劉國(guó)慶

1.天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300072

2.奇瑞汽車(chē)股份有限公司發(fā)動(dòng)機(jī)工程研究院，蕪湖，241009

0 引言

缸內(nèi)直噴(GDI)汽油機(jī)因具有良好的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性，已成為當(dāng)今汽油機(jī)的主要發(fā)展方向［1-2］。GDI技術(shù)能精確地控制進(jìn)入缸內(nèi)燃油量，可對(duì)缸內(nèi)油氣混合過(guò)程進(jìn)行有效控制，也有益于改善汽油機(jī)冷啟動(dòng)排放。冷啟動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的未燃碳?xì)浠衔?簡(jiǎn)稱(chēng)碳?xì)?，HC)占汽油機(jī)HC排放總量的80%以上［3-4］，因此GDI發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)階段的排放一直是近年來(lái)汽車(chē)排放控制研究的重點(diǎn)［5-7］。2004 年，Landenfeld 等［8］系統(tǒng)論述了 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到美國(guó)SULEV排放法規(guī)的相關(guān)策略，并提出了高壓多次噴射分層混合冷啟動(dòng)策略，即部分燃油在進(jìn)氣過(guò)程噴入缸內(nèi)，形成濃度相對(duì)均勻的背景混合氣，而剩余燃油在壓縮沖程下半段噴入，配合活塞頂凹坑，使壓縮上止點(diǎn)附近較大的時(shí)間區(qū)間內(nèi)，在缸內(nèi)形成火花塞附近濃而其他區(qū)域相對(duì)偏稀的分層混合氣分布，這樣可在保證穩(wěn)定著火的前提下推遲點(diǎn)火，提高排氣溫度，加快催化器起燃，且能有效減少燃油碰壁。2009年，Xu等［9］在EcoBoost系列GDI發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)中采用了類(lèi)似策略，使整機(jī)HC排放降低了30%。在GDI發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)階段，由于缸內(nèi)溫度較低，大量燃油直接噴入缸內(nèi)時(shí)易在缸套和活塞頂部碰壁產(chǎn)生油膜，且蒸發(fā)緩慢，這使得用于點(diǎn)燃的燃油量減少，可能導(dǎo)致缸內(nèi)失火，反而增加HC排放，同時(shí)油膜著火燃燒還可能導(dǎo)致碳煙(SOOT)排放增加，因此需對(duì)GDI發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)階段缸內(nèi)混合氣形成過(guò)程進(jìn)行精確控制。采用傳統(tǒng)性能開(kāi)發(fā)臺(tái)架往往難以對(duì)缸內(nèi)油氣混合過(guò)程進(jìn)行研究，CFD模擬仿真手段也受到計(jì)算模型準(zhǔn)確性的限制，而基于光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)和激光測(cè)量的可視化技術(shù)因可直觀獲得缸內(nèi)燃油分布和燃燒情況，目前已被廣泛用于GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)和研究。

本文結(jié)合平面激光誘導(dǎo)熒光方法(planar laser induced fluorescence，PLIF)和光學(xué)單缸機(jī)臺(tái)架，對(duì)采用高壓兩次噴射、分層混合冷啟動(dòng)策略的GDI發(fā)動(dòng)機(jī)催化器的起燃工況的缸內(nèi)混合氣形成和燃燒過(guò)程進(jìn)行了可視化試驗(yàn)研究，分析了HC和SOOT產(chǎn)生的原因，研究了噴射正時(shí)和兩次燃油噴射比率、進(jìn)氣壓力等參數(shù)對(duì)缸內(nèi)燃燒穩(wěn)定性和排放的影響。

