（动力机械及工程专业论文）低压空气辅助直喷发动机缸内混合气形成的试验研究.pdf

中文摘要 环境和能源问题是内燃机行业发展趋势的重要导向，越来越严格的排放法规 和日益高涨的石油价格要求汽车发动机降低排放、提升燃油消耗率。缸内直喷技 术能够有效降低汽油机的燃油消耗率，同时c 0 2 排放大幅降低，它已成为汽油 机重要的发展方向。 缸内直喷技术的关键点之一是燃烧系统、燃油喷射系统以及缸内流场的协同 控制，通过试验或仿真的手段对它们进行优化，得到理想的混合气形成效果，从 而提升燃烧及排放性能，缸内混合气形成是缸内直喷技术的核心问题。光学测试 技术是研究缸内直喷混合气形成过程的重要手段，本文拟采用高速摄影技术对低 压缸内直喷光学发动机缸内混合气形成进行试验研究。 首先对低压空气辅助喷射的喷雾特性进行试验分析，然后基于某型基础样机 研制了低压直喷全透明光学发动机，并利用高速摄影技术对缸内混合气形成过程 进行拍摄研究。得出了以下试验研究结论： 对于低压空气辅助直喷系统，环境背压升高，燃油喷雾的贯穿距离和喷雾 锥角都将减小；燃油喷射压力升高能使贯穿距离增加，但喷雾锥角不随喷油压力 变化：随着喷油脉宽的增加，燃油雾化粒径变大，雾化质量变差；喷气脉宽和喷 油压力的增大能使得雾化粒径减小，雾化质量提高；随着燃油一空气喷射间隔的 增大，雾化粒径呈逐渐减小的趋势，但当喷射间隔超过5 m s 时，雾化粒径趋于 稳定。 偏心碗型活塞燃烧室对喷雾的引导作用要优于平顶浅凹坑型活塞燃烧室； 燃油喷射时刻对混合气形成影响很大，不同喷油时刻进气运动强度、活塞所处位 置对混合气形成质量都有较强影响，本次试验中喷油定时6 0 0 c a a t d c 为宜；当 进气门开度较大时，发动机转速提高会加速燃油液滴的蒸发，同时燃烧室几何形 状对缸内混合气形成及分布有较大影响：当进气门开度较小时，发动机转速提高 会增强活塞项面对油束的作用，即引导作用变强。 关键词：低压空气辅助缸内直喷喷雾特性燃烧系统优化光学发动机 混合气形成 e n v i o r m e n t a la n de n e r g yp r o b l e m sa r ei m p o r t a n tg u i d e l i n e so ft h ei n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n e sd e v e l o p m e n t c a re m i s s i o na n dt h es p e c i f i cf u e lc o n s u m p t i o n m u s tb el o w e r e dt om e e tt h es t r i g e n tr e g u l a t i o n sa n dh i g hf u e lp r i c e g d ie n g i n e sc a n r e a l i z el o wbs f ca n dc o se m i s s i o n ，d u et ow h i c ht h i st e c h n o l o g yh a sb e c o m ea n i m p o r t a n t r e s e a r c hd i r e c t i o n o n eo f t h em o s ti m p o r t a n ta s p e c t sa b o u tg d ii st h em a t c hb e t w e e nf u e li n j e c t i o n s y s t e ma n dt h ee n g i n e sc o m b u s t i o ns y s t e m ，t h r o u g hs i m u l a t i o n o r e x p e r i m e n t a l i n s t r u m e n t a l i t i e sa ni d e a lm i x t u r ef o r m a t i o nc a nb eo b t a i n e d ，a sar e s u l tc o m b u s t i o n a n de m i s s i o np e r f o r m a n c ew i l lb ep r o m o t e d i n - c y l i n d e rm i x t u r ef o r m a t i o ni sak e y p r o b l e mo fg d ie n g i n e b ym e a n so fo p t i ci n s t r u m e n tt h em i x t u r ef o r m a t i o nc a nb e f i l m e d i nt h i sp a p e r , i n - c y l i n d e rm i x t u r ef o r m a t i o nw a so b t a i n e du s i n gh i g h - s p e e d c a m e r a f i r s t , e x p e r i m e n to fs p r a yc h a r a