缸內(nèi)直噴與氣道噴射汽油機(jī)燃燒過程可視化研究

付磊　宮艷峰　竇慧莉　李顯　李華

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，長春130011）

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缸內(nèi)直噴與氣道噴射汽油機(jī)燃燒過程可視化研究

付磊宮艷峰竇慧莉李顯李華

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，長春130011）

【摘要】為了對(duì)比分析缸內(nèi)直噴汽油機(jī)和氣道噴射汽油機(jī)缸內(nèi)燃燒過程，基于高速攝像系統(tǒng)進(jìn)行了缸內(nèi)燃燒過程可視化研究，并獲得兩種供油方式的缸內(nèi)燃燒特征。對(duì)比結(jié)果表明，氣道噴射汽油機(jī)在暖機(jī)過程缸內(nèi)擴(kuò)散燃燒現(xiàn)象明顯；氣道噴射汽油機(jī)在暖機(jī)過程的高速攝像結(jié)果中火焰區(qū)域亮度不均勻，而缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的缸內(nèi)燃燒高速攝像結(jié)果中火焰區(qū)域亮度較均勻，可以較清楚的識(shí)別火焰邊界。

1　前言

汽油機(jī)是乘用車的主要?jiǎng)恿υ?，增壓技術(shù)是提高其燃油經(jīng)濟(jì)性最有效的技術(shù)之一。增壓發(fā)動(dòng)機(jī)可以采用氣道噴射和缸內(nèi)直噴兩種供油方式。缸內(nèi)直噴技術(shù)通過增加壓縮比提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)與增壓技術(shù)相結(jié)合，可以進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。氣道噴射技術(shù)的使用呈下降趨勢(shì)，但從成本和技術(shù)成熟程度上看，氣道噴射依然具有很大的市場(chǎng)，不斷提高氣道噴射汽油機(jī)的技術(shù)水平仍是汽油機(jī)主要技術(shù)方向之一。

合理組織缸內(nèi)燃油噴射、著火、燃燒等過程是缸內(nèi)直噴汽油機(jī)燃燒系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵工作，尤其在許多早期的分層燃燒直噴汽油機(jī)產(chǎn)品開發(fā)過程中都做了大量的缸內(nèi)過程研究工作[1]。

氣道噴射汽油機(jī)燃油進(jìn)入缸內(nèi)有4種方式：剝離霧化、噴霧霧化、油膜擠入、氣門和缸蓋底部油膜沉積[2]。Vincent等人經(jīng)過研究，進(jìn)一步明確了氣道噴射汽油機(jī)混合氣的形成機(jī)理[3]。氣道噴射汽油機(jī)燃油噴射過程對(duì)缸內(nèi)燃燒也有顯著影響。Cinzia等人利用光學(xué)單缸機(jī)研究了燃油噴射對(duì)氣道噴射汽油機(jī)缸內(nèi)燃燒過程的影響，認(rèn)為在暖機(jī)工況，與閉閥噴射相比，開閥噴射會(huì)使缸內(nèi)擴(kuò)散燃燒更少[4]。

近年來，采用高速攝像方法進(jìn)行代用燃料或混合燃料缸內(nèi)燃燒過程的研究較多，文獻(xiàn)[5]為了表明不同燃料燃燒過程的差異性，采用圖片信息量化與缸內(nèi)壓力分析相結(jié)合的方法，分析了火焰發(fā)展過程；文獻(xiàn)[6]采用高速攝像方法研究了生物柴油火焰發(fā)展過程；文獻(xiàn)[7]研究了不同控制參數(shù)對(duì)CNG火焰發(fā)展過程的影響；文獻(xiàn)[8]研究了含氮比例對(duì)柴油機(jī)著火和燃燒過程的影響。雖然利用缸壓分析和排放分析相結(jié)合可以推測(cè)出燃燒過程，但是采用高速攝像方法直接進(jìn)行不同控制參數(shù)下的缸內(nèi)噴霧和燃燒過程的研究有助于提高對(duì)缸內(nèi)直噴汽油機(jī)工作過程的了解，有利于從內(nèi)因解釋排放和性能等外在表現(xiàn)。

本文基于光學(xué)單缸機(jī)及高速攝像系統(tǒng)，研究缸內(nèi)直噴與氣道噴射兩種供油方式的缸內(nèi)燃燒過程，并對(duì)其進(jìn)行對(duì)比。

