沈 凱，陳 泓，徐子順，杜家坤，張振東

(1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；2.廣州汽車集團(tuán)股份有限公司 汽車工程研究院，廣東 廣州 511434)

隨著能源短缺、大氣污染和更加嚴(yán)格的排放法規(guī)，節(jié)能減排已成為內(nèi)燃機(jī)研究的熱點(diǎn).化學(xué)計(jì)量空燃比火花塞點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于汽車[1].在部分負(fù)荷下，自然吸氣汽油機(jī)并沒有表現(xiàn)出很好的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放特性.渦輪增壓[2]、發(fā)動(dòng)機(jī)小型化[3]和缸內(nèi)直噴[4]等多種技術(shù)都能在一定程度上提高化學(xué)計(jì)量空燃比汽油機(jī)的熱效率，但仍有一些原因限制了熱效率的進(jìn)一步提高.首先，內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣過程中存在流動(dòng)阻力，節(jié)氣門和進(jìn)氣門的節(jié)流作用導(dǎo)致泵氣損失.其次，過高的燃燒溫度會(huì)增加傳熱損失、降低比熱[5-6].大量的熱量從工作介質(zhì)傳遞到壁面，增加了被加熱部件的熱負(fù)荷.最后，由于缸內(nèi)直噴無法使空氣和燃油充分均勻混合，所以在理論空燃比情況下燃油無法完全燃燒.稀薄燃燒可有效減少這些影響來提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率[7-8].Nakata 等[9]研究發(fā)現(xiàn)，稀薄燃燒可使有效熱效率提升10%以上；然而當(dāng)空燃比超過稀燃穩(wěn)定極限時(shí)，火花點(diǎn)火擊穿階段后的火焰?zhèn)鞑ニ俣葘⒋蟠蠼档投鵁o法生成穩(wěn)定的火焰核，造成點(diǎn)火困難甚至失火[10].脆弱的早期火焰核的周期性變化[11]限制了燃料稀釋程度和發(fā)動(dòng)機(jī)效率的進(jìn)一步提高.有效點(diǎn)火能保證火花塞電極間的擊穿，產(chǎn)生強(qiáng)壯的初始火焰核，是擴(kuò)大稀薄燃燒極限的有效途徑之一[12-13].當(dāng)缸內(nèi)的滾流強(qiáng)度較低、活塞接近上止點(diǎn)時(shí)，滾流將無法破碎形成可靠的湍流；從而火焰前鋒面無法向外有效傳播且轉(zhuǎn)化為充分發(fā)展的湍流燃燒[14].因此，為了穩(wěn)定和有效的稀薄燃燒，火花塞放電能量和缸內(nèi)滾流強(qiáng)度都需要增加.

文獻(xiàn)[15—17]從循環(huán)變動(dòng)、火焰?zhèn)鞑ァ⑾∪挤€(wěn)定極限和排放等方面研究了滾流比的變化對(duì)稀薄燃燒的影響，但其研究中的滾流比是通過仿真模擬設(shè)定的，整個(gè)試驗(yàn)沒有通過試驗(yàn)驗(yàn)證.文獻(xiàn)[10，18—19]研究結(jié)果表明，放電能量的增加能提高指示熱效率，擴(kuò)展稀燃極限，但他們沒有深入觀察研究不同點(diǎn)火能量下其電弧的發(fā)展情況和精確的電弧面積.

筆者從微觀火焰變動(dòng)圖像分析不同點(diǎn)火能量下宏觀燃燒循環(huán)變動(dòng)差異的原因，為了更清晰地觀察電弧發(fā)展和火焰圖像，在缸內(nèi)直噴單缸汽油機(jī)上換用了光學(xué)玻璃缸套，點(diǎn)火能量從65 mJ 提升到300 mJ.在進(jìn)氣道上安裝高滾流適配器以提高缸內(nèi)滾流強(qiáng)度，粒子圖像測速技術(shù)用于對(duì)進(jìn)氣道改造進(jìn)行量化評(píng)價(jià).在保證發(fā)動(dòng)機(jī)工況不變的條件下，不斷增加過量空氣系數(shù)，研究點(diǎn)火能量和滾流強(qiáng)度對(duì)稀薄燃燒穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性的影響.從微觀火焰變動(dòng)圖像進(jìn)一步分析高能點(diǎn)火是延長稀燃極限的原因.

