米勒循环气道喷射汽油机低速大负荷碳烟生成和控制研究

李承运 顾亚平 许 杰 方会咏 张少华 汪名月 赵福成

（宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江 宁波 315336）

引言

随着全球排放法规日益加严以及城市中汽油乘用车保有量迅速增加，汽油机碳烟排放控制越来越受到重视。北京市环保局发布的PM2.5 来源解析报告显示，在雾霾所有来源中，机动车污染占31%；天津市环保局公布的大气颗粒物来源解析报告显示，机动车排放的颗粒物所占比例为20%；上海市公布的大气颗粒物来源解析结果显示，机动车排放的颗粒物占29.2%。

国内外学者已经对内燃机的碳烟产生机理和控制手段进行过一定研究，鞠洪玲等针对柴油机缸内碳烟颗粒形成过程与尺寸分布特性进行了详细研究[1]；周建伟等对直喷汽油机喷油器积碳特征进行了深入研究[2]；石秀勇等针对直喷汽油机颗粒物生成及排放特性研究做了大量工作[3]。付磊等针对气道喷射汽油机的碳烟生成过程做了分析[4]。Guy Hoffmann 等采用多孔、高压喷油器[5]，实现了快速雾化。Claudius Schueck等在气道内增加滚流板和充气控制阀[6]，增加了滚流强度，加快了气道内气流流速，改善了混合气混合质量，降低了碳烟排放。

这些学者和工程师们的研究成果，对后来学者继续研究内燃机碳烟排放和控制起到了很好的指导作用。

米勒循环发动机以其低的油耗受到越来越多发动机生产厂家的关注，这种发动机尤其适合与电动机组合配置成混合动力系统，保证低油耗的同时还能拥有足够的动力[7]，拥有广阔的应用前景。为了研究米勒循环发动机低速大负荷碳烟的生成原因和影响因素，本文在一台量产的米勒循环气道喷射汽油机上进行缸内燃烧可视化试验，对碳烟生成和控制问题进行分析，提出针对性解决方案并完成验证。

1 试验装置和试验方法

1.1 试验装置

本试验中的米勒循环发动机是以一台常规气道喷射发动机为基础，重新设计进气凸轮型线，将进气凸轮包角减小，达到进气门早关的目的，实现膨胀行程大于压缩行程的米勒循环[8]；同时，为了进一步降低油耗，通过更改活塞结构增加发动机压缩比，优化进气道，完成发动机的改制。图1 为改制前后发动机的进排气门升程曲线的差异。

图1 改制前后气门升程曲线对比

表1 为改制后的发动机主要技术参数。

表1 改制后的发动机主要技术参数

本次试验采用的测功机为AVL 瞬态测功机，烟度测量设备为AVL483 和AVL415，实时采集排气中碳烟浓度。缸内燃烧可视化设备为AVL 公司的VisionFEM 系统，该系统结构简图如图2 所示。利用安装在特制火花塞前端的8 根光敏探头采集混合气燃烧火焰形成的可见光，通过频谱分析，可以识别缸内混合气燃烧时产生碳烟的完整过程。

图2 VisionFEM 系统结构简图

1.2 试验方法

通过前期试验发现，试验发动机在1 250 r/min@WOT 和1 500 r/min@WOT 工况，排气中碳烟浓度急剧升高，比其它转速高出10～30 倍，且碳烟浓度随着工况运行时间变长不断升高直至稳定。所以，本文选择这2 个低速工况进行碳烟生成和控制研究。在这2 个工况运行之前，分别各自进行清理积碳30 min，确保无残留燃油在进气系统和气缸内。可视化设备VisionFEM 的光敏探头布置如图3 所示。序号1～8 分别代表8 个光敏探头的缸内布置相对位置，监测范围涵盖进排气门周边区域、活塞顶面以及活塞环区域。

图3 光敏探头与气门相对位置示意图

在每个工况，分别对喷油终止角（End Of Injection，EOI）进行扫点，扫点区域涵盖开阀喷射与闭阀喷射情况，研究碳烟与气门开启时刻是否强相关。同时，尾气烟度测试设备与缸内可视化设备同步测试记录数据。

2 试验结果与数据分析

2.1 缸内碳烟形成原因分析

混合气燃烧产生的碳烟主要成分为干碳烟（Dry Soot）、可溶性有机物（Soluble Organic Fraction，SOF）和硫酸盐[3]，干碳烟和可溶性有机物都是由燃油中的烃类物质经过一系列氧化产生，硫酸盐则是由燃油中的硫元素和机油中的添加剂产生。燃油与空气混合不均是产生碳烟的主要原因，混合气局部过浓，会造成局部产生类似柴油机的扩散燃烧，其燃烧速度较预混燃烧慢[9]。

混合不均的原因主要有如下几个方面：

1）液态燃油或者未充分混合的混合气途经进气门处，有液体燃油残留在气门边缘，无法完全蒸发，局部混合气偏浓，燃烧不充分，导致碳烟产生。

2）开阀喷射时，未蒸发的燃油受气流引导作用，被吹拂到活塞顶面凹坑，形成液态聚积；或者燃油被吹拂到气缸壁，液态油滴沿气缸壁流下至活塞环间隙处聚积，造成局部混合气偏浓，产生碳烟。

3）由于喷油器匹配不合理，导致燃油有部分被喷射到气道壁面上，蒸发不充分。进气门打开后，燃油沿气门边缘直接流入到活塞间隙中，造成燃油聚积，局部混合气偏浓，产生碳烟。

