低速稀薄燃烧工况下闪沸喷雾燃烧特性

孙 哲，崔明利，王鸿雨，李雪松，许 敏

(上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240)

面对严苛的排放法规以及油耗法规，汽车动力系统迎来史无前例的技术革命.众多先进燃烧技术中均质稀薄燃烧被认为是未来革命性提升发动机热效率、降低有害排放的主要技术路径之一[1].稀薄燃烧利用较低的燃烧温度可以降低热损失，低温富氧的环境可以抑制有害排放，有效改善燃烧效果[2-3].然而稀薄燃烧因为燃油稀薄、混合不均以及全局温度较低，会导致着火困难，出现失火的现象，火焰传播速度明显降低，恶化发动机性能[4-5].为了稳定火核生成，可以利用高能点火建立更强的离子通道来增强燃烧的稳定性.然而，火核生成稳定并不能加速火焰传播速度，特别在低速工况下，由于气流作用较弱，等离子体无法有效传播，火核生成也会受到限制[5-7].

闪沸喷雾已被认为是增强燃料与空气混合并减少碰壁相互作用的方法.利用提升相应燃油温度发生喷射瞬间的相变微爆闪急沸腾现象，可以有效增强雾化以及油滴蒸发，既可以减少壁膜生成的可能性，又可以增加喷雾传播过程中的阻力，降低贯穿距，增强燃料与空气的混合[8-9].更加均质的油气混合可以有效优化燃烧过程，相关闪沸喷雾燃烧的研究均证实，开发闪沸喷雾燃烧系统在改善油气混合、提升稀薄燃烧速度、提升热效率方面拥有巨大潜力[10-11].

本论文研究利用一台光学发动机通过加热油轨的方式，制造闪沸喷雾来改善燃油雾化以及缸内油气混合，并通过缸压以及光学诊断技术进行可视化燃烧分析.研究表明，闪沸喷雾可以有效加快燃烧放热速度，改善缸内指示平均有效压力(IMEP).

1 实验方法

1.1 光学发动机实验设置

如图1 给出了本次实验的实验原理图.该实验在一台单缸四冲程发动机上进行，燃烧室燃烧过程基于Bowditch 方法通过石英活塞由45°镜子反射，由NAC HX-5E 高速彩色相机(CMOS)拍摄记录.发动机配有水套的金属缸套用于控制燃烧系统边界温度.在缸盖位置布置缸压传感器，配合AND 燃烧分析仪记录发动机缸压数据.所有信号由控制器同步，并在给出点火信号后同时记录图像.图像帧速率为6 000 幅/s，分辨率为327×221 像素，每个循环记录150 张图片，在缸内稳定燃烧1 min 后同时记录100个循环缸压以及图像.实验使用博世对称八孔喷油器(Bosch HDEV5.1)，中置直喷，与火花塞布置于燃烧室中央.为了保证应用效果的准确性，该实验采用92 号汽油作为燃料，以异辛烷作为计算过热度的主要单质油品，确保大多数燃油组分处于完全闪沸状态.油温由加热带加热油管控制，根据之前大量的喷雾研究，不同的环境-饱和压力比(pa/ps)会产生不同的喷雾形态，并对喷雾雾化形态、粒径等喷雾特性参数产生明显影响[10].该实验分别设定过冷喷雾为30 ℃，完全闪沸喷雾为200 ℃，并利用保温措施确保燃料温度精确控制在±3 ℃的误差范围.发动机转速为1 500 r/min，进气背压为90 kPa，过量空气系数通过控制喷油量设定为1.55.此外，该实验采用高能点火技术(826 mJ，2 ms 充磁时间)以维持稳定的稀薄燃烧状态.燃油喷射时刻、点火时刻经过扫点确定在最大扭矩点(MBT).其他实验系统参数汇总于表1.

图1 光学发动机实验原理Fig.1 Schematic of optical engine experiment

表1 光学发动机参数Tab.1 Parameters of optical engine

1.2 颜色模型图像处理方法

针对实验得到的彩色图像，该实验应用数字化HSV 颜色处理模型对预混火焰区域进行重新标定，针对火焰图像的预混火焰区域进行了提取增强，在不同工况下对闪沸喷雾燃烧与过冷喷雾燃烧过程进行量化对比分析.在之前的研究里[12-13]，该颜色模型利用光谱仪以及特定波长的带宽滤镜，对火焰预混燃烧的主要生成物C2*(516 nm)以及CH*(430 nm)进行标定，成功从彩色高速相机图像中分离出预混火焰区域的色度(Hue)区间118°～252°.图2 为该颜色模型的原理示意图，该标定过程对碳氢扩散火焰下不同的火焰结构区域进行了精确标定，详细的实验标定过程以及相关应用可见文献[14-18]，利用该区间可以实现对碳氢燃料火焰的不同结构进行量化分析，并认为该火焰区域可以进行有效的火焰传播，油气混合良好，可以实现高效的燃料放热做功.

