面向缸内直喷汽油机燃烧调控中若干基础问题研究综述

张鸣稚 车金涛 王凤滨 陈铭世

中汽研汽车检验中心(广州)有限公司 广东省广州市 511300

1 前言

内燃机消耗了将近2/3 的石油资源，产生了CO2排放占总CO2排放的1/4 以上，内燃机驱动的汽车尾气排放也是城市大气污染物的主要来源之一。近年来，随着我国汽车工业的快速发展和汽车保有量的不断增加，使我国继续保持世界第一大汽车和内燃机生产和消费国。由于我国目前汽车仍主要依靠内燃机作为动力源驱动。因此，在国家大力发展新能源汽车的同时，不断提高内燃机动力机动车的燃油经济性和降低排放仍然是解决我国燃油供需矛盾和大气污染的主要手段和对象，为实现此目标，需要研究稀燃着火能力提升，湍流对火核形成、火焰传播的影响，分层混合气燃烧，高增压时的爆震控制等涉及到的基础燃烧问题和关键技术问题。由于稀燃时火焰传播速率低，火核生成困难，因此采用分层混合气燃烧组织方式用于提高点火性能和燃烧速率，采用提高缸内充量运动强度和废气再循环在保证燃烧速率的同时降低NOx 排放。分层充量组织方式的另一个优点是可在燃烧室壁面区附近形成空气层或超稀混合气区，燃烧过程这部分区域的温度得到控制，从而降低了散热损失[1]。

2 内燃机燃烧控制技术

汽油机缸内直喷技术可比进气道喷射自然吸气均质混合气汽油机热效率提高20-25%，是提高汽油机热效率的重要手段，汽油机缸内直喷由于高压喷射燃料雾化改善和燃油喷入高温的充量氛围中，冷起动性能也得到提高。缸内直喷汽油机在方式上分单次喷射和分段喷射。单次喷射又分进气冲程（早期）缸内喷射的均质混合气燃烧组织方式和压缩冲程（后期）缸内喷射的分层混合气燃烧组织方式，前者燃用化学计量比混合气，利用三效催化器控制排放，但燃油经济性会有所牺牲。后者可实现稀混合气稳定燃烧，提高燃油经济性，点火时刻与喷射结束时刻的时间间隔成为混合气分层度的调控手段，这种方式比均质混合气燃烧方式可燃用更稀的混合气，汽油机抗爆震能力得到提升，具有进一步提高压缩比或通过高增压提高汽油机热效率的潜力，不足之处是大负荷工况燃油喷射时间长，容易形成过浓混合气，燃油经济性和排放出现恶化。两段喷射是在进气冲程中喷入一部分燃油，形成稀的均质混合气，然后在压缩冲程中后期再喷入余下部分燃料，形成有利于点火的混合气，该方式更易于实现缸内混合气浓度分层的调控，通过两段喷射燃油比例的调控可以实现汽油机全负荷工况高效清洁燃烧，其分层燃烧方式可以提高汽油机抗爆震能力，也能实现稀混合气燃烧，提高汽油机的热效率，两段喷射油量比例分配、喷射时间间隔以及点火时刻与第二阶段喷射结束时刻的时间间隔成为不同工况下汽油机高效燃烧的调控手段[2]。燃油喷雾对缸内直喷汽油机混合气形成、燃烧与排放具有十分重要的影响，是燃烧控制的一个关键因素，为此，国内外对汽油机缸内喷射喷油器的喷雾特性开展了大量的研究。喷雾形态、喷雾引导的流动会直接影响到混合气的分层、火核形成、火焰传播、稀燃特性以及排放物的生成。关于喷雾的研究包括但不限于以下方面：

