吳強(qiáng)， 許敏， 楊杰， 董雪

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院汽車電子控制技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室, 上海 200240)

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進(jìn)氣滾流強(qiáng)度對(duì)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響

吳強(qiáng)， 許敏， 楊杰， 董雪

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院汽車電子控制技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室, 上海 200240)

以光學(xué)單缸直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)作為試驗(yàn)平臺(tái)，通過在進(jìn)氣法蘭處安裝不同的滾流導(dǎo)流板調(diào)節(jié)進(jìn)氣截面積來獲得不同強(qiáng)度的滾流氣流。利用Converge軟件對(duì)缸內(nèi)滾流強(qiáng)度和湍動(dòng)能進(jìn)行評(píng)估，采用高速彩色相機(jī)拍攝不同滾流強(qiáng)度下火焰狀態(tài)隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化，同時(shí)采用燃燒分析儀采集缸壓數(shù)據(jù)。通過圖像處理分離藍(lán)色火焰和黃色火焰，其中，藍(lán)光被認(rèn)為主要來自火焰中CH釋放的化學(xué)熒光，而黃光被認(rèn)為主要來自炭煙顆粒的輻射。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：隨著滾流強(qiáng)度的提高，藍(lán)色火焰面積增加，缸內(nèi)燃燒速率得以提升，缸內(nèi)平均指示有效壓力增強(qiáng)，相關(guān)性分析表明，藍(lán)色火焰面積和燃燒放熱率有很好的正相關(guān)性。同時(shí)，黃色火焰隨滾流強(qiáng)度增加而減少，表明炭煙生成量降低。此外，燃燒的循環(huán)波動(dòng)也隨滾流強(qiáng)度的增加而降低。

滾流比； 光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)； 燃燒速率； 炭煙； 循環(huán)波動(dòng)

近幾十年來，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，全球范圍內(nèi)的能源問題和環(huán)境污染已經(jīng)越來越嚴(yán)重，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放問題得到了越來越多的重視。作為當(dāng)代汽車工業(yè)最為廣泛應(yīng)用的技術(shù)之一，缸內(nèi)直噴真正實(shí)現(xiàn)了按工況精確控制噴油比例，且噴油壓力的提升使得噴霧霧化更加細(xì)致，燃油消耗最多可降低30%[1]。但這種噴射方式存在的主要問題是燃油貫穿距離太大，易在壁面和活塞頂部形成油膜，油膜燃燒引起積炭[2]。另外燃油與空氣混合較差造成顆粒物排放增加甚至失火等現(xiàn)象，這些問題隨著發(fā)動(dòng)機(jī)小型化的趨勢(shì)日益明顯[3]。大量研究表明，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣滾流可以很好地組織氣流運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)燃油霧化、混合氣形成以及火焰的形成與擴(kuò)張。張小矛等[4]運(yùn)用CFD仿真發(fā)現(xiàn)高滾流氣道可以提升缸內(nèi)大尺度漩渦，致使燃燒持續(xù)期有效縮短。Federico Brusiani等[5]利用Fire軟件分析了進(jìn)氣和壓縮沖程中滾流形態(tài)的影響，指出滾流可以很好地減小循環(huán)變動(dòng)，提高燃燒穩(wěn)定性。試驗(yàn)方面，尹叢勃等[6]和張喜崗等[7]均運(yùn)用粒子圖像測(cè)速技術(shù)(PIV)在不同滾流狀態(tài)下對(duì)噴霧形成進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的研究。此外，黃丫等[8]利用黑白相機(jī)記錄了不同滾流強(qiáng)度下火焰在光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r。然而此前的研究難以反映火焰發(fā)展過程中各中間產(chǎn)物的變化對(duì)燃燒速率和顆粒物生成的影響。