图2 基于HSV颜色模型的预混火焰区域提取原理Fig.2 Schematic of premixed flame region extraction based on HSV color model

2 实验结果与讨论

2.1 发动机燃烧表现

图3 给出了不同工况下100 个循环IMEP 与CA 50(完成50%全部放热量时的曲轴转角)关系对比.首先闪沸喷雾燃烧具有更高的IMEP，其平均IMEP 由过冷喷雾的655 kPa 上升到684 kPa，提升4.43%，这说明在等量的燃油条件下，闪沸喷雾燃烧有更高的热效率.此外，可以看出100 循环整体闪沸喷雾燃烧的波动性较小，由IMEP 的循环变动(CoV)计算得出，利用闪沸喷雾可以将过冷喷雾燃烧的1.65%进一步优化至0.89%，循环变动降低46.06%.闪沸喷雾其快速蒸发的能力主要在稀薄燃烧模式中体现为更加均质的混合气生成，这导致在火焰扩散过程里降低了由油气分布带来的循环变动.整体CA 50明显更加提前，过冷喷雾出现了个别循环的CA 50大于17°CA ATDC，恶化了IMEP 以及燃烧稳定性.

图3 不同工况下100个循环IMEP与CA 50关系对比Fig.3 Comparison of relationship between IMEP in 100 cycles and CA 50 under different operating conditions

图4 给出了不同工况下100 个循环平均缸压对比，也给出了闪沸喷雾以及过冷喷雾燃烧100 个循环平均累积放热百分比对比.如图4(a)所示，闪沸喷雾燃烧明显加快缸压上升速度，并具有更高的最大缸压值以及更快的最大缸压相位.这直接说明闪沸喷雾燃烧的缸内的燃烧速度更加剧烈，做功更加明显.可以明显看到闪沸喷雾燃烧的放热速度要明显高于冷态喷雾.如图4(b)所示，在10%～90%的放热持续期内，闪沸喷雾燃烧并没有表现出明显的放热速度加快的优势.整体的放热持续期差别不大.然而仔细对比燃烧开始相位CA 10 以及燃烧中点CA 50，100 个测试循环的平均结果表明，闪沸喷雾燃烧的CA 10 为1.74°CA ATDC，CA 50 为11.81°CA ATDC，相比于过冷喷雾燃烧的3.19°CA ATDC 以及14.18°CA ATDC 分别提前了1.45°CA 以及2.37°CA.这说明闪沸喷雾燃烧有更快的开始燃烧相位以及燃烧中点更加提前，更加接近发动机做功上止点.进一步对比前期放热持续期CA 10～CA 50，闪沸喷雾燃烧为10.07°CA 以及10.99°CA，缩短了8.37%，这说明在闪沸喷雾燃烧前期燃烧速度更快.

图4 不同工况下缸压以及放热规律对比Fig.4 Comparison of cylinder pressure and heat release under different operating conditions

图5 给出了闪沸喷雾以及过冷喷雾燃烧的瞬时放热率以及瞬时放热率2 阶微分对比.从瞬时放热速度中可以更加明显地看出闪沸喷雾燃烧的最大瞬时放热率更高，瞬时放热峰值相位更早，拥有更快的放热速度.这使得在发动机膨胀做功的过程里，更多的燃料以更快的燃烧速度放热，从而改善功能转化.此外，对放热速度进行微分发现，闪沸喷雾以及过冷喷雾均出现了明显的两段燃烧特征[19-20].闪沸喷雾以及过冷喷雾燃烧的快速放热阶段(放热后第1次瞬时放热加速度为0 的时刻)的结束时间分别为15.64°CA ATDC 和18.64°CA ATDC，闪沸喷雾燃烧拥有更加接近上止点的快速放热阶段结束位置，提前3°CA.在快速放热阶段，冷态喷雾燃烧放热65.40%，而闪沸喷雾燃烧放热64.13%，这说明闪沸喷雾燃烧在不牺牲放热比重的前提下，提升了快速放热阶段的定容度，优化了燃烧过程的热效率，从而提升IMEP[20].相应地，闪沸喷雾在整个燃烧过程中均有较大的累积放热以及最终累积放热，这说明闪沸喷雾燃烧可以释放更多热量，拥有更充分的燃烧效果.

