噴油控制參數對中置噴油器GDI發動機噴霧及燃燒的影響

杜家坤，陳泓，李鈺懷，冶麟，張雙

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434)

直噴式汽油機(GDI)與氣道噴射式汽油機(PFI)相比，能夠在較為寬廣的曲軸轉角范圍內將燃料直接噴入缸內，可有效降低缸內溫度，抑制大負荷工況下爆震傾向，提升熱效率，同時也在實現分層稀薄燃燒模式控制方面表現出巨大潛力，成為國內外研究機構研發領域關注的焦點[1-2]。由于汽油具有較好的揮發性，即使通過與柴油機相似的直噴方式引入缸內，也能在一定程度上保證油氣混合過程[3]。但在某些工況下，由于混合氣形成時間相對較短，存在缸內混合氣不均勻的情況。因此，如何設計適宜的噴油控制策略并與燃燒室及缸內氣流運動合理匹配成為直噴式汽油機燃燒系統開發的關鍵[4-5]。

隨著研究的深入和研究手段的進一步完善，研究者采用可視化發動機，并借助多種非介入式光學研究手段，開展了一系列燃燒系統控制參數對發動機性能影響的研究[6-8]。研究發現，燃油噴射時刻對燃燒及排放有顯著影響，通過對燃油噴射策略進行優化，有助于提升燃燒穩定性，降低HC等未完全燃燒產物排放[9]。同時，通過燃油系統與燃燒室、進氣流動特性等進行合理匹配，可有效改善缸內混合氣形成特性，在保證發動機高效清潔燃燒方面表現出一定潛力[10-11]。

以往研究主要針對側置噴油器直噴汽油機進行相應的光學試驗，而對于中置噴油器直噴汽油機的研究較少[12-13]。基于此，本研究采用匹配中置噴油器高壓直噴系統的單缸光學發動機進行試驗研究，進一步明晰燃油噴射策略對發動機缸內噴霧發展及燃燒過程的影響規律。

1 試驗裝置和試驗條件

1.1 試驗用發動機和測控系統

研究中采用一臺匹配35 MPa高壓供油系統的單缸光學汽油發動機，進氣壓力及進氣溫度采用模擬增壓系統進行控制，噴油時刻、噴油量及點火時刻采用可編程的時序控制模塊進行調整。試驗用發動機主要技術參數見表1。

表1 發動機主要技術參數

1.2 發動機光學測控平臺

研究中采用的單缸光學發動機測控系統主要包括光學發動機、AVL PUMA瞬態測功機、AVL 515進氣模擬增壓系統、AVL 577油水恒溫控制單元、ScienLab DICU噴油控制單元及時序控制單元等系統組件。缸壓測量采用Kistler 6054缸壓傳感器，轉角信號由AVL 365C角標器輸出，利用AVL Indicom系統對燃燒過程示功圖及時序控制信號進行采集，采樣分辨率為0.5°，每個工況點均采集70個循環進行平均以消除測量誤差。為保證燃油壓力的實時在線控制，研究中自行設計開發了35 MPa高壓汽油供油系統，具有精度高、響應快等特點，并具備50 MPa的升級潛力，滿足試驗研究的需要。

試驗中采用高速相機對噴霧圖像進行采集，光學高速成像系統見圖1。為提高拍攝質量，試驗中利用以熔融石英缸套為中心布置的八盞高亮頻閃照明燈作為光源，通過時序控制模塊控制照明燈僅在每個做功周期的330°BTDC～14°ATDC點亮，以利于噴霧形態的捕捉，同時可避免在采集燃燒過程圖像時燈光對成像質量的影響。研究中使用的高速相機為Photron High Speed Star Z系列高速數字相機，拍攝速度可達20 000 幀/s，曝光時間200 μs，采樣時間分辨率為3°，能夠滿足試驗研究的需要。

