米勒循環氣道噴射汽油機低速大負荷碳煙生成和控制研究

李承運 顧亞平 許 杰 方會詠 張少華 汪名月 趙福成

（寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

隨著全球排放法規日益加嚴以及城市中汽油乘用車保有量迅速增加，汽油機碳煙排放控制越來越受到重視。北京市環保局發布的PM2.5 來源解析報告顯示，在霧霾所有來源中，機動車污染占31%；天津市環保局公布的大氣顆粒物來源解析報告顯示，機動車排放的顆粒物所占比例為20%；上海市公布的大氣顆粒物來源解析結果顯示，機動車排放的顆粒物占29.2%。

國內外學者已經對內燃機的碳煙產生機理和控制手段進行過一定研究，鞠洪玲等針對柴油機缸內碳煙顆粒形成過程與尺寸分布特性進行了詳細研究[1]；周建偉等對直噴汽油機噴油器積碳特征進行了深入研究[2]；石秀勇等針對直噴汽油機顆粒物生成及排放特性研究做了大量工作[3]。付磊等針對氣道噴射汽油機的碳煙生成過程做了分析[4]。Guy Hoffmann 等采用多孔、高壓噴油器[5]，實現了快速霧化。Claudius Schueck等在氣道內增加滾流板和充氣控制閥[6]，增加了滾流強度，加快了氣道內氣流流速，改善了混合氣混合質量，降低了碳煙排放。

這些學者和工程師們的研究成果，對后來學者繼續研究內燃機碳煙排放和控制起到了很好的指導作用。

米勒循環發動機以其低的油耗受到越來越多發動機生產廠家的關注，這種發動機尤其適合與電動機組合配置成混合動力系統，保證低油耗的同時還能擁有足夠的動力[7]，擁有廣闊的應用前景。為了研究米勒循環發動機低速大負荷碳煙的生成原因和影響因素，本文在一臺量產的米勒循環氣道噴射汽油機上進行缸內燃燒可視化試驗，對碳煙生成和控制問題進行分析，提出針對性解決方案并完成驗證。

1 試驗裝置和試驗方法

1.1 試驗裝置

本試驗中的米勒循環發動機是以一臺常規氣道噴射發動機為基礎，重新設計進氣凸輪型線，將進氣凸輪包角減小，達到進氣門早關的目的，實現膨脹行程大于壓縮行程的米勒循環[8]；同時，為了進一步降低油耗，通過更改活塞結構增加發動機壓縮比，優化進氣道，完成發動機的改制。圖1 為改制前后發動機的進排氣門升程曲線的差異。

圖1 改制前后氣門升程曲線對比

表1 為改制后的發動機主要技術參數。

表1 改制后的發動機主要技術參數

本次試驗采用的測功機為AVL 瞬態測功機，煙度測量設備為AVL483 和AVL415，實時采集排氣中碳煙濃度。缸內燃燒可視化設備為AVL 公司的VisionFEM 系統，該系統結構簡圖如圖2 所示。利用安裝在特制火花塞前端的8 根光敏探頭采集混合氣燃燒火焰形成的可見光，通過頻譜分析，可以識別缸內混合氣燃燒時產生碳煙的完整過程。

圖2 VisionFEM 系統結構簡圖

1.2 試驗方法

通過前期試驗發現，試驗發動機在1 250 r/min@WOT 和1 500 r/min@WOT 工況，排氣中碳煙濃度急劇升高，比其它轉速高出10～30 倍，且碳煙濃度隨著工況運行時間變長不斷升高直至穩定。所以，本文選擇這2 個低速工況進行碳煙生成和控制研究。在這2 個工況運行之前，分別各自進行清理積碳30 min，確保無殘留燃油在進氣系統和氣缸內?？梢暬O備VisionFEM 的光敏探頭布置如圖3 所示。序號1～8 分別代表8 個光敏探頭的缸內布置相對位置，監測范圍涵蓋進排氣門周邊區域、活塞頂面以及活塞環區域。