1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

采用一臺(tái)匹配直噴式燃燒系統(tǒng)的單缸光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)，為保證缸內(nèi)燃燒過程直觀可見，試驗(yàn)中利用熔融石英材料設(shè)計(jì)透明環(huán)狀缸套，并通過活塞加長以適應(yīng)試驗(yàn)過程光路布置需求.表1 為試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù).

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)Tab.1 Engine specifications

為保證試驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性，研究中利用氣動(dòng)模擬增壓裝置實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣壓力的精確調(diào)節(jié)，以此模擬發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管壓力狀態(tài).試驗(yàn)中所選氣動(dòng)模擬增壓裝置由壓縮機(jī)、穩(wěn)壓腔、調(diào)壓單元及連接管路組成.在配置穩(wěn)壓腔后，出口壓力波動(dòng)可控制在±1 kPa 以內(nèi)，滿足試驗(yàn)的需要.時(shí)序同步控制器通過接收角標(biāo)器瞬時(shí)轉(zhuǎn)角信號(hào)實(shí)現(xiàn)噴油及點(diǎn)火信號(hào)的獨(dú)立控制，并同步向相機(jī)時(shí)序控制器發(fā)出控制信號(hào)，觸發(fā)相機(jī)在指定曲軸轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)對(duì)缸內(nèi)燃燒過程進(jìn)行圖像采集.缸內(nèi)壓力通過Kisler 6115 型嵌入式傳感器測量，BOSC LSU 4.9 寬域氧傳感器對(duì)過量空氣系數(shù)進(jìn)行測量，采用AVL indicom 燃燒分析儀和Concerto 軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性進(jìn)行采集、計(jì)算及數(shù)據(jù)分析.使用COMS高速攝像機(jī)拍攝所需要的缸內(nèi)圖像.試驗(yàn)臺(tái)架布置及石英玻璃缸套實(shí)際拍攝效果如圖1 所示.

圖1 試驗(yàn)臺(tái)架布置示意Fig.1 Schematic diagram of the engine bench

為了對(duì)缸內(nèi)流動(dòng)過程進(jìn)行進(jìn)一步量化評(píng)估，采用粒子圖像測速技術(shù)對(duì)缸內(nèi)的平面穩(wěn)態(tài)流場分布狀態(tài)進(jìn)行測量.圖2 為自行設(shè)計(jì)搭建了氣道性能測評(píng)試驗(yàn)臺(tái)，主要由集氣室、氣泵、光學(xué)玻璃缸體及缸蓋組成.其中，光學(xué)玻璃缸體置于缸蓋及集氣室之間，并采用膠圈對(duì)接觸面進(jìn)行密封，防止氣體泄漏.通過改變離心式抽氣泵工作頻率來調(diào)節(jié)氣泵葉輪轉(zhuǎn)速以產(chǎn)生特定真空度，進(jìn)而改變集氣室內(nèi)壓力，實(shí)現(xiàn)氣道出入口壓差的穩(wěn)定控制.利用ABB 熱線式風(fēng)速儀測量管道內(nèi)空氣流速.向進(jìn)氣道引入示蹤粒子并采用Nd：YAG 激光器觸發(fā)波長為532 nm 的片狀激光對(duì)光學(xué)玻璃缸體內(nèi)部工質(zhì)進(jìn)行切片.結(jié)合兩臺(tái)以一定夾角布置的CCD 相機(jī)可直接捕捉隨氣流流動(dòng)的同一示蹤粒子在不同方向上的運(yùn)動(dòng)速度矢量，利用后處理軟件Techplot 即可提取激光橫切面垂直于該平面法方向的速度場分布.

