进气滚流强度对直喷发动机燃烧特性的影响

吴强， 许敏， 杨杰， 董雪

(上海交通大学机械与动力工程学院汽车电子控制技术国家工程实验室, 上海 200240)



进气滚流强度对直喷发动机燃烧特性的影响

吴强， 许敏， 杨杰， 董雪

(上海交通大学机械与动力工程学院汽车电子控制技术国家工程实验室, 上海 200240)

以光学单缸直喷汽油发动机作为试验平台，通过在进气法兰处安装不同的滚流导流板调节进气截面积来获得不同强度的滚流气流。利用Converge软件对缸内滚流强度和湍动能进行评估，采用高速彩色相机拍摄不同滚流强度下火焰状态随曲轴转角的变化，同时采用燃烧分析仪采集缸压数据。通过图像处理分离蓝色火焰和黄色火焰，其中，蓝光被认为主要来自火焰中CH释放的化学荧光，而黄光被认为主要来自炭烟颗粒的辐射。试验发现：随着滚流强度的提高，蓝色火焰面积增加，缸内燃烧速率得以提升，缸内平均指示有效压力增强，相关性分析表明，蓝色火焰面积和燃烧放热率有很好的正相关性。同时，黄色火焰随滚流强度增加而减少，表明炭烟生成量降低。此外，燃烧的循环波动也随滚流强度的增加而降低。

滚流比； 光学发动机； 燃烧速率； 炭烟； 循环波动

近几十年来，随着汽车工业的发展，全球范围内的能源问题和环境污染已经越来越严重，汽车发动机的燃油经济性和排放问题得到了越来越多的重视。作为当代汽车工业最为广泛应用的技术之一，缸内直喷真正实现了按工况精确控制喷油比例，且喷油压力的提升使得喷雾雾化更加细致，燃油消耗最多可降低30%[1]。但这种喷射方式存在的主要问题是燃油贯穿距离太大，易在壁面和活塞顶部形成油膜，油膜燃烧引起积炭[2]。另外燃油与空气混合较差造成颗粒物排放增加甚至失火等现象，这些问题随着发动机小型化的趋势日益明显[3]。大量研究表明，发动机进气滚流可以很好地组织气流运动，促进燃油雾化、混合气形成以及火焰的形成与扩张。张小矛等[4]运用CFD仿真发现高滚流气道可以提升缸内大尺度漩涡，致使燃烧持续期有效缩短。Federico Brusiani等[5]利用Fire软件分析了进气和压缩冲程中滚流形态的影响，指出滚流可以很好地减小循环变动，提高燃烧稳定性。试验方面，尹丛勃等[6]和张喜岗等[7]均运用粒子图像测速技术(PIV)在不同滚流状态下对喷雾形成进行了稳态和瞬态的研究。此外，黄丫等[8]利用黑白相机记录了不同滚流强度下火焰在光学发动机内的发展状况。然而此前的研究难以反映火焰发展过程中各中间产物的变化对燃烧速率和颗粒物生成的影响。

相比之下，彩色相机在火焰传播发展分析中的优势明显，不同于黑白相机只能捕捉火焰亮度，彩色相机能够记录连续曲轴转角下燃烧彩色图像，从而追踪燃烧中间产物的变化。火焰中的黄色火焰一般认为是炭烟的黑体辐射发光，因此黄色火焰的面积的变化可以表征燃烧过程中炭烟的生成情况[9]；而蓝色火焰则主要源自火焰发展前期的典型中间产物CH(其在高温激发状态下释放出430.5 nm的荧光)[10-11]，因此其发展和传播可以表征燃烧过程中CH的生成量。虽然Hardalupas等[12]的研究表明，CH辐射的强度和火焰的放热率有很好的线性关系，但仍未有研究探索发动机中蓝色火焰的发展和缸内燃烧速率的关系。此外，直喷汽油机中的另一个难点是对循环变动的控制。Hardalupas等[12]指出如果发动机没有循环变动，同样的燃油消耗率下发动机的输出功率可以提高10%。

