缸内直喷与气道喷射汽油机燃烧过程可视化研究

付磊　宫艳峰　窦慧莉　李显　李华

（中国第一汽车股份有限公司技术中心，长春130011）



缸内直喷与气道喷射汽油机燃烧过程可视化研究

付磊宫艳峰窦慧莉李显李华

（中国第一汽车股份有限公司技术中心，长春130011）

【摘要】为了对比分析缸内直喷汽油机和气道喷射汽油机缸内燃烧过程，基于高速摄像系统进行了缸内燃烧过程可视化研究，并获得两种供油方式的缸内燃烧特征。对比结果表明，气道喷射汽油机在暖机过程缸内扩散燃烧现象明显；气道喷射汽油机在暖机过程的高速摄像结果中火焰区域亮度不均匀，而缸内直喷汽油机的缸内燃烧高速摄像结果中火焰区域亮度较均匀，可以较清楚的识别火焰边界。

1　前言

汽油机是乘用车的主要动力源，增压技术是提高其燃油经济性最有效的技术之一。增压发动机可以采用气道喷射和缸内直喷两种供油方式。缸内直喷技术通过增加压缩比提高发动机燃油经济性，同时与增压技术相结合，可以进一步提高发动机的性能。气道喷射技术的使用呈下降趋势，但从成本和技术成熟程度上看，气道喷射依然具有很大的市场，不断提高气道喷射汽油机的技术水平仍是汽油机主要技术方向之一。

合理组织缸内燃油喷射、着火、燃烧等过程是缸内直喷汽油机燃烧系统开发的关键工作，尤其在许多早期的分层燃烧直喷汽油机产品开发过程中都做了大量的缸内过程研究工作[1]。

气道喷射汽油机燃油进入缸内有4种方式：剥离雾化、喷雾雾化、油膜挤入、气门和缸盖底部油膜沉积[2]。Vincent等人经过研究，进一步明确了气道喷射汽油机混合气的形成机理[3]。气道喷射汽油机燃油喷射过程对缸内燃烧也有显著影响。Cinzia等人利用光学单缸机研究了燃油喷射对气道喷射汽油机缸内燃烧过程的影响，认为在暖机工况，与闭阀喷射相比，开阀喷射会使缸内扩散燃烧更少[4]。

近年来，采用高速摄像方法进行代用燃料或混合燃料缸内燃烧过程的研究较多，文献[5]为了表明不同燃料燃烧过程的差异性，采用图片信息量化与缸内压力分析相结合的方法，分析了火焰发展过程；文献[6]采用高速摄像方法研究了生物柴油火焰发展过程；文献[7]研究了不同控制参数对CNG火焰发展过程的影响；文献[8]研究了含氮比例对柴油机着火和燃烧过程的影响。虽然利用缸压分析和排放分析相结合可以推测出燃烧过程，但是采用高速摄像方法直接进行不同控制参数下的缸内喷雾和燃烧过程的研究有助于提高对缸内直喷汽油机工作过程的了解，有利于从内因解释排放和性能等外在表现。

本文基于光学单缸机及高速摄像系统，研究缸内直喷与气道喷射两种供油方式的缸内燃烧过程，并对其进行对比。

2　试验概述

试验样机为一台缸套是石英玻璃的光学单缸发动机，其主要参数如表1所列。可视缸套高度为55 mm，可以测量点火及燃烧等主要过程。相机为高速黑白相机（Phatom V611），镜头采用Nikkor 105 mm定焦镜头，曝光时间为1 μs，分辨率为1 280×800。采用丹迪公司的Dynamicstudio控制系统，系统中包含根据角标信号输出角度信号的设备，可以输出一定角度间隔（可设置）的脉冲信号，相机采用外触发模式，接收到脉冲信号后进行拍摄，可实现指定多角度多循环连续拍摄。试验工况如表2所列。

表1　试验样机基本参数

表2　试验工况

试验方法：调整喷油量和节气门开度，利用燃烧分析仪计算平均指示压力，分别确定两种供油方式对应目标工况的喷油脉宽和节气门开度；测量前先用测功机倒拖光学单缸机300 s，将点火开关打开后，再打开燃油喷射开关，当λ和缸压等参数相对稳定后，启动高速摄像系统进行记录，每次记录40个循环。鉴于缸内直喷汽油机燃烧过程的特点，利用经平均处理后的图像、伪彩图和原始图像相结合的方式对其进行分析；因雾化不充分，扩散燃烧较多，同一火焰中亮度相差大（过多的亮斑存在），采用平均的方式会掩盖燃烧的真实特征，所以气道喷射采用原始图像反映其燃烧特点。

3　缸内直喷与气道喷射缸内燃烧过程对比分析

3.1缸内直喷汽油机暖机工况燃烧过程特点分析

缸内直喷汽油机暖机工况缸内燃烧过程的原始图像、平均图像和伪彩图如图1～图3所示，其对应的点火正时为上止点前（BTDC）41°，喷油正时为BTDC 250°。由图3可以看出，在BTDC 28°时，火核已经形成，在BT⁃DC16°时，火焰已经扩散较大，并且火焰发展不对称，偏向于排气侧；火焰继续发展，到BTDC 4°时，火焰宽度已经达到约缸径的一半，之后图像基本饱和。原始图像所示的燃烧过程与伪彩图相似，但在火焰发展期出现了几个由于扩散燃烧产生的亮点。图2所示的平均图像描述了火焰的发展过程和强度变化，在伪彩图大幅度饱和阶段可以通过平均图像观察缸内燃烧过程的变化，在上止点后（ATDC）20°之后，缸内亮度也开始减弱。