圖1 試驗臺架示意

1.3 數據分析方法與研究方案

為保證試驗結果重復性，研究中設定燃燒開始50次循環后開始采樣，此時燃燒過程趨于穩定，能夠較好地反映實際的燃燒特性。本研究選取典型的催化器起燃工況(1 200 r/min@0.19 MPa (pmi))，發動機水溫及機油溫度均由油水恒溫系統精確控制在20 ℃左右，燃油噴射模式根據實際負荷和噴油器線性區間選取三段噴射模式。為保證催化器快速起燃，通過推遲發動機點火提高排氣溫度，試驗中為保證數據的可比性，點火時刻均為20°ATDC。由于較晚的點火時刻不利于燃燒過程穩定進行，因此采用多次噴射策略保證混合氣均質性的同時在火花塞附近形成適宜的混合氣濃度，改善點火穩定性。第一段噴射時刻θSOI1及第二段噴射時刻θSOI2分別控制在280°BTDC和240°BTDC，第三段噴射時刻θSOI3調整范圍控制在80°BTDC～160°BTDC以內。研究中三段噴射過程加電脈寬均保持在0.85 ms，以保證數據的可比性。

2 試驗結果及分析

2.1 噴油時刻對缸內噴霧發展的影響

對于直噴式汽油機，如何有效形成穩定的混合氣是可靠點火的關鍵。對于本研究所選試驗工況范圍，由于汽油揮發性好，前兩次噴射發生在進氣沖程，主要在早期形成較為均質的混合氣，對燃燒的影響相對較小，因此重點針對第三段噴射時刻對噴霧及燃燒的影響進行試驗研究。圖2示出采用3次噴射模式時，不同θSOI3下缸內壓力對比。從圖2可以看出，催化起燃工況下，由于點火時刻較晚，點火后缸內混合氣經過一段時間后開始著火放熱，缸壓曲線明顯脫離壓縮線，呈現明顯的雙峰形態，其中第2個峰表征燃燒放熱過程。同時，隨θSOI3提前，缸內燃燒壓力峰值先升高后降低，并于120°BTDC時達到最大值，且此時峰值相位相對較早。

圖2 不同θSOI3下缸內燃燒壓力對比

進一步研究θSOI3對燃燒過程的影響規律，研究中對燃燒過程特征參數進行對比分析。本研究定義：累計放熱量達到總放熱量10%時所對應的曲軸轉角位置為燃燒始點；累計放熱量達到總放熱量90%時所對應的曲軸轉角位置為燃燒終點；燃燒始點與燃燒終點之間所占的曲軸轉角為燃燒持續期；點火時刻至燃燒始點所占曲軸轉角為滯燃期。

從圖3可以發現，不同燃燒特征參數均在θSOI3=120°BTDC時存在明顯拐點，隨θSOI3提前，燃燒持續期與滯燃期均先減小后增大。產生以上現象的主要原因在于，位于壓縮沖程中的第3次噴射過程對火花塞周圍混合氣的形成有一定影響；噴油時刻過早，霧化的燃油隨缸內氣流旋轉蒸發，易于形成更為均勻的混合氣，使得火花塞跳火時著火穩定性降低；而噴油時刻過晚，油束與活塞頂相互干涉，形成壁面油膜，不利于燃油的揮發，同樣會使得火花塞附近點火穩定性變差，燃燒過程pmi的循環變動(COVpmi)變大。

通過對比圖4光學發動機缸內的噴霧發展結果發現，第三段噴射時缸內滾流對噴霧的引導作用相對減弱，且不同噴射時刻下油束的貫穿距存在一定差異。θSOI3早于140°BTDC時，缸內噴霧的發展情況較為相似，由于滾流強度的減弱，油束發展末期存在輕微濕壁的情況。隨θSOI3推遲，燃油噴出時缸內工質的壓縮程度增大，工質密度增加，缸內壓力升高，燃油與空氣分子的碰撞概率增加，空氣阻力加大，油束貫穿距減小。但當θSOI3推遲至80°BTDC時，可明顯觀察到在曲軸轉角位于69°BTDC時油束與活塞頂發生干涉，燃油壁面油膜的形成傾向明顯增大。結合圖3b中的拐點位置，可以認為當θSOI3=120°BTDC時，能夠較好地折中活塞頂油束濕壁及火花塞附近混合氣濃度場分布的問題。噴油時刻提前，由于汽油易揮發，過早的噴油時刻不利于壓縮點火前火花塞周圍混合氣的形成；噴油時刻推遲，由于活塞距離上止點較近，油束對活塞頂的濕壁傾向增大。