基于以上问题，本研究利用彩色相机记录不同滚流强度下直喷汽油发动机内的火焰发展过程，从而探究滚流强度对缸内炭黑生成(黄色火焰)的影响。同时，结合燃烧早期的蓝色火焰和缸压数据，研究滚流强度对CH辐射和缸内燃烧速率的影响。此外，通过多个循环的燃烧图像与缸压数据的变动，探究滚流强度对燃烧循环波动的影响。

1 可变滚流的实现和评价方法

1.1 可变滚流的实现

可变滚流是通过在进气道上改变进气截面面积(P1,P2,P3)实现的，可变滚流气道示意见图1，滚流导板三维图见图2。导流板共有3种高度，采用尼龙材质，同时满足试验对耐高温和气密性的要求。导流板安装在进气道与进气歧管接合法兰处，调整通过进气阀进入缸内的气流的流动形态。

图1 可变滚流气道示意

图2 滚流导板三维图

1.2 滚流强度的评价方法

本研究采用Converge软件对上述导流板滚流强度进行稳态评价。进气道模型由进气道、进排气门、燃烧室顶部以及活塞上部组成。对几何体进行修正处理和区域定义后进行网格定义。为保证模拟计算具有良好的精度，同时考虑计算机的计算能力，网格的基本尺寸为0.004 m，并在气门等关键部位进行局部加密，控制总网格数量不超过2.5×106个。网格数量的设置保证了仿真具有良好的收敛性和计算性。流场三维分析所用的控制方程包括连续性方程、动量能量守恒方程和气体状态方程，本研究在湍流模型上选择了κ-ε高雷诺数模型。由于本模拟旨在判断不同进气形态对滚流强度的影响，4种进气状态的边界条件需保持严格一致。具体设置参数见表1。

表1 仿真边界条件和初始条件

1.3 缸内流场结果分析

应用上述计算模型对不同高度导流板的滚流引导能力进行评估，图3示出了进气冲程喷油后(-300°)到压缩冲程前半段缸内表征流动的各项参数的变化情况。图3a示出了滚流比随曲轴转角的变化，滚流的方向遵循右手螺旋定则。当涡流比为负数时，其绝对值越大，代表滚流强度越高。可以看出随着滚流导板高度的升高，气流在导流板的引导下从气门上方进入，能在进气冲程和压缩冲程前段形成大规模的滚流，且滚流强度提升明显。压缩冲程后期滚流被上升活塞压碎，滚流强度逐渐变小。从图3b中可看出，4种导流板对应的缸内涡流强度均小于0.2，说明这些导流板对缸内涡流影响不明显。图3c示出在进气和压缩早期缸内湍流强度(TKE)的变化，在Converge仿真模型中湍动能定义为单位质量流体在3个运动方向动能的和，是衡量湍流混合能力的重要指标。大量文献指出，湍动能的大小被认为是影响燃油混合的重要因素[4]。通过仿真可以看出，随着滚流导板高度的上升，滚流强度越来越大(见表2)，涡流强度基本保持不变且湍动能也越来越大。这也为后期试验探究提供了背景信息。

图3 进气道内搭载不同导流板下流动参数的变化情况

进气道类别简称滚流比无导流板P00.5搭载P1导流板P11.5搭载P2导流板P21.7搭载P3导流板P32.2

2 试验分析——滚流强度对发动机燃烧特性的影响

2.1 试验设备与仪器

本试验所采用的直喷汽油光学发动机是基于某原型机开发的双顶置凸轮4气门单缸发动机(见图4)。该发动机拥有两大光学通路，可以实现缸内喷雾和火焰的可视化探究：1)发动机缸盖处的顶部窗口，由此可以观测到火花塞附近的燃烧状况，方便对火花塞点火的判断以及对燃烧室内火核形成和火焰早期传播的观测；2)本试验光学发动机采用的活塞中间镶嵌了一块直径为62 mm的圆柱形石英玻璃，结合活塞正下方45°反射镜，可以很好地观察火焰传播在气缸水平面上的投影图像。