c t e r i s t i co fl o wp r e s s u r ea i r - a s s i s ti n j e c t i o nw a s c a r r i e do u t ；a n dt h e nat r a n s p a r e n to p t i ce n g i n eb a s e do nt h ep r o t o t y p ee n g i n ew a s d e v e l o p e d ；f i n a l l y , i n - c y l i n d e rm i x t u r ef o r m a t i o nw a ss h o o tb yh i g h - s p e e dc a m e r a t 1 1 er e s u l t ss h o w e dt h a t ： f i r s t , s p r a yp e n e t r a t i o na n d t h ec o n ea n g l ed r o p e dw h e nb a c kp r e s s u r er o s e f u e l i l l i e e t i o np r e s s u r ei n c r e a s e di np r o p o r t i o nw i t hp e n e t r a t i o n ，b u tc o n ea n g l ed i d n t c h a n g i n c r a m e n t o ff u e l i n j e c t i o np u l s ew i d t h m a d et h ea u t o m i z a t i o nw o r s e ， a n t i t h e t i c a l l ya i ri n j e c t i o np u l s ew i d t ha n df u e li n j e c t i o np r e s s u r ew e r ei np r o p o r t i o n a l t ot h ea u t o m i z a t i o nq u a l i t y a u g e m n to fi n j e c t i o ni n t e r v a lb e t w e e nf u e la n da i rc a n i n c r e a s et h ea u t o m i z a t i o nq u l i t yw h e ni tw a sb e l o w5 m s s e c e n d ，b a s e do nt h ep a r a m e t e r so fp r o t o e n t g i n eat r a n s p a r e n to p t i c a le n g i n e w a sd e v e l o p e d ，a n dt h ei n - c y l i n d e rm i x t u r ef o r m a t i o np r o c e s sw a sf i l m e db ym e a n so f h i g h s p e e dc a m e r a t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o w e dt h a t ：g u i e d e n c eo ft h ec o m b u s t i o n c h a m b e rw i t hd e c e n t r a l i z e dc a v i t yp i m o nw a sb e t t e rt h a nt h a to ft h ep r o t o 。e n g i n e s c o m b u s t i o nc h a m b e r ；f u e li 坷e c t i o nt i m i n gp l a y e dak e yr o l ei nf o r m i n gt h em i x t u r e f o r m a t i o n ，ag o o do n ec a nb eo b t a i n e di fc h o o s i n gt h ei n j e c t i o n gt i m i n gw h e ni n t a k e f l o ww a sn o tt h a ts t r o n ga n dt h ep i s t o nm o v e di nt h em i d d l ep o s i t i o no f t h ec y l i n d e r ， 6 0 0 c aa t d cw a sc h o s e nt ob et h eo p t i m i z e dr e s u l t ；w h e nt h ei n t a k ef l o wi ss t r o n g ， a ni n c r e a s e de n g i n es p e e dc a na c c e l e r a t et h ee v a p o r a t i o no