相比之下，彩色相機(jī)在火焰?zhèn)鞑グl(fā)展分析中的優(yōu)勢(shì)明顯，不同于黑白相機(jī)只能捕捉火焰亮度，彩色相機(jī)能夠記錄連續(xù)曲軸轉(zhuǎn)角下燃燒彩色圖像，從而追蹤燃燒中間產(chǎn)物的變化?；鹧嬷械狞S色火焰一般認(rèn)為是炭煙的黑體輻射發(fā)光，因此黃色火焰的面積的變化可以表征燃燒過程中炭煙的生成情況[9]；而藍(lán)色火焰則主要源自火焰發(fā)展前期的典型中間產(chǎn)物CH(其在高溫激發(fā)狀態(tài)下釋放出430.5 nm的熒光)[10-11]，因此其發(fā)展和傳播可以表征燃燒過程中CH的生成量。雖然Hardalupas等[12]的研究表明，CH輻射的強(qiáng)度和火焰的放熱率有很好的線性關(guān)系，但仍未有研究探索發(fā)動(dòng)機(jī)中藍(lán)色火焰的發(fā)展和缸內(nèi)燃燒速率的關(guān)系。此外，直噴汽油機(jī)中的另一個(gè)難點(diǎn)是對(duì)循環(huán)變動(dòng)的控制。Hardalupas等[12]指出如果發(fā)動(dòng)機(jī)沒有循環(huán)變動(dòng)，同樣的燃油消耗率下發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率可以提高10%。

基于以上問題，本研究利用彩色相機(jī)記錄不同滾流強(qiáng)度下直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的火焰發(fā)展過程，從而探究滾流強(qiáng)度對(duì)缸內(nèi)炭黑生成(黃色火焰)的影響。同時(shí)，結(jié)合燃燒早期的藍(lán)色火焰和缸壓數(shù)據(jù)，研究滾流強(qiáng)度對(duì)CH輻射和缸內(nèi)燃燒速率的影響。此外，通過多個(gè)循環(huán)的燃燒圖像與缸壓數(shù)據(jù)的變動(dòng)，探究滾流強(qiáng)度對(duì)燃燒循環(huán)波動(dòng)的影響。

1 可變滾流的實(shí)現(xiàn)和評(píng)價(jià)方法

1.1 可變滾流的實(shí)現(xiàn)

可變滾流是通過在進(jìn)氣道上改變進(jìn)氣截面面積(P1,P2,P3)實(shí)現(xiàn)的，可變滾流氣道示意見圖1，滾流導(dǎo)板三維圖見圖2。導(dǎo)流板共有3種高度，采用尼龍材質(zhì)，同時(shí)滿足試驗(yàn)對(duì)耐高溫和氣密性的要求。導(dǎo)流板安裝在進(jìn)氣道與進(jìn)氣歧管接合法蘭處，調(diào)整通過進(jìn)氣閥進(jìn)入缸內(nèi)的氣流的流動(dòng)形態(tài)。

圖1 可變滾流氣道示意

圖2 滾流導(dǎo)板三維圖

1.2 滾流強(qiáng)度的評(píng)價(jià)方法

本研究采用Converge軟件對(duì)上述導(dǎo)流板滾流強(qiáng)度進(jìn)行穩(wěn)態(tài)評(píng)價(jià)。進(jìn)氣道模型由進(jìn)氣道、進(jìn)排氣門、燃燒室頂部以及活塞上部組成。對(duì)幾何體進(jìn)行修正處理和區(qū)域定義后進(jìn)行網(wǎng)格定義。為保證模擬計(jì)算具有良好的精度，同時(shí)考慮計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，網(wǎng)格的基本尺寸為0.004 m，并在氣門等關(guān)鍵部位進(jìn)行局部加密，控制總網(wǎng)格數(shù)量不超過2.5×106個(gè)。網(wǎng)格數(shù)量的設(shè)置保證了仿真具有良好的收斂性和計(jì)算性。流場(chǎng)三維分析所用的控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量能量守恒方程和氣體狀態(tài)方程，本研究在湍流模型上選擇了κ-ε高雷諾數(shù)模型。由于本模擬旨在判斷不同進(jìn)氣形態(tài)對(duì)滾流強(qiáng)度的影響，4種進(jìn)氣狀態(tài)的邊界條件需保持嚴(yán)格一致。具體設(shè)置參數(shù)見表1。