（1）获得不同形态喷雾的喷雾特性，阐明喷雾发展过程中表征参数的宏观与微观时空特性。

（2）获得不同环境温度、压力，不同喷射间隔，不同燃油分配比例下两段喷射的喷雾。

（3）时空特性，两段喷射耦合作用对整体喷雾的影响规律。

（4）（3）阐明喷射和预混耦合下的分层混合气燃烧规律，阐明闪急沸腾喷雾下的分层混合。

（5）气燃烧规律。

（6）（4）阐明混合气组织方式在二元燃料使用时组分和浓度分层下的燃烧规律，通过调控

（7）参数拓展稀燃能力的技术方案。

（8）（5）形成对分层程度灵活调控的分段喷射下燃烧规律的系统性和规律性认识。

Chan 等人分别对汽油和乙醇开展了喷射压力对缸内直喷多孔喷嘴在闪急沸腾条件下的喷雾形态的研究，通过可视方法得到了喷雾的宏观形态，研究发现提高喷射压力对闪急沸腾喷雾的雾化改善程度更为明显，认为提高压力和闪急沸腾两者的耦合更有利于提高喷雾雾化效果。但他们没有获得喷雾微观特性，比如喷雾粒径，也没有测量喷雾流场，而这些对把握喷雾特性、混合气形成以及燃烧、排放具有重要影响，在开展燃烧调控研究中，准确把握这些信息及其规律十分重要。Jiangping Tian 和Keiya Nishida 等人采用喷雾容弹研究了高压下直喷汽油喷雾特性，获得了喷雾的气液相分布和变化过程，给出了常温环境下的非蒸发喷雾和高温环境下蒸发喷雾的宏观特性。这两种环境下的喷雾对于认识进气冲程早喷（对应低环境温度）和压缩冲程晚喷（对应高环境温度）的喷雾形态认识提供了帮助。然而，他们的研究仅停留在喷雾本身，没有延伸到喷射条件下的燃烧，因此，还无法认识喷雾和燃烧的耦合作用以及喷雾形态对燃烧的影响。裴毅强等人开展了大量的直喷汽油机喷雾特性研究，研究发现提高燃油温度对喷雾改善作用明显，除宏观喷雾特性外，他们还采用PDPA 测量了喷雾粒径，发现接近临界温度时粒径会出现急剧降低，喷雾贯穿距离也相应缩短。他们的研究隐含出闪急沸腾喷雾对降低燃油碰壁以及改善晚期喷射喷雾质量具有积极作用。黄荣华等人采用数值模拟计算研究了进气道喷射汽油，缸内喷射乙醇的二元燃料分层混合气燃烧模式，发现喷射时刻和燃料配比均影响到缸内混合气分层状态，并影响到对发动机的燃烧和排放。他们的工作主要聚焦喷射时刻的影响，对喷射时刻和燃油配比耦合下的混合气形成、火焰传播、燃烧与排放没有开展进一步的研究。上海交通大学许敏研究组长期开展汽油喷雾的研究工作，包括常规汽油喷雾和闪急沸腾汽油喷雾，对汽油喷雾的认识做出了重要的贡献，他们的研究手段有喷雾容弹和光学发动机，同时他们在一台光学发动机上研究了冷起动工况借助闪急沸腾喷雾实现发动机动力性能提高和碳烟排放降低的效果。但他们的研究没有涉及喷雾下的混合气形成，也没有将喷雾作为调控参数进行与点火时刻的耦合，所获结果仅针对冷起动工况。清华大学和英国伯明翰大学合作对缸内直喷汽油喷雾也开展了大量研究，包括单次喷射和分段喷射，常规喷射和闪急沸腾喷射，也开展了喷雾形态不同对汽油机燃烧与排放的影响。可以看出，缸内直喷汽油机喷雾是燃烧调控的重要参数，由于他们的研究主要从发动机性能来评价喷雾对燃烧的影响，对喷雾与混合气形成的耦合、喷雾与燃烧的认识没有进行系统化研究。目前闪急沸腾喷雾由于关注点是喷雾，没有将燃烧调控紧密关联起来，所有研究都针对单次喷射。如果从喷雾燃烧调控的角度出发，两段方式的闪急沸腾喷雾或许对汽油机挑战稀燃极限有积极作用，它改变了缸内混合气形态，会影响到着火、火焰传播和燃烧循环变动。L.M.Itani 等人采用LIF 成像方法分析了汽油喷雾在缸内直喷汽油机工作条件下的蒸发特性，获得了汽油组分在喷雾蒸发中的特性，研究给出了喷雾蒸发的定量评价，指出低环境温度下组分优先蒸发特点显著，而高环境温度下整体蒸发起到主导作用。该研究提供给我们的启示是，当使用挥发性不同的两组分燃料（如汽油甲醇、汽油乙醇）时，醇组分的优先蒸发会影响喷雾的形态，从而对着火、火焰传播和稀燃特性产生影响。因此，对两组分燃料，喷雾的燃烧调控效果在起动或进气过程喷射时受燃料组分影响，在压缩过程喷射时不受燃料组分影响。Sanghoon Lee等人通过可视化和PDPA 分析了单孔喷雾和多孔喷雾的喷雾宏观形态和喷雾粒径速度，对认识不同喷油器的喷雾特性提供了实验数据支撑。该研究提示出高压喷雾引导的流场变化和湍流将影响到着火、火核形成与发展、火焰传播。由于他们的研究没有拓展到着火和燃烧，喷雾引导的流动对火焰传播和燃烧作用还不能定量的给出。