ft h ef u e ld r o p l e t s , a n da t t h es a m et i m et h ec o m b u s t i o nc h a m b e rg e o m e t r yh a da ne f f e c to nt h ed e v e l o p m e n t a n dd i s t r i b u t i o no ft h ef u e ls p r a y o nt h ec o n t r a r y , w h e nt h ei n t a k ef l o ww a sw e a k ， h i g h e re n g i n es p e e dc a np r o m o t et h ee f f e c to f c o m b u s t i o nc h a m b e r sg u i d a n c et ot h e f u e lp l u m e k e yw o r d s ：l o w p r e s s u r ea i r - a s s i s td i r e c ti n j e c t i o n ，s p r a yc h a r a c t e r i s t i c ， c o m b u s t i o ns y s t e mo p t i m i z a t i o n ，o p t i c a le n g i n e ，m i x t u r ef o r m a t i o n 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 能源问题 第章绪论 随着世界经济规模的不断增大，世界能源消费量持续增长。1 9 9 0 年世界国内 生产总值为2 6 5 万亿美元( 按1 9 9 5 年不变价格计算) ，2 0 0 0 年达至1 j 3 4 3 万亿美元， 年均增长2 7 。根据 2 0 0 4 年b p 能源统计，1 9 7 3 年世界一次能源消费量仅为5 7 3 亿吨油当量，2 0 0 3 年已达到9 7 4 亿吨油当量。过去3 0 年来，世界能源消费量年均 增长率为1 8 左右。这其中世界对于石油的消费占到了总能源消费量相当的比 重，石油消费历来是工业化国家的能源消耗的主要内容之一。 石油是全球经济命脉，据世界银行统计：国际市场原油价格每桶上升1 0 美元， 全球g d p 增长将降低0 3 个百分点，而全球c p i 物价指数将上升0 2 。对于中国这 个能源进口大国而言，石油的战略地位更是如此：2 0 0 5 年中国原油加成品油的进 口量达l3 6 亿吨，这个数字占当年全球新增石油贸易量的4 0 左右；在全球石油 贸易总量中，中国的进口量也占6 。进一步看，目前中国原油年产量约1 8 5 亿 吨至1 9 5 亿吨，但近年来原油产量逐渐跟不上消费需求：2 0 0 5 年中国消费石油 3 1 7 亿吨，净进口石油1 3 6 亿吨，进口量占总消费量的比例为4 2 9 。而2 0 0 3 、 2 0 0 4 年，我国石油的进口依存度均超过4 0 。石油对于中国的意义，从来没有像 今天这样重要。2 0 0 6 年以来，国际油价始终在6 5 美元桶以上的高位运行，8 月底 甚至出现了7 8 美元桶的天价，较2 0 0 1 年1 5 美元桶的价格暴涨了5 倍。中国是全 球第二大石油消费国，消费量约为5 4 0 万桶天。高油价，对中国经济的负面影响 不言而喻。更为关键的是，中国是一个缺乏资源的国家，目前，4 2 以上的石油 必须依赖进口。 国际能源署首席经济学家比罗尔在2 0 0 9 年8 月3 日表示，全球石油枯竭速度已 超出预期，能源危机逼近将给全球经济复苏构成危害。灾难性的能源危机正在逼 近，其原因是世界主要油田大多已过生产高峰。国际能源署最近对全球8 0 0 多处 主要油田所做的评估显示，多数大油田已过产油高峰期。目前，石油生产的下滑 速度几近两年前评估的两倍。比罗尔认为，许多政府似乎并未意识到石油枯竭速 度已超出预期，未来1 0 年左右全球石油生产就可能达到高峰，这较此前大部分国 家的预期提前了至少1 0 年。今年6 月，国际能源署曾表示，全球经济增长与石油 需求强劲回升的迹象正在消退。之后，该机构又在其最新月度报告中补充道，2 0 0 9 年石油需求可能有重大转折。纽约商业交易所原油期货8 月3 日亚洲电子交易时段 第一章绪论 上涨至7 0 美元桶上方，为一个月来新高。受全球经济复苏迹象影响，预计世界 燃油需求将会复苏。 可见，新一轮的国际油价飙升即将来临，而对于我国这样一个对进口石油依 赖度如此之大的发展中国家来说这无疑是致命的。自从2 0 0 0 年以来，我国汽、柴 油价格节节上涨，涨势可谓迅猛。石油能源供应形势非常严峻，这为我国的传统 内燃机行业提出了巨大的挑战，如何让未来的汽车发动机燃油消耗率更低是目前 内燃机行业专家学者们致力于解决的紧要问题。 1 1 2 环境问题 从世界范围看，空气污染的一个重大因素是汽车尾气。汽车尾气中含有一 氧化碳、氧化氮以及对人体产生不良影响的其他一些固体颗粒，尤其是含铅汽油， 对人体的危害更大。铅在废气中呈微粒状态，随风扩散。