圖3 光敏探頭與氣門相對位置示意圖

在每個工況，分別對噴油終止角（End Of Injection，EOI）進行掃點，掃點區域涵蓋開閥噴射與閉閥噴射情況，研究碳煙與氣門開啟時刻是否強相關。同時，尾氣煙度測試設備與缸內可視化設備同步測試記錄數據。

2 試驗結果與數據分析

2.1 缸內碳煙形成原因分析

混合氣燃燒產生的碳煙主要成分為干碳煙（Dry Soot）、可溶性有機物（Soluble Organic Fraction，SOF）和硫酸鹽[3]，干碳煙和可溶性有機物都是由燃油中的烴類物質經過一系列氧化產生，硫酸鹽則是由燃油中的硫元素和機油中的添加劑產生。燃油與空氣混合不均是產生碳煙的主要原因，混合氣局部過濃，會造成局部產生類似柴油機的擴散燃燒，其燃燒速度較預混燃燒慢[9]。

混合不均的原因主要有如下幾個方面：

1）液態燃油或者未充分混合的混合氣途經進氣門處，有液體燃油殘留在氣門邊緣，無法完全蒸發，局部混合氣偏濃，燃燒不充分，導致碳煙產生。

2）開閥噴射時，未蒸發的燃油受氣流引導作用，被吹拂到活塞頂面凹坑，形成液態聚積；或者燃油被吹拂到氣缸壁，液態油滴沿氣缸壁流下至活塞環間隙處聚積，造成局部混合氣偏濃，產生碳煙。

3）由于噴油器匹配不合理，導致燃油有部分被噴射到氣道壁面上，蒸發不充分。進氣門打開后，燃油沿氣門邊緣直接流入到活塞間隙中，造成燃油聚積，局部混合氣偏濃，產生碳煙。

2.2 噴油終止角與煙度的關系

對于氣道噴射方式，燃油與空氣在進氣道內進行擴散混合，理想狀態下可形成均勻混合氣，從而可保證低的碳煙排放。當發動機負荷上升時，由于進氣道負壓變小，燃油噴射量增加，燃油沒有足夠的時間充分混合，造成碳煙排放升高。尤其是當負荷進一步增加，活塞運動到進氣行程時，噴油器仍在噴油，此時部分來不及蒸發的燃油由進氣門直接進入氣缸，一些燃油液滴會殘留在氣門區域和活塞環間隙，無法正常燃燒，產生擴散燃燒，導致碳煙排放迅速升高。Claudius Schueck 等的研究結果表明，上述現象的確在部分汽油機上存在[6]。

在此米勒循環發動機上進行的試驗結果表明，噴油終止角與碳煙排放具有相關性，如圖4 所示。

圖4 噴油終止角與碳煙排放的關系

當發動機處于開閥噴射時，排氣中的碳煙水平整體略高于閉閥噴射，但是差別不是特別明顯。這可能與米勒循環發動機比普通發動機具有更大的進氣渦流比有關，進氣門處形成的渦流有助于加快燃油在缸內的蒸發和混合，避免液態油液累積，減弱了碳煙形成條件。

2.3 缸內燃燒過程分析

圖5 為本試驗發動機在低速大負荷工況下的缸內燃燒情況。

圖5 可視化的缸內燃燒過程

根據局部濃混合氣的燃燒速度比均勻混合氣燃燒速度慢的原理，如果VisionFEM 檢測到缸內燃燒出現雙峰值信號，即可認為局部存在擴散燃燒現象，并伴隨大量碳煙生成。圖5a 揭示在1 250 r/min@WOT工況下，排氣門側發生了擴散燃燒，且擴散燃燒主要發生在排氣門側的活塞間隙中。這是因為開閥噴射導致氣門處未蒸發的液態燃油被吹拂到排氣側缸壁上，并匯集聚積在活塞間隙處。圖5b 揭示在1 500 r/min@WOT 工況下，在排氣側和進氣側均出現了擴散燃燒現象。進氣側擴散燃燒出現在進氣門邊緣區域，這很可能是由于噴油器匹配不良，β 角偏小，燃油霧化較差，過多燃油聚積在氣道內部，當進氣門開啟時流入并附著在氣門邊緣附近造成；排氣側擴散燃燒主要是在開閥噴射策略下，噴油器噴出的較長燃油油束直接被吸進氣缸，導致燃油聚積在活塞間隙處造成。