图1　缸内直喷汽油机缸内燃烧过程原始图像

图2　缸内直喷汽油机缸内燃烧过程平均图像

图3　缸内直喷汽油机缸内燃烧过程伪彩图

3.2气道喷射汽油机暖机工况燃烧过程特点分析

气道喷射汽油机一般采用闭阀喷射，利用气门及气道较高的壁面温度提高燃油的雾化速度和质量，气门开启后雾化的燃油进入缸内；但在暖机阶段，气门和气道温度不高，在气门开启时仍然会有较多的燃油以油膜形式存在，气流对油膜的剥离起主要作用，油膜燃油过多会使剥离产生的油滴粒径增大，增加了附着在缸套和活塞上形成燃油沉积的可能性。图4所示为气道喷射缸内燃烧过程。可知，在BTDC 20°时，可以看到明显的火焰，并且火焰中有明显亮斑；在火焰前锋面发展过程中，亮斑数量增加，亮斑的大小也增加；火焰中的亮斑可以持续到燃烧后期。可观测到的亮斑是由未充分雾化的燃油在高温下进行扩散燃烧形成碳烟而发出较强的可见光引起的。

图4　气道喷射缸内燃烧过程

3.3缸内直喷与气道喷射缸内燃烧过程对比分析

从两种燃烧过程分析结果可以看出，缸内直喷汽油机与气道喷射汽油机在暖机过程缸内燃烧现象具有较大差别：前者缸内存在扩散燃烧，但是较少；后者缸内扩散燃烧现象明显，并且存在于点火至燃烧后期整个燃烧过程；前者因为扩散燃烧少，缸内亮度均匀，所以缸内燃烧的高速摄像结果中火焰的边界明显，容易确定火焰传播过程；后者高速摄像结果的火焰传播边界不明显，扩散燃烧使局部亮度增加，其它部分亮度减小。

4　结束语

本文利用光学单缸发动机和高速摄像系统，研究了缸内直喷汽油机与气道喷射汽油机暖机工况缸内燃烧过程，并经对比分析可知，气道喷射汽油机暖机燃烧过程缸内扩散燃烧现象明显多于缸内直喷汽油机；气道喷射汽油机暖机燃烧过程高速摄像结果的火焰区域亮度不均匀，而缸内直喷汽油机的火焰区域亮度均匀，可以较清楚的识别火焰边界。

参考文献

1Kuwahara K, Ueda K, Ando H. Mixing Control Strategy for Engine Performance Improvement in a Gasoline Direct In⁃jection Engine.SAE 980158, 1998 .

2 Meyer R, Heywood J. Liquid Fuel Transport Mechanisms in⁃to the Cylinder of a Firing Port-Injected SI Engine During Start Up.SAE 970865, 1997.

3 Costanzo V,Heywood J. Mixture Preparation Mechanisms in a Port Fuel Injected Engine.SAE 2005-01-2080.

4Tornatore C, Merola S, Sementa P. Combustion Process In⁃vestigation in a Small SI Engine using Optical Diagnostics. SAE2010-01-2262.

5 Lee P, Polcyn N, Lai M. Direct Visualization of Combustion in an E85- Fueled DISI Engine under Various Operation Conditions. SAE 2013-01-1129.

6 He X, Ma X,Wu F J, et al.Visualization investigation of soot characteristics of engine fuelled with biodiesel fuel. Chinese Internal Combustion Engine Engineering, 2009, 30（2）:1～5. 7Lin XD, Huang Y, Yuan FE, et al. A Study on the Factors Affecting the Process of Flame Propagation with Lean Burn in CNG DI Engine. Automotive Engineering, 2011, 33（10）: 845～849.

8Yao CD, Gao YQ, Liu ZY, et al. Study on the ef fect of volu⁃metric percentage of N2 in intake air on ignition and com⁃bustion of diesel engine.Journal of Thermat Science and Technology, 2002, 32（12）:133～137.

（责任编辑晨曦）

修改稿收到日期为2015年10月13日。

Research on the In-cylinder Combustion Process of PFI and GDI Engine by Visualization

Fu Lei, Gong Yanfeng, Dou Huili, Li Xian, Li Hua （China FAW Co., Ltd R&D Center, Changchun 130011）

【Abstract】To compare and analyze the combustion process for PFI and GDI engine, visualization research is performed with high speed camera, and in-cylinder combustion characteristics of two fuel supply methods are obtained. The comparison results show that the diffusion combustion phenomena of PFI engine is more significant in the warm- up process; whereas brightness of the flame area of PFI engine is nonuniform in the warm-up process, but that of GDI engine is comparatively uniform and can be used to identify the flame boundary.

Key words:Gasoline direct injection, Port fuel injection, Gasoline engine, Combustion process, Visualization

中图分类号:U464.1

文献标识码:A

文章编号:1000-3703（2016）01-0029-03

主题词:缸内直喷气道喷射汽油机燃烧过程可视化