1 PLIF光學(xué)單缸機(jī)測(cè)試系統(tǒng)

1.1 PLIF激光技術(shù)測(cè)量原理

PLIF是當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)濃度場(chǎng)可視化測(cè)量方面應(yīng)用最為廣泛的激光技術(shù)，其基本原理是:通過(guò)調(diào)整入射激光的輸出頻率，使其與待測(cè)分子的某一電子基態(tài)和激發(fā)態(tài)間的躍遷頻率相同而發(fā)生共振，其中部分待測(cè)分子吸收激光能量后躍遷至較高能級(jí)，但這些分子極不穩(wěn)定，又快速?gòu)募ぐl(fā)能級(jí)降至基態(tài)，并伴隨發(fā)出熒光，熒光強(qiáng)度與當(dāng)?shù)卮郎y(cè)物質(zhì)濃度成正比，從而可獲得對(duì)應(yīng)濃度場(chǎng)分布［10］。

1.2 PLIF光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)

PLIF光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，由光學(xué)單缸機(jī)系統(tǒng)、激光和導(dǎo)向系統(tǒng)、相機(jī)拍攝系統(tǒng)、同步控制系統(tǒng)、控制臺(tái)組成。激光源由Lambda Physik公司的COMPex201 KrF準(zhǔn)分子激光器產(chǎn)生，波長(zhǎng)為248nm，脈沖持續(xù)期為 20ns，工作能量為250mJ，工作頻率為10Hz。激光光源經(jīng)透明缸套兩側(cè)引入燃燒室內(nèi)，這樣可以在更大空間范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，避免測(cè)量死角。激光源為片光，通過(guò)噴油嘴位置，從靠近但不接觸火花塞方向穿過(guò)。相機(jī)系統(tǒng)采用PCO公司SensiCam CCD增強(qiáng)相機(jī)，并加裝紫外鏡頭(UV－Nikkor 105mm，f/4.5)，拍攝方向與激光垂直。發(fā)動(dòng)機(jī)一個(gè)工作過(guò)程時(shí)間非常短，在單個(gè)循環(huán)內(nèi)完成所有測(cè)量需要時(shí)間解析度非常高的高速相機(jī)和激光發(fā)射器，這將大大增加測(cè)量難度。為解決這一問(wèn)題，本測(cè)試系統(tǒng)在不同的循環(huán)中對(duì)不同曲軸轉(zhuǎn)角進(jìn)行測(cè)量，激光觸發(fā)、相機(jī)拍攝及轉(zhuǎn)角測(cè)量通過(guò)同步器進(jìn)行控制，保證在指定轉(zhuǎn)角同時(shí)觸發(fā)相機(jī)和激光系統(tǒng)，同步控制采用AVL ETU(electronic timing unit)系統(tǒng)，這大大降低了對(duì)相機(jī)和激光系統(tǒng)的要求。拍攝燃燒過(guò)程火焰時(shí)，由于火焰為可見(jiàn)光，不用激光激發(fā)且無(wú)需紫外鏡頭，故可直接進(jìn)行拍攝，相機(jī)拍攝系統(tǒng)與濃度場(chǎng)測(cè)量時(shí)所用系統(tǒng)相同。

圖1 PLIF光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)示意圖

由于圓形玻璃缸套折射會(huì)造成圖像扭曲，相機(jī)拍攝角度也會(huì)對(duì)拍攝結(jié)果產(chǎn)生影響，因此試驗(yàn)前在透明缸套內(nèi)放置專(zhuān)用標(biāo)定板(放置于需測(cè)量的平面)進(jìn)行標(biāo)定，找出實(shí)際測(cè)量平面和相機(jī)拍攝結(jié)果之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，用于修正拍攝結(jié)果。此外激光發(fā)射器發(fā)射的激光經(jīng)棱鏡產(chǎn)生的片光源本身也不均勻，試驗(yàn)前同樣需要進(jìn)行標(biāo)定，具體采用的方法為:旋轉(zhuǎn)曲軸將進(jìn)排氣門(mén)調(diào)節(jié)至關(guān)閉狀態(tài)，經(jīng)火花塞位置滴入少量燃油，再來(lái)回旋轉(zhuǎn)曲軸，壓縮缸內(nèi)空氣使得燃油迅速蒸發(fā)，混合均勻后對(duì)均勻場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，用以修正激光不均勻性對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

