簡(jiǎn)述小缸徑直噴式汽油機(jī)混合氣形成的試驗(yàn)研究

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在小缸徑汽油機(jī)上應(yīng)用汽油直接噴射方式，為此對(duì)混合氣形成過程提出了非常高的要求。由于缸內(nèi)噴束的自由行程長(zhǎng)度較短，會(huì)出現(xiàn)燃油潤(rùn)濕壁面的現(xiàn)象，并隨之引起廢氣排放方面的技術(shù)缺陷。德國布倫瑞克（Braunschweig）理工大學(xué)在內(nèi)燃機(jī)聯(lián)合會(huì)（FVV）研究計(jì)劃框架內(nèi)，通過光學(xué)和數(shù)字試驗(yàn)研究已闡明了具有不同噴油器位置的小排量汽油機(jī)方案的混合氣形成過程。

1 動(dòng)機(jī)

小型化方案通常被用于降低汽油機(jī)燃油耗，最理想的是使動(dòng)力總成系統(tǒng)混合動(dòng)力化并應(yīng)用汽油機(jī)作為增程器來進(jìn)一步減小單缸排量。若考慮到采用小缸徑機(jī)型情況下的運(yùn)行參數(shù)，則通常不會(huì)出現(xiàn)比采用大缸徑機(jī)型時(shí)更嚴(yán)峻的問題，但是其并未全面解決所有問題，例如在四氣門（4V）方案情況下充量運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)閥關(guān)閉對(duì)顆粒排放產(chǎn)生的不利影響，因此借助于激光誘導(dǎo)激基復(fù)合物熒光（LIEF）來實(shí)現(xiàn)燃油噴束液相和氣相的同步目視化，以深化對(duì)混合氣形成的試驗(yàn)研究，其目的是加深對(duì)混合氣形成過程的認(rèn)識(shí)，并借助于3D流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法（3D-CFD）以評(píng)價(jià)噴油器中央布置（中置噴油器）改善混合氣形成的效果。

2 試驗(yàn)載體及其實(shí)施情況

試驗(yàn)載體是一臺(tái)單缸試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)（圖1），其具有一級(jí)和二級(jí)質(zhì)量平衡裝置，并能被改裝成透明發(fā)動(dòng)機(jī)，這樣就可在整個(gè)活塞行程內(nèi)通過光學(xué)儀器觀測(cè)缸內(nèi)工作過程。其缸徑為60 mm，活塞行程為71 mm，單缸排量可達(dá)0.2 L ，在光學(xué)透明氣缸結(jié)構(gòu)情況下的壓縮比ε=8.72，熱力學(xué)壓縮比ε=10。試驗(yàn)用氣缸蓋方案示于圖2，3氣門（3V）方案的噴油器側(cè)置，而4氣門（4V）方案的噴油器則位于進(jìn)氣道下方。

激光誘導(dǎo)激基復(fù)合物熒光（LIEF）用于對(duì)混合氣形成過程進(jìn)行光學(xué)評(píng)判，它能同步目視燃油噴束的氣相和液相，為此在非熒光的模擬燃油異己烷（89%體積份額）中摻入示蹤劑熒光苯（2%體積份額）和二乙基甲胺（9%體積份額）。由于混合燃油的沸點(diǎn)較低，因而試驗(yàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖運(yùn)行過程中進(jìn)行。由光透鏡通過玻璃缸套兩側(cè)照明用紫外光來激發(fā)示蹤劑。

圖1 單缸試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)

圖2 試驗(yàn)用氣缸蓋方案：3氣門方案（左）和4氣門方案（右）

圖3 LWOT后98～110°CA時(shí)LBK位置的影響

（注：圖中的°KW =°CA）

3 光學(xué)試驗(yàn)

在先期試驗(yàn)研究期間中已部分確定了充量運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)閥關(guān)閉（LBKg）對(duì)顆粒排放產(chǎn)生的不良影響。如下示出的照片揭示了產(chǎn)生不良影響的部分原因，并查明了4V方案在轉(zhuǎn)速1 200 r/min和相當(dāng)于pmi=0.39 MPa的負(fù)荷以及25 MPa噴油壓力時(shí)的情況。