圖2 粒子圖像測速試驗(yàn)臺(tái)Fig.2 Particle image velocimetry test bench

1.2 試驗(yàn)工況和數(shù)據(jù)分析方法

結(jié)合單缸光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)稀薄燃燒過程關(guān)鍵影響因素進(jìn)行對(duì)比研究，為保證石英玻璃缸套可靠性，選取2 000 r/min、平均指示壓力(IMEP)為0.35 MPa 進(jìn)行對(duì)比研究.噴油時(shí)刻均設(shè)定為300° CA BTDC 不變.調(diào)整模擬增壓進(jìn)氣系統(tǒng)，改變?cè)鰤簹怏w壓力輸出實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管狀態(tài)壓力模擬.采用100 個(gè)循環(huán)的平均指示壓力變動(dòng)率作為燃燒穩(wěn)定性的度量.控制燃燒循環(huán)變動(dòng)率(CoV)在8%以內(nèi).為了獲得最佳的燃油經(jīng)濟(jì)性采用最大的點(diǎn)火提前角.在所有工況下保持氣門正時(shí)不變.保持進(jìn)氣溫度為35 ℃，冷卻液溫度為(85±2)℃.

循環(huán)變動(dòng)與缸內(nèi)燃燒過程的火焰發(fā)展密切相關(guān).對(duì)循環(huán)變動(dòng)率進(jìn)行量化分析，即

式中：CoVIMEP為燃燒循環(huán)變動(dòng)率；σIMEP為平均指示壓力的標(biāo)準(zhǔn)偏差；pIMEP為平均指示壓力的平均值.

利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)缸內(nèi)燃燒過程火焰圖像進(jìn)行深入分析，引入火焰圖像變動(dòng)指數(shù)σ2這一定義，其代表火焰的周期變化，方差公式為

式中：σ2為火焰灰度值方差；x 為火焰灰度值；為火焰灰度平均值；n 為拍攝的循環(huán)數(shù).公式中火焰灰度值表征相機(jī)采集到圖像中各個(gè)像素點(diǎn)亮度，通?；鹧嬉愿恋男问皆趫D中體現(xiàn).每個(gè)點(diǎn)的火焰圖像變動(dòng)指數(shù)由100 個(gè)循環(huán)的火焰圖像的灰度值計(jì)算所得.火焰變動(dòng)所體現(xiàn)的是多個(gè)循環(huán)同一像素點(diǎn)位置處灰度值的循環(huán)變動(dòng)情況.火焰變動(dòng)的方差圖中，該點(diǎn)越亮火焰圖像變動(dòng)指數(shù)就越大，火焰的周期性變化越大.若不同循環(huán)該像素點(diǎn)灰度變化較大，則圖中通過該點(diǎn)灰度值的方差計(jì)算會(huì)體現(xiàn)為明亮區(qū)域；反之，為黑色區(qū)域.

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 高能點(diǎn)火對(duì)燃燒的影響

為明晰高能點(diǎn)火對(duì)直噴汽油機(jī)稀薄燃燒的影響規(guī)律，通過調(diào)節(jié)放電持續(xù)時(shí)間增大點(diǎn)火能量.為進(jìn)一步量化點(diǎn)火能量對(duì)燃燒的影響，采用 Tektronix TCP0020 對(duì)線圈次級(jí)電流進(jìn)行測量，利用Tektronix P6015A 測量火花塞高壓端電壓，并基于Tektronix DPO5034B 示波器對(duì)特定時(shí)間內(nèi)的電流及電壓進(jìn)行積分求得實(shí)際點(diǎn)火能量.圖3 為不同點(diǎn)火能量放電電流特性對(duì)比.

圖3 不同點(diǎn)火能量放電電流特性對(duì)比Fig.3 Discharge current characteristics with different ignition energy

通過單缸光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)火花塞跳火過程進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并對(duì)比分析，圖4 和圖5 分別為普通點(diǎn)火與高能點(diǎn)火火花塞跳火過程對(duì)比.普通點(diǎn)火和高能點(diǎn)火均在上止點(diǎn)前20° CA 時(shí)點(diǎn)火.不同點(diǎn)火能量下，-16° CA 時(shí)火花塞正、負(fù)極間隙被擊穿并產(chǎn)生明顯的電弧.普通點(diǎn)火的電弧在-8° CA 長度達(dá)到最大，在-4° CA 便接近消失.高能點(diǎn)火的放電持續(xù)時(shí)間長，釋放的能量多，故電弧更長且存在時(shí)間更長.電弧不斷被氣流帶離火花塞間隙，高能點(diǎn)火的電弧在發(fā)展過程中出現(xiàn)兩種電弧短路的情況(0°～10° CA).其一，電弧越長其電阻就越大，火花塞兩極間便會(huì)生成新的電弧，原先的長電弧將被短路，被新的長度更短的電弧所替代；其二，長電弧會(huì)與火花塞主體金屬部件接觸，會(huì)發(fā)生火花塞中央電極與主體金屬部件之間生成電弧的情況.而普通點(diǎn)火則不會(huì)發(fā)生電弧被短路的情況.長電弧能增大擊穿區(qū)域，利于火核的形成和混合氣的燃燒，但短路削弱了長電弧的優(yōu)勢，并減少有效點(diǎn)火能量.通過延長次級(jí)電流持續(xù)時(shí)間可進(jìn)一步拉長電弧放電過程，在缸內(nèi)強(qiáng)湍流狀態(tài)下，可使電弧得到充分延展.通常電弧延展長度增加，能夠增大電弧與混合氣的接觸面積，強(qiáng)化初期火核穩(wěn)定性，進(jìn)而改善燃燒過程.