1.3 光學(xué)單缸機(jī)臺(tái)架系統(tǒng)

光學(xué)單缸機(jī)臺(tái)架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由光學(xué)單缸機(jī)、單缸機(jī)集成臺(tái)架及其控制系統(tǒng)、進(jìn)氣控制單元、高壓油泵、控制和同步單元(ETU)、燃燒分析儀及角標(biāo)儀組成。其中光學(xué)單缸機(jī)為缸內(nèi)直噴模式，缸徑和沖程分別為76mm和86mm，壓縮比為9.0，由集成臺(tái)架上的電力測(cè)功機(jī)拖動(dòng)，集成臺(tái)架同時(shí)提供冷卻水和潤(rùn)滑油循環(huán)?；钊M(jìn)行加長(zhǎng)，并在中間中空部分引入壓縮空氣對(duì)其進(jìn)行冷卻，活塞頂帶凹坑結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)分層策略，并采用抽風(fēng)機(jī)使曲通系統(tǒng)保持一定的負(fù)壓，以防止曲通廢氣溢出。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣由壓縮空氣引入，進(jìn)氣壓力通過(guò)進(jìn)氣控制單元進(jìn)行調(diào)節(jié)和穩(wěn)定。為獲得缸蓋部分燃燒室內(nèi)的圖像信息，采用了上端為屋脊形的石英玻璃缸套，高度為50mm。系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)和信號(hào)傳輸路線(xiàn)見(jiàn)圖2中實(shí)線(xiàn)，其中缸壓信號(hào)通過(guò)線(xiàn)路①傳遞至燃燒分析儀用于數(shù)據(jù)分析和監(jiān)控，ETU通過(guò)線(xiàn)路④和線(xiàn)路⑥獲得角標(biāo)儀測(cè)得的曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)，并通過(guò)線(xiàn)路②、③、⑤分別對(duì)點(diǎn)火、噴油、燃油壓力進(jìn)行控制，且與PLIF激光系統(tǒng)進(jìn)行同步控制。

圖2 光學(xué)單缸機(jī)臺(tái)架系統(tǒng)示意圖

1.4 光學(xué)測(cè)試圖像處理方法

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中(特別是冷啟動(dòng)工況)，缸內(nèi)混合氣的形成和燃燒過(guò)程具有一定的隨機(jī)性，單次測(cè)量圖像結(jié)果往往不能全面反映實(shí)際情況，因此在每個(gè)光學(xué)圖像測(cè)量曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)，分別從不同循環(huán)連續(xù)捕捉35張圖片，采用AVL VisioScope軟件對(duì)這些圖像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，處理過(guò)程如圖3所示。具體如下:由于液相燃油激發(fā)產(chǎn)生熒光的亮度相比氣相燃油明顯較高(碳煙火焰亮度與預(yù)混火焰情況類(lèi)似)，故對(duì)于具體拍攝的圖片可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)定性判斷液相和氣相燃油(或碳煙火焰及預(yù)混火焰)對(duì)應(yīng)的亮度值，然后將單張拍攝圖片上各像素對(duì)應(yīng)的亮度值分成高密度區(qū)(表征液相或碳煙火焰)、低密度區(qū)(表征氣相或預(yù)混火焰)、背景區(qū)三段，再將多幅圖片的具體亮度分段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，獲得各像素點(diǎn)上高密度區(qū)、低密度區(qū)出現(xiàn)的概率，疊加并分別著色后得到最終結(jié)果。此外火花塞附近區(qū)域受雙側(cè)激光作用，激光能量密度比單側(cè)激光覆蓋的其他區(qū)域高，導(dǎo)致這些區(qū)域熒光額外增強(qiáng)，因此試驗(yàn)時(shí)對(duì)上止點(diǎn)附近的轉(zhuǎn)角采用均勻混合氣進(jìn)行標(biāo)定，以便在后期圖像處理時(shí)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。

