GDI汽油机多孔喷油器喷雾特性的试验研究*

李钰怀，陈泓，冶麟，张双



GDI汽油机多孔喷油器喷雾特性的试验研究*

李钰怀，陈泓，冶麟，张双

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东 广州 511434）

为研究GDI汽油机采用均质燃烧模式和分层燃烧模式火焰传播的现象，在光学单缸发动机台架上进行了GDI汽油机燃烧火焰可视化的试验。研究结果表明，采用化学计量空燃比均质燃烧时，单次喷射和三次喷射对火焰的传播和均匀度都有显著影响，三次喷射的缸内火焰分布较单次喷射均匀；而采用壁面引导的稀薄分层燃烧模式时，火焰较为明亮，且分布不均匀。可以认为，三次喷射有利于喷射雾束与空气的交换，促进油气混合；且缸内油气混合的分布对火焰的传播和分布有重要影响。

GDI汽油机；多孔喷油器；喷雾特性；试验研究

前言

随着油耗法规的日益严格和环境压力的日益严峻，探索和开发更加节能减排的发动机一直是发动机技术领域内的热点。缸内燃油直接高压喷射因具有良好的动力性、经济性以及瞬态响应特性，正逐渐成为现代汽油机发展的主流技术[1,2]。

GDI技术能够精确灵活的控制喷油正时、喷射次数和喷油脉宽等喷油规律参数，以实现汽油机燃烧过程的合理组织，从而有利于发动机性能的全面提升。文献资料的相关报道表明，喷油规律的有效组织能够控制汽油机缸内的火焰发展形成和传播，对燃烧过程产生重要影响；GDI均质燃烧模式采用燃油进气行程早期喷射，油气混合均匀，产生均匀、较暗的火焰，而分层燃烧模式则采用燃油压缩冲程末期喷射，油气混合不均匀，有明亮的扩散火焰发生[3,4]。目前，研究GDI汽油机喷油规律对燃烧过程的影响日益成为热点课题。

本文在一台光学单缸发动机台架上，进行GDI汽油机采用均质和分层两种不同燃烧模式的试验。在均质燃烧模式下，研究了单次喷射和多次喷射对火焰传播均匀性产生变化的规律；在分层燃烧模式下，研究了喷油规律对分层燃烧实现的影响，并分析了分层燃烧模式下扩散火焰的特性。

1 试验系统和试验方法

1.1 试验系统

本文试验研究采用的光学单缸机台架系统如图1所示。主要由光学单缸机本体、台架相关集成设备以及进气控制系统、高压油泵、Scienlab喷油控制单元、VisioScope拍照系统、时序同步单元（Engine Timing Unit，ETU）、角标仪和燃烧分析仪组成。光学单缸机缸径为74mm，行程为84.5mm，压缩比为9.3。

图1 光学单缸机台架系统

光学单缸发动机由电力测功机倒拖运转实现点火，集成台架设备同时提供冷却水和润滑油循环。加长活塞的中空部分引入压缩空气对其进行冷却，同时采用抽风系统使曲轴箱保持一定负压，以防止废气和润滑油溢出。发动机进气压力由进气控制系统控制，可实现最高200kpa的进气压力。采用的屋脊形的石英玻璃缸套能够扩大视窗范围，可获取缸盖部分燃烧室的图像信息。

1.2 试验方法

光学单缸发动机运行时，首先由电力测功机倒拖运转，然后完成试验所需工况发动机环境条件（进气状态，喷油规律，冷却水、润滑油压力、温度，点火参数等）的设定，最后通过控制缸内供油触发信号的通断，来实现发动机点火运转循环数的控制，使排气温度不超温，以保护石英缸套。

针对不同喷油规律，光学单缸机转速2000r/min、IMEP 2.5bar的工况，采用pixelfly VGA99相机（拍摄频率约为50fps，曝光时间100μs），结合VisioScope系统拍摄不同曲轴转角的缸内火焰；拍摄石英玻璃缸套内的喷雾雾束时，以LED灯板（色温6000K冷白光，照度约300lm）为光源。试验中，循环变动COV控制在1.5%以内，每个曲轴转角下的缸内图像取30帧进行滤色、叠加平均后来获取更为准确的信息。图像后处理采用VisioScope自带的软件系统。

喷油规律在光学单缸发动机上通过Scienlab系统（单个循环最多可进行5次喷射）控制实现，喷油压力由高压油泵ECU单元控制，喷射压力可达200bar。喷油脉宽为IP（Injection Pulse, IP），喷油时间间隔为DT（Dwell Time），多次喷射的描述示意图如图2所示。

图2 多次喷油规律描述示意图

2 GDI均质燃烧火焰的研究

分别进行单次喷射和多次喷射对光学单缸机运行在2000r/min、IMEP 2.5bar时燃烧火焰传播过程影响的试验研究。喷油及点火的基本参数如表1和图3所示。

表1 不同喷射次数时的喷射及点火参数

（备注：表中曲轴转角相对于点火上止点）

两种不同的喷射次数下，进气压力、转速、冷却水和润滑油温度等参数都不变，保持喷油压力相同，同为80bar。由于缸内气体流动循环变动因素影响喷射时的背压，同时喷射次数增加时会受到喷油器线性度问题影响，因此应合理的调整三次喷射的喷油脉宽，尽可能确保过量空气系数为1。

