃沸噴霧均有著更強(qiáng)的預(yù)混火焰強(qiáng)度，說明其火焰結(jié)構(gòu)中預(yù)混燃燒更多，油氣混合更加均勻.閃沸噴霧工況下到達(dá)峰值強(qiáng)度時刻為 4°CA ATDC，而冷態(tài)噴霧為 8.5°CA ATDC，提前了4.5°CA，這說明整個擴(kuò)散過程以更接近上止點(diǎn)混合更好的狀態(tài)的相位完成了火焰?zhèn)鞑?

圖8 不同工況下火焰擴(kuò)散過程量化對比Fig.8 Quantitative comparison of flame diffusion process under different operating conditions

3 結(jié)論

本研究利用一臺搭配高能點(diǎn)火系統(tǒng)的直噴汽油光學(xué)發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)臺架，同步記錄過冷噴霧以及閃沸噴霧燃燒的缸壓以及缸內(nèi)燃燒過程，對閃沸噴霧在低速稀薄燃燒工況下的燃燒過程進(jìn)行了分析.研究發(fā)現(xiàn)，閃沸噴霧燃燒可以有效縮短點(diǎn)火以及火核形成過程，加快燃燒速度，提升快速放熱階段的放熱比重以及提前該階段的結(jié)束時間，有效提升IMEP.閃沸噴霧燃燒系統(tǒng)更強(qiáng)的霧化能力以及更好的油氣混合能力增強(qiáng)了火焰擴(kuò)散過程的預(yù)混燃燒火焰比例，對優(yōu)化低速稀薄燃燒，提高熱效率具有巨大潛力.