圖3 不同θSOI3下燃燒特征參數對比

圖4 第三段噴油時刻對缸內噴霧發展的影響對比

圖5示出第三段噴油時刻對燃燒過程的影響。由圖可知，當θSOI3推遲至120°BTDC時，燃燒過程顯示出理想的均質燃燒形態，燃燒過程整體以預混合燃燒為主，缸內高溫明亮區較早噴情況明顯減少，同時炭煙生成傾向降低。產生以上現象的原因主要是火花塞附近混合氣略濃區在改善發火穩定性方面表現出一定優勢。第三段噴射時刻對點火前火花塞周圍混合氣形成有顯著影響，噴油過早，第三段噴射產生局部濃混合氣區的能力減弱；噴油推遲，一方面利用活塞上行產生的壓力提高缸內工質整體密度、降低噴霧貫穿距、增大油束的橫向寬度、提高燃油與空氣的接觸面積、降低油束撞壁傾向，另一方面可利用活塞上行的動能，將略濃的混合氣壓縮于火花塞周圍，火花塞跳火后，利用火核引燃周圍略濃混合氣，提高火焰傳播速率，為前期形成的均質混合氣預混燃燒提供條件。從微觀角度講，略濃的局部混合氣區由于較快的火焰傳播速度，在一定程度上可作為進氣沖程形成的均質混合氣的發火源，保證燃燒過程順利進行。但當θSOI3推遲至80°BTDC時，由于噴油過晚，活塞逐漸靠近上止點位置，油束易發生沖擊活塞現象，導致活塞表面積炭。

圖5 第三段噴油時刻對缸內燃燒過程的影響對比

2.2 噴油壓力對缸內噴霧及燃燒的影響

對于直噴式燃燒系統，燃油噴射壓力是影響燃燒過程的關鍵控制參數。基于此，本節重點針對燃油噴射壓力對缸內噴霧發展及燃燒過程的影響開展試驗研究。試驗中分別設定燃油噴射壓力為10 MPa,11 MPa和12 MPa，噴油時刻θSOI1=280°BTDC，θSOI2=240°BTDC，θSOI3=100°BTDC。為避免噴油壓力的改變對實際循環供油量產生影響，保證試驗結果的可靠性及可比性，試驗中通過改變加電脈寬保證實際當量比為1。

圖6示出不同噴油壓力下燃燒特征參數的對比。由圖6可知，噴油壓力增大，滯燃期有所縮短，主要原因是提高噴油壓力能夠促進燃油液滴與空氣相互作用，有助于改善噴霧的霧化質量，使得更多的液滴顆粒與空氣接觸，增大初始化學反應速率。同時，良好的油氣混合氣組織有助于縮短燃燒持續期，提高定容度。但由于火花塞附近的濃度場分布對初期燃燒過程有明顯影響，提高噴油壓力雖能夠促進油氣混合，但過高的噴油壓力反而不利于點火前火花塞附近穩定點燃濃度場的形成，使得滯燃期及燃燒持續期有所延長。

圖6 不同噴油壓力下燃燒持續期及滯燃期對比

由圖7光學發動機缸內特性及燃燒過程對比結果可以看出，噴油壓力對缸內噴霧發展影響較為顯著，壓力增大，油束縱向貫穿距明顯延長，同時油束橫向寬度減小。此外，隨噴油壓力增大，油束整體包絡面積減小，表明提高噴油壓力有助于促進燃油液滴的進一步破碎及霧化，在促進燃油與空氣的混合過程中表現出巨大潛力。通過對比不同噴油壓力情況下缸內燃燒過程可以發現，提高噴油壓力，改善混合氣形成，燃燒過程中后期高溫明亮區數量明顯減少，有助于抑制燃燒過程高溫區炭煙的生成。對于中置噴油器直噴式燃燒系統，提高噴油壓力能夠有效改善炭煙生成情況，但壓力過高，油束貫穿距進一步延長，易導致油束撞擊活塞頂或缸壁，在其表面形成不易揮發的壁面油膜，反而不利于混合氣的形成。因此，實際控制中需要綜合考慮油氣混合氣形成及油束與燃燒系統的綜合匹配。

