簡述小缸徑直噴式汽油機混合氣形成的試驗研究

點擊上方“汽車與新動力”可以進行訂閱哦！

在小缸徑汽油機上應用汽油直接噴射方式，為此對混合氣形成過程提出了非常高的要求。由于缸內(nèi)噴束的自由行程長度較短，會出現(xiàn)燃油潤濕壁面的現(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）理工大學在內(nèi)燃機聯(lián)合會（FVV）研究計劃框架內(nèi)，通過光學和數(shù)字試驗研究已闡明了具有不同噴油器位置的小排量汽油機方案的混合氣形成過程。

1 動機

小型化方案通常被用于降低汽油機燃油耗，最理想的是使動力總成系統(tǒng)混合動力化并應用汽油機作為增程器來進一步減小單缸排量。若考慮到采用小缸徑機型情況下的運行參數(shù)，則通常不會出現(xiàn)比采用大缸徑機型時更嚴峻的問題，但是其并未全面解決所有問題，例如在四氣門（4V）方案情況下充量運動調(diào)節(jié)閥關(guān)閉對顆粒排放產(chǎn)生的不利影響，因此借助于激光誘導激基復合物熒光（LIEF）來實現(xiàn)燃油噴束液相和氣相的同步目視化，以深化對混合氣形成的試驗研究，其目的是加深對混合氣形成過程的認識，并借助于3D流體動力學計算方法（3D-CFD）以評價噴油器中央布置（中置噴油器）改善混合氣形成的效果。

2 試驗載體及其實施情況

試驗載體是一臺單缸試驗發(fā)動機（圖1），其具有一級和二級質(zhì)量平衡裝置，并能被改裝成透明發(fā)動機，這樣就可在整個活塞行程內(nèi)通過光學儀器觀測缸內(nèi)工作過程。其缸徑為60 mm，活塞行程為71 mm，單缸排量可達0.2 L ，在光學透明氣缸結(jié)構(gòu)情況下的壓縮比ε=8.72，熱力學壓縮比ε=10。試驗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氣道下方。

激光誘導激基復合物熒光（LIEF）用于對混合氣形成過程進行光學評判，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較低，因而試驗在發(fā)動機倒拖運行過程中進行。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 單缸試驗發(fā)動機試驗臺

圖2 試驗用氣缸蓋方案：3氣門方案（左）和4氣門方案（右）

圖3 LWOT后98～110°CA時LBK位置的影響

（注：圖中的°KW =°CA）

3 光學試驗

在先期試驗研究期間中已部分確定了充量運動調(diào)節(jié)閥關(guān)閉（LBKg）對顆粒排放產(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和相當于pmi=0.39 MPa的負荷以及25 MPa噴油壓力時的情況。

采用噴油器3并關(guān)閉充量運動調(diào)節(jié)閥（LBKg）的試驗表明，在噴油器控制始點（ASB，譯注：即相當于圖3中的噴油始點SOE）為換氣上止點（LWOT）后90°CA（曲軸轉(zhuǎn)角）的情況下，在經(jīng)過8°CA后就顯示出其對混合氣造成的影響（圖3）。在LWOT后98°CA時燃燒室內(nèi)強烈的氣流運動使燃油噴束向活塞方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，以此就會導致活塞較早地被潤濕。與此相比，如果充量運動調(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，進氣門閥盤左側(cè)的氣流會使液相噴束發(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)生強烈的相互作用，在LBKg時噴油后在噴油器上殘留的燃油將不會被帶走，這可能會因噴油器被潤濕而對顆粒排放產(chǎn)生不利的影響。此外，在LBKo時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時的狀況一樣。

在LWOT后130°CA時（圖4）可看到與其基本相似的燃油分布，仔細觀察就能確定充量運動變化所引起的差別。在LBKg時燃油大多聚集在燃燒室左側(cè)，而在LBKo時大多數(shù)燃油則分布于活塞上方。再經(jīng)過40°CA充量運動所引起的差別則變得更為明顯，LBKg時的混合氣就變得更加均質(zhì)化了，而LBKo時的混合氣卻存在明顯的濃度梯度，特別是有兩個稀薄區(qū)域。在LWOT后230°CA時充量運動對混合氣均質(zhì)化的影響仍然較為明顯，LBKg時的混合氣分布比LBKo時明顯均勻，后者仍能看出具有較大的濃度梯度，直至LWOT后310°CA時這種濃度梯度依然存在，而LBKg的混合氣則進一步實現(xiàn)均質(zhì)化?？傮w而言，可以確定的是即使LBKg時的混合氣均質(zhì)化得以改善，但還是能看到零件被潤濕的征兆。

圖4LWOT后130～310°CA時LBK位置的影響

（SOE=90°CA，LWOT后）

在噴油器控制始點（ASB，即噴油始點SOE）為換氣上止點（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）。強烈的充量運動會使燃油噴束后部向氣缸壁面方向偏轉(zhuǎn)。在LBKo時出現(xiàn)氣相的直線運動，在LWOT后192°CA時在液相中也能觀察到此類現(xiàn)象。

LBKg在LWOT后200°CA時燃油噴束的偏轉(zhuǎn)較為明顯（圖6），從那以后，在LWOT后230°CA時的混合氣均質(zhì)化程度與LBKo相比，則相差并不大，LBKg時氣相的不均勻分布表現(xiàn)在排氣門范圍內(nèi)有一個明顯更為稀薄的區(qū)域。LBKo在LWOT后270°CA時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時更好的混合氣分布狀況。此后，在LWOT后310°時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LBK位置的影響

（SOE=180°CA，LWOT后）

圖6LWOT后200～310°CA時LBK位置的影響

（SOE=180°CA，LWOT后）

4 數(shù)字試驗研究

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計算評估這種潛力。因為中置噴油器并無噴束設計可供選擇，因而第一步就制定了合適的噴束方案，緊接著就對其進行了混合氣形成計算，其中對部分負荷和全負荷均進行了考察。

圖7作為實例示出了部分負荷LWOT和晚ASB（即SOE）（LWOT后170°CA）時的過量空氣系數(shù)輪廓標圖的比較。因混合時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，而且空氣量相對不足。與此相比，正如所預料的那樣，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，此時所存在的燃油不均勻分布通常歸因于活塞頂不對稱的凹坑。

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)。因為采用中置噴油器除了能促進良好的混合氣形成效果還能避免潤濕進氣門，與側(cè)置噴油器相比其在選擇ASB時具有更高的自由度，因此使用中置噴油器能全面優(yōu)化所試驗的小缸徑發(fā)動機的性能。

圖7 在LWOT時的過量空氣系數(shù)輪廓標圖（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

光學試驗研究分析已證實，LBKg會對混合氣形成過程產(chǎn)生不利的影響，隨之在熱力學試驗中就會使顆粒排放增加，強烈的充量運動會導致氣態(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，而且燃油噴束會向活塞和火力岸方向偏轉(zhuǎn)，導致活塞被強烈潤濕，除此之外還會使進氣門左側(cè)缺乏空氣流動，因而噴油器頂端與空氣之間通常不會存在相互作用，這就會導致燃油汽化速度較慢，并使噴油器被強烈潤濕。

數(shù)字試驗研究的結(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，并且能有效避免進氣門潤濕，因而在選擇ASB時具有更大的自由度，從而在改善小缸徑發(fā)動機性能方面具有更廣闊的潛力，因此證實了在先期試驗研究計劃中所闡述的小缸徑直噴式汽油機的發(fā)展?jié)摿Α?/p>