由開閥噴射和噴油器匹配不良導致流入缸內的液態燃油在穩態工況下會出現累積現象，即聚積在氣門邊緣區域和活塞間隙的燃油會隨著時間越積越多，造成碳煙濃度持續升高。圖6 為缸內液態燃油累積與清除過程。

圖6 缸內液態燃油累積與清除過程

從圖6 可以看出，在1 500 r/min@WOT 工況下，排氣中的碳煙濃度持續上升，經過約1 小時的累積后，碳煙濃度達到近乎平衡。然后進行30 min 的缸內清潔后，恢復至1 500 r/min@WOT 工況，碳煙濃度明顯下降，然后隨著缸內燃油的累積，排氣中碳煙濃度恢復上升直至平衡。

3 改善措施驗證

綜上分析，本試驗發動機低速大負荷排氣中碳煙濃度偏高主要是由噴油器匹配不合理和開閥噴射策略共同導致，但噴油器匹配不合理對碳煙排放的影響更明顯。所以，針對碳煙濃度偏高問題的解決方向定為噴油器的優化，即選取噴霧參數更合理的噴油器。噴油器的β 角是影響油束噴霧形狀的主要因素，如圖7 所示。

圖7 噴油器不同β 角方案比較

從圖7 可以看出，β 角越大，錐形油束錐角越大，油束分布越寬泛，燃油液滴直徑越小，與空氣混合效果越好。增加β 角還可以有效減小油束長度，降低油束噴射到氣門或者氣道上的概率，減小燃油在氣道內的聚積，避免燃油流入氣缸，從而避免擴散燃燒產生。原機噴油器選取的β 角為11°，更換成β 角為16°的噴油器，重復低速大負荷試驗。

更換β 角更大的噴油器后，缸內可視化設備采集的燃燒情況和排氣側碳煙濃度變化明顯，如圖8所示。

圖8 β=16°方案缸內燃燒表現

從圖8 可以看出，VisionFEM 采集的缸內各處燃燒曲線只有一次明顯峰值，二次峰值比更換噴油器前明顯降低，證明缸內擴散燃燒情況得到顯著改善，即可證明活塞間隙和氣門區域幾乎沒有燃油聚積。

圖9 為改善前后排氣中碳煙濃度對比。從圖9可以看出，更換β 角為16°的噴油器后，碳煙濃度急劇下降，相比改善前，最大下降幅度達97%以上。

圖9 噴油器不同β 角方案碳煙濃度比較

4 結論

通過缸內燃燒可視化試驗，基本可以確認此米勒循環發動機低速大負荷碳煙排放偏高主要是由缸內的擴散燃燒現象導致。這種一邊混合一邊燃燒的方式會導致局部產生混合氣過濃現象，最終導致大量碳煙生成。

針對本試驗發動機，噴油器β 角偏小與開閥噴油策略共同導致了液體燃油聚積在缸內氣門邊緣區域和活塞間隙處，導致擴散燃燒發生。其中，噴油器β 角是影響碳煙生成的關鍵因素。將β 角為13°的噴油器更換成β 角為16°的噴油器，重復低速大負荷試驗。試驗結果表明，排氣中的碳煙得到了非常明顯的降低。

抑制氣道噴射汽油機碳煙生成的主要技術路線是提升燃油在氣道內的霧化水平，優化油氣混合，增加缸內渦流和滾流強度，避免燃油碰壁形成聚積。建議采用多孔、高壓噴油器，減小噴射油滴直徑，實現快速霧化。在氣道內增加滾流板和充氣控制閥，在發動機處于低速大負荷工況時增加滾流強度、加快氣道內氣流流速，均可有效改善混合氣混合質量，降低碳煙排放。