表1 仿真邊界條件和初始條件

1.3 缸內(nèi)流場(chǎng)結(jié)果分析

應(yīng)用上述計(jì)算模型對(duì)不同高度導(dǎo)流板的滾流引導(dǎo)能力進(jìn)行評(píng)估，圖3示出了進(jìn)氣沖程噴油后(-300°)到壓縮沖程前半段缸內(nèi)表征流動(dòng)的各項(xiàng)參數(shù)的變化情況。圖3a示出了滾流比隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化，滾流的方向遵循右手螺旋定則。當(dāng)渦流比為負(fù)數(shù)時(shí)，其絕對(duì)值越大，代表滾流強(qiáng)度越高?？梢钥闯鲭S著滾流導(dǎo)板高度的升高，氣流在導(dǎo)流板的引導(dǎo)下從氣門上方進(jìn)入，能在進(jìn)氣沖程和壓縮沖程前段形成大規(guī)模的滾流，且滾流強(qiáng)度提升明顯。壓縮沖程后期滾流被上升活塞壓碎，滾流強(qiáng)度逐漸變小。從圖3b中可看出，4種導(dǎo)流板對(duì)應(yīng)的缸內(nèi)渦流強(qiáng)度均小于0.2，說明這些導(dǎo)流板對(duì)缸內(nèi)渦流影響不明顯。圖3c示出在進(jìn)氣和壓縮早期缸內(nèi)湍流強(qiáng)度(TKE)的變化，在Converge仿真模型中湍動(dòng)能定義為單位質(zhì)量流體在3個(gè)運(yùn)動(dòng)方向動(dòng)能的和，是衡量湍流混合能力的重要指標(biāo)。大量文獻(xiàn)指出，湍動(dòng)能的大小被認(rèn)為是影響燃油混合的重要因素[4]。通過仿真可以看出，隨著滾流導(dǎo)板高度的上升，滾流強(qiáng)度越來越大(見表2)，渦流強(qiáng)度基本保持不變且湍動(dòng)能也越來越大。這也為后期試驗(yàn)探究提供了背景信息。

圖3 進(jìn)氣道內(nèi)搭載不同導(dǎo)流板下流動(dòng)參數(shù)的變化情況

進(jìn)氣道類別簡(jiǎn)稱滾流比無導(dǎo)流板P00.5搭載P1導(dǎo)流板P11.5搭載P2導(dǎo)流板P21.7搭載P3導(dǎo)流板P32.2

2 試驗(yàn)分析——滾流強(qiáng)度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響

2.1 試驗(yàn)設(shè)備與儀器

本試驗(yàn)所采用的直噴汽油光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)是基于某原型機(jī)開發(fā)的雙頂置凸輪4氣門單缸發(fā)動(dòng)機(jī)(見圖4)。該發(fā)動(dòng)機(jī)擁有兩大光學(xué)通路，可以實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)噴霧和火焰的可視化探究：1)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋處的頂部窗口，由此可以觀測(cè)到火花塞附近的燃燒狀況，方便對(duì)火花塞點(diǎn)火的判斷以及對(duì)燃燒室內(nèi)火核形成和火焰早期傳播的觀測(cè)；2)本試驗(yàn)光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)采用的活塞中間鑲嵌了一塊直徑為62 mm的圓柱形石英玻璃，結(jié)合活塞正下方45°反射鏡，可以很好地觀察火焰?zhèn)鞑ピ跉飧姿矫嫔系耐队皥D像。