采用噴油器3并關(guān)閉充量運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)閥（LBKg）的試驗(yàn)表明，在噴油器控制始點(diǎn)（ASB，譯注：即相當(dāng)于圖3中的噴油始點(diǎn)SOE）為換氣上止點(diǎn)（LWOT）后90°CA（曲軸轉(zhuǎn)角）的情況下，在經(jīng)過8°CA后就顯示出其對(duì)混合氣造成的影響（圖3）。在LWOT后98°CA時(shí)燃燒室內(nèi)強(qiáng)烈的氣流運(yùn)動(dòng)使燃油噴束向活塞方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，以此就會(huì)導(dǎo)致活塞較早地被潤(rùn)濕。與此相比，如果充量運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)閥打開（LBKo）的話，那么燃油噴束則幾乎不受影響。在燃油噴射終了（LWOT后102°CA）后LBKo的影響從噴束末端狀況即可看出，進(jìn)氣門閥盤左側(cè)的氣流會(huì)使液相噴束發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，而若LBKg的話，則可看到在噴油器頂端范圍內(nèi)液相噴束狀況的明顯不同，由于僅在進(jìn)氣門閥盤上方有氣流，因此在噴油器范圍內(nèi)燃油與流入的空氣之間并未發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，在LBKg時(shí)噴油后在噴油器上殘留的燃油將不會(huì)被帶走，這可能會(huì)因噴油器被潤(rùn)濕而對(duì)顆粒排放產(chǎn)生不利的影響。此外，在LBKo時(shí)流入的空氣與燃油之間的相互作用有助于燃油的汽化，正如LWOT后110°CA時(shí)的狀況一樣。

在LWOT后130°CA時(shí)（圖4）可看到與其基本相似的燃油分布，仔細(xì)觀察就能確定充量運(yùn)動(dòng)變化所引起的差別。在LBKg時(shí)燃油大多聚集在燃燒室左側(cè)，而在LBKo時(shí)大多數(shù)燃油則分布于活塞上方。再經(jīng)過40°CA充量運(yùn)動(dòng)所引起的差別則變得更為明顯，LBKg時(shí)的混合氣就變得更加均質(zhì)化了，而LBKo時(shí)的混合氣卻存在明顯的濃度梯度，特別是有兩個(gè)稀薄區(qū)域。在LWOT后230°CA時(shí)充量運(yùn)動(dòng)對(duì)混合氣均質(zhì)化的影響仍然較為明顯，LBKg時(shí)的混合氣分布比LBKo時(shí)明顯均勻，后者仍能看出具有較大的濃度梯度，直至LWOT后310°CA時(shí)這種濃度梯度依然存在，而LBKg的混合氣則進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)均質(zhì)化。總體而言，可以確定的是即使LBKg時(shí)的混合氣均質(zhì)化得以改善，但還是能看到零件被潤(rùn)濕的征兆。

圖4LWOT后130～310°CA時(shí)LBK位置的影響

（SOE=90°CA，LWOT后）

在噴油器控制始點(diǎn)（ASB，即噴油始點(diǎn)SOE）為換氣上止點(diǎn)（LWOT）后180°CA和使用噴油器4的情況下，在噴油終了后不久同樣顯示出LBKg的影響（圖5）。強(qiáng)烈的充量運(yùn)動(dòng)會(huì)使燃油噴束后部向氣缸壁面方向偏轉(zhuǎn)。在LBKo時(shí)出現(xiàn)氣相的直線運(yùn)動(dòng)，在LWOT后192°CA時(shí)在液相中也能觀察到此類現(xiàn)象。

LBKg在LWOT后200°CA時(shí)燃油噴束的偏轉(zhuǎn)較為明顯（圖6），從那以后，在LWOT后230°CA時(shí)的混合氣均質(zhì)化程度與LBKo相比，則相差并不大，LBKg時(shí)氣相的不均勻分布表現(xiàn)在排氣門范圍內(nèi)有一個(gè)明顯更為稀薄的區(qū)域。LBKo在LWOT后270°CA時(shí)燃燒室中央的稀薄區(qū)域被周圍的濃混合氣包圍，這是比LBKg時(shí)更好的混合氣分布狀況。此后，在LWOT后310°時(shí)的混合氣分布較為均勻且具有較小的濃度梯度。