2　試驗(yàn)概述

試驗(yàn)樣機(jī)為一臺(tái)缸套是石英玻璃的光學(xué)單缸發(fā)動(dòng)機(jī)，其主要參數(shù)如表1所列。可視缸套高度為55 mm，可以測(cè)量點(diǎn)火及燃燒等主要過程。相機(jī)為高速黑白相機(jī)（Phatom V611），鏡頭采用Nikkor 105 mm定焦鏡頭，曝光時(shí)間為1 μs，分辨率為1 280×800。采用丹迪公司的Dynamicstudio控制系統(tǒng)，系統(tǒng)中包含根據(jù)角標(biāo)信號(hào)輸出角度信號(hào)的設(shè)備，可以輸出一定角度間隔（可設(shè)置）的脈沖信號(hào)，相機(jī)采用外觸發(fā)模式，接收到脈沖信號(hào)后進(jìn)行拍攝，可實(shí)現(xiàn)指定多角度多循環(huán)連續(xù)拍攝。試驗(yàn)工況如表2所列。

表1　試驗(yàn)樣機(jī)基本參數(shù)

表2　試驗(yàn)工況

試驗(yàn)方法：調(diào)整噴油量和節(jié)氣門開度，利用燃燒分析儀計(jì)算平均指示壓力，分別確定兩種供油方式對(duì)應(yīng)目標(biāo)工況的噴油脈寬和節(jié)氣門開度；測(cè)量前先用測(cè)功機(jī)倒拖光學(xué)單缸機(jī)300 s，將點(diǎn)火開關(guān)打開后，再打開燃油噴射開關(guān)，當(dāng)λ和缸壓等參數(shù)相對(duì)穩(wěn)定后，啟動(dòng)高速攝像系統(tǒng)進(jìn)行記錄，每次記錄40個(gè)循環(huán)。鑒于缸內(nèi)直噴汽油機(jī)燃燒過程的特點(diǎn)，利用經(jīng)平均處理后的圖像、偽彩圖和原始圖像相結(jié)合的方式對(duì)其進(jìn)行分析；因霧化不充分，擴(kuò)散燃燒較多，同一火焰中亮度相差大（過多的亮斑存在），采用平均的方式會(huì)掩蓋燃燒的真實(shí)特征，所以氣道噴射采用原始圖像反映其燃燒特點(diǎn)。

3　缸內(nèi)直噴與氣道噴射缸內(nèi)燃燒過程對(duì)比分析

3.1缸內(nèi)直噴汽油機(jī)暖機(jī)工況燃燒過程特點(diǎn)分析

缸內(nèi)直噴汽油機(jī)暖機(jī)工況缸內(nèi)燃燒過程的原始圖像、平均圖像和偽彩圖如圖1～圖3所示，其對(duì)應(yīng)的點(diǎn)火正時(shí)為上止點(diǎn)前（BTDC）41°，噴油正時(shí)為BTDC 250°。由圖3可以看出，在BTDC 28°時(shí)，火核已經(jīng)形成，在BT?DC16°時(shí)，火焰已經(jīng)擴(kuò)散較大，并且火焰發(fā)展不對(duì)稱，偏向于排氣側(cè)；火焰繼續(xù)發(fā)展，到BTDC 4°時(shí)，火焰寬度已經(jīng)達(dá)到約缸徑的一半，之后圖像基本飽和。原始圖像所示的燃燒過程與偽彩圖相似，但在火焰發(fā)展期出現(xiàn)了幾個(gè)由于擴(kuò)散燃燒產(chǎn)生的亮點(diǎn)。圖2所示的平均圖像描述了火焰的發(fā)展過程和強(qiáng)度變化，在偽彩圖大幅度飽和階段可以通過平均圖像觀察缸內(nèi)燃燒過程的變化，在上止點(diǎn)后（ATDC）20°之后，缸內(nèi)亮度也開始減弱。

圖1　缸內(nèi)直噴汽油機(jī)缸內(nèi)燃燒過程原始圖像

圖2　缸內(nèi)直噴汽油機(jī)缸內(nèi)燃燒過程平均圖像

圖3　缸內(nèi)直噴汽油機(jī)缸內(nèi)燃燒過程偽彩圖

3.2氣道噴射汽油機(jī)暖機(jī)工況燃燒過程特點(diǎn)分析

氣道噴射汽油機(jī)一般采用閉閥噴射，利用氣門及氣道較高的壁面溫度提高燃油的霧化速度和質(zhì)量，氣門開啟后霧化的燃油進(jìn)入缸內(nèi)；但在暖機(jī)階段，氣門和氣道溫度不高，在氣門開啟時(shí)仍然會(huì)有較多的燃油以油膜形式存在，氣流對(duì)油膜的剝離起主要作用，油膜燃油過多會(huì)使剝離產(chǎn)生的油滴粒徑增大，增加了附著在缸套和活塞上形成燃油沉積的可能性。圖4所示為氣道噴射缸內(nèi)燃燒過程。可知，在BTDC 20°時(shí)，可以看到明顯的火焰，并且火焰中有明顯亮斑；在火焰前鋒面發(fā)展過程中，亮斑數(shù)量增加，亮斑的大小也增加；火焰中的亮斑可以持續(xù)到燃燒后期?？捎^測(cè)到的亮斑是由未充分霧化的燃油在高溫下進(jìn)行擴(kuò)散燃燒形成碳煙而發(fā)出較強(qiáng)的可見光引起的。

