陳嘉雯 陳 泓 李鈺懷 杜家坤 武 珊 冶 麟

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院 廣東 廣州 511434）

引言

與進氣道噴射（PFI）技術相比，缸內(nèi)直噴（GDI）技術可大幅降低缸內(nèi)溫度，從而抑制爆震，提高發(fā)動機熱效率。同時，因其精確的空燃比控制、更快的瞬態(tài)響應速度和更好的燃油經(jīng)濟性等優(yōu)點，缸內(nèi)直噴技術已成為國內(nèi)外汽油機研發(fā)的重要趨勢[1-2]。然而，由于缸內(nèi)直噴的特點，油束容易直接沖擊到氣缸壁和活塞頂而導致油膜附著，油膜區(qū)蒸發(fā)惡化，燃燒不完全，從而增大了未燃碳氫和碳煙的排放量[3-4]。研究表明，碳煙的主要來源之一為濕壁油膜蒸發(fā)而形成的濃混合氣受熱裂解[5-6]。因此，研究缸內(nèi)直噴汽油機的缸內(nèi)濕壁特性并對其進行優(yōu)化，對改善缸內(nèi)直噴汽油機的排放具有重要意義。

隨著研究的深入和研發(fā)手段的提高，研究者采用定容噴霧試驗裝置結(jié)合多種光學測量技術對缸內(nèi)噴霧特性進行測量，使用FIRE、Star-CD等CAE仿真手段建立噴霧模型，對缸內(nèi)噴霧和燃燒特性進行校核和預測分析[7-9]。Han Song等人[10]使用FIRE建立了一個2.0 L直噴增壓發(fā)動機噴霧模型，研究不同的噴射策略和滾流比下缸內(nèi)混合氣形成過程和燃油濕壁情況。研究顯示，與單次噴射相比，使用2次噴射可有效減少燃油濕壁量；采用高滾流比氣道可有效改善缸內(nèi)氣體混合情況，燃油隨著氣體運動，蒸發(fā)更完全，濕壁量隨之減少。張永磊等人[11]采用數(shù)值方法對2種噴霧靶點方案下側(cè)置噴油器的缸內(nèi)濕壁情況進行研究，結(jié)果表明，缸內(nèi)濕壁量對油束布置比較敏感，通過優(yōu)化油束與發(fā)動機的匹配，可有效減少濕壁量。

鑒于以往對側(cè)置噴油器缸內(nèi)直噴發(fā)動機的研究較多，對中置噴油器缸內(nèi)直噴發(fā)動機的研究較少，本文對中置噴油器缸內(nèi)直噴汽油機進行研究，在定容噴霧試驗和CFD模擬仿真相結(jié)合的基礎上，加入可視化試驗，對缸內(nèi)噴霧和燃燒特性進行研究，綜合分析噴霧特性與缸內(nèi)燃油濕壁的關系，進一步揭示影響燃油濕壁的主要因素，為噴霧特性的優(yōu)化提供試驗及理論指導。

1 試驗裝置和試驗條件

1.1 定容噴霧光學測試系統(tǒng)

本文采用定容噴霧測試系統(tǒng)對噴霧貫穿距離、噴霧錐角、噴霧落點等進行研究。該測試系統(tǒng)的噴油壓力由高壓氮氣控制，經(jīng)過調(diào)壓后，氮氣進入蓄能器，使燃油增壓，從而提供穩(wěn)定的燃油壓力輸出。噴油時刻和噴油脈寬由噴油器控制系統(tǒng)控制，同時輸出噴油起始信號?？删幊虝r序控制模塊接收噴油起始信號后，同步噴油器、CCD相機、高速相機和激光器進入工作狀態(tài)，以確保拍攝時刻精確可控。測量噴霧落點時，從激光器發(fā)出的紫外激光束經(jīng)過片光成型器后變成1 mm的片光，其所在平面與噴油器軸線垂直，CCD相機放置在噴油器軸線方向并與噴油器對置。本文測試的噴油器為5孔缸內(nèi)直噴汽油機噴油器，其主要參數(shù)見表1。GDI噴油器的拍攝平面距離噴嘴30 mm，拍攝前，使用片光標定板標定激光位置和相機視窗大小，以提高測試效率和精度。測量噴霧貫穿距離和噴霧錐角時，使用一般LED光源取代激光，高速相機放置方向與LED光源對置，其余控制與測試噴霧落點時一致。

表1 GDI噴油器試驗參數(shù)

1.2 光學單缸發(fā)動機測控系統(tǒng)

