基于內(nèi)窺鏡的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)噴水可視化研究

郭濤，李相超，張弘，尹琪，楊磊，林長林

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804)

高增壓小型化直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)(GDI)因在提升功率、降低燃油消耗率上的優(yōu)勢，已成為汽車市場的主流應(yīng)用，然而高速大負(fù)荷下過高的排氣溫度和爆震問題卻限制著其熱效率的進(jìn)一步提升。目前，多使用燃油加濃和推遲點(diǎn)火的方法來降低排氣溫度和抑制爆震。但是，燃油加濃會(huì)惡化燃油經(jīng)濟(jì)性，推遲點(diǎn)火會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，同時(shí)向后推遲的燃燒過程會(huì)使排氣溫度進(jìn)一步升高。

發(fā)動(dòng)機(jī)使用噴水技術(shù)有助于抑制爆震、降低燃燒溫度、減少氮氧化物(NOx)排放，是解決排氣溫度問題和爆震問題的有效方法[1]。目前發(fā)動(dòng)機(jī)噴水有三種方案：一是在進(jìn)氣道內(nèi)布置噴水器，噴水器噴出的水霧隨進(jìn)氣流入缸內(nèi)[2]；二是通過缸內(nèi)直噴的方法直接噴射[3]；三是使用含水的乳化燃料[4]。其中進(jìn)氣道噴水方案對發(fā)動(dòng)機(jī)改動(dòng)較小，噴水器容易布置，在目前的研究中使用較多。Michele Battistoni等[5]使用多循環(huán)CFD仿真，研究了不同的進(jìn)氣道噴水策略對GDI發(fā)動(dòng)機(jī)爆震控制的影響，結(jié)果表明：噴水在抑制發(fā)動(dòng)機(jī)爆震上作用顯著，且不同的噴水器安裝位置對噴水效果有一定影響。Cinzia Tornatore等[6]以1臺2缸進(jìn)氣道噴射(FPI)增壓型汽油機(jī)為基礎(chǔ)，在進(jìn)氣道布置噴水器,對噴水在提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能和降低排放上的效果進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示該發(fā)動(dòng)機(jī)搭載噴水技術(shù)后，在高速大負(fù)荷下的排氣溫度得到控制，無需使用燃油加濃，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率降低6%～12%，NOx排放顯著降低。

以上研究共同表明，發(fā)動(dòng)機(jī)噴水技術(shù)在降低燃油消耗率、改善排放方面潛力巨大。而噴水器作為噴水系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件之一，其噴霧特性和控制優(yōu)化將直接影響到噴水的應(yīng)用效果，因此，有必要借助于可視化技術(shù)對噴水器的噴射過程進(jìn)行分析，以直觀地研究不同因素對噴水效果的影響。本研究基于1臺1.5 L渦輪增壓直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，在進(jìn)氣道上安裝噴水器實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣道噴水，在進(jìn)氣歧管上布置高速內(nèi)窺鏡系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對噴水過程的高速攝影，并結(jié)合臺架數(shù)據(jù)對噴水器的布置設(shè)計(jì)、噴水時(shí)刻(SOI)的優(yōu)化和噴水壓力的選擇進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)裝置及方法

1.1 噴水發(fā)動(dòng)機(jī)

試驗(yàn)以1臺4缸1.5 L增壓直噴汽油機(jī)為原型機(jī)，通過在進(jìn)氣道上改制實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣道噴水，發(fā)動(dòng)機(jī)具體參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)臺架系統(tǒng)配備有HORIBA DYNAS3 LI145電力測功機(jī)、同園 TOCEL-CMFD010瞬態(tài)油耗儀、HORIBA MEXA 7100DEGR排放測試儀、AVL NDISET ADVANCED PLUS ETH 642燃燒分析儀等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測記錄。噴水系統(tǒng)由水箱、水泵、過濾器、調(diào)壓閥、流量計(jì)、水軌和噴水器等組成，該系統(tǒng)可提供最大2 MPa的噴水壓力。噴水器為博世專用進(jìn)氣道噴水器，具有防銹能力。噴水器的開啟時(shí)刻和噴射脈寬由噴水驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制。4個(gè)噴水器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道處，進(jìn)氣門開啟后，水霧隨進(jìn)氣流入缸內(nèi)，噴水器的布置方式見圖1。

圖1 噴水器安裝方式

1.2 高速內(nèi)窺鏡系統(tǒng)

試驗(yàn)使用的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)安裝在進(jìn)氣歧管處，通過在進(jìn)氣歧管上加工安裝孔，將內(nèi)窺鏡探頭伸入到進(jìn)氣道內(nèi)部，以觀測噴水器噴射過程和液滴在氣道內(nèi)的霧化蒸發(fā)過程。內(nèi)窺鏡系統(tǒng)使用的相機(jī)為高速相機(jī)，試驗(yàn)采集頻率4 000 Hz，相機(jī)通過連接在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上的支架系統(tǒng)進(jìn)行固定。內(nèi)窺鏡直徑8 mm，鏡桿上集成了照明光纖和內(nèi)窺鏡探頭。高速內(nèi)窺鏡系統(tǒng)具體參數(shù)見表2。

