增压直喷汽油机喷雾及燃烧特性可视化试验研究

2019-09-11黄彬

汽车实用技术 2019年16期

黄彬

（泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201206）

前言

增压直喷汽油机因其可在进气形成和压缩行程灵活控制喷油策略，可实现较低的缸内进气温度和燃烧温度，充气效率高爆震倾向低，可实现较高的功率扭矩。直喷系统燃油控制更精确利于发动机动态空燃比控制，从而实现较好的燃油经济性和冷启动排放性能等优点，现已逐渐成为国内外汽油机研发的主流产品[1,2]。

然而，由于直喷系统喷射油束贯穿距较大，开发阶段需重点关注因油束与燃烧室内壁干涉引起的燃油湿壁现象，对于小排量发动机因其缸径较小干涉更难避免。研究表明，燃油湿壁后难以及时有效的蒸发，部分湿壁燃油以液态形式参与燃烧，极易因不完全燃烧引起发动机碳烟和碳氢排放超标[3,4]。国六排放法规收严气体排放限值的同时，增加对整车排放碳烟数量的要求，相比在排气系统增加汽油机颗粒物过滤装置（GPF），在开发匹配阶段即关注避免增压直喷汽油机燃油湿壁风险更显重要。

随着发动机研究的深入和研发手段的发展完善，单缸机试验已成为发动机燃烧系统开发的核心部分，此阶段借助可视化光学发动机直接观测缸内工作过程，成为研究发动机燃油雾化形态、混合气分布均匀性、燃烧火焰形态和碳烟生成等特性的有效手段，可在项目开发初期锁定发动机燃烧系统关键参数[5-8]。

本研究在一台可视化光学单缸机上，在相同试验边界条件下，对比两种不同形式喷油器和两种活塞顶面燃烧室的多种硬件组合匹配状态，从两个典型工况基于燃烧稳定性、燃油湿壁风险等方面综合对比，得到优化的喷油器和燃烧室匹配组合，为后续多缸机开发打下坚实基础。

1 试验装置与试验方法

1.1 试验用发动机

图1 为试验用光学发动机的实物图。此发动机主要聚焦于试验研究燃烧室类型、喷油器形式和活塞顶面形状等燃烧核心部件。发动机安装的大可视窗的熔融石英缸套，可支持光学测量缸内混合气流动组织、喷油油束特性、燃烧火焰发展传播和排放物生成位置，另外，透明缸套利于观测喷油湿壁位置。缸盖系统的特殊设计利于喷油器、火花塞和缸压传感器的灵活布置和更换，便于高效开展硬件选型试验。

图1 光学单缸机实物图

此研究中主要针对喷油控制参数开展试验，喷油压力由20MPa 可控升压单元提供，喷油时刻、喷油次数、喷油相位和点火时刻等关键控制参数由开放式ECU 控制，由模拟增压控制单元控制发动机进气压力和温度。表1 给出了此发动机关键技术参数。

表1 发动机关键技术参数

1.2 测量系统

本研究试验采用AVL 电力测功机测量控制发动机转速和扭矩，发动机冷却水和机油温度压力由AVL577 单元控制。采用Kistler6052 型缸压传感器配合AVL Indicom 采集分析缸内燃烧压力信号，信号采样间隔为0.1°CA，由安装在曲轴前端的AVL 角标器触发记录。发动机气体排放由AMA i60测量，颗粒物质量浓由AVL 483 测量得到。

试验中的光学可视化测量主要基于对平面激光诱导荧光法（PLIF，Planar Laser Induced Fluorescence）和高精摄像系统的应用。由YAG 光谱物理激光器产生10Hz 的266nm 激光束，传导后经过片光器后变为片光，片光沿石英缸套径向射入燃烧室内，激发平面内的荧光反应。本研究使用sCMOS相机采样频率可达50fps，像素分辨率最高达2560×2160。试验中相机垂直于激光平面，采集缸内激光平面内的图像信息。通过时序控制模块同步光学测量系统激光和采样时刻，准确采集研究关注的曲轴转角时刻缸内图像信号。图2 给出了光学测量系统布置示意图。此系统也可关闭激光器，调节摄像系统参数以直接拍摄缸内燃烧火焰图像信息。

图2 可视化测量系统布置示意图

1.3 试验方案与分析方法

本研究涵盖三角形6 孔和菱形7 孔两种喷油器，凹顶和平面两种活塞顶面燃烧室方案，对各喷油器和燃烧室组合方案进行同边界条件对比试验，如表2 所列。基于整机典型关注工况点，选取典型试验工况分别代表发动机在催化器起燃和全油门条件下的性能表现，从燃烧特性、排放特性、喷油雾化光学测量和燃烧火焰特性等方面数据综合对比，确定最优组合方案。

表2 喷油器和活塞顶面选型方案

2 试验结果及分析

2.1 催化器起燃工况

催化器起燃工况要求发动机燃烧稳定且排放水平较低，以通过推迟点火角提高排温尽量降低整机排放。考虑典型性，本研究选取转速1200rpm 负荷IMEP 1.6bar 作为催化器起燃工况开展试验。发动机冷却液水温和机油温控制在20℃模拟冷态环境。试验中点火角固定在20 CA ATDC，喷油模式采用三段式喷射，以保障缸内混合气整体均匀性的同时，点火时刻在火花塞附近形成相对较浓的混合气以利于稳定点火燃烧。基于之前研究结果，固定前两次喷射时刻SOI1 为260 CA bTDC， SOI2 为230 CA bTDC，第三次喷射时刻研究范围140-50 CA bTDC。