农村居民，一般从空 气中吸入体内的铅量每天约为一微克：城市居民，尤其是街道两旁的居民会大大 超过农村居民。锡进入人体后，主要分布于肝、肾、脾、胆、脑中，以肝、肾中 的浓度最高。几周后，铅由以上组织转移到骨骼，以不溶性磷酸铅形式沉积下来。 人体内约9 0 9 5 的铅积存于骨骼中，只有少量铅存在于肝、脾等脏器中。骨 中的铅一般较稳定，当食物中缺钙或有感染、外伤、饮酒、服用酸碱类药物而破 坏了酸碱平衡时，铅便由骨中转移到血液，引起铅中毒的症状。铅中毒的症状 表现很广泛，如头晕、头痛、失眠、多梦、记忆力减退、乏力、食欲不振、上腹 胀满、暖气、恶心、腹泻、便秘、贫血、周围神经炎等；重症中毒者有明显的肝 脏损害，会出现黄疸、肝脏肿大、肝功能异常等症状。 1 9 4 3 年，在美国加利福尼亚州的洛杉矶市，2 5 0 万辆汽车每天燃烧掉1 1 0 0 吨 汽油。汽油燃烧后产生的碳氢化合物等在太阳紫外光线照射下发生化学反应，形 成浅蓝色烟雾，使该市大多市民患了眼红、头疼病。后来人们称这种污染为光化 学烟雾。1 9 5 5 年和1 9 7 0 年洛杉矶又两度发生光化学烟雾事件，前者有4 0 0 多人因 五官中毒、呼吸衰竭而死亡，后者使全市四分之三的人患病。这就是在历史上被 称为“世界八大公害”和“2 0 世纪十大环境公害”之一的洛杉矶光化学烟雾事 件 。也正是这些事件使人们深刻认识到了汽车尾气的危害性。汽车尾气的污染 物主要是：一氧化碳( c o ) 、氮氧化物( n o x ) 、碳氢化合物( h c ) 、铅( p b ) 、苯 并芘( b a p ) 等。 根据公安部交管局发布的最新数据，截至2 0 1 1 年8 月底，全国机动车保有量 达到2 1 9 亿辆。其中，摩托车展5 4 1 2 ，约为1 1 9 亿辆。汽车保有量占机动车总 量的4 5 8 8 ，刚刚超过l 亿辆。中国汽车保有量首次突破l 亿辆大关，仅次于美国 的2 8 5 亿辆，位居世界第二。据专家预测，汽车产业在2 0 11 年至l j 2 0 1 5 年约有 第一章绪论 7 1 0 的增长率；2 0 1 5 年至1 j 2 0 2 0 年的增长率约为5 - 7 。现在，中国的产销量 已突破1 亿，2 0 2 0 年我国汽车产销量将在3 2 0 0 万辆至1 1 4 1 0 0 万辆之间，汽车保有量 将在3 亿辆。未来中国最高汽车年产销量3 0 0 0 万辆，汽车保有量最高可达4 5 亿辆。 由此带来的环境问题将更加突出。 随着汽车尾气排放对环境污染问题的日益严重，美国及欧洲等主要汽车制造 大国制定了越来越严格的排放法规，如图1 - 1 所示为欧洲乘用车排放标准。为了 满足越来越严格的排放法规，各大汽车制造商及研发机构都在研究开发更新的技 术使得发动机效率更高、更加清洁。 缸内直喷技术能有效提高发动机的热效率，降低燃油消耗率，以缸内直喷为 代表的一批先进发动机技术越来越受到重视，以缸内直喷混合气形成及直喷喷 嘴、燃烧系统特性的优化为目标的研究将成为未来几年汽油机发展的重要方向。 标准等级 实旌日期h c n o x州，稍吼洲 柴油 e u ml1 9 驼年7 月2 忽( 3 1 6 )o 9 7 ( 1 玛)o 1 4 0 1 8 ) r = u m 21 9 年1 月1 oo - 7 o o b 董u 3湖o 年1 月d - 僻0 s0 5 6d 衢 e u m 4硼s 年1 月o so 乃o 30 0 2 s e u r 0 5嬲年9 月o so 1 80 2 3o s e u r 0 6砸唾年9 月o 5o 髑q 1 7o 5 汽油 e u r 0 11 鹎2 年7 月 2 ( 3 1 6 )0 。9 7 ( 1 1 3 ) e u 21 6 年1 月2 2o s e u r 0 3 2 o 年1 月乞30 2o 1 s e u r 0 42 0 蝤年1 月1 o0 。l0 0 8 e u r 0 5瑚9 年9 旁1 00 1o 0 60 0 0 5 幸 e u r 0 62 0 m 年9 月1 oo 。lo ，0 5 幸幸 图卜1 欧洲乘用车排放标准伯1 ( 单位：g k i n ) 第一章绪论 1 2 缸内直喷技术的发展现状及主要技术措施 1 2 1 缸内直喷技术的研究现状 缸内直喷技术是当代先进汽油机技术不可或缺的部分，它在发动机部分负荷 工作时以分层稀薄燃烧技术大大降低了燃油消耗率，同时大大减低了c o ：排放 量；利用燃油蒸发吸收的汽化潜热，缸内直喷技术能够有效降低缸内新鲜充量温 度，这为爆震控制技术提供了便利，允许汽油机的压缩比有所提高，这会导致工 作循环中燃烧效率提高最终进一步降低燃油消耗率；同时，缸内直喷技术还能有 效降低发动机的泵气损失，进一步提升发动机动力性能。可见，汽油及缸内直喷 能为环境、能源带来巨大效益。但同时，汽油机缸内直喷技术的实现难度也是较 高的，我国的主要自主品牌车型上几乎还没有较为成熟的缸内直喷技术的应用。 缸内直喷技术相比于气道喷射，研发成本及控制要求要更高。 汽油机缸内直喷系统的开发，一方面要兼顾不同工况下对混合气的要求而进 行系统优化，另一方面又要求对缸内随时间、空间迅速变化的油气混合运动进行 精确控制，以使得能在相对固定的点火位置周围形成可供点燃的一定浓度的混合 气，并形成一定的分层结构，促使稀薄气体的快速燃烧。