進氣滾流強度對直噴發動機燃燒特性的影響

吳強， 許敏， 楊杰， 董雪

(上海交通大學機械與動力工程學院汽車電子控制技術國家工程實驗室, 上海 200240)

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進氣滾流強度對直噴發動機燃燒特性的影響

吳強， 許敏， 楊杰， 董雪

(上海交通大學機械與動力工程學院汽車電子控制技術國家工程實驗室, 上海 200240)

以光學單缸直噴汽油發動機作為試驗平臺，通過在進氣法蘭處安裝不同的滾流導流板調節進氣截面積來獲得不同強度的滾流氣流。利用Converge軟件對缸內滾流強度和湍動能進行評估，采用高速彩色相機拍攝不同滾流強度下火焰狀態隨曲軸轉角的變化，同時采用燃燒分析儀采集缸壓數據。通過圖像處理分離藍色火焰和黃色火焰，其中，藍光被認為主要來自火焰中CH釋放的化學熒光，而黃光被認為主要來自炭煙顆粒的輻射。試驗發現：隨著滾流強度的提高，藍色火焰面積增加，缸內燃燒速率得以提升，缸內平均指示有效壓力增強，相關性分析表明，藍色火焰面積和燃燒放熱率有很好的正相關性。同時，黃色火焰隨滾流強度增加而減少，表明炭煙生成量降低。此外，燃燒的循環波動也隨滾流強度的增加而降低。

滾流比； 光學發動機； 燃燒速率； 炭煙； 循環波動

近幾十年來，隨著汽車工業的發展，全球范圍內的能源問題和環境污染已經越來越嚴重，汽車發動機的燃油經濟性和排放問題得到了越來越多的重視。作為當代汽車工業最為廣泛應用的技術之一，缸內直噴真正實現了按工況精確控制噴油比例，且噴油壓力的提升使得噴霧霧化更加細致，燃油消耗最多可降低30%[1]。但這種噴射方式存在的主要問題是燃油貫穿距離太大，易在壁面和活塞頂部形成油膜，油膜燃燒引起積炭[2]。另外燃油與空氣混合較差造成顆粒物排放增加甚至失火等現象，這些問題隨著發動機小型化的趨勢日益明顯[3]。大量研究表明，發動機進氣滾流可以很好地組織氣流運動，促進燃油霧化、混合氣形成以及火焰的形成與擴張。張小矛等[4]運用CFD仿真發現高滾流氣道可以提升缸內大尺度漩渦，致使燃燒持續期有效縮短。Federico Brusiani等[5]利用Fire軟件分析了進氣和壓縮沖程中滾流形態的影響，指出滾流可以很好地減小循環變動，提高燃燒穩定性。試驗方面，尹叢勃等[6]和張喜崗等[7]均運用粒子圖像測速技術(PIV)在不同滾流狀態下對噴霧形成進行了穩態和瞬態的研究。此外，黃丫等[8]利用黑白相機記錄了不同滾流強度下火焰在光學發動機內的發展狀況。然而此前的研究難以反映火焰發展過程中各中間產物的變化對燃燒速率和顆粒物生成的影響。

相比之下，彩色相機在火焰傳播發展分析中的優勢明顯，不同于黑白相機只能捕捉火焰亮度，彩色相機能夠記錄連續曲軸轉角下燃燒彩色圖像，從而追蹤燃燒中間產物的變化?；鹧嬷械狞S色火焰一般認為是炭煙的黑體輻射發光，因此黃色火焰的面積的變化可以表征燃燒過程中炭煙的生成情況[9]；而藍色火焰則主要源自火焰發展前期的典型中間產物CH(其在高溫激發狀態下釋放出430.5 nm的熒光)[10-11]，因此其發展和傳播可以表征燃燒過程中CH的生成量。雖然Hardalupas等[12]的研究表明，CH輻射的強度和火焰的放熱率有很好的線性關系，但仍未有研究探索發動機中藍色火焰的發展和缸內燃燒速率的關系。此外，直噴汽油機中的另一個難點是對循環變動的控制。Hardalupas等[12]指出如果發動機沒有循環變動，同樣的燃油消耗率下發動機的輸出功率可以提高10%。