圖4　氣道噴射缸內(nèi)燃燒過程

3.3缸內(nèi)直噴與氣道噴射缸內(nèi)燃燒過程對(duì)比分析

從兩種燃燒過程分析結(jié)果可以看出，缸內(nèi)直噴汽油機(jī)與氣道噴射汽油機(jī)在暖機(jī)過程缸內(nèi)燃燒現(xiàn)象具有較大差別：前者缸內(nèi)存在擴(kuò)散燃燒，但是較少；后者缸內(nèi)擴(kuò)散燃燒現(xiàn)象明顯，并且存在于點(diǎn)火至燃燒后期整個(gè)燃燒過程；前者因?yàn)閿U(kuò)散燃燒少，缸內(nèi)亮度均勻，所以缸內(nèi)燃燒的高速攝像結(jié)果中火焰的邊界明顯，容易確定火焰?zhèn)鞑ミ^程；后者高速攝像結(jié)果的火焰?zhèn)鞑ミ吔绮幻黠@，擴(kuò)散燃燒使局部亮度增加，其它部分亮度減小。

4　結(jié)束語

本文利用光學(xué)單缸發(fā)動(dòng)機(jī)和高速攝像系統(tǒng)，研究了缸內(nèi)直噴汽油機(jī)與氣道噴射汽油機(jī)暖機(jī)工況缸內(nèi)燃燒過程，并經(jīng)對(duì)比分析可知，氣道噴射汽油機(jī)暖機(jī)燃燒過程缸內(nèi)擴(kuò)散燃燒現(xiàn)象明顯多于缸內(nèi)直噴汽油機(jī)；氣道噴射汽油機(jī)暖機(jī)燃燒過程高速攝像結(jié)果的火焰區(qū)域亮度不均勻，而缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的火焰區(qū)域亮度均勻，可以較清楚的識(shí)別火焰邊界。

參考文獻(xiàn)

1Kuwahara K, Ueda K, Ando H. Mixing Control Strategy for Engine Performance Improvement in a Gasoline Direct In?jection Engine.SAE 980158, 1998 .

2 Meyer R, Heywood J. Liquid Fuel Transport Mechanisms in?to the Cylinder of a Firing Port-Injected SI Engine During Start Up.SAE 970865, 1997.

3 Costanzo V,Heywood J. Mixture Preparation Mechanisms in a Port Fuel Injected Engine.SAE 2005-01-2080.

4Tornatore C, Merola S, Sementa P. Combustion Process In?vestigation in a Small SI Engine using Optical Diagnostics. SAE2010-01-2262.

5 Lee P, Polcyn N, Lai M. Direct Visualization of Combustion in an E85- Fueled DISI Engine under Various Operation Conditions. SAE 2013-01-1129.

6 He X, Ma X,Wu F J, et al.Visualization investigation of soot characteristics of engine fuelled with biodiesel fuel. Chinese Internal Combustion Engine Engineering, 2009, 30（2）:1～5. 7Lin XD, Huang Y, Yuan FE, et al. A Study on the Factors Affecting the Process of Flame Propagation with Lean Burn in CNG DI Engine. Automotive Engineering, 2011, 33（10）: 845～849.

8Yao CD, Gao YQ, Liu ZY, et al. Study on the ef fect of volu?metric percentage of N2 in intake air on ignition and com?bustion of diesel engine.Journal of Thermat Science and Technology, 2002, 32（12）:133～137.

（責(zé)任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2015年10月13日。

Research on the In-cylinder Combustion Process of PFI and GDI Engine by Visualization

Fu Lei, Gong Yanfeng, Dou Huili, Li Xian, Li Hua （China FAW Co., Ltd R&D Center, Changchun 130011）

【Abstract】To compare and analyze the combustion process for PFI and GDI engine, visualization research is performed with high speed camera, and in-cylinder combustion characteristics of two fuel supply methods are obtained. The comparison results show that the diffusion combustion phenomena of PFI engine is more significant in the warm- up process; whereas brightness of the flame area of PFI engine is nonuniform in the warm-up process, but that of GDI engine is comparatively uniform and can be used to identify the flame boundary.

Key words:Gasoline direct injection, Port fuel injection, Gasoline engine, Combustion process, Visualization

中圖分類號(hào):U464.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1000-3703（2016）01-0029-03

主題詞:缸內(nèi)直噴氣道噴射汽油機(jī)燃燒過程可視化