圖4 光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)整體、可視化部件以及燃燒室布局

試驗(yàn)臺(tái)架采用了AVL電力測(cè)功機(jī)，該測(cè)功機(jī)可以將發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定控制在800～3 000 r/min之間運(yùn)行。冷卻液與機(jī)油的供給與溫度控制由模塊化設(shè)備完成，水溫油溫可根據(jù)試驗(yàn)要求在25～90 ℃間自行設(shè)定。臺(tái)架控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油點(diǎn)火等信號(hào)的自定義和對(duì)外部激光和相機(jī)等設(shè)備的觸發(fā)與同步控制。

2.2 測(cè)試方法與試驗(yàn)工況

本試驗(yàn)采用MEMRECAM HX-5E高速彩色相機(jī)進(jìn)行火焰拍攝，鏡頭為Nikon 50 mm f/1.8D。該相機(jī)可實(shí)現(xiàn)最高每秒20萬(wàn)張彩色照片的輸出?？紤]到對(duì)畫幅的需求和對(duì)曲軸轉(zhuǎn)角分辨率的取舍，選擇拍攝頻率為13 000幀/s進(jìn)行拍攝，對(duì)應(yīng)彩色圖片的分辨率為547×607。相機(jī)工作在多次觸發(fā)模式下，可以在每個(gè)循環(huán)接收到觸發(fā)信號(hào)后以13 000幀/s的拍攝頻率連續(xù)拍照150張，可覆蓋點(diǎn)火開始、火核形成、早期藍(lán)色火焰?zhèn)鞑?、中期黃色火焰?zhèn)鞑ブ敝烈曇叭砍錆M火焰的全過程。150張圖像拍攝完成后，相機(jī)等待下一個(gè)循環(huán)的觸發(fā)再次完成150張拍攝。在相機(jī)參數(shù)設(shè)置方面，由于火焰?zhèn)鞑パ杆偾耶嬞|(zhì)上對(duì)火焰邊緣要求高，試驗(yàn)中需要較深的景深以便于拍出清晰的火焰圖片。本試驗(yàn)設(shè)置光圈大小為F5.6，快門時(shí)間為76.8 μs。通過計(jì)算可以獲得一定曲軸轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)火焰燃燒的連續(xù)圖像。由圖5可見，高速相機(jī)安裝在45°反射鏡齊平的位置，缸內(nèi)火焰所發(fā)出的光通過鏡子反射進(jìn)入到相機(jī)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)連續(xù)循環(huán)的火焰形成和傳播進(jìn)行彩色成像。

圖5 試驗(yàn)測(cè)試示意

本試驗(yàn)采用AnD燃燒分析儀進(jìn)行燃燒分析，通過接入Kistler 6125A缸內(nèi)壓力傳感器，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)多循環(huán)缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)采集和燃燒放熱率的計(jì)算。發(fā)動(dòng)機(jī)工況各項(xiàng)參數(shù)見表3。測(cè)試時(shí)將機(jī)油溫度和冷卻水溫度設(shè)定在較低溫度(30 ℃)，可以預(yù)見在缸內(nèi)低滾流情況下更容易出現(xiàn)燃油混合不均勻情況，也便于觀察滾流對(duì)燃油分布的影響。

需要指出的是，本試驗(yàn)中滾流強(qiáng)度的改變是通過更換導(dǎo)流板實(shí)現(xiàn)的。導(dǎo)流板安裝在進(jìn)氣法蘭處，導(dǎo)流板會(huì)帶來進(jìn)氣流量系數(shù)的變小。為了保證燃燒試驗(yàn)的可對(duì)比度，考慮到導(dǎo)流板對(duì)進(jìn)氣效率有所影響，對(duì)4種進(jìn)氣狀態(tài)進(jìn)行倒拖試驗(yàn)，通過調(diào)節(jié)電子節(jié)氣門保證4種工況下壓縮上止點(diǎn)壓力相同，從而保證了在不同進(jìn)氣道形狀的條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的空燃比保持一致，這也為后期滾流強(qiáng)度對(duì)火焰的影響分析提供了條件。另外，在進(jìn)氣過程中，雖然進(jìn)氣道因?yàn)樾螤罡淖儗?dǎo)致流量系數(shù)降低，但通過調(diào)節(jié)節(jié)氣門達(dá)到了相同的進(jìn)氣效率，可以認(rèn)為由進(jìn)氣道和電子節(jié)氣門構(gòu)成的進(jìn)氣系統(tǒng)的流量系數(shù)保持總體不變，這也保證了每次試驗(yàn)缸內(nèi)進(jìn)氣量和空燃比的一致性，而進(jìn)氣量也通過缸內(nèi)壓力得到了驗(yàn)證。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法