目前在g d i 发动机上 的研究，正是围绕着这些核心问题，分别从燃油喷射系统的开发、燃烧系统的开 发、油气混合的基本理论研究、燃烧排放特性研究和控制等几方面展开的。 直接喷射与同等进气道喷射发动机相比，容积效率略有改进：若进气中冷， 压缩比可增加1 - 1 5 。对于增压直喷机，其压缩比可到1 0 - 1 0 5 【8 】，热效率得到了 一定的补偿。此外，直接喷射相比气道喷射可以减少燃油损失( 排气门关闭后开 始喷射) ，因此直接喷射允许气门重叠角有更大的选择范围。这样可以使得发动 机某些工况下扫气效果增强，从而降低充量温度，进一步减小爆震倾向。直接喷 射还可以允许一个循环内多次喷射，这样就可以使冷启动时燃油加浓，增加排气 温度，以改善催化器的起燃性能【9 】，也降低了全负荷的爆震倾向。对于涡轮增压 直喷机，提高启动时排气温度还有助于克服涡轮的热惯量问题，减小了涡轮的响 应延迟。以上几方面便是缸内直喷技术的主要优势，但是，它尚有一些不成熟的 方面，还存在一些问题： 一缸内直喷的燃烧系统中，分层混合气组织困难。符合理论要求的分层混 合气组织及其达到理想的燃烧难度相当大。并且工况变化时的喷射燃烧策略非常 复杂，很难掌控。还有，部分负荷时由于燃烧温度低、稀混合气区域容易出现断 链反应、活塞顶面和燃烧室壁面对燃油喷雾的淬熄效应等，中小负荷h c 排放增 加。 二由于混合气由浓到稀分布，将不可避免的使一些区域的空燃比高于化学 第一章绪论 计量比，造成n o x 的产生及分布高于传统气道喷射情况下，因而，g d i 汽油机 不能采用技术已十分成熟的传统三效催化剂，而稀燃用的还原催化剂开发难度 大，导致g d i 发动机排放水平高于化学计量比工作j j 口- - 效催化剂的发动机。 g d i 相比于气道燃油喷射( p f i ) 有以下优点：燃油经济性可有很大提升， 燃油消耗率能下降达3 5 【1 8 】；瞬态反应快；起动快，g d i 发动机通常在第 一或第二个循环就可着火，而相同外界条件下p f i 至少需要l o 个循环才能着火； 冷气动时未燃碳氢( u n h c ) 排放少。这是因为g d i 发动机不会在进气道形成 油膜，并且可以采用较大的废气再循环( e g r ) 率。对空燃比控制更加精确【1 9 1 。 同时，g d i 技术也要面临p f i 所不具备的难题。例如：在发动机低负荷工况 下如何对分层燃烧进行有效控制；复杂的喷油策略以保证过渡工况下充足的功 率、扭矩输出同时保持合理的燃油消耗率；喷油器的设计要尽量使得小负荷 u b h c 较小、大负荷是n o x 减少并没有碳烟产生；现有的三效催化器技术不能 适用于g d i 发动机，需要开发g d i 发动机专用的稀燃n o x 催化转化技术。 目前的绝大部分g d i 开发有两个目标：首先是大幅改善现有汽油机的燃油 经济性；其次是控制排放，主要是控制u b h c 及n o x 的排放。第一个目标主要 是通过划分负荷区域，实行不同的缸内燃烧工作模式来实现：将整个负荷区域划 分为小负荷区和大负荷区，在小负荷区域要求利用g d i 在降低燃油消耗率方面 的潜力，因此在发动机工作在小负荷区域时采用压缩冲程喷油的策略，从而实现 分层燃烧。大负荷区域要求动力输出性能要好，这要求g d i 通过采用吸气冲程 喷油的策略以实现均质燃烧的工作模式。对于第二个目标即改善g d i 的排放， 主要是通过采用e g r 技术和稀燃n o x 催化转换器。 下面将主要介绍g d i 的燃油喷射系统设计、燃烧系统设计以及某些典型的 缸内直喷燃烧系统。 1 2 2 燃油喷射系统设计 由于g d i 划分了负荷区，因此g d i 燃油喷射系统至少要能提供2 3 种不同 的操作模式，以适应不同的负荷要求。研究及试验结果表明电磁喷射阀的共轨喷 射系统能满足这一要求。 g d i 对喷油器的要求非常严格。首先，它不仅要求喷油器雾化水平较高，而 且要求喷油器能在比较窄的脉冲宽度内喷出所需要的燃油量，例如要实现分层燃 烧就要确保晚喷，这对喷油器提出了非常高的动态响应要求。其次，由于喷油器 位于缸内，环境条件恶劣，这要求喷油器对嘴端沉积物生成和高温有较强的抵抗 能力。另外，由于喷雾特性对g d i 发动机的燃烧性能影响较大，因此g d i 喷嘴 结构还要做与燃烧系统匹配的相应调整，以确保喷雾特特性符合燃烧系统的要 第一章绪论 求。目前，喷油器研究的一个重点是如何增强雾化效果，使得喷雾s m d ( 索特 平均直径) 更小。这是因为，大尺寸油滴的的质量占燃油总质量比例很大，而大 尺寸油滴的分布特别是燃烧后期仍保持液态的燃油分布对燃烧和排放的影响非 常大。 缸内直喷喷油器有两种类型。一种是低压空气辅助式喷油器，其喷油原理是 先将燃油供入喷油器油室，再充以压力较高的空气从而促使弹簧阀座打开形成空 气燃油混合物的喷射。其中，大部分燃油通过阀座震荡的前几次循环喷出，其 喷雾形态呈锥角较大的中空结构【2 0 】。另一种缸内直喷喷射器是高压旋流喷射器， 这种喷油器可将油束的一部分动能转化为水平旋转动能，从而降低贯穿速度避免 油束撞壁，同时保持原有的雾化水平。目前大多数g d i 技术采用的是高压旋流 喷油器。由于高压喷油器的喷射锥角主要依赖于喷油压力和缸内环境背压，而且 后者影响较大，因此高压喷射系统能根据不同负荷区域的要求提供所要求的喷雾 型态。