图3 催化器起燃工况燃烧和排放参数

图3 给出第三次喷射时刻对发动机燃烧和排放的影响。由图可知，四种组合在催化器起燃工况下碳烟排放水平基本一致。喷油器I-129 和活塞顶面P-A 的组合可保持最宽广范围内稳定的燃烧，且在四种组合中燃烧最快，说明此组合可得到更好的混合气组织，利于催化器起燃。在较晚的喷油时刻I-129 和P-B 的组合燃烧明显偏慢。基于燃烧稳定性、燃烧持续期、碳烟排放等综合比较，选定第三次喷射时刻110 CA bTDC。

图4 不同喷油器缸内混合气雾化混合过程

基于选定的第三次喷射时刻，测量比较两种喷油器形式对燃油雾化混合的影响。图4 给出第三次喷射后到接近上止点的过程中，缸内喷油雾化混合气形成过程的PLIF 测量结果。可见两种喷油器第三次喷射形成的混合气均在燃烧室中心区域相对集中，这得益于高滚流比气道设计。对比各时刻测量结果可见，I-129 喷油器在燃烧室中心区域可实现相对更明显的弱分层混合气分布，这更易实现点火时刻火花塞附近混合气偏浓，以利于火核形成并成功传播，得到良好的燃烧稳定性。

综上所述，在催化器起燃工况下I-129 喷油器利于形成利于燃烧和排放的缸内混合气分布。

2.2 全油门工况

从整车动力匹配角度考虑，发动机最大扭矩关系整车加速能力，最大扭矩的有效转速区间需尽量宽广。通常将转速1500rpm 全油门工况作为一个典型工况开发，以实现优化的最大扭矩指标。本研究在1500rpm 设定进气压力为2bar、喷油压力250bar，分别研究单次喷射策略和三次喷射策略喷油时刻对发动机燃烧特性的影响。过程中考虑光学单缸机石英缸套强度限制，设定点火角为8 CA aTDC。

图5 为单次喷射策略下发动机燃烧和排放测试结果，喷油时刻研究范围为300-250 CA bTDC。可见不同组合条件下均可得到较低的燃烧循环变动率（IMEP_COV），燃烧持续期均较短，满足开发目标要求。全油门工况喷油脉宽长，一般首次喷射尽量提前以利于燃油的充分雾化混合，从图中可见若喷油时刻早于290 CA bTDC 碳烟排放大幅度升高，这是由于此时活塞位置较高，易与油束干涉引起燃烧室内大面积湿壁引起燃油蒸发不充分，因此选定第一次喷射时刻290 CA bTDC 作为后续开发试验的基础。

图5 全油门单次喷射燃烧和排放参数

缸内直喷汽油机开发过程中需尽量避免燃烧室内燃油湿壁现象的产生，因为燃油湿壁不利于燃油空气充分混合，局部偏浓引发碳烟生成。全油门工况油束贯穿距较长，一般很难避免局部湿壁现象，典型湿壁位置为缸套、活塞顶面、气门等处，活塞顶面和排气门位置因温度较高，湿壁燃油仍可较完善蒸发，但缸套和气门位置的湿壁需严格避免。图6 为喷油器和活塞四种组合条件下，缸内燃烧后期碳烟明亮火焰图像。四种组合在单次喷射条件下，均发现不同程度的碳烟火焰产生。P-A 活塞和I-129 组合在排气侧缸套附近存在碳烟火焰，P-A 和I-535 组合在进气门附近存在大量碳烟火焰且持续后燃，且缸套附近也存在很轻微的碳烟火焰；P-B 活塞匹配两种喷油器时，分别在活塞顶面和进气门附近发现轻微碳烟火焰。可见，平顶活塞P-B 相对于凹顶活塞P-A 活塞更利于避免碳烟生成，这也与图5 所示的碳烟排放结果一致。表明此平顶活塞燃烧室滚流组织更利于燃油蒸发混合，内壁燃油湿壁风险相对更小。

图6 单次喷射碳烟火焰对比

相对于单次喷射，多次喷射可更灵活分配喷油脉宽，避免因油束贯穿距较大与活塞、气门等处干涉引起燃油湿壁。基于单次喷射研究结果，仅在P-B 活塞顶面燃烧室上进行三次喷射时刻扫描试验，基于燃烧和排放数据选定三次喷射时刻分别为290、240、110CA bTDC。图7 为P-B 活塞顶面匹配两种喷油器考察湿壁、碳烟火焰对比情况。由图可知，两种喷油器均在活塞表面存在轻微碳烟火焰，I-535 喷油器在进气门附近存在很轻微的碳烟火焰。可见，三次喷射相对于单次喷射湿壁问题得到很大改善，在喷油相位扫描试验完成后，石英缸套避免也均未见湿壁痕迹。另外，结合试验后拆机检查缸内情况来看，I-535 喷油器对进气门仍有冲刷痕迹。

综合来讲，在全油门工况下I-129 喷油器匹配P-B 活塞为最优组合方案，I-535 喷油器匹配P-B 活塞需要进一步通过优化喷油器形式以避免进气门轻微湿壁现象。