喷油策略对发动机喷雾及燃烧的可视化研究

朱宏飞 张双 江枭枭 杜家坤 陈泓

摘 要：在一台侧置多孔喷油器的单缸光学发动机上通过时序控制单元控制喷油时刻，研究喷油策略对缸内喷雾发展过程及燃烧特性的影响。研究结果表明，喷油时刻过早，油束会撞击活塞顶面形成油膜，产生扩散燃烧火焰，增加碳烟排放，且会减小燃烧速率，增加燃烧不稳定性;喷油过晚，缸内滚流变弱，缸内油气混合不均匀，局部过浓区域会产生扩散燃烧火焰，增加燃烧不稳定性。

关键词：光学单缸机;喷油时刻;燃烧室;燃烧特性

Abstract： The influence of injection strategycontrolled by Engine Timing Unit on spray development and combustion characteristics was experimentally studied on a direct injection optical single cylinder gasoline engine with side-mounted multihole injectors. The results show that if the injection timing is too early， the spray will impingement on the piston， produce diffused flame， generate more soot and improve the combustion instability. If the injection timing is too late， the mixture in the cylinder forms uneven because of the weak tumble， and the rich area will generate more soot and improve the combustion instability.

Keywords： Optical engine; Injection timing; Combustion chamber; Combustion system design

前言

缸內直喷汽油机可以通过精准的调节喷油时刻，喷油量来控制缸内空燃比，提高发动机燃油经济性和热效率;还可以通过调整喷油策略，实现缸内分层燃烧和稀薄燃烧;缸内直喷汽油机缸内燃烧温度低，喷油压力大，燃油雾化蒸发快，有较好的排放性能，已经成为国内外研究机构关注的重点[1，2]。

随着研究手段的进一步完善，研究者们利用先进的光学设备及可视化研究方法开展了一系列的燃烧系统控制参数对发动机性能的影响[3-6]。JingeunSong[3]等人在一台光学发动机上研究了喷油策略对缸内混合物的形成及燃烧特性的影响，结果表明，对于一次喷射策略，推迟喷油时刻，由于缸内滚流强度大，火焰传播速率快;在点火时刻缸内湍流强度高，缸内爆发压力大。XiongboDuan[4]等人，在一台增压直喷发动机上，使用乙醇和汽油的混合物研究了喷油策略对缸内循环变动的影响，试验采用两次喷射的喷油策略，通过改变二次喷射的喷油时间和喷油量来研究对缸压，缸内爆发压力，压力升高率等影响。研究结果表明，第二次喷油时刻和喷油量对燃烧持续期的影响较小;喷油策略三的缸内燃烧循环变动率最小。P.Efthymiou[5]等人使用一台光学发动机和高速彩色相机研究发动机控制策略对冷启动工况的影响。研究结果表明，在冷启动工况的不同时刻火焰传播速率、火焰前锋面结构和空燃比变化很大;在碳烟生成区域的火焰呈现明亮状态。S.breda[6]等人在光学发动机上研究了分次喷射策略对缸内混合物形成的影响，研究结果表明，分次喷射可以增加缸内混合气的均匀度，缸内混合气的状态与喷油策略有很大关系，缸内的过浓区域会加速碳烟的生成。

本文基于可视化的光学单缸机试验平台，通过时序控制单元控制喷油器的喷油时刻，利用燃烧分析仪记录燃烧参数，来研究不同喷油时刻对缸内喷雾发展过程和燃烧特性的影响。为燃烧系统开发提供试验数据支撑，并且可以为热力学开发提前制定合理的控制策略。

1 试验条件

1.1 试验装置

试验用的发动机是一台缸套为石英玻璃的光学单缸机，图1为光学发动机的实体图片。光学单缸机的缸径为83mm，冲程为92mm。试验用发动机主要技术参数如表1所示。发动机采用侧置喷油器，单电极火花塞，试验中选用的是自润滑性的材料作为活塞环，且玻璃缸套段没有与活塞环接触，因此视窗范围内没有使用机油，保证了试验过程中视窗的清洁度，避免机油对成像造成影响。

试验台架示意图及视场图片如图2所示。试验用的光学单缸发动机的测控平台包括：光学单缸发动机，电力测功机、油水恒温控制系统、35MPa高压供油系统、时序控制单元、LED光源、高速摄像机等。图像采集使用的是Photron High Speed Star Z系列的高速相机，拍摄速度可达20000帧/秒，曝光时间200μs，采样时间分辨率为3°CA;缸压信号采集使用Kistler 6054型缸压传感器;曲轴转角信号由AVL 365C型角标器输出;燃烧过程示功图及时序控制信号采集利用AVL Indicom系统，采样分辨率为0.5°CA。为了保证试验的可靠性，试验在各项参数趋于稳定后采集数据。为提高拍摄图片的质量，通过时序控制单元控制LED光源在359°CA BTDC-32°CA BTDC打开，以利于喷雾形态的捕捉，其余时刻熄灭，以保证灯光不影响火焰形态。

1.2 试验方法

试验中发动机转速固定在2000r/min，平均有效压力（BMEP）为0.28MPa，冷却水温度和机油温度均为60°C，试验采用单次喷射，喷油压力控制在20Mpa，喷油时刻（SOI）从290°CA BTDC到240°CA BTDC每隔10°调节。

