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2015CG 2&3同济大学汽车学院中德学院4浙江吉利发动机【】采用火花塞缸内取样与快速火焰离子检测装置ꎬ对两阶段喷射直喷汽油机快速拖动起动首次着火循环进行了缸内碳氢浓度采样ꎬ以分析不同拖动转速下首次喷油时刻、第二次喷油时刻及全局燃空当量比对火花塞附近混合气浓度的影响规律ꎮ结果表明:低速时ꎬ较易在点火时刻形成可燃混合气ꎻ转速升高ꎬ燃油雾化加快ꎬ但其经历的曲轴转角较大ꎬ使点火时刻火花塞附近混合气浓度变稀ꎻ提前第二次喷油时刻及增加喷油量可增加火花塞附近混合气浓度ꎮ【】直喷汽油机ꎬ快速起动ꎬ缸内采样ꎬ混合气形eGDIEngineduringQikCrankingatStartLiXianjing1ꎬꎬHuZongjieꎬDengJunꎬYuanShuangꎬShenYuanꎬWangRuiping1ꎬꎬLiLiguang2ꎬ31NingboGeelyRoyalEngineComponentsCoꎬd.2&3SchoolofAutomotiveStudies&CDHKꎬTongji4ZhejiangGeelyRoyalEngineCoꎬrct:IncylinderHCconcentrationsnearthesparkplugunderdifferentenginecrankingspeedconditionsweremeasuredemployingaFastResponseFlameIonizationDetectorID)withaSampleSparkPlug)Theeffectsofthe1stinjectiontimingꎬndinjectiontimingꎬandtotalequivalenceratioonthemixtureformationnearthesparkplugwereanalyzedbymeansofexperimentsResultsshowedthatcombustiblemixturesaremoreeasilyformednearthesparkplugatlowercrankingspeedsBothfuelevaporatedrateandcrankanglebetweentheinjectiontimingandtimingwhenequivalenceratioreachthecombustibleleanlimitincreasedwiththeincreasingcrankingspeedThereforeꎬequivalencerationearthesparkplugcametolowervaluegivenatthesametotalequivalenceratioAdvancingofthe2ndinjectiontimingandincreasingfuelinjectionquantityareeffectivewaystoincreaseequivalencerationearthesparkplugatahighercrankingspeedKeyrs:gasolinedirectinjectionꎬquickstartꎬincylindersamplingꎬmixture 怠速起停可以有效降低市区工况下的燃油消耗率达8%怠速起停系统中多数需要发动机实现快速起动ꎬ但发动机的 发布的«关于加强内燃机工业节能减排的意见»中ꎬ到2015年ꎬ30%~40%新生产的车用汽油机产品应用缸内直喷燃油系统ꎬ燃油消耗率比2010年降低8%~10%ꎬ可见GDI因其在节能减排方面的优势在车上的应用将会越来越广泛GDI混合气形成受气流运动影响较大ꎬ快速起动过程将对气流运动产生影响ꎬ进而影响混合气的形成质量ꎬ而油气混合质量直接关系到燃烧品质ꎬ同时也对汽油机的动力性燃油经济
性ꎬ甚至排放性能产生直接的影响因此ꎬ有必要对目前混合气形成的研究主要基于CFD仿真或者可视化设备以及利用Cambustion公司的FFID系统等关于利用缸内火花塞采样系统SSP)对直喷汽油机快速拖动起动过程中的混合气形成开展研究尚未见报道因此ꎬ本文基于缸内采样系统对火花塞附近混合气浓度变化规律进行试验研究ꎬ以期为后续燃烧和排放控制提供指导