圖4 普通火花塞電極間火弧特征對(duì)比Fig.4 Arc development characteristics between spark plug electrodes with conventional ignition energy

圖5 高能火花塞電極間火弧特征對(duì)比Fig.5 Arc development characteristics between spark plug electrodes with high ignition energy

為進(jìn)一步明晰點(diǎn)火能量對(duì)燃燒過程的影響規(guī)律，定義燃燒特征參數(shù)：MFB(mass fraction burned)為累積放熱率時(shí)刻；MFB 10 為放熱量達(dá)到10%的曲軸轉(zhuǎn)角；MFB 50 為放熱中心，是放熱量達(dá)到50%的曲軸轉(zhuǎn)角；MFB 90 為放熱量達(dá)到90%的曲軸轉(zhuǎn)角；SAMFB 50 為點(diǎn)火時(shí)刻到放熱量達(dá)到50%時(shí)所經(jīng)過的曲軸轉(zhuǎn)角；SA-MFB 10 表示滯燃期；MFB 10-90 表示燃燒持續(xù)期.圖 6 為不同點(diǎn)火能量條件下 SAMFB 10 與IMEP 的關(guān)系對(duì)比.隨著過量空氣系數(shù)的增大，燃燒速度變慢.散點(diǎn)越來越分散，說明初始火焰越來越不穩(wěn)定.在普通點(diǎn)火系統(tǒng)未達(dá)到稀燃極限時(shí)，兩者的散點(diǎn)分布狀況相同.普通點(diǎn)火系統(tǒng)在過量空氣系數(shù)為1.75 時(shí)已出現(xiàn)部分循環(huán)失火的問題，而采用高能點(diǎn)火系統(tǒng)后，散點(diǎn)仍能保持良好的緊湊性，在過量空氣系數(shù)為2.00 時(shí)才會(huì)出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定的現(xiàn)象.在過量空氣系數(shù)大于1.75 的極稀薄工況下，高能點(diǎn)火仍能有效保證燃燒穩(wěn)定性和火核形成，擴(kuò)展稀薄燃燒極限.

圖6 不同點(diǎn)火能量下改變過量空氣系數(shù)時(shí)SA-MFB 10 與IMEP 的關(guān)系對(duì)比Fig.6 Relationship between SA-MFB 10 and IMEP for different excess-air ratio with different ignition energy

圖7 為不同點(diǎn)火能量下燃燒循環(huán)變動(dòng)率對(duì)比.隨著過量空氣系數(shù)的增加，循環(huán)變動(dòng)率持續(xù)上升，燃燒穩(wěn)定性下降.在過量空氣系數(shù)小于1.7 時(shí)，不論采用哪種點(diǎn)火能量，其循環(huán)變動(dòng)率曲線相互交叉且差值不大.在原始進(jìn)氣道中，普通點(diǎn)火在過量空氣系數(shù)為1.7 時(shí)就達(dá)到循環(huán)變動(dòng)極限，而高能點(diǎn)火在過量空氣系數(shù)到1.9 時(shí)才出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象，高能點(diǎn)火使稀薄燃燒的過量空氣系數(shù)上限擴(kuò)大0.2.