從圖6可以看出，整個(gè)燃燒過程主要產(chǎn)生藍(lán)色火焰和黃色火焰，這為燃燒光譜的分析提供了可能?；鹧鎴D像是12bit彩色RGB圖像。在RGB格式圖片中，首先對(duì)圖像進(jìn)行中值濾波，然后提取每個(gè)像素點(diǎn)的RGB值。通過大量圖像對(duì)比和參數(shù)調(diào)節(jié)，程序可以自動(dòng)捕捉各波段火焰面積隨時(shí)間的變化。其中，藍(lán)色火焰面積隨時(shí)間變化狀況將作為判斷中間產(chǎn)物CH生成速率的重要指標(biāo)。在火焰顏色的判斷上，根據(jù)前人在彩色火焰上的大量工作，分離RGB三通道數(shù)值后用R值代表黃色火焰，B值代表藍(lán)色火焰，并采用適當(dāng)?shù)拈撝挡蹲交鹧孢吙騕13-15]。需要指出的是，圖像在相機(jī)景深方向上是沒有分辨率的，因?yàn)樵搱D像是三維火焰在二維平面上的投影。但是由于光學(xué)窗口的限制，大量文獻(xiàn)均采用投影面積來量化火焰前鋒面的傳播和火焰燃燒的好壞[8,15-16]，因此本研究也沿用這一方式。

另外，在火焰發(fā)展傳播過程中，為了方便理解燃燒室的布局，對(duì)火焰中對(duì)應(yīng)的進(jìn)排氣閥、噴油器以及火花塞的位置進(jìn)行了顯示。從圖6典型工況的處理示例可以看到，圖中藍(lán)色火焰和黃色火焰分別通過藍(lán)色和紅色邊界得到了很好地分辨，這也保障了后期火焰范圍和強(qiáng)度計(jì)算的正確性。

圖6 某火焰圖片燃燒室布局及藍(lán)黃火焰邊界識(shí)別示意

3 研究結(jié)果分析

參照以上工況對(duì)上述4種進(jìn)氣道形態(tài)進(jìn)行了試驗(yàn)。在1 200 r/min情況下采集了4種進(jìn)氣道燃燒數(shù)據(jù)并獲取了基于曲軸轉(zhuǎn)角的瞬態(tài)火焰圖片。圖7示出了從-1.15°到37.62° 4種進(jìn)氣滾流形態(tài)下，某一個(gè)循環(huán)的缸內(nèi)三維火焰在渦流平面上的投影。