缸内直喷分层混合气燃烧方式最早用于汽油机小负荷晚喷情况，确保混合气着火燃烧。随后缸内直喷分层混合气方式被广泛用于分层混合气稀燃中，混合气分层程度被作为燃烧调控的手段，喷射与点火时间间隔的耦合调控决定着混合气的分层程度，缸内直喷汽油机稀燃潜力得到了拓展，燃油经济性提升空间有了技术支撑。单次喷射适用于小负荷分层混合气的组织，大负荷时对造成过度分层，燃烧排放性能恶化。两段喷射由于具备分层混合气调控的更大空间，也被用于缸内直喷燃烧控制中，两段喷射也适用大负荷工况，并对提高大负荷抗爆能力提升有作用。燃油喷射时刻对缸内直喷分层稀混合气燃烧影响显著，研究发现喷射时刻控制着稀预混合气燃烧和浓度分层的混合控制燃烧比例，增加喷射结束时刻与点火时刻的间隔时稀预混合气燃烧占主要部分，反之浓度分层的混合控制燃烧占主要部分。喷射时刻对混合气形态的调控实现了燃烧过程的调控。两段喷射还可实现对放热速率和火焰速率调控，进而对燃烧相位CA50 进行调控。对闪急沸腾两段喷雾的喷雾特性虽有研究，指出闪急沸腾两段喷雾对改善燃油雾化和混合气形成有利，但目前国内外在闪急沸腾两段喷雾的着火、火焰传播和燃烧循环变动方面还未见报导。Ali Turkcan 等人分析了第2 段喷射时刻对混合气形成和燃烧的影响，指出第2 段喷射时刻对着火特性有较大影响。Jingeun Song 等人研究发现喷雾引导的湍流提高了火焰速率，火焰速率与混合气浓度分层程度密切相关，两段喷射进一步增强湍流强度，提高了发动机的动力性能。Cheolwoong Park 等人研究汽油喷雾引导的缸内直喷分层混合气稀燃特性，分层混合气稀燃方式提高了抗爆震能力和燃油经济性，并可在稀燃条件下实现快速稳定的燃烧，分层混合气也降低了传热损失，结合废气再循环和推迟点火实现了对NOx 的控制。说明缸内直喷分层混合气稀燃是挑战汽油机高热效率的有效途径，也反映出喷雾对混合气分层、着火和火焰传播以及稀燃能力都具有重要的燃烧调控作用。他们的工作仅针对单次喷射，没有进行对混合气分层调控效果更好的两段喷射，对后者现象和规律的认识将有助于实现更好的分层混合气稀燃燃烧调控效果。M.Costa 等人采用光学发动机和模拟计算缸内直喷汽油两段喷射的稀燃分层燃烧技术，研究预示出合理的两段喷射调控实现了稀混合气条件下的燃烧优化，发动机热效率和排放得到了改善，是一种有效的燃烧调控技术。虽然研究给出了两段喷射实现汽油机稀燃的可行性，但燃烧优化结果仅对应两段喷射燃油均等分配情况，缺乏不同分配比例下的混合气和稀燃潜力研究，还不能形成全局性认识，两段喷射分层混合气燃烧规律性的认识还需从基础角度和参数变化耦合角度出发开展更加系统和全面的研究，阐明其混合气形成与稀燃特性的关系，以期为燃烧调控和优化提供支撑。为此，这方面还有待开展进一步的研究。汽油机爆震是制约其性能提升的关键因素，分层混合气组织方式由于具有抗爆震能力强，具备继续提高提高压缩比提升汽油机性能的潜力。

3 结论

影响发动机缸内混合气形态的参数很多，喷射过程缸内的压力、温度以及气流状态均随时间变动，喷射相位和分层的影响也与热力和流动状态参数的变化耦合在一起，很难分离出单一因素的作用效果。内燃机燃烧调控是内燃机高效清洁燃烧的重要手段和发展趋势，准确合理的调控需要建立在对燃烧基本规律的认识、关键参数作用程度的把握以及基础数据定量化的表征，而这些燃烧机出问题的规律性认识往往可采用脱开多因素多过程耦合作用的实际发动机，采用影响因素和参数可独立设置与调控的燃烧装置来实现。通过基础层面的研究对各个参数的影响规律和参数间的耦合作用规律形成系统性和规律性认识，为发动机燃烧现象的解析和燃烧调控提供支撑。