試驗用光學單缸發(fā)動機測控系統(tǒng)由光學單缸發(fā)動機、電力測功機系統(tǒng)、進氣溫度壓力控制系統(tǒng)、油水恒溫控制系統(tǒng)、35MPa高壓供油系統(tǒng)以及時序控制模塊等組成。試驗臺架示意圖如圖1所示。

圖1 試驗臺架示意圖

光學單缸發(fā)動機的主要技術參數(shù)見表2。采用Kistler 6054型氣缸壓力傳感器測量氣缸壓力，使用AVL Indicom燃燒分析儀配備AVL 365C型角標器對氣缸壓力及曲軸轉(zhuǎn)角信號進行采集，采樣頻率為0.5°CA，每工況采集70個燃燒循環(huán)并進行平均，以消除測量誤差。

試驗所用照相機為Photron High Speed Star Z系列高速數(shù)字相機，拍攝速度可達20 000 fps，曝光時間為200μs，采樣時間分辨率為3°CA。為提高照片的拍攝質(zhì)量，試驗時，采用時序控制模塊控制照明系統(tǒng)，使照明系統(tǒng)在359°CA BTDC～14°CA ATDC點亮，以捕捉噴霧形態(tài)；在15°CA ATDC時使照明系統(tǒng)熄滅，以保證采集燃燒過程圖像時不受燈光影響。

表2 光學單缸發(fā)動機主要技術參數(shù)

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 噴霧貫穿距離及噴霧落點分析

本試驗所采用的噴油器靶點分布為五邊形形態(tài)，試驗中，利用激光誘導熒光法對油束靶點位置進行確定，靶點測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 測試用GDI噴油器噴霧落點

采用定容彈測試噴霧貫穿距離時，為保證拍攝圖像的準確性，以10個噴射循環(huán)拍攝圖進行平均后得到的噴霧圖像為基礎，使用后處理軟件算出某時刻（比如1 ms）所對應的噴霧貫穿距離，按此方法，每隔0.05 ms處理圖像，整理得到噴霧貫穿距離。

圖3和圖4分別為某GDI噴油器在不同噴油壓力下的噴霧圖像和噴霧貫穿距離曲線。從圖4可以看出，隨著噴油壓力增加，噴霧貫穿距離延長，油束對氣缸壁的濕壁傾向增大。

2.2 光學發(fā)動機內(nèi)噴霧及燃燒特性

本文所采用的催化器起燃工況為：光學發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1200r/min，平均指示壓力（IMEP）為0.19MPa。噴射模式采用3次噴射。為保證采集數(shù)據(jù)能真實反映發(fā)動機燃燒過程，設定50個燃燒循環(huán)后才開始采集記錄數(shù)據(jù)，此時發(fā)動機燃燒過程已趨于穩(wěn)定。

圖3 不同噴油壓力下的噴霧圖像

圖4 測試用GDI噴油器不同噴油壓力下的噴霧貫穿距離

圖5 為3次噴射缸內(nèi)噴霧發(fā)展及燃燒圖像。其中，圖5a）～圖5c）為3次噴射缸內(nèi)噴霧情況對比圖。第一次噴射時刻對缸內(nèi)噴霧形態(tài)影響較為明顯。若第一次噴射過早，活塞仍處于上止點附近，燃油噴霧容易直接噴射至活塞表面，導致油膜附著于活塞表面。隨著第一次噴射時刻的推遲，活塞濕壁的可能性降低。此時，活塞的加速下行會加強缸內(nèi)滾流強度，從而有利于燃油和空氣的混合。圖5a）表征第一次噴射時刻為280°CA BTDC時的噴霧發(fā)展過程，從圖5a）可以明顯看出，噴霧后期油束末端已被缸內(nèi)滾流彎折，有效避免了氣缸壁濕壁的現(xiàn)象。

隨著活塞繼續(xù)下行，活塞速度下降，缸內(nèi)氣體滾流強度隨之弱化。從圖5b）可以看出，當?shù)诙螄娚浒l(fā)生在240°CA BTDC時，油束末端的彎折現(xiàn)象消失，油束與氣缸壁直接發(fā)生接觸。

第三次噴射發(fā)生在發(fā)動機壓縮行程，此時活塞上行，由于缸內(nèi)氣體壓力升高，工質(zhì)密度增大，油束受到的氣體阻力隨之增大，噴霧的貫穿距離及噴霧輪廓減小。但從圖5c）可以看出，仍有濕氣缸壁的風險。第三次噴射時刻對濕活塞頂與否有重要影響。第三次噴射時刻推遲，有利于點火時刻在火花塞附近形成濃混合氣，形成穩(wěn)定火核，發(fā)展成理想的預混合燃燒，但第三次噴射過晚，油束直接噴射到活塞頂，導致燃燒過程碳煙排放增加。第三次噴射過早，雖然可能避免濕活塞頂，但不利于點火前期火花塞附近混合氣的形成。