2 试验结果及分析

2.1 喷油时刻对缸内喷雾发展的影响

图3为不同喷射时刻下的喷雾发展情况。喷油时刻（SOI）过早，从（a）和（b）图中可以看出喷油时刻位于290°CABTDC到280°CABTDC时，活塞距离上止点位置较近，喷雾油束会撞击到活塞顶面，在活塞顶面易形成一层油膜，燃烧过程中，由于混合不均匀，易形成碳烟。随着喷油时刻推迟，活塞远离上止点，喷雾撞击到活塞顶的趋势减小，随着气门开度的增加，缸内滚流强度增加，气流引导喷雾发展，从图中喷油时刻270°CABTDC到250°CABTDC，可以看出，喷雾末端随着气流发展方向发生明显的弯折，避免喷雾撞击缸套，而且此时缸内气流运动较强，有利于缸内混合气混合均匀，易形成预混燃烧火焰，有利于降低排放。喷油时刻继续推迟，从图中喷油时刻为240°CABTDC可以看出，此时进气门逐渐关闭，缸内滚流强度减小，气流对喷雾的弯折作用减小，且不利于混合气的形成。因此，选择合适的喷油时刻，有利于缸内混合气的形成，且可以减小喷雾撞击壁面和活塞顶的风险，有利于减小排放。从本文的试验结果看，喷油时刻选择在270°CABTDC到250°CABTDC时，既可以利用气流引导喷雾发展，加强缸内混合气的形成，又可以避免喷雾撞击活塞顶和缸壁，形成碳烟。

2.2 喷油时刻对燃烧发展过程的影响

图4为喷油时刻对燃烧发展过程的影响。缸内火焰整体呈现为淡蓝色预混燃烧火焰，缸内出现的明亮区域是扩散燃烧火焰，淡蓝色火焰说明缸内油气混合较好，明亮火焰说明油气混合较差，是碳烟生成的主要原因。缸内直喷汽油机的优点是燃油直接喷射入汽缸内，配合高滚流气道，进气引导喷雾发展，促进燃油与空气的混合。而且缸内直喷汽油机一般使用高压喷射，喷出的燃油液滴直径更小，容易霧化，与空气更好的混合，形成均匀混合气。火花塞跳火后，经过滞燃期、急燃期和后燃期，完成燃烧及做功过程。从图4中可以看出，不同的喷油时刻，对燃烧过程的发展有很大影响。过早的喷油，油束撞击活塞顶，在活塞顶形成油膜，燃油不完全燃烧，形成明亮燃烧火焰，产生大量未燃碳氢，过晚喷油，缸内滚流强度较弱，油气混合不均匀，在缸内局部区域过浓，形成明亮燃烧火焰，产生大量未燃碳氢。因此，选取合适的喷油时刻，有助于缸内混合气更加均匀的混合，火焰传播速度增加，减小碳烟的生成倾向。从本文的试验结果中看，喷油时刻选择在270°CABTDC到260°CABTDC时，缸内形成预混燃烧火焰，没有明显的扩散燃烧火焰，可以降低排放。

2.3 喷油时刻对燃烧参数的影响

图5为喷油时刻对燃烧参数的影响。喷油过早或过晚，均不利于缸内混合气的形成，进而降低火焰传播速率，图5（a）是喷油时刻对AI50的影响。从图中可以看出，随着喷油时刻的推迟，AI50逐渐减小，在喷油时刻为260°CABTDC时，AI50达到最小值，之后AI50增加。在喷油时刻为260°CABTDC时，火焰传播速率最大，燃烧速度最快。图5（b）是喷油时刻对缸内循环变动的影响。试验的几个喷油时刻均在可接受范围内，在喷油时刻为270°CABTDC时，循环变动最小，燃烧最稳定。

3 结论

（1）喷油时刻对缸内混合气的形成有很大影响，过早和过晚的喷油，会增加喷雾撞击活塞顶面和缸壁的风险，容易形成油膜，增加碳烟排放。

（2）缸内燃烧过程整体呈现淡蓝色火焰，喷油过早，油束会撞击活塞顶面形成一层油膜，生成明亮的扩散燃烧火焰，碳烟排放增加;喷油过晚，缸内油气混合不均匀，缸内过浓区域会增加碳烟排放。

（3）喷油时刻对燃烧速率有一定的影响，过早或过晚都会降低火焰传播速率，增大燃烧不稳定性。

参考文献

[1] Simona SilviaMerola， CinziaTornatore， AdrianIrimescu， LucaMar -chitto，GerardoValentino， Optical diagnostics of early flame develop -ment in a DISI （direct injection spark ignition） engine fueled with n-butanol and gasoline， Energy， 2016， 108： 50-62.

[2] M.Koegl， B.Hofbeck， S.Will， L.Zigan， Investigation of soot forma -tion and oxidation of ethanol and butanol fuel blends in a DISI engine at different exhaust gas recirculation rates.

[3] JingeunSong，TaehoonKim，JihwanJang，SungwookPark. Effects of the injection strategy on the mixture formation and combustion characteristics in a DISI （direct injection spark ignition） optical engine. Energy， 2015， 93：1758-1768.

[4] XiongboDuan，JingpingLiu，ZhipengYuan，GenmiaoGuo，QiLiu， Qijun Tang，BanglinDeng，JinhuanGuan， Energy， 2018， 165： 455-470.

[5] P.Efthymiou， M.H.Davy， C.P.Garner， G.K.Hargrave， J.E.T.Rimmer， D.Richardson， J.Harris.An optical investigation of a cold-start DISI engine startup strategy， Internal Combustion Engines： Performance， Fuel Economy and Emissions. 2013， 27： 33-52.

[6] S.Breda，F.D'Orrico，F.Berni，A.d'Adamo，S.Fontanesi，A.Irimescu， S.S. Merola， Experimental and numerical study on the adoption of split injection strategies to improve air-butanol mixture formation in a DISI optical engine，Fuel，2019，243：104-124.