表2 內(nèi)窺鏡系統(tǒng)參數(shù)

高速內(nèi)窺鏡系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)上的固定方式見圖2。因發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中振動(dòng)較大，需要使用支架將內(nèi)窺鏡系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)固定連接，保證振動(dòng)的同步性，避免應(yīng)力損壞內(nèi)窺鏡。

圖2 高速內(nèi)窺鏡系統(tǒng)

1.3 試驗(yàn)參數(shù)

本研究在1臺1.5 L增壓汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上，使用內(nèi)窺鏡可視化技術(shù)對兩款噴水器的噴射過程進(jìn)行高速攝影，以研究不同噴水器布置設(shè)計(jì)的影響，并選用其中一款噴水器，對比了不同噴水時(shí)刻和不同噴水壓力下的噴射過程，以研究噴水控制參數(shù)對水霧霧化和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的影響。

試驗(yàn)工況選擇3 000 r/min@1.4 MPa，進(jìn)氣門開啟時(shí)刻固定在338°，水油質(zhì)量比保持為3∶10。噴水器對比試驗(yàn)使用了1號和2號兩款噴水器，噴水時(shí)刻和噴水壓力的研究選用1號噴水器。噴水時(shí)刻分別選取上止點(diǎn)后(ATDC)0°，300°，360°，噴水壓力范圍0.2～1.2 MPa，間隔0.2 MPa。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 噴水器的對比

為驗(yàn)證噴水器差異對噴水效果的影響，采用兩款噴水器進(jìn)行對比。兩款噴水器的靜態(tài)流量相同，其中1號噴水器8個(gè)噴孔，2號噴水器4個(gè)噴孔，噴水器的照片及其噴霧形態(tài)見圖3(噴射壓力0.6 MPa，噴水后700 μs)。對比圖3a和圖3b可見，1號噴水器有一定的β角(β角為噴油器軸線和油束中心線之間的夾角，見圖3a)，2號噴水器β角為0，且1號噴水器的噴霧錐角小于2號噴水器[7-8]。噴霧特性的不同導(dǎo)致兩款噴水器安裝位置有差異(見圖4)，1號噴水器距離進(jìn)氣門更遠(yuǎn)一些，且其噴霧軸線與水平方向有一定夾角，2號噴水器噴霧軸線水平。仿真計(jì)算結(jié)果顯示：1號噴水器在進(jìn)氣道內(nèi)的濕壁量較少，有利于更多的水霧進(jìn)入缸內(nèi)；2號噴水器在缸內(nèi)的濕壁量較少，有利于減少液態(tài)水進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 噴水器對比

圖4 噴水器安裝位置對比

在0.6 MPa噴水壓力、300°噴水時(shí)刻對進(jìn)氣道內(nèi)的噴霧進(jìn)行了高速內(nèi)窺鏡攝影，結(jié)果見圖5，圖中顏色差異源自相機(jī)曝光的設(shè)置。噴水器噴霧剛出現(xiàn)時(shí)進(jìn)氣門處于關(guān)閉狀態(tài)，水霧在進(jìn)氣道內(nèi)向前發(fā)展，進(jìn)氣門打開后水霧跟隨進(jìn)氣進(jìn)入缸內(nèi)。

對比兩款噴水器的噴射過程，1號噴水器水霧在進(jìn)氣門開啟期間進(jìn)入缸內(nèi)，水霧霧化良好，進(jìn)氣道內(nèi)壁附著的水滴較少；2號噴水器水霧同樣在進(jìn)氣門開啟后進(jìn)入缸內(nèi)，但有部分大顆粒水滴附著在進(jìn)氣道內(nèi)壁上(見圖5中框線區(qū)域)，導(dǎo)致直接進(jìn)入缸內(nèi)參與降溫的水量減少。2號噴水器部分水滴附著在進(jìn)氣道內(nèi)壁上的原因可能是噴霧錐角較大，噴霧邊界上的液滴與噴水器安裝孔有干涉，噴霧液滴碰壁后滴落在進(jìn)氣道內(nèi)壁。

圖5 噴水器在缸內(nèi)噴霧過程對比

臺架數(shù)據(jù)顯示，在該工況下兩款噴水器都能達(dá)到相同的節(jié)油和降低NOx排放的效果，但是1號噴水器的水消耗量比2號噴水器少約3%，原因可能是2號噴水器的部分水霧滴落在進(jìn)氣道后直接蒸發(fā)，需要噴射更多的水才能達(dá)到相同的缸內(nèi)冷卻效果。

2.2 噴水時(shí)刻的影響

在0.6 MPa噴水壓力下對上止點(diǎn)后0°,300°和360° 3種噴水時(shí)刻下的噴霧過程進(jìn)行了拍攝，以研究噴水時(shí)刻對噴水霧化、濕壁和水霧進(jìn)入缸內(nèi)過程的影響。

