基于內窺鏡的汽油發(fā)動機噴水可視化研究

郭濤，李相超，張弘，尹琪，楊磊，林長林

(上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海 201804)

高增壓小型化直噴汽油發(fā)動機(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用，然而高速大負荷下過高的排氣溫度和爆震問題卻限制著其熱效率的進一步提升。目前，多使用燃油加濃和推遲點火的方法來降低排氣溫度和抑制爆震。但是，燃油加濃會惡化燃油經(jīng)濟性，推遲點火會降低發(fā)動機熱效率，同時向后推遲的燃燒過程會使排氣溫度進一步升高。

發(fā)動機使用噴水技術有助于抑制爆震、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)動機噴水有三種方案：一是在進氣道內布置噴水器，噴水器噴出的水霧隨進氣流入缸內[2]；二是通過缸內直噴的方法直接噴射[3]；三是使用含水的乳化燃料[4]。其中進氣道噴水方案對發(fā)動機改動較小，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，研究了不同的進氣道噴水策略對GDI發(fā)動機爆震控制的影響，結果表明：噴水在抑制發(fā)動機爆震上作用顯著，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缸進氣道噴射(FPI)增壓型汽油機為基礎，在進氣道布置噴水器,對噴水在提高發(fā)動機性能和降低排放上的效果進行了研究，結果顯示該發(fā)動機搭載噴水技術后，在高速大負荷下的排氣溫度得到控制，無需使用燃油加濃，發(fā)動機燃油消耗率降低6%～12%，NOx排放顯著降低。

以上研究共同表明，發(fā)動機噴水技術在降低燃油消耗率、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用效果，因此，有必要借助于可視化技術對噴水器的噴射過程進行分析，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)動機，在進氣道上安裝噴水器實現(xiàn)進氣道噴水，在進氣歧管上布置高速內窺鏡系統(tǒng)實現(xiàn)對噴水過程的高速攝影，并結合臺架數(shù)據(jù)對噴水器的布置設計、噴水時刻(SOI)的優(yōu)化和噴水壓力的選擇進行了研究。

1 試驗裝置及方法

1.1 噴水發(fā)動機

試驗以1臺4缸1.5 L增壓直噴汽油機為原型機，通過在進氣道上改制實現(xiàn)進氣道噴水，發(fā)動機具體參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動機參數(shù)

發(fā)動機臺架系統(tǒng)配備有HORIBA DYNAS3 LI145電力測功機、同園 TOCEL-CMFD010瞬態(tài)油耗儀、HORIBA MEXA 7100DEGR排放測試儀、AVL NDISET ADVANCED PLUS ETH 642燃燒分析儀等設備，實現(xiàn)對發(fā)動機運行狀態(tài)的監(jiān)測記錄。噴水系統(tǒng)由水箱、水泵、過濾器、調壓閥、流量計、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氣道噴水器，具有防銹能力。噴水器的開啟時刻和噴射脈寬由噴水驅動器進行控制。4個噴水器安裝在發(fā)動機進氣道處，進氣門開啟后，水霧隨進氣流入缸內，噴水器的布置方式見圖1。

圖1 噴水器安裝方式

1.2 高速內窺鏡系統(tǒng)

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

表2 內窺鏡系統(tǒng)參數(shù)

高速內窺鏡系統(tǒng)在發(fā)動機上的固定方式見圖2。因發(fā)動機在運轉過程中振動較大，需要使用支架將內窺鏡系統(tǒng)和發(fā)動機固定連接，保證振動的同步性，避免應力損壞內窺鏡。

圖2 高速內窺鏡系統(tǒng)

1.3 試驗參數(shù)

本研究在1臺1.5 L增壓汽油發(fā)動機上，使用內窺鏡可視化技術對兩款噴水器的噴射過程進行高速攝影，以研究不同噴水器布置設計的影響，并選用其中一款噴水器，對比了不同噴水時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)動機運行的影響。

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

2 試驗結果分析

2.1 噴水器的對比

為驗證噴水器差異對噴水效果的影響，采用兩款噴水器進行對比。兩款噴水器的靜態(tài)流量相同，其中1號噴水器8個噴孔，2號噴水器4個噴孔，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]。噴霧特性的不同導致兩款噴水器安裝位置有差異(見圖4)，1號噴水器距離進氣門更遠一些，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。仿真計算結果顯示：1號噴水器在進氣道內的濕壁量較少，有利于更多的水霧進入缸內；2號噴水器在缸內的濕壁量較少，有利于減少液態(tài)水進入發(fā)動機潤滑系統(tǒng)的風險。

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°噴水時刻對進氣道內的噴霧進行了高速內窺鏡攝影，結果見圖5，圖中顏色差異源自相機曝光的設置。噴水器噴霧剛出現(xiàn)時進氣門處于關閉狀態(tài)，水霧在進氣道內向前發(fā)展，進氣門打開后水霧跟隨進氣進入缸內。

對比兩款噴水器的噴射過程，1號噴水器水霧在進氣門開啟期間進入缸內，水霧霧化良好，進氣道內壁附著的水滴較少；2號噴水器水霧同樣在進氣門開啟后進入缸內，但有部分大顆粒水滴附著在進氣道內壁上(見圖5中框線區(qū)域)，導致直接進入缸內參與降溫的水量減少。2號噴水器部分水滴附著在進氣道內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氣道內壁。

圖5 噴水器在缸內噴霧過程對比

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氣道后直接蒸發(fā)，需要噴射更多的水才能達到相同的缸內冷卻效果。

2.2 噴水時刻的影響

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

圖6僅顯示了進氣門關閉后進氣道內的情況。當噴水時刻為0°時，噴水期間進氣門始終處于閉合狀態(tài)，由于無進氣氣流影響，水霧在進氣道內一部分撞擊進氣道內壁和氣門閥背，一部分懸浮在空氣中。附著在進氣道內壁的水滴會在下次氣門開啟時被吹入缸內。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入缸內。當噴水時刻為300°時，噴水器水霧到達進氣道后恰逢進氣門打開，跟隨進氣進入發(fā)動機缸內，氣道濕壁量較少，從圖6看出進氣道壁面和閥背基本無液滴，只有空氣中懸浮少量液滴。當噴水時刻為360°時，其效果與300°噴水相似，但是氣門關閉較早，導致殘余在氣道內的液滴多于300°噴水的工況。

圖6 氣門關閉后進氣道內狀態(tài)對比

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

圖7 不同噴水時刻的臺架數(shù)據(jù)對比

2.3 噴水壓力的影響

在300°噴水時刻對0.2～1.2 MPa水壓范圍內的噴水過程分別進行了拍攝，結果見圖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氣道徑向運動了更遠的距離，噴霧頭部更靠近進氣道上壁面，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，受進氣氣流影響減弱，噴霧沿初始速度方向運動了更遠的距離。

圖8 不同噴水壓力下的噴霧圖像

圖9示出發(fā)動機在不同噴水壓力下的θCA50、燃油消耗率和NOx排放的結果。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范圍內處于較低水平，且0.8 MPa為燃油消耗率最低點，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，有部分水霧在進氣道內已經(jīng)蒸發(fā)，同時高壓下進氣道濕壁概率增加，最終導致高壓噴水對缸內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 結論

a) 噴水器在安裝布置時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)動機在使用噴水后燃油消耗率和NOx排放都下降，在試驗工況下燃油消耗率降低約3%，NOx排放降低約20%；

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

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