圖5LWOT后192～196°CA時(shí)LBK位置的影響

（SOE=180°CA，LWOT后）

圖6LWOT后200～310°CA時(shí)LBK位置的影響

（SOE=180°CA，LWOT后）

4 數(shù)字試驗(yàn)研究

3V方案中噴油器中央布置提供了改善混合氣形成的潛力，并已通過3D-CFD計(jì)算評(píng)估這種潛力。因?yàn)橹兄脟娪推鞑o噴束設(shè)計(jì)可供選擇，因而第一步就制定了合適的噴束方案，緊接著就對(duì)其進(jìn)行了混合氣形成計(jì)算，其中對(duì)部分負(fù)荷和全負(fù)荷均進(jìn)行了考察。

圖7作為實(shí)例示出了部分負(fù)荷LWOT和晚ASB（即SOE）（LWOT后170°CA）時(shí)的過量空氣系數(shù)輪廓標(biāo)圖的比較。因混合時(shí)間較短而存在明顯的不均勻性，特別是在側(cè)置噴油器情況下噴油器側(cè)燃燒室的混合氣顯示出燃油的不均勻分布，而且空氣量相對(duì)不足。與此相比，正如所預(yù)料的那樣，中置噴油器使混合氣形成效果更好。與燃燒室中部平面相比，此時(shí)所存在的燃油不均勻分布通常歸因于活塞頂不對(duì)稱的凹坑。

從圖7所示出的過量空氣系數(shù)直方圖中也可看出中置噴油器明顯改善了混合氣的形成效果。側(cè)置噴油器情況下燃油的不均勻性表現(xiàn)在其過量空氣系數(shù)在直方圖中分布于寬廣的范圍內(nèi)，而中置噴油器的過量空氣系數(shù)則在直方圖中典型地聚集在中間較窄的范圍內(nèi)。因?yàn)椴捎弥兄脟娪推鞒四艽龠M(jìn)良好的混合氣形成效果還能避免潤(rùn)濕進(jìn)氣門，與側(cè)置噴油器相比其在選擇ASB時(shí)具有更高的自由度，因此使用中置噴油器能全面優(yōu)化所試驗(yàn)的小缸徑發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。

圖7 在LWOT時(shí)的過量空氣系數(shù)輪廓標(biāo)圖（上）和直方圖（下）的比較

（n=1 800 r/min,pmi=0.7 MPa,SOE=LWOT后170°CA）

5 結(jié)論

光學(xué)試驗(yàn)研究分析已證實(shí)，LBKg會(huì)對(duì)混合氣形成過程產(chǎn)生不利的影響，隨之在熱力學(xué)試驗(yàn)中就會(huì)使顆粒排放增加，強(qiáng)烈的充量運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致氣態(tài)燃油沿著氣缸壁面被壓縮，從而引起燃燒室中央空氣過量，而且燃油噴束會(huì)向活塞和火力岸方向偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致活塞被強(qiáng)烈潤(rùn)濕，除此之外還會(huì)使進(jìn)氣門左側(cè)缺乏空氣流動(dòng)，因而噴油器頂端與空氣之間通常不會(huì)存在相互作用，這就會(huì)導(dǎo)致燃油汽化速度較慢，并使噴油器被強(qiáng)烈潤(rùn)濕。

數(shù)字試驗(yàn)研究的結(jié)果表明，與側(cè)置噴油器相比，中置噴油器能明顯改善混合氣形成，并且能有效避免進(jìn)氣門潤(rùn)濕，因而在選擇ASB時(shí)具有更大的自由度，從而在改善小缸徑發(fā)動(dòng)機(jī)性能方面具有更廣闊的潛力，因此證實(shí)了在先期試驗(yàn)研究計(jì)劃中所闡述的小缸徑直噴式汽油機(jī)的發(fā)展?jié)摿Α?/p>