面向缸內(nèi)直噴汽油機燃燒調(diào)控中若干基礎問題研究綜述

張鳴稚 車金濤 王鳳濱 陳銘世

中汽研汽車檢驗中心(廣州)有限公司 廣東省廣州市 511300

1 前言

內(nèi)燃機消耗了將近2/3 的石油資源，產(chǎn)生了CO2排放占總CO2排放的1/4 以上，內(nèi)燃機驅動的汽車尾氣排放也是城市大氣污染物的主要來源之一。近年來，隨著我國汽車工業(yè)的快速發(fā)展和汽車保有量的不斷增加，使我國繼續(xù)保持世界第一大汽車和內(nèi)燃機生產(chǎn)和消費國。由于我國目前汽車仍主要依靠內(nèi)燃機作為動力源驅動。因此，在國家大力發(fā)展新能源汽車的同時，不斷提高內(nèi)燃機動力機動車的燃油經(jīng)濟性和降低排放仍然是解決我國燃油供需矛盾和大氣污染的主要手段和對象，為實現(xiàn)此目標，需要研究稀燃著火能力提升，湍流對火核形成、火焰?zhèn)鞑サ挠绊懀謱踊旌蠚馊紵咴鰤簳r的爆震控制等涉及到的基礎燃燒問題和關鍵技術問題。由于稀燃時火焰?zhèn)鞑ニ俾实停鸷松衫щy，因此采用分層混合氣燃燒組織方式用于提高點火性能和燃燒速率，采用提高缸內(nèi)充量運動強度和廢氣再循環(huán)在保證燃燒速率的同時降低NOx 排放。分層充量組織方式的另一個優(yōu)點是可在燃燒室壁面區(qū)附近形成空氣層或超稀混合氣區(qū)，燃燒過程這部分區(qū)域的溫度得到控制，從而降低了散熱損失[1]。

2 內(nèi)燃機燃燒控制技術

汽油機缸內(nèi)直噴技術可比進氣道噴射自然吸氣均質(zhì)混合氣汽油機熱效率提高20-25%，是提高汽油機熱效率的重要手段，汽油機缸內(nèi)直噴由于高壓噴射燃料霧化改善和燃油噴入高溫的充量氛圍中，冷起動性能也得到提高。缸內(nèi)直噴汽油機在方式上分單次噴射和分段噴射。單次噴射又分進氣沖程（早期）缸內(nèi)噴射的均質(zhì)混合氣燃燒組織方式和壓縮沖程（后期）缸內(nèi)噴射的分層混合氣燃燒組織方式，前者燃用化學計量比混合氣，利用三效催化器控制排放，但燃油經(jīng)濟性會有所犧牲。后者可實現(xiàn)稀混合氣穩(wěn)定燃燒，提高燃油經(jīng)濟性，點火時刻與噴射結束時刻的時間間隔成為混合氣分層度的調(diào)控手段，這種方式比均質(zhì)混合氣燃燒方式可燃用更稀的混合氣，汽油機抗爆震能力得到提升，具有進一步提高壓縮比或通過高增壓提高汽油機熱效率的潛力，不足之處是大負荷工況燃油噴射時間長，容易形成過濃混合氣，燃油經(jīng)濟性和排放出現(xiàn)惡化。兩段噴射是在進氣沖程中噴入一部分燃油，形成稀的均質(zhì)混合氣，然后在壓縮沖程中后期再噴入余下部分燃料，形成有利于點火的混合氣，該方式更易于實現(xiàn)缸內(nèi)混合氣濃度分層的調(diào)控，通過兩段噴射燃油比例的調(diào)控可以實現(xiàn)汽油機全負荷工況高效清潔燃燒，其分層燃燒方式可以提高汽油機抗爆震能力，也能實現(xiàn)稀混合氣燃燒，提高汽油機的熱效率，兩段噴射油量比例分配、噴射時間間隔以及點火時刻與第二階段噴射結束時刻的時間間隔成為不同工況下汽油機高效燃燒的調(diào)控手段[2]。燃油噴霧對缸內(nèi)直噴汽油機混合氣形成、燃燒與排放具有十分重要的影響，是燃燒控制的一個關鍵因素，為此，國內(nèi)外對汽油機缸內(nèi)噴射噴油器的噴霧特性開展了大量的研究。噴霧形態(tài)、噴霧引導的流動會直接影響到混合氣的分層、火核形成、火焰?zhèn)鞑ァ⑾∪继匦砸约芭欧盼锏纳伞ｊP于噴霧的研究包括但不限于以下方面：