早喷情况下要求喷雾形状为中空扩散型，晚喷时则要求其为适合分层燃烧 的紧凑型。喷油压力对贯穿距离和雾化质量的影响较大，较适当的喷油压力为 5 m p a 一1 0 m p a l 2 1 1 ，与此相比，空气辅助式喷油压力要小很多。 缸内直喷发动机的燃烧系统设计，需要进行燃油喷束、气流运动和燃烧室形 状等的优化合理匹配，这其中还涉及到喷油器和火花塞的相对位置和方位的选 择、进气道的设计、燃油起喷相位和点火定时等细节的优化。 对当今已研制开发成熟的g d i 燃烧系统，按照混合气在缸内的组织方式及 喷油器和火花塞布置的相对位置可以分为以下三种主要的燃烧系统设计方式( 如 图4 1 所示) ： f a ) 油束弓l 导( b ) 壁面引导f c ) 进气芎l 导 图1 - 2 三钟燃烧系统布置方式示意图捌 ( 1 ) 油束引导型油束引导型燃烧系统又被称为软喷射式系统，其基本原 理为：利用适当的喷雾特性形成理想分层混合气的缸内直喷形式。这种燃烧系统 概念的基本思想是：既然分层燃烧要求汽油仅分布在燃烧室的一个局部区域，应 第一章绪论 当能够利用喷雾本身在缸内形成含油混合气区域，满足分层燃烧的需要。这种燃 烧系统概念依赖于适当的喷雾特性，与壁面引导系统的直喷喷油器的喷雾特性相 比，需要有较低的贯穿度、较大的喷雾锥角及较小的油滴直径。其喷油器贯穿距 离首先要求要小，使喷雾尽可能不碰到燃烧室壁面；其次，喷雾要造成足够大的 汽油分散度，即喷雾本身能形成有适当大小的含油混合气区，如果采用圆锥状喷 雾，喷雾的圆锥角要大到9 0 。以上；最后，喷雾的油滴平均直径要小于壁面引 导型的喷油器，应在2 0 1 am 以下。较小的喷雾油滴也减少了喷雾的贯穿距离。 喷雾导向型分层燃烧系统的喷油器一般布置在缸盖中间。在压缩行程后期进 行喷射时，低贯穿度、大锥角的喷雾在汽缸中心形成了一个富油区，实现分层。 较小的油滴加快了蒸发的速度，可以很快形成可燃混合气。为了改善燃烧过程的 稳定性，可在缸内组织有规则的流动。对于汽缸中心的喷油设计，应采用进气涡 流。缸内涡旋运动使汽缸中心的压力略低于外围缸套附近的压力，有助于把油滴 保持在汽缸中心。 软喷射分层燃烧系统可以克服壁面引导型燃烧系统的一些重要缺陷。首先， 其分层混合气的形成依靠喷雾本身来实现，喷雾和燃烧室壁面的接触大大减少， 避免在燃烧室壁面附近形成过浓混合气层，使碳烟、一氧化碳和碳氢的排放减少， 燃烧效率增加。同时，由于喷油时间不受活塞位置限制，当负荷增加时喷油时间 可以提前，壁面含油混合气过浓导致的碳烟和一氧化碳排放增加。其次，由于喷 油时间不再受到活塞位置的限制以及分层混合气的形成过程比较简单，含油混合 气不迅速移动，因此软喷射系统可以适当推迟点火时间以减少传热损失。此外， 喷雾导向型系统有助于解决冷气动时的碳氢排放问题。由于喷油液滴平均直径较 小，可以很快蒸发，并且喷雾的贯穿距离小，减少了油滴和壁面相撞的几率。这 对冷气动时减少过量供油非常有利，甚至可以通过分层采用较稀混合气。 ( 2 ) 壁面引导型壁面导向型燃烧系统主要利用活塞顶部的表面对喷雾的 阻挡作用来形成分层混合气，因此其壁面形状对混合气形成起主要作用。这种燃 烧系统的示意图如图1 - 2 ( b ) 所示，喷油器一般安装在进气侧的双进气道中间下 方，以三十多度的角度斜向下喷射。喷雾的贯穿距离足够大，同时喷雾锥角要适 当，一般不超过6 0 。这样喷雾有足够的动能和能量并带动部分空气流动，受 避免阻挡后能向上运动接近火花塞。部分大颗粒油滴也可以与壁面相撞后成为细 小油滴。喷油在压缩行程后期进行，喷雾受到活塞项部突起所形成的壁面阻挡后， 在汽缸中部形成含油混合气区，被置于缸盖中央火花塞点燃。分层燃烧的工作范 围大约3 0 0 0 r m i n 以下的部分负荷工况。 目前主要有三种壁面导向型燃烧系统：第一种系统从缸盖顶部几乎垂直进入 缸盖的进气道，使空气在活塞顶部进气侧的半球形凹坑中形成到滚流。当活塞上 第一章绪论 行到一定位置时，从位于进气侧的涡旋喷油器开始喷射，在喷雾过程中油滴把部 分动量传递给空气，使部分空气被卷吸成一股随喷雾移动的空气流。第二种燃烧 系统的活塞顶部有一个由几段弧线和一段直线组成的非对称凹坑，并采用进气涡 流控制阀在活塞凹坑中形成涡流。当活塞上行到一定位置时，从位于进气侧的涡 旋喷油器所喷出的喷雾到达活塞顶部凹坑另一侧_ 二段较平直的垂直壁面上，与壁 面相撞并飞溅。第三种类型的燃烧系统也利用空气涡流，但活塞顶部凹坑的形状 比较简单且对称，活塞凹坑比第一种机型的半球形凹坑要浅，其侧面更为倾斜。 与第二种相比，其涡流强度也比较弱。当活塞上行到一定位置时，从位于进气侧 的喷油器所喷出的油雾以及喷雾所带动的气流到达活塞顶部凹坑另一侧斜面上， 与壁面相互作用。 ( 3 ) 气流引导型气流引导型系统主要利用缸内有组织、与喷雾方向相反 的气流，来减小喷雾的贯穿度，并把喷雾引向火花塞的方向。这种喷雾系统的喷 雾特性要求介于前两者之间。喷雾的贯穿距离需比壁面引导型小一些，但由于气 流的阻滞作用，贯穿距离比射流引导型大一些。如图1 - 2 ( c ) 所示，进气采用滚 流。这种系统的活塞凹坑置于排气侧。