圖6僅顯示了進(jìn)氣門關(guān)閉后進(jìn)氣道內(nèi)的情況。當(dāng)噴水時(shí)刻為0°時(shí)，噴水期間進(jìn)氣門始終處于閉合狀態(tài)，由于無進(jìn)氣氣流影響，水霧在進(jìn)氣道內(nèi)一部分撞擊進(jìn)氣道內(nèi)壁和氣門閥背，一部分懸浮在空氣中。附著在進(jìn)氣道內(nèi)壁的水滴會(huì)在下次氣門開啟時(shí)被吹入缸內(nèi)。因氣門溫度較高，附著在閥背的水滴逐漸蒸發(fā)為氣態(tài)(在拍攝圖片中看到大量水蒸氣從氣門處冒出)，未完全蒸發(fā)的液滴在下次氣門開啟后進(jìn)入缸內(nèi)。當(dāng)噴水時(shí)刻為300°時(shí)，噴水器水霧到達(dá)進(jìn)氣道后恰逢進(jìn)氣門打開，跟隨進(jìn)氣進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)，氣道濕壁量較少，從圖6看出進(jìn)氣道壁面和閥背基本無液滴，只有空氣中懸浮少量液滴。當(dāng)噴水時(shí)刻為360°時(shí)，其效果與300°噴水相似，但是氣門關(guān)閉較早，導(dǎo)致殘余在氣道內(nèi)的液滴多于300°噴水的工況。

圖6 氣門關(guān)閉后進(jìn)氣道內(nèi)狀態(tài)對比

發(fā)動(dòng)機(jī)噴水后爆震傾向降低，允許增大點(diǎn)火提前角以改善燃燒相位。本試驗(yàn)在使用噴水后對發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前角進(jìn)行了調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過程中保持燃燒分析儀上的爆震指數(shù)不變,結(jié)果見圖7。噴水后發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒相位明顯改善，θCA50提前約4°，燃油消耗率下降3%左右。不同噴水時(shí)刻下的θCA50和燃油消耗率則相差不大，300°噴水時(shí)刻試驗(yàn)結(jié)果略優(yōu)于0°和360°。NOx排放在噴水后降低約20%，不同噴水時(shí)刻下NOx排放變化趨勢與燃油消耗率相反，300°時(shí)噴水NOx排放最高。

圖7 不同噴水時(shí)刻的臺架數(shù)據(jù)對比

2.3 噴水壓力的影響

在300°噴水時(shí)刻對0.2～1.2 MPa水壓范圍內(nèi)的噴水過程分別進(jìn)行了拍攝，結(jié)果見圖8。隨著噴水壓力的增加，噴霧霧化效果變好，液滴粒徑明顯減小。較高噴射壓力下的噴霧沿進(jìn)氣道徑向運(yùn)動(dòng)了更遠(yuǎn)的距離，噴霧頭部更靠近進(jìn)氣道上壁面，氣道上壁面濕壁概率增加。原因是高噴射壓力下的噴霧速度較快，受進(jìn)氣氣流影響減弱，噴霧沿初始速度方向運(yùn)動(dòng)了更遠(yuǎn)的距離。

圖8 不同噴水壓力下的噴霧圖像

圖9示出發(fā)動(dòng)機(jī)在不同噴水壓力下的θCA50、燃油消耗率和NOx排放的結(jié)果。由于噴水后燃燒相位提前，燃油消耗率和NOx排放都有較大改善。隨著噴水壓力的增加，θCA50與燃油消耗率呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，在0.2～0.8 MPa范圍內(nèi)處于較低水平，且0.8 MPa為燃油消耗率最低點(diǎn)，而噴水壓力大于0.8 MPa后，燃油消耗率又有所回升。原因是高壓下噴霧霧化好，有部分水霧在進(jìn)氣道內(nèi)已經(jīng)蒸發(fā)，同時(shí)高壓下進(jìn)氣道濕壁概率增加，最終導(dǎo)致高壓噴水對缸內(nèi)的冷卻效果反而降低。NOx排放隨著噴水壓力的增加，總體呈下降趨勢，試驗(yàn)中1.2 MPa水壓下NOx排放最少。

圖9 不同噴水壓力的臺架數(shù)據(jù)對比

3 結(jié)論

a) 噴水器在安裝布置時(shí)需要考慮噴霧的形態(tài)分布，避免噴霧與安裝孔干涉，減少噴霧濕壁；

b) 發(fā)動(dòng)機(jī)在使用噴水后燃油消耗率和NOx排放都下降，在試驗(yàn)工況下燃油消耗率降低約3%，NOx排放降低約20%；

c) 進(jìn)氣道噴水存在最佳的噴水時(shí)刻，以使更多的水霧跟隨進(jìn)氣直接進(jìn)入缸內(nèi)，開閥噴射優(yōu)于閉閥噴射，本試驗(yàn)工況下300°噴水時(shí)刻燃油消耗率較低；

d) 噴水壓力影響水霧的粒徑和貫穿距，過高的噴水壓力導(dǎo)致進(jìn)氣道內(nèi)蒸發(fā)的水量增多，濕壁概率增加，反而降低噴水對缸內(nèi)的冷卻效率，試驗(yàn)中0.8 MPa的噴水壓力有最佳的節(jié)油效果。