從圖7可以看到，在同一曲軸轉(zhuǎn)角下，隨著滾流強(qiáng)度的增大，火焰的顏色由以黃色為主慢慢過渡到以藍(lán)色為主。在低滾流狀態(tài)下，燃燒前期藍(lán)色火焰和黃色火焰并存并且面積逐漸增大，燃燒持續(xù)期內(nèi)大面積黃色火焰幾乎占據(jù)整個(gè)燃燒室。這是因?yàn)楦變?nèi)流動(dòng)不充分，汽油噴射后不能與空氣很好地混合，進(jìn)而形成局部稀氧燃燒，不完全燃燒形成的炭煙顆粒發(fā)出白熾光使圖像呈現(xiàn)黃色。而在高滾流的工況下，黃色火焰的產(chǎn)生明顯滯后，且面積和亮度均小于低滾流工況。黃色火焰滯后的原因是在燃燒之前，活塞上行使得大尺度滾流形態(tài)被壓碎，缸內(nèi)湍動(dòng)能有效增加(見圖3c)，缸內(nèi)氣體流場(chǎng)和噴霧流場(chǎng)作用加強(qiáng)，使得在燃燒的時(shí)候有著更均勻的混合氣，這些混合氣使得火焰在發(fā)展階段更多地呈現(xiàn)藍(lán)色。如上文所述，黃色火焰可以表征炭煙的生成量，這也證明了發(fā)動(dòng)機(jī)在高滾流比的情況下能夠有效抑制炭煙的生成，降低排放并提高燃油經(jīng)濟(jì)性。另一方面，高滾流藍(lán)色火焰表征產(chǎn)生了大量的CH激發(fā)態(tài)分子，這些激發(fā)態(tài)分子的量表征了放熱速率越來越快。文獻(xiàn)[11]中還提到，產(chǎn)生CH中間產(chǎn)物的時(shí)候一般會(huì)伴隨著OH的產(chǎn)生，OH也是表征放熱率的一個(gè)指標(biāo)。OH的濃度大約是CH濃度的1～2倍。由于本試驗(yàn)采用的是普通的光學(xué)鏡頭，OH發(fā)出來的紫外光(306 nm)不能被捕捉到，故不再展開說明。

圖7 4種滾流強(qiáng)度下某循環(huán)點(diǎn)火后火焰發(fā)展情況

圖8示出了利用上述圖像分析方法，統(tǒng)計(jì)滾流比為0.5和2.2兩種工況下100個(gè)循環(huán)黃色火焰和藍(lán)色火焰面積隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化情況。

圖9示出了不同滾流強(qiáng)度(0.5～2.2)下100個(gè)循環(huán)黃色火焰出現(xiàn)的時(shí)間。由圖可以看到，高滾流情況下黃色火焰出現(xiàn)的時(shí)間較晚，平均為7.05°，而低滾流情況下黃色火焰出現(xiàn)的時(shí)間較早，平均為-0.57°。在穩(wěn)定性方面，高滾流比工況(滾流比為2.2)黃色火焰出現(xiàn)時(shí)刻的均方差為2.53，小于低滾流比(滾流比為0.5)情況下的均方差4.18。這說明高滾流比使得發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程更加穩(wěn)定，火焰重復(fù)性更好，循環(huán)變動(dòng)更小。

在燃燒分析上，通常定義燃料燃燒掉10%作為火焰發(fā)展期(θCA10)，燃料從燃燒掉10%發(fā)展到燃燒掉90%的過程為燃燒持續(xù)期(θCA90-10)。圖10示出了4種工況下火焰發(fā)展期和燃燒持續(xù)期的測(cè)試結(jié)果，燃燒數(shù)據(jù)均為燃燒穩(wěn)定后100個(gè)循環(huán)的平均值?？梢钥闯?，滾流強(qiáng)度越大，火焰發(fā)展期和持續(xù)期越短。具體來說，從滾流比為0.5到滾流比為2.2，火焰發(fā)展期(θCA10)縮短5.15°，火焰燃燒持續(xù)期縮短5.16°。由此可以推斷，高滾流促進(jìn)了燃油的預(yù)混合，在點(diǎn)火之前形成了較多的可燃均勻混合氣，促進(jìn)了火焰的發(fā)展。

圖8 滾流比為0.5和2.2工況100個(gè)循環(huán)火焰面積統(tǒng)計(jì)

圖9 不同工況下100個(gè)循環(huán)黃色火焰開始出現(xiàn) 對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角

圖10 不同滾流工況下θCA10，θCA90-10與藍(lán)色火焰 面積的關(guān)系

由圖10可見，燃燒過程中藍(lán)色火焰的面積和燃燒速率有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即藍(lán)色火焰面積越大，其火焰發(fā)展期和持續(xù)期相應(yīng)越短，整體燃燒放熱率也越大。