（1）獲得不同形態(tài)噴霧的噴霧特性，闡明噴霧發(fā)展過程中表征參數(shù)的宏觀與微觀時空特性。

（2）獲得不同環(huán)境溫度、壓力，不同噴射間隔，不同燃油分配比例下兩段噴射的噴霧。

（3）時空特性，兩段噴射耦合作用對整體噴霧的影響規(guī)律。

（4）（3）闡明噴射和預混耦合下的分層混合氣燃燒規(guī)律，闡明閃急沸騰噴霧下的分層混合。

（5）氣燃燒規(guī)律。

（6）（4）闡明混合氣組織方式在二元燃料使用時組分和濃度分層下的燃燒規(guī)律，通過調(diào)控

（7）參數(shù)拓展稀燃能力的技術方案。

（8）（5）形成對分層程度靈活調(diào)控的分段噴射下燃燒規(guī)律的系統(tǒng)性和規(guī)律性認識。

Chan 等人分別對汽油和乙醇開展了噴射壓力對缸內(nèi)直噴多孔噴嘴在閃急沸騰條件下的噴霧形態(tài)的研究，通過可視方法得到了噴霧的宏觀形態(tài)，研究發(fā)現(xiàn)提高噴射壓力對閃急沸騰噴霧的霧化改善程度更為明顯，認為提高壓力和閃急沸騰兩者的耦合更有利于提高噴霧霧化效果。但他們沒有獲得噴霧微觀特性，比如噴霧粒徑，也沒有測量噴霧流場，而這些對把握噴霧特性、混合氣形成以及燃燒、排放具有重要影響，在開展燃燒調(diào)控研究中，準確把握這些信息及其規(guī)律十分重要。Jiangping Tian 和Keiya Nishida 等人采用噴霧容彈研究了高壓下直噴汽油噴霧特性，獲得了噴霧的氣液相分布和變化過程，給出了常溫環(huán)境下的非蒸發(fā)噴霧和高溫環(huán)境下蒸發(fā)噴霧的宏觀特性。這兩種環(huán)境下的噴霧對于認識進氣沖程早噴（對應低環(huán)境溫度）和壓縮沖程晚噴（對應高環(huán)境溫度）的噴霧形態(tài)認識提供了幫助。然而，他們的研究僅停留在噴霧本身，沒有延伸到噴射條件下的燃燒，因此，還無法認識噴霧和燃燒的耦合作用以及噴霧形態(tài)對燃燒的影響。裴毅強等人開展了大量的直噴汽油機噴霧特性研究，研究發(fā)現(xiàn)提高燃油溫度對噴霧改善作用明顯，除宏觀噴霧特性外，他們還采用PDPA 測量了噴霧粒徑，發(fā)現(xiàn)接近臨界溫度時粒徑會出現(xiàn)急劇降低，噴霧貫穿距離也相應縮短。他們的研究隱含出閃急沸騰噴霧對降低燃油碰壁以及改善晚期噴射噴霧質(zhì)量具有積極作用。黃榮華等人采用數(shù)值模擬計算研究了進氣道噴射汽油，缸內(nèi)噴射乙醇的二元燃料分層混合氣燃燒模式，發(fā)現(xiàn)噴射時刻和燃料配比均影響到缸內(nèi)混合氣分層狀態(tài)，并影響到對發(fā)動機的燃燒和排放。