基于以上問題，本研究利用彩色相機記錄不同滾流強度下直噴汽油發動機內的火焰發展過程，從而探究滾流強度對缸內炭黑生成(黃色火焰)的影響。同時，結合燃燒早期的藍色火焰和缸壓數據，研究滾流強度對CH輻射和缸內燃燒速率的影響。此外，通過多個循環的燃燒圖像與缸壓數據的變動，探究滾流強度對燃燒循環波動的影響。

1 可變滾流的實現和評價方法

1.1 可變滾流的實現

可變滾流是通過在進氣道上改變進氣截面面積(P1,P2,P3)實現的，可變滾流氣道示意見圖1，滾流導板三維圖見圖2。導流板共有3種高度，采用尼龍材質，同時滿足試驗對耐高溫和氣密性的要求。導流板安裝在進氣道與進氣歧管接合法蘭處，調整通過進氣閥進入缸內的氣流的流動形態。

圖1 可變滾流氣道示意

圖2 滾流導板三維圖

1.2 滾流強度的評價方法

本研究采用Converge軟件對上述導流板滾流強度進行穩態評價。進氣道模型由進氣道、進排氣門、燃燒室頂部以及活塞上部組成。對幾何體進行修正處理和區域定義后進行網格定義。為保證模擬計算具有良好的精度，同時考慮計算機的計算能力，網格的基本尺寸為0.004 m，并在氣門等關鍵部位進行局部加密，控制總網格數量不超過2.5×106個。網格數量的設置保證了仿真具有良好的收斂性和計算性。流場三維分析所用的控制方程包括連續性方程、動量能量守恒方程和氣體狀態方程，本研究在湍流模型上選擇了κ-ε高雷諾數模型。由于本模擬旨在判斷不同進氣形態對滾流強度的影響，4種進氣狀態的邊界條件需保持嚴格一致。具體設置參數見表1。

表1 仿真邊界條件和初始條件

1.3 缸內流場結果分析

應用上述計算模型對不同高度導流板的滾流引導能力進行評估，圖3示出了進氣沖程噴油后(-300°)到壓縮沖程前半段缸內表征流動的各項參數的變化情況。圖3a示出了滾流比隨曲軸轉角的變化，滾流的方向遵循右手螺旋定則。當渦流比為負數時，其絕對值越大，代表滾流強度越高?？梢钥闯鲭S著滾流導板高度的升高，氣流在導流板的引導下從氣門上方進入，能在進氣沖程和壓縮沖程前段形成大規模的滾流，且滾流強度提升明顯。壓縮沖程后期滾流被上升活塞壓碎，滾流強度逐漸變小。從圖3b中可看出，4種導流板對應的缸內渦流強度均小于0.2，說明這些導流板對缸內渦流影響不明顯。圖3c示出在進氣和壓縮早期缸內湍流強度(TKE)的變化，在Converge仿真模型中湍動能定義為單位質量流體在3個運動方向動能的和，是衡量湍流混合能力的重要指標。大量文獻指出，湍動能的大小被認為是影響燃油混合的重要因素[4]。通過仿真可以看出，隨著滾流導板高度的上升，滾流強度越來越大(見表2)，渦流強度基本保持不變且湍動能也越來越大。這也為后期試驗探究提供了背景信息。

圖3 進氣道內搭載不同導流板下流動參數的變化情況

進氣道類別簡稱滾流比無導流板P00.5搭載P1導流板P11.5搭載P2導流板P21.7搭載P3導流板P32.2

2 試驗分析——滾流強度對發動機燃燒特性的影響

2.1 試驗設備與儀器

本試驗所采用的直噴汽油光學發動機是基于某原型機開發的雙頂置凸輪4氣門單缸發動機(見圖4)。該發動機擁有兩大光學通路，可以實現缸內噴霧和火焰的可視化探究：1)發動機缸蓋處的頂部窗口，由此可以觀測到火花塞附近的燃燒狀況，方便對火花塞點火的判斷以及對燃燒室內火核形成和火焰早期傳播的觀測；2)本試驗光學發動機采用的活塞中間鑲嵌了一塊直徑為62 mm的圓柱形石英玻璃，結合活塞正下方45°反射鏡，可以很好地觀察火焰傳播在氣缸水平面上的投影圖像。