2 GDI冷啟動(dòng)工況光學(xué)測(cè)量

2.1 冷啟動(dòng)試驗(yàn)工況與測(cè)量

圖3 燃油濃度和火焰圖像處理過(guò)程［11］

發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)工況包括啟動(dòng)、提速、冷怠速三個(gè)過(guò)程，受光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架最低轉(zhuǎn)速限制，試驗(yàn)研究著重于GDI發(fā)動(dòng)機(jī)冷怠速工況，也即通常所說(shuō)的催化器起燃工況。采用高壓兩次噴射、分層混合冷啟動(dòng)策略時(shí)，點(diǎn)火時(shí)刻火花塞附近穩(wěn)定混合氣濃區(qū)的形成主要依靠第二次燃油噴射(壓縮沖程噴射)與活塞凹坑的合理配合，因此試驗(yàn)主要研究了第二次噴射正時(shí)和兩次燃油噴射量比率對(duì)缸內(nèi)燃燒穩(wěn)定性和排放的影響。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制為1200r/min，空燃比(文中指化學(xué)計(jì)量空燃比)為1，冷卻水和潤(rùn)滑油溫度控制在20℃左右，燃油壓力為8MPa，由ETU實(shí)現(xiàn)兩次噴射和不同噴射量比率(fuel split ratio，F(xiàn)SR，為第一次噴油量與循環(huán)總噴油量的比值)，點(diǎn)火時(shí)刻為20°CA ATDC(ATDC表示壓縮上止點(diǎn)，CA表示曲軸轉(zhuǎn)角)。試驗(yàn)時(shí)首先將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降至1200r/min，調(diào)整進(jìn)氣控制單元以達(dá)到目標(biāo)進(jìn)氣壓力，待冷卻水和潤(rùn)滑油及排氣溫度趨于穩(wěn)定后點(diǎn)火(未噴油)，隨后由ETU激活噴油、激光測(cè)量系統(tǒng)對(duì)燃燒狀態(tài)下指定曲軸角度進(jìn)行拍攝。因石英缸套和活塞膨脹系數(shù)相差很大，光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)著火燃燒時(shí)間有所限制，發(fā)動(dòng)機(jī)一次運(yùn)轉(zhuǎn)燃燒過(guò)程通常只能完成一個(gè)曲軸轉(zhuǎn)角下的測(cè)量。

缸壓、燃燒穩(wěn)定性等信息由缸壓傳感器和燃燒分析儀獲得。由于光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)單次運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)際著火時(shí)間非常短，無(wú)法利用排放分析儀對(duì)尾氣進(jìn)行取樣測(cè)量，因此試驗(yàn)時(shí)采用了快速?gòu)U氣分析儀實(shí)時(shí)獲得HC排放，缸內(nèi)SOOT生成量則通過(guò)AVL VisioFem光學(xué)傳感器間接測(cè)量(圖2中線(xiàn)路⑦)，其基本原理是:SOOT燃燒過(guò)程中熱釋放量很少，但發(fā)出的光亮度較高，通過(guò)測(cè)量預(yù)混燃燒結(jié)束后缸內(nèi)碳煙火焰光強(qiáng)信號(hào)(文中為碳煙指數(shù)USI，測(cè)量信號(hào)為電壓信號(hào))，再經(jīng)過(guò)燃燒分析儀分析處理，可間接反映出缸內(nèi)SOOT排放情況。