2.2 喷油终止角与烟度的关系

对于气道喷射方式，燃油与空气在进气道内进行扩散混合，理想状态下可形成均匀混合气，从而可保证低的碳烟排放。当发动机负荷上升时，由于进气道负压变小，燃油喷射量增加，燃油没有足够的时间充分混合，造成碳烟排放升高。尤其是当负荷进一步增加，活塞运动到进气行程时，喷油器仍在喷油，此时部分来不及蒸发的燃油由进气门直接进入气缸，一些燃油液滴会残留在气门区域和活塞环间隙，无法正常燃烧，产生扩散燃烧，导致碳烟排放迅速升高。Claudius Schueck 等的研究结果表明，上述现象的确在部分汽油机上存在[6]。

在此米勒循环发动机上进行的试验结果表明，喷油终止角与碳烟排放具有相关性，如图4 所示。

图4 喷油终止角与碳烟排放的关系

当发动机处于开阀喷射时，排气中的碳烟水平整体略高于闭阀喷射，但是差别不是特别明显。这可能与米勒循环发动机比普通发动机具有更大的进气涡流比有关，进气门处形成的涡流有助于加快燃油在缸内的蒸发和混合，避免液态油液累积，减弱了碳烟形成条件。

2.3 缸内燃烧过程分析

图5 为本试验发动机在低速大负荷工况下的缸内燃烧情况。

图5 可视化的缸内燃烧过程

根据局部浓混合气的燃烧速度比均匀混合气燃烧速度慢的原理，如果VisionFEM 检测到缸内燃烧出现双峰值信号，即可认为局部存在扩散燃烧现象，并伴随大量碳烟生成。图5a 揭示在1 250 r/min@WOT工况下，排气门侧发生了扩散燃烧，且扩散燃烧主要发生在排气门侧的活塞间隙中。这是因为开阀喷射导致气门处未蒸发的液态燃油被吹拂到排气侧缸壁上，并汇集聚积在活塞间隙处。图5b 揭示在1 500 r/min@WOT 工况下，在排气侧和进气侧均出现了扩散燃烧现象。进气侧扩散燃烧出现在进气门边缘区域，这很可能是由于喷油器匹配不良，β 角偏小，燃油雾化较差，过多燃油聚积在气道内部，当进气门开启时流入并附着在气门边缘附近造成；排气侧扩散燃烧主要是在开阀喷射策略下，喷油器喷出的较长燃油油束直接被吸进气缸，导致燃油聚积在活塞间隙处造成。

由开阀喷射和喷油器匹配不良导致流入缸内的液态燃油在稳态工况下会出现累积现象，即聚积在气门边缘区域和活塞间隙的燃油会随着时间越积越多，造成碳烟浓度持续升高。图6 为缸内液态燃油累积与清除过程。

图6 缸内液态燃油累积与清除过程

从图6 可以看出，在1 500 r/min@WOT 工况下，排气中的碳烟浓度持续上升，经过约1 小时的累积后，碳烟浓度达到近乎平衡。然后进行30 min 的缸内清洁后，恢复至1 500 r/min@WOT 工况，碳烟浓度明显下降，然后随着缸内燃油的累积，排气中碳烟浓度恢复上升直至平衡。

3 改善措施验证

综上分析，本试验发动机低速大负荷排气中碳烟浓度偏高主要是由喷油器匹配不合理和开阀喷射策略共同导致，但喷油器匹配不合理对碳烟排放的影响更明显。所以，针对碳烟浓度偏高问题的解决方向定为喷油器的优化，即选取喷雾参数更合理的喷油器。喷油器的β 角是影响油束喷雾形状的主要因素，如图7 所示。

图7 喷油器不同β 角方案比较

从图7 可以看出，β 角越大，锥形油束锥角越大，油束分布越宽泛，燃油液滴直径越小，与空气混合效果越好。增加β 角还可以有效减小油束长度，降低油束喷射到气门或者气道上的概率，减小燃油在气道内的聚积，避免燃油流入气缸，从而避免扩散燃烧产生。原机喷油器选取的β 角为11°，更换成β 角为16°的喷油器，重复低速大负荷试验。

更换β 角更大的喷油器后，缸内可视化设备采集的燃烧情况和排气侧碳烟浓度变化明显，如图8所示。

图8 β=16°方案缸内燃烧表现

从图8 可以看出，VisionFEM 采集的缸内各处燃烧曲线只有一次明显峰值，二次峰值比更换喷油器前明显降低，证明缸内扩散燃烧情况得到显著改善，即可证明活塞间隙和气门区域几乎没有燃油聚积。

图9 为改善前后排气中碳烟浓度对比。从图9可以看出，更换β 角为16°的喷油器后，碳烟浓度急剧下降，相比改善前，最大下降幅度达97%以上。

图9 喷油器不同β 角方案碳烟浓度比较

4 结论

通过缸内燃烧可视化试验，基本可以确认此米勒循环发动机低速大负荷碳烟排放偏高主要是由缸内的扩散燃烧现象导致。这种一边混合一边燃烧的方式会导致局部产生混合气过浓现象，最终导致大量碳烟生成。

针对本试验发动机，喷油器β 角偏小与开阀喷油策略共同导致了液体燃油聚积在缸内气门边缘区域和活塞间隙处，导致扩散燃烧发生。其中，喷油器β 角是影响碳烟生成的关键因素。将β 角为13°的喷油器更换成β 角为16°的喷油器，重复低速大负荷试验。试验结果表明，排气中的碳烟得到了非常明显的降低。

抑制气道喷射汽油机碳烟生成的主要技术路线是提升燃油在气道内的雾化水平，优化油气混合，增加缸内涡流和滚流强度，避免燃油碰壁形成聚积。建议采用多孔、高压喷油器，减小喷射油滴直径，实现快速雾化。在气道内增加滚流板和充气控制阀，在发动机处于低速大负荷工况时增加滚流强度、加快气道内气流流速，均可有效改善混合气混合质量，降低碳烟排放。