圖7 不同點(diǎn)火能量下燃燒循環(huán)變動(dòng)率對(duì)比Fig.7 Comparison of CoVIMEP with different ignition energy

圖8 為采用不同點(diǎn)火能量時(shí)燃燒特征參數(shù)對(duì)比.在過量空氣系數(shù)為1.6 之前，采用普通或高能點(diǎn)火的用時(shí)并沒有明顯差異.但之后隨著稀釋率的增加，采用高能點(diǎn)火時(shí)，點(diǎn)火時(shí)刻距放熱中心時(shí)間更短，燃燒速度更快，在較高空燃比狀態(tài)下作用更為明顯.主要原因在于：跳火時(shí)高能點(diǎn)火火花塞電極間能釋放更多的能量，有助于初期火核的形成，且在高稀釋率情況下更為顯著.同時(shí)，初期火核的形成對(duì)后續(xù)火焰擴(kuò)展起到積極引導(dǎo)作用，改善燃燒過程，促進(jìn)燃燒速率提升，燃燒持續(xù)期縮短.

圖8 不同點(diǎn)火能量下燃燒特征參數(shù)對(duì)比Fig.8 Combustion characteristic parameters with different ignition energy

2.2 滾流強(qiáng)化對(duì)燃燒過程的影響

對(duì)于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，提高缸內(nèi)滾流比可在一定程度上改善混合氣動(dòng)能分布.滾流在上止點(diǎn)附近破碎后可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為湍流，并有效改善湍流燃燒速率，加快燃燒速度，抑制爆震傾向.針對(duì)滾流強(qiáng)化對(duì)稀薄燃燒過程的影響，基于單缸光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)開展試驗(yàn).在原氣道結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上提高滾流比，通過在氣道內(nèi)嵌入氣流擋塊，將氣道下半部進(jìn)行遮擋，使進(jìn)氣道內(nèi)氣流絕大部分自上半部分引入缸內(nèi)，增大滾流水平.氣流擋塊由硅膠按氣道內(nèi)壁尺寸逆向倒模制成，試驗(yàn)中能夠較好地保持擋塊在氣道中的位置，滿足研究的需要.為進(jìn)一步量化滾流比對(duì)燃燒的影響規(guī)律，基于氣道測評(píng)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)嵌入擋塊前后氣道滾流比進(jìn)行對(duì)比.圖9a為不同情況下氣道的滾流比.高滾流進(jìn)氣道的滾流比隨著氣門升程的增加不斷變大，在氣門升程為3 mm 時(shí)達(dá)到峰值3.818，之后隨著氣門升程的增大，滾流比穩(wěn)定維持在較高水平.而原始進(jìn)氣道的滾流比先減后增，氣門升程在3 mm 時(shí)達(dá)到最小值0.522，隨后不斷上升，在10 mm 時(shí)達(dá)到峰值2.988.總體上高滾流進(jìn)氣道的滾流比是原始進(jìn)氣道的1.67 倍.

圖9b 為不同進(jìn)氣道的流量系數(shù)的對(duì)比.在氣門升程為2 mm 之前，兩種進(jìn)氣道的流量系數(shù)同步上升且數(shù)值相同.之后隨著氣門升程的增大，高滾流進(jìn)氣道的流量系數(shù)不再變化，保持在0.20.對(duì)于原始進(jìn)氣道，流量系數(shù)不斷上升至最大值0.45.流量系數(shù)主要由氣門升程決定，故原始進(jìn)氣道的流量系數(shù)隨著氣門升程的上升一直增大.在進(jìn)氣行程前期，氣門升程較小，進(jìn)氣量少，高滾流適配器對(duì)于進(jìn)氣道流通面積的阻隔對(duì)流量系數(shù)影響較小.在中后期，流通面積的減少阻礙了流量系數(shù)的進(jìn)一步增加.高滾流進(jìn)氣道的綜合流量系數(shù)是原始?xì)獾赖囊话?，?shù)值與阻隔有效流通面積的50%相一致.試驗(yàn)中模擬的是自然吸氣下的缸內(nèi)流場，相對(duì)于滾流比的提高，流量系數(shù)的減小在可接受范圍內(nèi).而對(duì)于增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)氣道進(jìn)口壓力大于大氣壓力，流通面積的減少對(duì)缸內(nèi)進(jìn)氣總量和充量系數(shù)的影響會(huì)更小.