在压缩行程后期进行喷油，喷雾会遇到迎 面来的气流，喷雾油滴的运动被气流阻滞，油滴和蒸发的汽油被气流推向上方， 想火花塞接近。 气流阻滞型燃烧系统未受到太多重视，至今尚未见到试验结果的发表。其原 因可能是因为这类系统对喷雾特性和空气运动的配合要求太高，很难在各种工况 下都满足要求。 1 2 4 世界先进g d i 系统简介 汽油及缸内直喷技术( g d i ) 最先由日本的三菱公司于2 0 世纪9 0 年代初期提 出、应用于当时三菱公司最新的汽车发动机上。近几年g d i 发动机技术在国际上 得到快速发展。三菱、丰田、日产、马自达、本田、五十铃、通用、福特、大众、 奔驰、菲亚特、雷诺、r i c a r d o 、a v l 、f e v 等许多国外汽车公司和研究机构都开 发了比较成熟的g d i 发动机产品或样机。 日本三菱汽车公司于1 9 9 6 年推出其4 g 系列缸内直喷稀燃汽油机，与原机相 比，扭矩提高1 0 ，加速性能提高5 ；空载时燃料消耗下降4 0 ；4 0 公里d , 时 等速油耗下降2 5 。继三菱之后，丰田推出了d - 4 直喷汽油发动机。这是新一代 超低油耗发动机，其燃料经济性较原机提高3 0 以上，动力性方面，起动加速或 超车加速均提高1 0 左右。德国大众汽车公司的直喷式汽油机( f s i ，f u e s t r a t i f i e di n j e c t i o n ) 于2 0 0 1 年首次用于高尔夫宝来轿车，成为目前国际上 最早产品化的缸内直喷汽油机之一。2 0 0 5 年上市的2 o l f s it u r b o 涡轮增压直 第一章绪论 喷汽油发动机已装备于大众集团生产制造的诸多车型。2 0 0 2 年底，奔驰也上市 了配有1 8 l c g i 汽油缸内直喷发动机的c 级轿车，即c 2 0 0c g i 。该发动机排放 达到欧i v ，峰值功率是1 2 5 k w ，扭矩比上一代增加了1 5 ，与相同排量c 级车相 比节油超过1 9 ，综合油耗为7 8 l 1 0 0 k m 。 ( 1 ) 丰田d - 4 发动机的直喷技术 图卜3 所示为丰田公司缸内直喷系统及混合气形成原理示意图。在图1 3 中 给出了主要燃烧系统零部件以及分层燃烧概念的示意图，这款发动机的型号为 d - 4 。可以看到活塞顶部特别设计了一个凹坑，这个凹坑的a 区域是用来形成混 合气的，当活塞上行时正好将混合气挤压到火花塞附近。区域b 更宽一些，是 为混合气燃烧提供空间的，它对油、气快速混合有促进作用。涡流方向上的活塞 尺寸增大可以分层混合气燃烧时的火焰传播速度。c 处的活塞形状设计成渐开线 形式，这样有助于蒸汽形式的燃油聚集到火花塞附近。进气部分由独立的螺旋式 气道和直线性气道组成。在直线型进气道的上游头部有一个蝶形的电子控制涡流 阀( s c v ) 。当s c v 关闭时，涡流比为2 1 。 螺旋型进气道的蝶形阀门与连续可变的凸轮正时系统相连。这些阀门由一个 直流电机驱动，根据发动机的不同工况设定不同的开度。图1 4 显示了s c v 的具 体工作m a p 图。由图我们可以看出，在发动机轻负荷工作时s c v 关闭，这样就 可以产生进气涡流。粒度很小燃料在压缩接近终点的时候喷入气缸内。然后气流 将较浓的混合气送向燃烧室中部火花塞附近。但仍有一部分燃油扩散到里火花塞 较远的空气中，从而形成了分层的空气一燃油混合气。对于大负荷工况，s c v 阀 门打开，从而新鲜充量在压力损失较小的情况下被吸入气缸，即很小的涡流运动。 而此时燃油的喷射时间选在进气冲程，这样就可以形成均质混合气。 s 一m g h lp o r t 簿一。 ( b ) c l 图卜3 丰田公司g d i 燃烧系统示意图 第一章绪论 ( 2 ) o b i t a l 直喷燃烧系统 如下图卜4 所示为o b i t a l 公司研发的缸内直喷系统概念示意图。将空气辅助 式燃油喷射系统由两冲程发动机移植到四冲程直喷发动机上最早由h o u s t o n 和 k r e b s 等人提出【3 0 1 。有研究人员指出：由于空气辅助燃油喷射系统自身的一些特 殊性质，再配合相应的燃烧室的特殊设计，我们可以使用较晚的喷射定时来达到 很高程度的燃油分层效果。o r b i t a l 的直喷系统所使用的空气辅助燃油喷射系统的 如图l _ 4 a 所示。图1 4 b 、c 分别展示了空气辅助燃油直喷系统的可能应用的控制 m a p 示意图以及喷油器居中或偏置安装的可行的安装策略。o r b i t a l 的直喷系统的 主要特征可以概括如下： 1 ) 四缸直列1 8 l 双顶置凸轮轴。 2 ) 缸径行程：8 0 6 8 8 m m 3 ) 排量：1 7 9 6 c m 3 4 ) 压缩比1 0 4 ：1 5 ) 缸内气体流动：低滚流、零涡流 6 ) 火花塞与喷油器一起安装在汽缸中部 7 ) 空气辅助喷射系统的油压为0 7 2 m p a ，气压为0 6 5 m p a 。 图1 - 4 80 b i t a l 直喷系统布局 第一章绪论 图1 - 4 b0 b i t a l 不同的燃油喷射器布置示意图 1 3 缸内直赜发动机韵光学试验技术手段 当今高速发展的激光光学技术、数字化图像处理技术以及摄影技术为缸内直 喷的试验研究提供了更加高效的平台，利用这些先进的光学技术，我们可以对 g d i 发动机的燃油喷射器的喷雾特性、缸内混合气形成过程以及混合气燃烧做功 的过程有更加直观的认识，从而使得研究分析工作更加高效、准确。