2.2 試驗(yàn)燃油和示蹤劑選擇

普通汽油中有多種物質(zhì)具有熒光特性，故其產(chǎn)生熒光的頻譜范圍很廣，難以進(jìn)行量化評(píng)估，同時(shí)由于普通汽油含有添加劑等多種雜質(zhì)，使缸套不易清潔，因此本試驗(yàn)采用與汽油物性相近的異辛烷作為試驗(yàn)燃油。工業(yè)用異辛烷含有少量芳香族分子，如苯及其派生物，極易產(chǎn)生熒光，但這種熒光極易遇氧淬息，因此可以認(rèn)為是無(wú)熒光效應(yīng)，需添加熒光特性穩(wěn)定且遇氧淬息效應(yīng)低的示蹤劑。常見(jiàn)示蹤劑有丙酮、3－戊酮、甲苯等，本文采用3－戊酮，3－戊酮與異辛烷具有相同沸點(diǎn)和幾乎完全相同的隨溫度變化的飽和蒸汽壓特性。試驗(yàn)燃油由體積分?jǐn)?shù)分別為90%和10%的異辛烷和3－戊酮組成。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 燃燒穩(wěn)定性和排放結(jié)果

缸內(nèi)燃燒穩(wěn)定性采用平均指示壓力(IMEP)標(biāo)準(zhǔn)偏差σIMEP進(jìn)行評(píng)價(jià)，具體公式如下:

圖4所示為第二次噴油時(shí)刻(SOI2)對(duì)缸內(nèi)燃燒穩(wěn)定性、HC排放以及SOOT排放的影響。試驗(yàn)時(shí)第一次噴油時(shí)刻(SOI1)為260°CA BTDC(BTDC表示上止點(diǎn)前)，兩次噴油采用相同的噴油持續(xù)期(噴射燃油比率R=0.5)。圖5為圖4a中對(duì)應(yīng)著火過(guò)程火核形成情況。

圖4 第二次噴油時(shí)刻對(duì)燃燒穩(wěn)定性和排放的影響

圖5 第二次噴油時(shí)刻對(duì)著火過(guò)程火核形成的影響

從圖4和圖5可以看出，SOI2早于壓縮上止點(diǎn)前110～120°CA時(shí)燃燒很不穩(wěn)定，著火初期火核很弱且生長(zhǎng)緩慢，這表明點(diǎn)火時(shí)刻火花塞周?chē)葱纬煞€(wěn)定可燃混合氣，缸內(nèi)發(fā)生了嚴(yán)重的失火現(xiàn)象，IMEP水平很低，HC排放急劇增加。SOI2推遲至100°CA BTDC時(shí)，缸內(nèi)著火過(guò)程相對(duì)穩(wěn)定，缸內(nèi)燃燒穩(wěn)定性得到改善，IMEP相應(yīng)提升，HC排放則迅速下降，而當(dāng) SOI2推遲至90°CA BTDC時(shí)，缸內(nèi)燃燒穩(wěn)定性并未繼續(xù)改善，反而惡化，燃燒循環(huán)波動(dòng)率出現(xiàn)一個(gè)峰值，缸內(nèi)IMEP水平也略有降低，而當(dāng)進(jìn)一步將 SOI2推遲至80°CA BTDC時(shí)，缸內(nèi)燃燒壓力循環(huán)波動(dòng)則迅速下降。導(dǎo)致這種燃燒趨勢(shì)突變的主要原因可能是:當(dāng)SOI2在90°CA BTDC之前時(shí)，點(diǎn)火時(shí)刻火花塞附近燃油濃度相對(duì)較低，缸內(nèi)燃燒火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程受缸內(nèi)滾流影響，向排氣側(cè)偏移;而當(dāng)SOI2推遲至90°CA BTDC之后，點(diǎn)火時(shí)刻火花塞附近混合氣質(zhì)量較高，燃燒火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程則主要受混合氣濃度分布的影響，向進(jìn)氣側(cè)偏移;當(dāng)SOI2在90°CA BTDC時(shí)，兩種因素共同作用導(dǎo)致初始火焰發(fā)展過(guò)程緩慢，降低了燃燒初期速度，且隨機(jī)性更大導(dǎo)致IMEP波動(dòng)增加。SOI2推遲至70°CA BTDC時(shí)，著火火焰達(dá)到最穩(wěn)定狀態(tài)，而且生長(zhǎng)速度最快，在此之前缸內(nèi)SOOT生成處于相對(duì)較小的水平;SOI2進(jìn)一步推遲至70°CA BTDC以后，燃燒穩(wěn)定性趨于不變并保持較好的水平，IMEP略微下降，但由于活塞碰壁嚴(yán)重而且在冷啟動(dòng)工況下燃油蒸發(fā)很緩慢，導(dǎo)致SOOT排放急劇增加，HC排放略有上升。對(duì)比圖4a和圖4b可以發(fā)現(xiàn):進(jìn)氣壓力增大為95kPa時(shí)，盡管進(jìn)氣量和對(duì)應(yīng)噴油量均相應(yīng)增加(空燃比控制為1)，但缸內(nèi)IMEP水平未有明顯提升，這表明實(shí)際參與燃燒放熱的燃油并未明顯增加，而HC排放則平均是原來(lái)的5倍以上。HC排放增加主要可能原因有兩個(gè):①第一次噴射與缸套碰壁油膜在隨后活塞運(yùn)動(dòng)中被刮下來(lái)并殘留于缸套與活塞之間狹縫中，隨后過(guò)程中并未完全燃燒;②第二次噴射與活塞頂碰壁油膜不完全燃燒。從圖4中還可以看出在缸內(nèi)正常燃燒情況下(p=0.2MPa)，推遲第二次噴油導(dǎo)致SOOT急劇增加，表明燃油與活塞碰壁明顯增加，但HC增加幅度相對(duì)較小，由此可見(jiàn)，在缸內(nèi)穩(wěn)定燃燒工況，第一次噴射與缸套碰壁是造成HC排放的主因。