圖9 不同進(jìn)氣道特性對(duì)比Fig.9 Characteristics of different intake ports

圖10 為采用高滾流氣道時(shí)燃燒循環(huán)變動(dòng)特征對(duì)比.點(diǎn)火能量相同，高滾流進(jìn)氣道能使循環(huán)變動(dòng)率大幅度降低50%，但稀薄燃燒穩(wěn)定極限僅提高了0.05過量空氣系數(shù).這說明高能點(diǎn)火對(duì)稀燃極限有顯著改善，但對(duì)燃燒穩(wěn)定性作用甚微.而高滾流對(duì)燃燒穩(wěn)定性作用明顯，但對(duì)稀燃極限提升較小.在中、小負(fù)荷下，稀薄燃燒能有效提高充氣效率，滾流強(qiáng)化對(duì)稀薄燃燒穩(wěn)定性作用明顯，結(jié)合高能點(diǎn)火能進(jìn)一步有效地?cái)U(kuò)展稀燃過程中的空燃比運(yùn)行極限.

圖10 高滾流氣道燃燒循環(huán)變動(dòng)特征Fig.10 CoVIMEP of high tumble intake port

圖11 為燃燒持續(xù)期隨過量空氣系數(shù)的擬合曲線.在過量空氣系數(shù)為1.6 之前，高能點(diǎn)火對(duì)燃燒持續(xù)期影響較小，隨著過量空氣系數(shù)的增加，高能點(diǎn)火對(duì)縮短燃燒持續(xù)期的作用提升，加快燃燒速度.高滾流氣道能有效減少燃燒持續(xù)期，且隨著過量空氣系數(shù)的增加，作用更明顯.主要原因在于：提高滾流比有助于強(qiáng)化缸內(nèi)流動(dòng)強(qiáng)度，上止點(diǎn)附近有更多的滾流轉(zhuǎn)化為湍流，進(jìn)而加快湍流燃燒速率，縮短燃燒持續(xù)期.

圖11 高滾流氣道燃燒特征參數(shù)情況Fig.11 Combustion characteristic parameters of high tumble intake port

2.3 高能點(diǎn)火協(xié)同滾流強(qiáng)化對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性影響

圖12 為指示燃油消耗率隨過量空氣系數(shù)的變化.隨著過量空氣系數(shù)的提高，多變指數(shù)帶來的燃油經(jīng)濟(jì)性的提高占主導(dǎo)作用，燃油消耗率均呈下降趨勢，體現(xiàn)出良好的燃油經(jīng)濟(jì)性.但在極稀薄的情況下，由于過高的循環(huán)變動(dòng)，燃油消耗率無法得到進(jìn)一步下降.滾流強(qiáng)化對(duì)進(jìn)氣道流通截面做部分隔斷處理，雖然降低了流量系數(shù)，但提高缸內(nèi)的滾流比，能促進(jìn)燃燒穩(wěn)定性同時(shí)加快燃燒速度，有效降低燃油消耗.

圖12 點(diǎn)火能量和滾流水平對(duì)燃油消耗率的影響Fig.12 Effects of ignition energy and tumble level on fuel consumption

2.4 火焰圖像分析

為了進(jìn)一步研究高能點(diǎn)火能提高稀燃極限的原因，從微觀火焰圖像進(jìn)行分析，研究理論空燃比下兩種點(diǎn)火能量的微觀火焰圖像.圖13 和圖14 為普通點(diǎn)火和高能點(diǎn)火的火焰變動(dòng)的方差.點(diǎn)火正時(shí)均為-18° CA，燃燒放熱率的三個(gè)階段點(diǎn) MFB 10、MFB 50 和MFB 90 相近，分別為0°、8°和20° CA.

圖13 普通點(diǎn)火不同相位火焰變動(dòng)方差Fig.13 Variance image of flame variation with conventional energy ignition

圖14 高能點(diǎn)火不同相位火焰變動(dòng)方差Fig.14 Variance image of flame variation with high energy ignition

在-16° CA 時(shí)，火核開始形成.在電弧階段火焰?zhèn)鞑ラ_始發(fā)生，但此時(shí)的火焰?zhèn)鞑ゲ⒉环€(wěn)定，受點(diǎn)火能量影響較大.高能點(diǎn)火的火焰變動(dòng)方差圖的亮區(qū)較大，說明初始火核形成區(qū)域變動(dòng)較大.這是因?yàn)楦吣茳c(diǎn)火的電弧較長，隨氣流擺動(dòng)較大，同時(shí)長電弧的短路效應(yīng)都會(huì)導(dǎo)致火核形成區(qū)域的不穩(wěn)定.