图4 光学发动机整体、可视化部件以及燃烧室布局

试验台架采用了AVL电力测功机，该测功机可以将发动机稳定控制在800～3 000 r/min之间运行。冷却液与机油的供给与温度控制由模块化设备完成，水温油温可根据试验要求在25～90 ℃间自行设定。台架控制系统可以实现对喷油点火等信号的自定义和对外部激光和相机等设备的触发与同步控制。

2.2 测试方法与试验工况

本试验采用MEMRECAM HX-5E高速彩色相机进行火焰拍摄，镜头为Nikon 50 mm f/1.8D。该相机可实现最高每秒20万张彩色照片的输出。考虑到对画幅的需求和对曲轴转角分辨率的取舍，选择拍摄频率为13 000帧/s进行拍摄，对应彩色图片的分辨率为547×607。相机工作在多次触发模式下，可以在每个循环接收到触发信号后以13 000帧/s的拍摄频率连续拍照150张，可覆盖点火开始、火核形成、早期蓝色火焰传播、中期黄色火焰传播直至视野全部充满火焰的全过程。150张图像拍摄完成后，相机等待下一个循环的触发再次完成150张拍摄。在相机参数设置方面，由于火焰传播迅速且画质上对火焰边缘要求高，试验中需要较深的景深以便于拍出清晰的火焰图片。本试验设置光圈大小为F5.6，快门时间为76.8 μs。通过计算可以获得一定曲轴转角范围内发动机缸内火焰燃烧的连续图像。由图5可见，高速相机安装在45°反射镜齐平的位置，缸内火焰所发出的光通过镜子反射进入到相机，可实现对发动机连续循环的火焰形成和传播进行彩色成像。

图5 试验测试示意

本试验采用AnD燃烧分析仪进行燃烧分析，通过接入Kistler 6125A缸内压力传感器，可以实现连续多循环缸内压力数据采集和燃烧放热率的计算。发动机工况各项参数见表3。测试时将机油温度和冷却水温度设定在较低温度(30 ℃)，可以预见在缸内低滚流情况下更容易出现燃油混合不均匀情况，也便于观察滚流对燃油分布的影响。

需要指出的是，本试验中滚流强度的改变是通过更换导流板实现的。导流板安装在进气法兰处，导流板会带来进气流量系数的变小。为了保证燃烧试验的可对比度，考虑到导流板对进气效率有所影响，对4种进气状态进行倒拖试验，通过调节电子节气门保证4种工况下压缩上止点压力相同，从而保证了在不同进气道形状的条件下，发动机燃烧室内的空燃比保持一致，这也为后期滚流强度对火焰的影响分析提供了条件。另外，在进气过程中，虽然进气道因为形状改变导致流量系数降低，但通过调节节气门达到了相同的进气效率，可以认为由进气道和电子节气门构成的进气系统的流量系数保持总体不变，这也保证了每次试验缸内进气量和空燃比的一致性，而进气量也通过缸内压力得到了验证。

2.3 试验数据的处理方法

从图6可以看出，整个燃烧过程主要产生蓝色火焰和黄色火焰，这为燃烧光谱的分析提供了可能。火焰图像是12bit彩色RGB图像。在RGB格式图片中，首先对图像进行中值滤波，然后提取每个像素点的RGB值。通过大量图像对比和参数调节，程序可以自动捕捉各波段火焰面积随时间的变化。其中，蓝色火焰面积随时间变化状况将作为判断中间产物CH生成速率的重要指标。在火焰颜色的判断上，根据前人在彩色火焰上的大量工作，分离RGB三通道数值后用R值代表黄色火焰，B值代表蓝色火焰，并采用适当的阈值捕捉火焰边框[13-15]。需要指出的是，图像在相机景深方向上是没有分辨率的，因为该图像是三维火焰在二维平面上的投影。但是由于光学窗口的限制，大量文献均采用投影面积来量化火焰前锋面的传播和火焰燃烧的好坏[8,15-16]，因此本研究也沿用这一方式。