采用VisioScope系统分别拍摄不同曲轴转角的缸内燃烧及火焰传播过程和喷雾雾束在缸内形态发展过程，结果如图4和图5所示。

图4 单次喷射及三次喷射雾束图像

从图4（a）可以看出，单次喷射的雾束贯穿距较大，雾束存在撞壁以及接触活塞顶面的可能，从而影响燃油在缸内分布；而图4（b）的三次喷射每次雾束贯穿距均较小，不会出现湿壁和撞击活塞顶面情况，雾束的喷射能量多次与气体交换，空间雾化效果较好，有利于混合气在缸内的均匀分布。

图5 单次喷射及三次喷射缸内火焰

从图5的单次喷射火焰和三次喷射火焰传播过程可以看出，二者火焰均较暗，但三次喷射的火焰与单次喷射相比，火焰更为均匀。从火焰的初期传播来看，单次喷射火焰传播较慢，说明火花塞附近油气混合效果不够好；在火焰传播中后期，单次喷射火焰在活塞顶面附件出现了明亮的扩散燃烧火焰，表明存在燃油湿润活塞顶面和燃油分布不均匀现象，而三次喷射火焰一直较为均匀，基本不存在扩散火焰。火焰传播过程所表现出的现象与缸内喷雾结果和分析较为吻合。

综合上述的分析可以认为，多次喷射可以减小雾束的贯穿距，从而降低湿壁的风险，并实现多次与气体能量交换，有利于燃油空间雾化和混合气在缸内的均匀分布，而均匀的缸内油气混合物分布将有效实现缸内均质预混火焰的形成。

3 GDI分层燃烧火焰的研究

GDI分层燃烧和均质燃烧的主要不同之处在于燃油喷射时刻和缸内混合气的组织。均质燃烧的燃油一般较早喷射（进气行程），以形成均质混合气，分层燃烧则在压缩冲程末期将燃油喷射进气缸，形成自火花塞附近由近及远由浓到稀的混合气。为观察分层燃烧火焰的传播情况，试验设定喷油规律，在光学单缸机上实现分层燃烧。GDI分层燃烧点火及喷射参数描述如图6和表2所示。所拍摄的喷雾及火焰如图7和图8所示。

图6 GDI分层燃烧点火及喷射参数描述示意图

表2 GDI分层燃烧时的喷射及点火参数

（备注：表中曲轴转角相对于点火上止点）

图7为分层燃烧的三次喷射过程，喷射压力较高时，贯穿距有所变长，接近上止点的两次喷射雾束撞击活塞顶面经壁面引导后，在火花塞附近形成可点燃混合气，保证点火的成功和火核形成及火焰传播。

从图8的分层燃烧火焰传播过程可以看出，相比于均质燃烧的火焰，分层燃烧由于扩散火焰的存在比较明亮；在火焰初期传播阶段（Ⅰ: 0°CA火焰），扩散火焰轮廓对应于油气混合物的分布，中后期阶段火焰明亮，且气缸左边火焰比右边更为明亮，说明油气在左边聚集较多。

分析认为，分层燃烧的喷油策略决定了扩散火焰的存在。在压缩行程末期，喷射的燃油与空气混合时间极短，无法形成均质的混合气，大部分油气是以边混合边燃烧的扩散火焰方式燃烧，所以火焰较为明亮。

图7 分层燃烧三次喷射雾束图像

图8 分层燃烧缸内火焰

4 结论

1）GDI发动机均质燃烧模式的预混火焰在缸内分布均匀，亮度较暗；分层燃烧模式的火焰主要以扩散火焰为主，较为明亮。

2）多次喷射能实现雾束与空气的多次能量交换，促进燃油的空间雾化，且燃油早期喷射增加了油气混合时间，均有利于在缸内形成均匀的油气分布。

3）GDI发动机缸内油气混合物分布是火焰传播的重要影响因素，预混、均匀分布的混合气有利于缸内燃烧火焰的均匀。

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Experimental investigation on spray characteristics for a multi-hole GDI injector

Li Yuhuai, Chen Hong, Ye Lin, Zhang Shuang

（GAC Automotive Research & Development Center, Guangzhou 511434）

This paper describes the experimental study of the flame propagation for homogeneous burn mode and stratified burn mode in an optical Gasoline Directed Injection (GDI) engine. The results show that, under homogeneous stoichiometric conditions, significant influence could be found on flame propagation whether single injection or triple injection is in used, the distribution of flame will be more uniform. However, for stratified burn mode, the flame distribution become non uniform and higher luminosity. Thus, triple injection might be benefit for the mixing process and the distribution of mixture in cylinder has important influence on flame propagation.

GDI engine; Multi-hole injector; Spray characteristics; Experimental study

U464.171

B

1671-7988(2018)22-43-03

李钰怀，(1985- )，男，就职于广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院。

U464.171

B

1671-7988(2018)22-43-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.014