兩種點(diǎn)火能量在MFB 10-50 的火焰變動(dòng)方差圖像沒有明顯差異，火焰穩(wěn)定性相同.

對(duì)比MFB 50-90 的火焰變動(dòng)方差圖像，普通點(diǎn)火的黑色區(qū)域從12° CA 開始形成，隨著曲軸轉(zhuǎn)角先擴(kuò)大后縮小，直到24° CA 黑暗區(qū)域消失.高能點(diǎn)火的黑色區(qū)域也是呈先增后減的趨勢，10° CA 時(shí)開始形成，在20° CA 時(shí)消失.高能點(diǎn)火的黑色區(qū)域的整體存在相位比普通點(diǎn)火提前約2° CA.高能點(diǎn)火的電弧持續(xù)時(shí)間較長，在10° CA 消失，之后火花塞周圍的火焰趨于穩(wěn)定，采用高能點(diǎn)火可使火焰較快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，有更大的提高稀燃極限的潛力.

在22° CA 之后的后燃期，雖然普通點(diǎn)火還存在黑色區(qū)域，但這時(shí)缸內(nèi)壓力相對(duì)較低，火焰的穩(wěn)定性對(duì)整個(gè)燃燒的循環(huán)變動(dòng)基本沒有影響.

高能點(diǎn)火系統(tǒng)在點(diǎn)火初期較大的火焰變動(dòng)可以提升初始火核的形成速率，有利于后期火焰?zhèn)鞑ィ煽康狞c(diǎn)火更有利于燃燒期的穩(wěn)定性.MFB 50-90 的火焰變動(dòng)對(duì)燃燒穩(wěn)定性起決定性作用.初始穩(wěn)定火焰相位越靠近MFB 50，燃燒穩(wěn)定性就越好.高能點(diǎn)火主要是保證可靠穩(wěn)定點(diǎn)火，促進(jìn)火核的生成和初始火焰的傳播，從而延長稀燃極限.

圖15 為高能點(diǎn)火下不同過量空氣系數(shù)φa的最小火焰變動(dòng)的方差.隨著φa的增加，黑色區(qū)域不斷變小，在φa為1.4 時(shí)已經(jīng)沒有黑色區(qū)域，同時(shí)最小火焰變動(dòng)方差的相位不斷推遲，靠近MFB 90 相位.從火焰變動(dòng)方差圖可以看出，隨著φa的增加，火焰的穩(wěn)定性越來越差，與圖10 中宏觀的CoVIMEP的不斷上升一致.

圖15 不同過量空氣系數(shù)下最小火焰變動(dòng)方差Fig.15 Minimum variance image of flame variation for different excess-air ratio

3 結(jié)論

在裝有光學(xué)玻璃缸套的單缸發(fā)動(dòng)機(jī)上，進(jìn)行稀薄燃燒試驗(yàn)，研究了點(diǎn)火能量和滾流水平對(duì)不同過量空氣系數(shù)下的燃燒穩(wěn)定性、燃油經(jīng)濟(jì)性和火焰變動(dòng)的影響；高能感應(yīng)點(diǎn)火系統(tǒng)改變了放電能量，滾流適配器提高了滾流強(qiáng)度.得出以下結(jié)論：

(1) 高能點(diǎn)火電弧更長、面積更大，持續(xù)時(shí)間更長，有利于初始火核的形成；且高能點(diǎn)火能夠拓展稀薄燃燒運(yùn)行極限.

(2) 滾流強(qiáng)化可顯著改善燃燒過程的循環(huán)變動(dòng)，采用高滾流進(jìn)氣道能使循環(huán)變動(dòng)降低50%；滾流強(qiáng)化燃燒速度更快，有更優(yōu)的燃油經(jīng)濟(jì)性；隨過量空氣系數(shù)的提高，燃油消耗率的降低幅度越來越小.

(3) 高能點(diǎn)火較大的火焰變動(dòng)有利于后期的火焰?zhèn)鞑?，使初始穩(wěn)定火焰更提前，有更好的延長稀燃極限的潛力.