另外，在火焰发展传播过程中，为了方便理解燃烧室的布局，对火焰中对应的进排气阀、喷油器以及火花塞的位置进行了显示。从图6典型工况的处理示例可以看到，图中蓝色火焰和黄色火焰分别通过蓝色和红色边界得到了很好地分辨，这也保障了后期火焰范围和强度计算的正确性。

图6 某火焰图片燃烧室布局及蓝黄火焰边界识别示意

3 研究结果分析

参照以上工况对上述4种进气道形态进行了试验。在1 200 r/min情况下采集了4种进气道燃烧数据并获取了基于曲轴转角的瞬态火焰图片。图7示出了从-1.15°到37.62° 4种进气滚流形态下，某一个循环的缸内三维火焰在涡流平面上的投影。

从图7可以看到，在同一曲轴转角下，随着滚流强度的增大，火焰的颜色由以黄色为主慢慢过渡到以蓝色为主。在低滚流状态下，燃烧前期蓝色火焰和黄色火焰并存并且面积逐渐增大，燃烧持续期内大面积黄色火焰几乎占据整个燃烧室。这是因为缸内流动不充分，汽油喷射后不能与空气很好地混合，进而形成局部稀氧燃烧，不完全燃烧形成的炭烟颗粒发出白炽光使图像呈现黄色。而在高滚流的工况下，黄色火焰的产生明显滞后，且面积和亮度均小于低滚流工况。黄色火焰滞后的原因是在燃烧之前，活塞上行使得大尺度滚流形态被压碎，缸内湍动能有效增加(见图3c)，缸内气体流场和喷雾流场作用加强，使得在燃烧的时候有着更均匀的混合气，这些混合气使得火焰在发展阶段更多地呈现蓝色。如上文所述，黄色火焰可以表征炭烟的生成量，这也证明了发动机在高滚流比的情况下能够有效抑制炭烟的生成，降低排放并提高燃油经济性。另一方面，高滚流蓝色火焰表征产生了大量的CH激发态分子，这些激发态分子的量表征了放热速率越来越快。文献[11]中还提到，产生CH中间产物的时候一般会伴随着OH的产生，OH也是表征放热率的一个指标。OH的浓度大约是CH浓度的1～2倍。由于本试验采用的是普通的光学镜头，OH发出来的紫外光(306 nm)不能被捕捉到，故不再展开说明。

图7 4种滚流强度下某循环点火后火焰发展情况

图8示出了利用上述图像分析方法，统计滚流比为0.5和2.2两种工况下100个循环黄色火焰和蓝色火焰面积随曲轴转角的变化情况。

图9示出了不同滚流强度(0.5～2.2)下100个循环黄色火焰出现的时间。由图可以看到，高滚流情况下黄色火焰出现的时间较晚，平均为7.05°，而低滚流情况下黄色火焰出现的时间较早，平均为-0.57°。在稳定性方面，高滚流比工况(滚流比为2.2)黄色火焰出现时刻的均方差为2.53，小于低滚流比(滚流比为0.5)情况下的均方差4.18。这说明高滚流比使得发动机的燃烧过程更加稳定，火焰重复性更好，循环变动更小。

在燃烧分析上，通常定义燃料燃烧掉10%作为火焰发展期(θCA10)，燃料从燃烧掉10%发展到燃烧掉90%的过程为燃烧持续期(θCA90-10)。图10示出了4种工况下火焰发展期和燃烧持续期的测试结果，燃烧数据均为燃烧稳定后100个循环的平均值。可以看出，滚流强度越大，火焰发展期和持续期越短。具体来说，从滚流比为0.5到滚流比为2.2，火焰发展期(θCA10)缩短5.15°，火焰燃烧持续期缩短5.16°。由此可以推断，高滚流促进了燃油的预混合，在点火之前形成了较多的可燃均匀混合气，促进了火焰的发展。