他們的工作主要聚焦噴射時刻的影響，對噴射時刻和燃油配比耦合下的混合氣形成、火焰?zhèn)鞑ァ⑷紵c排放沒有開展進一步的研究。上海交通大學許敏研究組長期開展汽油噴霧的研究工作，包括常規(guī)汽油噴霧和閃急沸騰汽油噴霧，對汽油噴霧的認識做出了重要的貢獻，他們的研究手段有噴霧容彈和光學發(fā)動機，同時他們在一臺光學發(fā)動機上研究了冷起動工況借助閃急沸騰噴霧實現(xiàn)發(fā)動機動力性能提高和碳煙排放降低的效果。但他們的研究沒有涉及噴霧下的混合氣形成，也沒有將噴霧作為調(diào)控參數(shù)進行與點火時刻的耦合，所獲結果僅針對冷起動工況。清華大學和英國伯明翰大學合作對缸內(nèi)直噴汽油噴霧也開展了大量研究，包括單次噴射和分段噴射，常規(guī)噴射和閃急沸騰噴射，也開展了噴霧形態(tài)不同對汽油機燃燒與排放的影響。可以看出，缸內(nèi)直噴汽油機噴霧是燃燒調(diào)控的重要參數(shù)，由于他們的研究主要從發(fā)動機性能來評價噴霧對燃燒的影響，對噴霧與混合氣形成的耦合、噴霧與燃燒的認識沒有進行系統(tǒng)化研究。目前閃急沸騰噴霧由于關注點是噴霧，沒有將燃燒調(diào)控緊密關聯(lián)起來，所有研究都針對單次噴射。如果從噴霧燃燒調(diào)控的角度出發(fā)，兩段方式的閃急沸騰噴霧或許對汽油機挑戰(zhàn)稀燃極限有積極作用，它改變了缸內(nèi)混合氣形態(tài)，會影響到著火、火焰?zhèn)鞑ズ腿紵h(huán)變動。L.M.Itani 等人采用LIF 成像方法分析了汽油噴霧在缸內(nèi)直噴汽油機工作條件下的蒸發(fā)特性，獲得了汽油組分在噴霧蒸發(fā)中的特性，研究給出了噴霧蒸發(fā)的定量評價，指出低環(huán)境溫度下組分優(yōu)先蒸發(fā)特點顯著，而高環(huán)境溫度下整體蒸發(fā)起到主導作用。該研究提供給我們的啟示是，當使用揮發(fā)性不同的兩組分燃料（如汽油甲醇、汽油乙醇）時，醇組分的優(yōu)先蒸發(fā)會影響噴霧的形態(tài)，從而對著火、火焰?zhèn)鞑ズ拖∪继匦援a(chǎn)生影響。因此，對兩組分燃料，噴霧的燃燒調(diào)控效果在起動或進氣過程噴射時受燃料組分影響，在壓縮過程噴射時不受燃料組分影響。Sanghoon Lee等人通過可視化和PDPA 分析了單孔噴霧和多孔噴霧的噴霧宏觀形態(tài)和噴霧粒徑速度，對認識不同噴油器的噴霧特性提供了實驗數(shù)據(jù)支撐。該研究提示出高壓噴霧引導的流場變化和湍流將影響到著火、火核形成與發(fā)展、火焰?zhèn)鞑ァＳ捎谒麄兊难芯繘]有拓展到著火和燃燒，噴霧引導的流動對火焰?zhèn)鞑ズ腿紵饔眠€不能定量的給出。