圖6 燃油噴射量比率對(duì)燃燒穩(wěn)定性和排放的影響

圖6所示為不同燃油噴射比率對(duì)缸內(nèi)燃燒穩(wěn)定性以及排放的影響。其中第一次噴射時(shí)刻為280°CA BTDC，第二次噴射時(shí)刻為 100°CA BTDC，進(jìn)氣壓力控制為70kPa，從圖中可以看出隨著第一次噴射時(shí)噴油量的增加，(R從0.275增至0.725)缸內(nèi)燃燒穩(wěn)定性和IMEP水平顯著增加。HC排放則是在R=0.5時(shí)最低，增大R時(shí)由于第一次噴射燃油與缸套碰壁增加，導(dǎo)致HC排放有所提升，降低R則由于燃油活塞碰壁量增加導(dǎo)致HC和SOOT排放均略有增加，由于SOI2較早，SOOT排放總體較少。

3.2 缸內(nèi)混合氣形成及燃燒過(guò)程

由 3.1節(jié)分析可知，第二次噴射時(shí)刻為70°CA BTDC、R=0.5時(shí)缸內(nèi)燃燒穩(wěn)定性及SOOT和HC排放均處于比較優(yōu)化的狀態(tài)，因此本文對(duì)這種情況下缸內(nèi)混合氣濃度分布以及燃燒過(guò)程進(jìn)行了拍照測(cè)量，試驗(yàn)時(shí)進(jìn)氣壓力控制為70kPa，空燃比控制為 1，第一次噴射時(shí)刻為260°CA BTDC，點(diǎn)火角為20°CA ATDC。