同时，丰富 可靠的图片数据还为内燃机仿真计算研究提供了极大的便利，在更加清晰、准确 的图像基础上，仿真模型能得到更好的标定，从而计算得到准确可靠的发动机预 测数据。 1 3 1 激光多普勒测定法( l d v ) 激光多普勒测速仪( l d v ) 是测量流场速度的有力工具。其原理是，根据激 光多普勒效应，当激光照射到跟随流体一起运动的喷雾粒子时将被运动的粒子散 射，散射光和入射光的频率相比较，可求出正比于流体速度的多普勒频移。测量 频移的大小可得出粒子运动速度。为利用多普勒频移测量流速，通常采取的方法 是将激光光源发出的激光对每一速度分量都分成两束，并聚集到包括平面波前的 按高斯光强分布的一个有限衍射区。由于激光的相干性，这两束光在聚集区会发 生干涉，形成彼此距离很小的干涉条纹。当某个粒子穿过聚集体( 测量体) 时， 切割干涉条纹产生频移。增加辅助光路可确定第二和第三个方向的速度分量。 在激光多普勒测速仪的基础上还开发出能够同时测量粒子尺寸和速度的相 位多普勒( p d a ) 技术，其测量粒子尺寸的方法是：放置多个探测器，每个探测 器接受相同的多普勒频差，每个探测器之间存在相位差，这个相位差正比于粒子 第一章绪论 的直径。对相位进行处理，就可以得到粒径的信息。图1 5 所示为典型的p d a 测量喷雾液滴分布情况的结果。 图1 5 激光多普勒技术测量的喷雾燃油液滴分布情况 激光诱导荧光拍摄技术一般应用在定容弹试验中，它的主要作用是准测量燃 油喷射器的喷雾锥角及贯穿距离，并且测试平面可调。因此，这项技术能够对平 行于喷射平面上的任一平面进行测量。它的基本原理如下图1 - 6 所示。首先在要 测量的燃油中掺入具有荧光特性的材料，然后将测试平面选定，由激光发射器发 射激光，经过透镜调整后，激光将打在测试平面上。最后由高速摄影机对喷雾形 态进行拍摄。 图l _ 6l i f 测量技术原理示意图 一董毫一。lznoc koiooiu一基oji mpc墨旦心百暑田芷 第一章绪论 1 3 3 光学发动机测试技术 光学发动机测试技术主要用来对工作状态中的发动机缸内气流运动、混合气 形成过程及缸内火焰形成、传播过程进行观测分析。通常光学发动机采用激光 p i v 手段进行测量，其原理图如图1 7 所示。激光发射器发射激光，通过透明的 图1 7 光学发动机原理 这段缸筒对缸内的测试平面上的荧光材料进行激发，然后发射光通过活塞底部观 察孔经反射镜由高速摄影机接收，最后将图像数据传输到电脑上。 1 4 本文主要工作内容 本文的研究目的是在某型基础样机上顺利实现低压缸内直喷，并对喷油器的 喷射参数及缸内混合气形成过程进行优化。 本文以一台排量1 2 l 的水平对置发动机为基础样机。鉴于设备较为简便， 控制方便、雾化质量高等特点，本次研究工作将采用低压空气辅助直喷系统以实 现基础样机的缸内直喷。首先，利用自主研发的定容弹对喷油器的喷雾特性进行 了研究分析，优选了喷油器的参数设置；然后根据低压空气辅助喷射的喷雾特点， 基于基础样机的燃烧室形状开发研制了全透明光学发动机，在此基础上利用低压 空气辅助直喷系统实现了光学发动机上的缸内直喷，最后利用高速摄影技术对直 喷光学发动机的缸内混合气形成进行了拍摄研究：开展了不同燃烧室形状、不同 燃油启喷相位以及不同发动机转速下油束发展过程的试验研究。 第二章试验平台 第二章试验平台 为了采用低压空气辅助式直喷系统在基础样机上顺利实现缸内直喷，并且使 得直喷机有较好的性能表现，本文利用不同的研究平台进行了定容弹、喷油器雾 化质量分析、缸内混合气形成等试验研究。这为直喷系统与发动机的匹配、直喷 状态下发动机燃烧系统的优化提供了具有指导意义的信息，在此基础上才能够继 续进行直喷基础样机的燃烧系统、进气系统以及发动机控制策略等基本的样机参 数设计。 2 1 电控单元硬件及软件设计 2 1 1 电控单元硬件设计 本文所用e c u 用于空气辅助直喷发动机控制，其设计充分考虑了发动机的 不同工作环境以及生产和后续维护要求，能适应小批量生产需求。e c u 采用 i n f i n e o n 公司的3 2 位高效微处理器、电源模块及功率驱动模块。采集曲轴位置、 进气压力、进气温度、节气门位置、开关式氧传感器信号等传感器信号，通过软 件策略的分析得出正确的控制信号，从而实现对点火线圈、燃油喷射器、夹气空 气喷射器等执行器的控制，从而实现对空气辅助直喷发动机稳定运行的控制。如 下图2 1 所示为p c b 板的整体布局示意图。 图2 - 1p c b 板示意图 整个e c u 的功能如图2 - 2 所示，可以分为如下9 个部分：单片机模块、电 第二章试验平台 源模块、点火驱动模块、低压驱动模块、空气喷嘴驱动模块、通讯模块、氧加热 及爆震调理模块、输入采集模块、时钟基准调理模块，其中输入采集模块又分为 模拟量输入采集模块，数字量输入采集模块。 黟渤暇酾瞳黔 磁潮豳罄鬣幽溶 图2 - 2 直喷发动机e c u 的功能模块划分示意图 模拟量输入采集模块包括节气门位置传感器、进气温度传感器、进气压力传 感器、机油温度传感器、燃油压力传感器、冷却液温度传感器