圖4 光學發動機整體、可視化部件以及燃燒室布局

試驗臺架采用了AVL電力測功機，該測功機可以將發動機穩定控制在800～3 000 r/min之間運行。冷卻液與機油的供給與溫度控制由模塊化設備完成，水溫油溫可根據試驗要求在25～90 ℃間自行設定。臺架控制系統可以實現對噴油點火等信號的自定義和對外部激光和相機等設備的觸發與同步控制。

2.2 測試方法與試驗工況

本試驗采用MEMRECAM HX-5E高速彩色相機進行火焰拍攝，鏡頭為Nikon 50 mm f/1.8D。該相機可實現最高每秒20萬張彩色照片的輸出?？紤]到對畫幅的需求和對曲軸轉角分辨率的取舍，選擇拍攝頻率為13 000幀/s進行拍攝，對應彩色圖片的分辨率為547×607。相機工作在多次觸發模式下，可以在每個循環接收到觸發信號后以13 000幀/s的拍攝頻率連續拍照150張，可覆蓋點火開始、火核形成、早期藍色火焰傳播、中期黃色火焰傳播直至視野全部充滿火焰的全過程。150張圖像拍攝完成后，相機等待下一個循環的觸發再次完成150張拍攝。在相機參數設置方面，由于火焰傳播迅速且畫質上對火焰邊緣要求高，試驗中需要較深的景深以便于拍出清晰的火焰圖片。本試驗設置光圈大小為F5.6，快門時間為76.8 μs。通過計算可以獲得一定曲軸轉角范圍內發動機缸內火焰燃燒的連續圖像。由圖5可見，高速相機安裝在45°反射鏡齊平的位置，缸內火焰所發出的光通過鏡子反射進入到相機，可實現對發動機連續循環的火焰形成和傳播進行彩色成像。

圖5 試驗測試示意

本試驗采用AnD燃燒分析儀進行燃燒分析，通過接入Kistler 6125A缸內壓力傳感器，可以實現連續多循環缸內壓力數據采集和燃燒放熱率的計算。發動機工況各項參數見表3。測試時將機油溫度和冷卻水溫度設定在較低溫度(30 ℃)，可以預見在缸內低滾流情況下更容易出現燃油混合不均勻情況，也便于觀察滾流對燃油分布的影響。

需要指出的是，本試驗中滾流強度的改變是通過更換導流板實現的。導流板安裝在進氣法蘭處，導流板會帶來進氣流量系數的變小。為了保證燃燒試驗的可對比度，考慮到導流板對進氣效率有所影響，對4種進氣狀態進行倒拖試驗，通過調節電子節氣門保證4種工況下壓縮上止點壓力相同，從而保證了在不同進氣道形狀的條件下，發動機燃燒室內的空燃比保持一致，這也為后期滾流強度對火焰的影響分析提供了條件。另外，在進氣過程中，雖然進氣道因為形狀改變導致流量系數降低，但通過調節節氣門達到了相同的進氣效率，可以認為由進氣道和電子節氣門構成的進氣系統的流量系數保持總體不變，這也保證了每次試驗缸內進氣量和空燃比的一致性，而進氣量也通過缸內壓力得到了驗證。

2.3 試驗數據的處理方法

從圖6可以看出，整個燃燒過程主要產生藍色火焰和黃色火焰，這為燃燒光譜的分析提供了可能?；鹧鎴D像是12bit彩色RGB圖像。在RGB格式圖片中，首先對圖像進行中值濾波，然后提取每個像素點的RGB值。通過大量圖像對比和參數調節，程序可以自動捕捉各波段火焰面積隨時間的變化。其中，藍色火焰面積隨時間變化狀況將作為判斷中間產物CH生成速率的重要指標。在火焰顏色的判斷上，根據前人在彩色火焰上的大量工作，分離RGB三通道數值后用R值代表黃色火焰，B值代表藍色火焰，并采用適當的閾值捕捉火焰邊框[13-15]。需要指出的是，圖像在相機景深方向上是沒有分辨率的，因為該圖像是三維火焰在二維平面上的投影。但是由于光學窗口的限制，大量文獻均采用投影面積來量化火焰前鋒面的傳播和火焰燃燒的好壞[8,15-16]，因此本研究也沿用這一方式。