圖11示出的是4種不同滾流強(qiáng)度下，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火穩(wěn)定后的指示平均有效壓力的分布頻數(shù)。頻數(shù)的計(jì)算基于燃燒穩(wěn)定后的100個(gè)連續(xù)循環(huán)。由圖可以看出，隨著滾流強(qiáng)度從0.5提高到2.2，指示平均有效壓力的中位值增加了23%。這是因?yàn)闈L流使得混合氣更加均勻，燃燒更充分，從而提高了燃油經(jīng)濟(jì)性和輸出功。此外，隨著滾流強(qiáng)度的增加，100個(gè)循環(huán)的平均指示有效壓力波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差由0.137降低到0.047。這說明滾流強(qiáng)度增強(qiáng)使得燃燒各個(gè)循環(huán)的差異減小，即有效地促進(jìn)了燃燒的穩(wěn)定性。

圖11 100個(gè)燃燒循環(huán)平均指示有效壓力分布

4 結(jié)論

a) 軟件仿真分析表明，通過添加進(jìn)氣導(dǎo)流導(dǎo)板，雖然降低了流通面積，但能夠有效增強(qiáng)缸內(nèi)滾流強(qiáng)度和湍動(dòng)能且保持了渦流強(qiáng)度基本不變；

b) 光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃燒數(shù)據(jù)表明，隨著滾流強(qiáng)度的提高，火焰發(fā)展期(θCA10)縮短5.15°，火焰燃燒持續(xù)期縮短5.16°，這說明滾流強(qiáng)度越大，預(yù)混合越好，且燃燒速度越快；平均指示壓力中位值增強(qiáng)了0.059 MPa，同時(shí)高滾流情況下循環(huán)變動(dòng)變小，輸出功率更穩(wěn)定；

c) 高滾流下黃色火焰滯后出現(xiàn)且黃色火焰亮度和火焰面積都低于低滾流強(qiáng)度，這說明高滾流條件下燃燒更加充分，可推測(cè)生成炭煙量得以有效減少；

d) 藍(lán)色火焰面積和缸內(nèi)燃燒放熱率有很好的關(guān)聯(lián)，較大的藍(lán)色火焰面積意味著較大的燃燒放熱率。

致謝：

本研究得到了基金項(xiàng)目51076093/E060702、上海交通大學(xué)汽車電子控制技術(shù)國(guó)家工程試驗(yàn)室及美國(guó)通用汽車公司的支持。

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[編輯： 姜曉博]

Effects of Intake Tumble Strength on Combustion Performance in SIDI Engine

WU Qiang, XU Min, YANG Jie, DONG Xue

(National Engineering Laboratory for Automotive Electronic Control Technology, School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240， China)

Variable tumble ratios were achieved by adjusting the cross-section area of intake manifold with different flow guide plates on a SIDI optical engine test bench. In-cylinder tumble strength and kinetic energy were evaluated with Converge software, the crank angle resolved flame images were recorded with a high speed color camera and the instantaneous cylinder pressure was monitored by a combustion analyzer. The blue and yellow flames were separated with the image processing, which represented the CH released chemiluminescence and the soot particle radiation respectively. The results show that with the increase of the tumble strength, the blue flame area, burning rate and IMEP all increase. It shows a strong correlation between the blue flame area and the heat release rate. Meanwhile, it is indicated the soot reduces because the yellow flame decrease. Besides, higher tumble ratio can suppress cycle-to-cycle variation.

tumble ratio; optical engine; burning rate; soot; cycle-to-cycle variation

2016-07-16；

2016-12-01

噴孔內(nèi)過熱流體的氣泡生成及微爆霧化機(jī)理研究(51076093/E060702)

吳強(qiáng)(1990—)，男，碩士，主要研究方向?yàn)楣鈱W(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)激光診斷；wuqiangsjtu@gmail.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.03.001

TK411.12

B

1001-2222(2017)03-0001-07