理想的均質(zhì)燃燒呈淡藍色預混合燃燒火焰，但從圖5d）可以看出，該試驗工況下，存在高明亮區(qū)域，為擴散燃燒火焰的特征。燃燒后期仍存在高亮斑點，表示存在擴散燃燒，并產(chǎn)生碳煙排放。

圖5 3次噴射缸內(nèi)噴霧發(fā)展及燃燒圖像

綜合以上分析，第二次噴射時油束末端與氣缸壁有所接觸，在氣缸壁上產(chǎn)生油膜附著，若第一次噴射和第三次噴射的噴油時刻控制不當，也容易濕活塞頂。油束沖擊壁面后，燃油來不及完全蒸發(fā)，會在壁面附著形成油膜，導致缸內(nèi)混合氣局部過濃，造成不完全燃燒，產(chǎn)生HC和碳煙排放。其產(chǎn)生的高溫高熱，反映在光學單缸發(fā)動機里，即為零星的高亮斑點。

第一次噴射過程，由于缸內(nèi)滾流強度相對較高，油束在氣流的引導下，沖擊氣缸壁的傾向較小。第二次噴射過程，由于活塞逐漸接近下止點，缸內(nèi)工質(zhì)流動減弱，易引起油束的濕壁現(xiàn)象。因此，重點針對第二次噴射過程對氣缸壁的濕壁影響進行分析。圖6為掃描第二次噴射時刻的結(jié)果。結(jié)果顯示，存在一個最優(yōu)的第二次噴射240°CA BTDC，使?jié)癖诹孔钌?，第二次噴射過早或過晚，會導致油束與氣缸壁的接觸增加。

圖6 不同的第二次噴射時刻缸內(nèi)噴霧發(fā)展圖像

2.3 濕壁量仿真和噴油器優(yōu)化

由上述分析可知，3#、4#油束的貫穿距離過長是濕壁的主要原因。改進方案為：將2#～5#油束整體往進氣側(cè)收斂，并對3#、4#油束的油量進行優(yōu)化，以減小貫穿距離，修改方案示意圖如圖7所示。

圖7 改進噴油器油束分布示意圖

圖8 原方案與改進方案噴油器濕壁量仿真

對原方案和改進后的方案分別采用Converge軟件進行噴霧仿真分析。圖8為原方案與改進方案的噴油器濕壁量仿真圖。為便于對比，對圖8中的瞬時油膜量和累積油膜量采用歸一化處理。從圖8中累積油膜量與曲軸轉(zhuǎn)角的關系可以看出，在缸內(nèi)所有壁面中，氣缸壁為最容易被油膜吸附的壁面，其次為活塞，氣缸蓋的油膜量相對于總油膜量可以忽略不計。改進后的噴油器方案，氣缸壁瞬時油膜峰值減小至原方案的1/5，油膜峰值范圍由原方案的460～480°CA縮小至460°CA左右；同時，活塞瞬時油膜量有輕微增加，油膜峰值由原方案的470°CA前移至450°CA左右。這是由于改進后的噴油器方案，將油束整體往進氣側(cè)收斂，同時減少了容易觸壁的3#、4#油束的噴油量，油束接觸氣缸壁的幾率降低，氣缸壁的油膜量隨之減少；再者，相比側(cè)置噴油器，中置噴油器油束撞擊活塞的幾率更高。改進后的噴油器方案，油束更往中間聚攏，增加了油束沖擊活塞的幾率[12]。

總體而言，改進后的噴油器方案，缸內(nèi)所有壁面的瞬時油膜量下降，對應的累積油膜量也下降。

3 結(jié)論

1）通過采用多次噴射策略，可有效分散循環(huán)噴油量，從而減小單次噴油油束的貫穿距離。配合噴油時刻優(yōu)化和缸內(nèi)氣流組織，可減少缸內(nèi)濕壁現(xiàn)象。

2）油膜附著的燃油與缸內(nèi)氣體不完全燃燒是產(chǎn)生碳煙的重要原因。降低油束碰壁量是減少碳煙排放的重要手段之一。

3）改進后的噴油器方案，將油束整體往進氣側(cè)收斂，并減小了容易觸壁的3#、4#油束的貫穿距離，總體濕壁量下降，但活塞濕壁量輕微增加。