另外，在火焰發展傳播過程中，為了方便理解燃燒室的布局，對火焰中對應的進排氣閥、噴油器以及火花塞的位置進行了顯示。從圖6典型工況的處理示例可以看到，圖中藍色火焰和黃色火焰分別通過藍色和紅色邊界得到了很好地分辨，這也保障了后期火焰范圍和強度計算的正確性。

圖6 某火焰圖片燃燒室布局及藍黃火焰邊界識別示意

3 研究結果分析

參照以上工況對上述4種進氣道形態進行了試驗。在1 200 r/min情況下采集了4種進氣道燃燒數據并獲取了基于曲軸轉角的瞬態火焰圖片。圖7示出了從-1.15°到37.62° 4種進氣滾流形態下，某一個循環的缸內三維火焰在渦流平面上的投影。

從圖7可以看到，在同一曲軸轉角下，隨著滾流強度的增大，火焰的顏色由以黃色為主慢慢過渡到以藍色為主。在低滾流狀態下，燃燒前期藍色火焰和黃色火焰并存并且面積逐漸增大，燃燒持續期內大面積黃色火焰幾乎占據整個燃燒室。這是因為缸內流動不充分，汽油噴射后不能與空氣很好地混合，進而形成局部稀氧燃燒，不完全燃燒形成的炭煙顆粒發出白熾光使圖像呈現黃色。而在高滾流的工況下，黃色火焰的產生明顯滯后，且面積和亮度均小于低滾流工況。黃色火焰滯后的原因是在燃燒之前，活塞上行使得大尺度滾流形態被壓碎，缸內湍動能有效增加(見圖3c)，缸內氣體流場和噴霧流場作用加強，使得在燃燒的時候有著更均勻的混合氣，這些混合氣使得火焰在發展階段更多地呈現藍色。如上文所述，黃色火焰可以表征炭煙的生成量，這也證明了發動機在高滾流比的情況下能夠有效抑制炭煙的生成，降低排放并提高燃油經濟性。另一方面，高滾流藍色火焰表征產生了大量的CH激發態分子，這些激發態分子的量表征了放熱速率越來越快。文獻[11]中還提到，產生CH中間產物的時候一般會伴隨著OH的產生，OH也是表征放熱率的一個指標。OH的濃度大約是CH濃度的1～2倍。由于本試驗采用的是普通的光學鏡頭，OH發出來的紫外光(306 nm)不能被捕捉到，故不再展開說明。

圖7 4種滾流強度下某循環點火后火焰發展情況

圖8示出了利用上述圖像分析方法，統計滾流比為0.5和2.2兩種工況下100個循環黃色火焰和藍色火焰面積隨曲軸轉角的變化情況。

圖9示出了不同滾流強度(0.5～2.2)下100個循環黃色火焰出現的時間。由圖可以看到，高滾流情況下黃色火焰出現的時間較晚，平均為7.05°，而低滾流情況下黃色火焰出現的時間較早，平均為-0.57°。在穩定性方面，高滾流比工況(滾流比為2.2)黃色火焰出現時刻的均方差為2.53，小于低滾流比(滾流比為0.5)情況下的均方差4.18。這說明高滾流比使得發動機的燃燒過程更加穩定，火焰重復性更好，循環變動更小。