缸內(nèi)直噴分層混合氣燃燒方式最早用于汽油機小負荷晚噴情況，確保混合氣著火燃燒。隨后缸內(nèi)直噴分層混合氣方式被廣泛用于分層混合氣稀燃中，混合氣分層程度被作為燃燒調(diào)控的手段，噴射與點火時間間隔的耦合調(diào)控決定著混合氣的分層程度，缸內(nèi)直噴汽油機稀燃潛力得到了拓展，燃油經(jīng)濟性提升空間有了技術支撐。單次噴射適用于小負荷分層混合氣的組織，大負荷時對造成過度分層，燃燒排放性能惡化。兩段噴射由于具備分層混合氣調(diào)控的更大空間，也被用于缸內(nèi)直噴燃燒控制中，兩段噴射也適用大負荷工況，并對提高大負荷抗爆能力提升有作用。燃油噴射時刻對缸內(nèi)直噴分層稀混合氣燃燒影響顯著，研究發(fā)現(xiàn)噴射時刻控制著稀預混合氣燃燒和濃度分層的混合控制燃燒比例，增加噴射結束時刻與點火時刻的間隔時稀預混合氣燃燒占主要部分，反之濃度分層的混合控制燃燒占主要部分。噴射時刻對混合氣形態(tài)的調(diào)控實現(xiàn)了燃燒過程的調(diào)控。兩段噴射還可實現(xiàn)對放熱速率和火焰速率調(diào)控，進而對燃燒相位CA50 進行調(diào)控。對閃急沸騰兩段噴霧的噴霧特性雖有研究，指出閃急沸騰兩段噴霧對改善燃油霧化和混合氣形成有利，但目前國內(nèi)外在閃急沸騰兩段噴霧的著火、火焰?zhèn)鞑ズ腿紵h(huán)變動方面還未見報導。Ali Turkcan 等人分析了第2 段噴射時刻對混合氣形成和燃燒的影響，指出第2 段噴射時刻對著火特性有較大影響。Jingeun Song 等人研究發(fā)現(xiàn)噴霧引導的湍流提高了火焰速率，火焰速率與混合氣濃度分層程度密切相關，兩段噴射進一步增強湍流強度，提高了發(fā)動機的動力性能。Cheolwoong Park 等人研究汽油噴霧引導的缸內(nèi)直噴分層混合氣稀燃特性，分層混合氣稀燃方式提高了抗爆震能力和燃油經(jīng)濟性，并可在稀燃條件下實現(xiàn)快速穩(wěn)定的燃燒，分層混合氣也降低了傳熱損失，結合廢氣再循環(huán)和推遲點火實現(xiàn)了對NOx 的控制。說明缸內(nèi)直噴分層混合氣稀燃是挑戰(zhàn)汽油機高熱效率的有效途徑，也反映出噴霧對混合氣分層、著火和火焰?zhèn)鞑ヒ约跋∪寄芰Χ季哂兄匾娜紵{(diào)控作用。他們的工作僅針對單次噴射，沒有進行對混合氣分層調(diào)控效果更好的兩段噴射，對后者現(xiàn)象和規(guī)律的認識將有助于實現(xiàn)更好的分層混合氣稀燃燃燒調(diào)控效果。M.Costa 等人采用光學發(fā)動機和模擬計算缸內(nèi)直噴汽油兩段噴射的稀燃分層燃燒技術，研究預示出合理的兩段噴射調(diào)控實現(xiàn)了稀混合氣條件下的燃燒優(yōu)化，發(fā)動機熱效率和排放得到了改善，是一種有效的燃燒調(diào)控技術。雖然研究給出了兩段噴射實現(xiàn)汽油機稀燃的可行性，但燃燒優(yōu)化結果僅對應兩段噴射燃油均等分配情況，缺乏不同分配比例下的混合氣和稀燃潛力研究，還不能形成全局性認識，兩段噴射分層混合氣燃燒規(guī)律性的認識還需從基礎角度和參數(shù)變化耦合角度出發(fā)開展更加系統(tǒng)和全面的研究，闡明其混合氣形成與稀燃特性的關系，以期為燃燒調(diào)控和優(yōu)化提供支撐。為此，這方面還有待開展進一步的研究。汽油機爆震是制約其性能提升的關鍵因素，分層混合氣組織方式由于具有抗爆震能力強，具備繼續(xù)提高提高壓縮比提升汽油機性能的潛力。

3 結論

影響發(fā)動機缸內(nèi)混合氣形態(tài)的參數(shù)很多，噴射過程缸內(nèi)的壓力、溫度以及氣流狀態(tài)均隨時間變動，噴射相位和分層的影響也與熱力和流動狀態(tài)參數(shù)的變化耦合在一起，很難分離出單一因素的作用效果。內(nèi)燃機燃燒調(diào)控是內(nèi)燃機高效清潔燃燒的重要手段和發(fā)展趨勢，準確合理的調(diào)控需要建立在對燃燒基本規(guī)律的認識、關鍵參數(shù)作用程度的把握以及基礎數(shù)據(jù)定量化的表征，而這些燃燒機出問題的規(guī)律性認識往往可采用脫開多因素多過程耦合作用的實際發(fā)動機，采用影響因素和參數(shù)可獨立設置與調(diào)控的燃燒裝置來實現(xiàn)。通過基礎層面的研究對各個參數(shù)的影響規(guī)律和參數(shù)間的耦合作用規(guī)律形成系統(tǒng)性和規(guī)律性認識，為發(fā)動機燃燒現(xiàn)象的解析和燃燒調(diào)控提供支撐。