图5 不同工况下2阶燃烧对比Fig.5 Comparison of two-stage combustion under different operating conditions

2.2 缸内火焰发展过程分析

图6 为所选闪沸喷雾以及过冷喷雾燃烧过程的典型循环缸内火焰发展过程.可以看到两个工况火焰在充满光学可视窗口前均经历了火花着火火核形成、火焰快速扩散两个主要过程.高能点火等离子体的击穿油气混合物、放热的过程里同时加快火核生长，为快速火焰扩散做准备.可以明显看到，在点火阶段，过冷喷雾有较长的等离子体持续时间，由-21.5°CA ATDC 开始明显击穿到-0.5°CA ATDC.相比之下，闪沸喷雾燃烧的该阶段较短.此外该点燃过程强度也有较大差别，闪沸喷雾在更快更强的点燃过程后更快地形成火核向外扩散火焰，明显可以看到闪沸喷雾燃烧有更快的燃烧速度，并更早地充满整个光学可视窗口.

图6 不同工况下典型缸内燃烧发展过程对比Fig.6 Comparison of the development process of typical in-cylinder combustion under different operating conditions

图7 给出了通过颜色分析模型提取的不同喷雾工况下，预混火焰区域的发展过程.可以明显看到在整个过程里闪沸喷雾燃烧有相位更加提前以及强度更高的预混火焰区域.在点火过程中(虚线红框标注)，闪沸喷雾可以在点火过程中以更快的速度生成大量预混火焰，这说明闪沸喷雾燃烧通过更好的燃油雾化以及油气混合能力缩短了该工况下有效火核的生成.在生成的火核的火焰结构中，更大比例的预混火焰可以促使进一步的能量传递，形成高速的火焰扩散速度.在第2 阶段的火焰扩散过程里，更高强度以及更大面积的预混火焰比例说明闪沸喷雾的雾化、油气混合能力得到了增强.这是闪沸喷雾燃烧更快燃烧速度的关键因素.

进一步量化对比闪沸喷雾燃烧与过冷喷雾燃烧的发展过程，如图8(a)所示为燃烧火焰占窗口比例的发展过程，闪沸喷雾燃烧可以明显地加快火焰扩散，更早充满整个火焰窗口.在点火开始到形成稳定的火核开始快速火焰扩散这一过程中，过冷喷雾燃烧需要经历30°CA.相比之下，闪沸喷雾燃烧可以将这个过程缩短25%，为22.5°CA，以更快的速度开始进行火焰传播.此外，对比观察火核生成的过程，在高能点火的作用下，闪沸喷雾燃烧具有短时、高强击穿的点火特性，促使点火能量的高速释放以及火核的快速形成.在扩散过程中，通过对到充满可视窗口这个过程里火焰面积的等效火焰半径进行计算，得到闪沸喷雾、过冷喷雾的燃烧过程平均火焰速度为16.07 m/s 和11.75 m/s，相比于过冷喷雾燃烧，闪沸喷雾燃烧可以有效提升燃烧速度高达36.77%.图8(b)给出了不同工况典型缸内燃烧过程预混火焰区域强度对比，在整个火焰扩散过程中，闪沸喷雾均有着更强的预混火焰强度，说明其火焰结构中预混燃烧更多，油气混合更加均匀.闪沸喷雾工况下到达峰值强度时刻为 4°CA ATDC，而冷态喷雾为 8.5°CA ATDC，提前了4.5°CA，这说明整个扩散过程以更接近上止点混合更好的状态的相位完成了火焰传播.

图8 不同工况下火焰扩散过程量化对比Fig.8 Quantitative comparison of flame diffusion process under different operating conditions

3 结论

本研究利用一台搭配高能点火系统的直喷汽油光学发动机实验台架，同步记录过冷喷雾以及闪沸喷雾燃烧的缸压以及缸内燃烧过程，对闪沸喷雾在低速稀薄燃烧工况下的燃烧过程进行了分析.研究发现，闪沸喷雾燃烧可以有效缩短点火以及火核形成过程，加快燃烧速度，提升快速放热阶段的放热比重以及提前该阶段的结束时间，有效提升IMEP.闪沸喷雾燃烧系统更强的雾化能力以及更好的油气混合能力增强了火焰扩散过程的预混燃烧火焰比例，对优化低速稀薄燃烧，提高热效率具有巨大潜力.