在燃燒分析上，通常定義燃料燃燒掉10%作為火焰發展期(θCA10)，燃料從燃燒掉10%發展到燃燒掉90%的過程為燃燒持續期(θCA90-10)。圖10示出了4種工況下火焰發展期和燃燒持續期的測試結果，燃燒數據均為燃燒穩定后100個循環的平均值。可以看出，滾流強度越大，火焰發展期和持續期越短。具體來說，從滾流比為0.5到滾流比為2.2，火焰發展期(θCA10)縮短5.15°，火焰燃燒持續期縮短5.16°。由此可以推斷，高滾流促進了燃油的預混合，在點火之前形成了較多的可燃均勻混合氣，促進了火焰的發展。

圖8 滾流比為0.5和2.2工況100個循環火焰面積統計

圖9 不同工況下100個循環黃色火焰開始出現 對應的曲軸轉角

圖10 不同滾流工況下θCA10，θCA90-10與藍色火焰 面積的關系

由圖10可見，燃燒過程中藍色火焰的面積和燃燒速率有很好的對應關系，即藍色火焰面積越大，其火焰發展期和持續期相應越短，整體燃燒放熱率也越大。

圖11示出的是4種不同滾流強度下，發動機點火穩定后的指示平均有效壓力的分布頻數。頻數的計算基于燃燒穩定后的100個連續循環。由圖可以看出，隨著滾流強度從0.5提高到2.2，指示平均有效壓力的中位值增加了23%。這是因為滾流使得混合氣更加均勻，燃燒更充分，從而提高了燃油經濟性和輸出功。此外，隨著滾流強度的增加，100個循環的平均指示有效壓力波動標準差由0.137降低到0.047。這說明滾流強度增強使得燃燒各個循環的差異減小，即有效地促進了燃燒的穩定性。

圖11 100個燃燒循環平均指示有效壓力分布

4 結論

a) 軟件仿真分析表明，通過添加進氣導流導板，雖然降低了流通面積，但能夠有效增強缸內滾流強度和湍動能且保持了渦流強度基本不變；

b) 光學發動機內的燃燒數據表明，隨著滾流強度的提高，火焰發展期(θCA10)縮短5.15°，火焰燃燒持續期縮短5.16°，這說明滾流強度越大，預混合越好，且燃燒速度越快；平均指示壓力中位值增強了0.059 MPa，同時高滾流情況下循環變動變小，輸出功率更穩定；

c) 高滾流下黃色火焰滯后出現且黃色火焰亮度和火焰面積都低于低滾流強度，這說明高滾流條件下燃燒更加充分，可推測生成炭煙量得以有效減少；

d) 藍色火焰面積和缸內燃燒放熱率有很好的關聯，較大的藍色火焰面積意味著較大的燃燒放熱率。

致謝：

本研究得到了基金項目51076093/E060702、上海交通大學汽車電子控制技術國家工程試驗室及美國通用汽車公司的支持。

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[編輯： 姜曉博]

Effects of Intake Tumble Strength on Combustion Performance in SIDI Engine

WU Qiang, XU Min, YANG Jie, DONG Xue

(National Engineering Laboratory for Automotive Electronic Control Technology, School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240， China)

Variable tumble ratios were achieved by adjusting the cross-section area of intake manifold with different flow guide plates on a SIDI optical engine test bench. In-cylinder tumble strength and kinetic energy were evaluated with Converge software, the crank angle resolved flame images were recorded with a high speed color camera and the instantaneous cylinder pressure was monitored by a combustion analyzer. The blue and yellow flames were separated with the image processing, which represented the CH released chemiluminescence and the soot particle radiation respectively. The results show that with the increase of the tumble strength, the blue flame area, burning rate and IMEP all increase. It shows a strong correlation between the blue flame area and the heat release rate. Meanwhile, it is indicated the soot reduces because the yellow flame decrease. Besides, higher tumble ratio can suppress cycle-to-cycle variation.

tumble ratio; optical engine; burning rate; soot; cycle-to-cycle variation

2016-07-16；

2016-12-01

噴孔內過熱流體的氣泡生成及微爆霧化機理研究(51076093/E060702)

吳強(1990—)，男，碩士，主要研究方向為光學發動機激光診斷；wuqiangsjtu@gmail.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.03.001

TK411.12

B

1001-2222(2017)03-0001-07