圖7 不同噴油壓力下缸內噴霧及燃燒特性

3 結論

a) 隨θSOI3提前，燃燒持續期與滯燃期均先減小后增大，燃燒特征參數均在θSOI3=120°BTDC時存在明顯拐點，此時pmi的循環變動COVpmi相對較小；

b) 試驗控制工況范圍下，缸內燃燒過程主要以預混合燃燒為主，燃燒過程整體穩定性較好；

c) 第三段噴油時刻過晚，由于活塞上行距上止點較近導致油束易于沖擊活塞表面；

d) 通過提高噴油壓力，可縮短燃燒持續期，有助于改善燃燒定容度，但噴油壓力過大，油束貫穿距進一步延長，油束沖擊缸壁的傾向增加，滯燃期及燃燒持續期反而延長；

e) 燃油噴射壓力增大，燃燒過程高溫明亮區數量減少。

參考文獻：

[1] Park C,Kim S,Kim H,et al.Effects of split-injection strategy on the performance of stratified combustion for a gasoline direct-injection engine[J]．Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part D: Journal of Automobile Engineering,2011,225(10):1415-1426.

[2] Oh H,Bae C,Park J,et al.Effect of the Multiple Injection on Stratified Combustion Characteristics in a Spray-guided DISI Engine[C]．SAE Paper 2011-24-0059.

[3] Zhao F,Lai M C,Harrington D L.Automotive spark-ignited direct-injection gasoline engines[J]．Progress in energy and combustion science,1999,25(5): 437-562.

[4] Han S,Qin J,Lin M,et al.Simulation Study of Injection Strategy and Tumble Effect on the Mixture Formation and Spray Impingement in a Gasoline Direct Injection Engine[C]．SAE Paper 2014-01-1129.

[5] Seo J,Lee J S,Choi K H,et al.Numerical investigation of the combustion characteristics and wall impingement with dependence on split-injection strategies from a gasoline direct-injection spark ignition engine[J]．Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part D:Journal of Automobile Engineering,2013,227(11):1518-1535.

[6] 馬驍,何旭,王建昕,等.用激光誘導熒光法測量 GDI 發動機缸內混合氣分布[J]．內燃機工程,2010(4):1-5.

[7] Dahlander P,Hemdal S.High-speed photography of stratified combustion in an optical GDI engine for different triple injection strategies[C]．SAE Paper 2015-01-0745.

[8] 劉國慶.缸內直噴汽油機冷啟動燃燒與排放光學試驗研究[J]．中國機械工程,2013,24(23):3164-3169,3254.

[9] Lohfink C,Baecker H,Tichy M.Experimental investigation on catalyst-heating strategies and potential of GDI combustion systems[C]．SAE Paper 2008-01-2517.

[10] Merola S S,Irimescu A,Tornatore C,et al.UV-visible digital imaging of split injection in a Gasoline Direct Injection engine[J]．Thermal Science,2015,19(6): 1873-1886.

[11] Li T,Nishida K,Zhang Y,et al.An insight into effect of split injection on mixture formation and combustion of DI gasoline engines[C]．SAE Paper 2004-01-1949.

[12] 杜宏飛，劉江唯，付磊.直噴汽油機噴霧過程圖像采集和處理[J]．汽車工程,2016，38(10)：1189-1193.

[13] Lee P O I,Polcyn N,Lai M C.Direct visualization of combustion in an E85-fueled DISI engine under various operation conditions[C]．SAE Paper 2013-01-1129.