圖7 缸內(nèi)油氣混合過(guò)程燃油分布圖

圖7為該工況下缸內(nèi)燃油分布PLIF測(cè)量結(jié)果。從圖中可以看出，第一次噴射燃油在噴射初期(255°CA BTDC)，受缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)很小，其形狀與噴射方向一致，并在245°CA BTDC時(shí)到達(dá)排氣側(cè)缸套壁面并發(fā)生碰壁，此時(shí)由于滾流的作用及噴油量適中，故燃油碰壁量較少，隨后隨活塞和缸內(nèi)滾流向下移動(dòng)，在缸內(nèi)強(qiáng)滾流的作用下，缸內(nèi)燃油濃區(qū)在活塞下止點(diǎn)時(shí)到達(dá)進(jìn)氣側(cè)，隨后經(jīng)過(guò)火花塞，在第二次噴射之前(70°CA BTDC)到達(dá)排氣側(cè)，此時(shí)因活塞擠壓在缸內(nèi)了形成整體相對(duì)均勻的燃油分布。在第二次燃油噴射初期，活塞向上移動(dòng)且靠近上止點(diǎn)，燃油很快到達(dá)活塞頂凹坑壁面，由噴霧引起的氣流運(yùn)動(dòng)碰壁所形成的卷吸效應(yīng)使燃油沿凹坑附近迅速擴(kuò)散鋪開(kāi)，隨后由活塞凹坑形成的擠流將燃油沿凹坑曲面向上引導(dǎo)，25°CA BTDC時(shí)在火花塞附近形成燃油濃區(qū)，并一直保持到30°CA ATDC。

圖8為隨后著火及燃燒過(guò)程缸內(nèi)火焰圖像，點(diǎn)火時(shí)刻火花塞附近濃混合氣使得缸內(nèi)著火過(guò)程順利，并在30°CA ATDC時(shí)即形成了非常穩(wěn)定的火焰。由于進(jìn)氣側(cè)燃油濃度較排氣側(cè)燃油濃度大，因此火焰向進(jìn)氣側(cè)擴(kuò)散速度更快，在60°CA ATDC時(shí)擴(kuò)散到整個(gè)燃燒室并到達(dá)活塞頂，70°CA ATDC時(shí)附著在活塞頂凹坑內(nèi)以油膜形式存在的燃油被點(diǎn)燃，在活塞頂附近出現(xiàn)大量的明亮碳煙火焰，碳煙燃燒一直持續(xù)到排氣過(guò)程，由此可知，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)碳煙排放主要由壓縮沖程燃油噴射與活塞頂部碰壁形成的油膜不完全燃燒所致。

圖8 缸內(nèi)燃燒過(guò)程火焰圖像

4 結(jié)論

(1)GDI冷怠速工況采用兩次噴射分層混合策略時(shí)，壓縮沖程燃油噴射正時(shí)對(duì)缸內(nèi)燃燒穩(wěn)定性和排放有較大影響，過(guò)早的SOI2會(huì)導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定，易發(fā)生失火，HC排放急劇惡化，SOI2推遲至合理角度后缸內(nèi)燃燒達(dá)到最穩(wěn)定狀態(tài)，HC排放迅速下降并趨于穩(wěn)定，繼續(xù)推遲SOI2，燃燒穩(wěn)定性則基本不變，HC排放略有增加，但SOOT排放迅速增加。在保持空燃比不變的情況下，增大進(jìn)氣壓力與相應(yīng)噴油量，缸內(nèi)IMEP水平基本不變，而HC排放會(huì)顯著增加，此外兩次燃油噴油量比率對(duì)HC排放和燃燒穩(wěn)定性也有較大的影響。

(2)GDI冷怠速工況PLIF濃度場(chǎng)測(cè)量結(jié)果表明，采用合理的噴油正時(shí)與活塞頂凹坑配合，可在壓縮上止點(diǎn)前后較大的時(shí)間窗口內(nèi)(－25～30°CA ATDC)使火花塞附近保持穩(wěn)定濃混合氣分布，這對(duì)于推遲點(diǎn)火，加快催化器起燃十分有利。而缸內(nèi)燃燒過(guò)程火焰圖像分析表明，碳煙火焰主要產(chǎn)生于活塞頂部附近，因此合理優(yōu)化壓縮沖程噴油正時(shí)，減少活塞頂部燃油碰壁對(duì)降低GDI發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)SOOT排放十分關(guān)鍵。

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