图8 滚流比为0.5和2.2工况100个循环火焰面积统计

图9 不同工况下100个循环黄色火焰开始出现 对应的曲轴转角

图10 不同滚流工况下θCA10，θCA90-10与蓝色火焰 面积的关系

由图10可见，燃烧过程中蓝色火焰的面积和燃烧速率有很好的对应关系，即蓝色火焰面积越大，其火焰发展期和持续期相应越短，整体燃烧放热率也越大。

图11示出的是4种不同滚流强度下，发动机点火稳定后的指示平均有效压力的分布频数。频数的计算基于燃烧稳定后的100个连续循环。由图可以看出，随着滚流强度从0.5提高到2.2，指示平均有效压力的中位值增加了23%。这是因为滚流使得混合气更加均匀，燃烧更充分，从而提高了燃油经济性和输出功。此外，随着滚流强度的增加，100个循环的平均指示有效压力波动标准差由0.137降低到0.047。这说明滚流强度增强使得燃烧各个循环的差异减小，即有效地促进了燃烧的稳定性。

图11 100个燃烧循环平均指示有效压力分布

4 结论

a) 软件仿真分析表明，通过添加进气导流导板，虽然降低了流通面积，但能够有效增强缸内滚流强度和湍动能且保持了涡流强度基本不变；

b) 光学发动机内的燃烧数据表明，随着滚流强度的提高，火焰发展期(θCA10)缩短5.15°，火焰燃烧持续期缩短5.16°，这说明滚流强度越大，预混合越好，且燃烧速度越快；平均指示压力中位值增强了0.059 MPa，同时高滚流情况下循环变动变小，输出功率更稳定；

c) 高滚流下黄色火焰滞后出现且黄色火焰亮度和火焰面积都低于低滚流强度，这说明高滚流条件下燃烧更加充分，可推测生成炭烟量得以有效减少；

d) 蓝色火焰面积和缸内燃烧放热率有很好的关联，较大的蓝色火焰面积意味着较大的燃烧放热率。

致谢：

本研究得到了基金项目51076093/E060702、上海交通大学汽车电子控制技术国家工程试验室及美国通用汽车公司的支持。

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[编辑： 姜晓博]

Effects of Intake Tumble Strength on Combustion Performance in SIDI Engine

WU Qiang, XU Min, YANG Jie, DONG Xue

(National Engineering Laboratory for Automotive Electronic Control Technology, School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240， China)

Variable tumble ratios were achieved by adjusting the cross-section area of intake manifold with different flow guide plates on a SIDI optical engine test bench. In-cylinder tumble strength and kinetic energy were evaluated with Converge software, the crank angle resolved flame images were recorded with a high speed color camera and the instantaneous cylinder pressure was monitored by a combustion analyzer. The blue and yellow flames were separated with the image processing, which represented the CH released chemiluminescence and the soot particle radiation respectively. The results show that with the increase of the tumble strength, the blue flame area, burning rate and IMEP all increase. It shows a strong correlation between the blue flame area and the heat release rate. Meanwhile, it is indicated the soot reduces because the yellow flame decrease. Besides, higher tumble ratio can suppress cycle-to-cycle variation.

tumble ratio; optical engine; burning rate; soot; cycle-to-cycle variation

2016-07-16；

2016-12-01

喷孔内过热流体的气泡生成及微爆雾化机理研究(51076093/E060702)

吴强(1990—)，男，硕士，主要研究方向为光学发动机激光诊断；wuqiangsjtu@gmail.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.03.001

TK411.12

B

1001-2222(2017)03-0001-07