1本试验装置主要由某型发动机及其控制系统伺服电动机快速拖动起动系统发动机瞬态燃烧排放分析系统系统以及相关辅助起动系统等组成台架示意图如图1所示ꎬ发动机技术参数见表1基金项目:吉利 ̄同济汽车工程合作项目(70925308)、国家自然科学基金项目(No53762015CG 试验条件及工况点见表2ꎬ采用两次喷油控制策略ꎬ在进气行程进行首次喷油ꎬ目的是为了形成均质混合气ꎬ而压缩行程进行第二次喷油ꎬ则是为了实现分层混合气ꎬ使火花塞附近形成浓度合适的混合气ꎬ远离火花塞周围形成稀混合气图2图1光电 5喷油器6空气流量计7电子节气门8表1缸径×行程/ 793×9单缸排量/0进气门开启VO)7进气门关闭C)排气门开启8排气门关闭怠速转速r图2所示为本试验所用缸内采样系统ꎬ主要包括定制的带偏置螺孔的火花塞和缸内采样探头等ꎬ缸内采样系统与ID系统配合采样ꎬ可以测取火花塞附近C浓度ꎬ并可据此估算缸内空燃比ꎬFFID测量原理参见参考文献[17]与在排气道中测量C浓度的情况不同ꎬ由于缸内采样的背压高于排气背压ꎬ为使采样气流平稳ꎬ将FFID恒压腔进行了扩展表2环境压力/0环境温度/7冷却液温度/80±拖动转速r400、800、喷油压力/0喷油时刻进气上止点为0℃70、90 0、30、50、330、340两次喷油比例质量比st2全局燃空当量比085、096 08 为了研究首循环在不同条件下缸内混合气浓度的变化规律ꎬ测量了首循环失火时火花塞处的碳氢浓度ꎬ通过分析失火碳氢浓度来反映缸内混合气的浓度测试方法如下:1)2)利用伺服电动机将发动机拖动到目标转速ꎬ并维持冷却液温度恒定在目标转速附近ꎬ整个测量过程在该转速下3)低于4)每个工况点重复测试~次ꎬ5)控制参数:喷油正时全局燃空当量比拖动转速2空燃比控制在汽油机燃烧和排放控制中起到十分关键的作用ꎬ尤其是在直喷汽油机上本文所用直喷汽油机采用两次喷油策略ꎬ在进气行程喷射以获得均质混合气ꎬ在压缩行程后期喷射以形成分层混合气由于混合气分层ꎬ不能用喷射空燃比代替缸内空燃比根据YounggyShin的计算方法ꎬ首先测量不同转速下火浓度随曲轴转角的变化情况其中全局燃空当量比为ꎬ首次喷油时刻及二次喷油时刻分别为和内由于液态燃油形成的部分胶状物以及可能在采样探头中沉积或凝固ꎬ因此需要对测量结果进行修正全局燃空当量比为的均质燃烧模式下ꎬ点火前所测得的浓度约为 2015CG35000×106ꎬ而试验中测得的最高HC浓度为18000×ꎬ因此实际的浓度约为实测浓度的两倍ꎬ两者随曲轴转角的变化情况一致由图可见各转速下浓度随曲轴转角的变化趋势一致ꎬ压缩过程中逐渐升高ꎬ到上止点附近趋于稳定值ꎬ处于膨胀过程时降低ꎬ2个循环时仍存在相当浓度的HC图4Φ 3 图3根据HC浓度计算火花塞附近燃空当量比ꎬ图4为火花塞附近燃空当量比下文用Φnsp表示)随曲轴转角的变化情况首循环不考虑残余废气系数的影响ꎬ各转速下Φnsp随曲轴转角的变化规律与HC浓度的变化规律一致可见ꎬ若首循环失火ꎬ第2循环上止点附近ꎬ火花塞处仍形成一定浓度的混合气理论上ꎬ汽油可燃混合气的燃空当量比范围为0~ꎬ据此可分析火花塞附近是否形成可燃混合气ꎬ即Φnsp
5a~cΦtotal≈1第二次喷油时刻为时ꎬ首Φnsp的影响规律由图可见在拖动转速400r/min时ꎬ所的首次喷油时刻范围内ꎬ在上止点附近都能形成可燃混合气ꎬ首次喷油时刻为~范围内ꎬ上止点附近混合气浓度较稀如果喷油较早ꎬ气流运动较强且燃油有较充足的时间蒸发雾化ꎬ使得混合气较浓ꎬ~时ꎬ气流运动减弱ꎬ导致输送到火花塞附近的燃油较少ꎬ混合气相对稀ꎬ而首次喷油继续推迟ꎬ更易形成分层混合气ꎬΦnsp较高图5Φ在拖动转速升高到800r/min时ꎬ火花塞附近混合气浓度混合气转速升高后ꎬ喷油过早ꎬ气流运动增强ꎬ较强的气流混合气较稀1200r/min下ꎬ混合气浓度更稀ꎬ所喷油时刻ꎬ几乎不能在正常点火区间内形成可燃混合气定义Φnsp首次达到可燃稀限时的曲轴转角为可燃稀限相位图6为不同拖动转速下可燃稀限相位随首次喷油时刻的变化情况由图可见ꎬ400r/min时ꎬ
常点火区间前形成可燃混合气ꎬ110℃A时喷油ꎬ可燃稀限相位较滞后喷油提前则可燃稀限相位提前喷油推迟ꎬ则可燃稀限相位先提前后推迟首次喷油时刻推90℃A时ꎬ可燃稀限相位相对提前从首次喷油结束时刻到可燃稀限之间的间隔ꎬꎬ隔时间也增加喷油时刻推150℃A时ꎬ可燃稀限相位逐渐提前间隔时间逐渐缩短但继续推迟则可燃稀限相位滞后与首喷结束时刻间隔时间增加图 2015CG 拖动转速升高ꎬ可燃稀限相位整体滞后ꎬ800rmin时ꎬ在较早的首次喷油时刻可燃稀限相位滞后出现在上止点后ꎻ首次喷油时刻推90℃A~170℃A时ꎬ可燃稀限相位相近左右拖动转速继续升高可燃稀限相位继续滞后ꎬ在1200r/min时ꎬ可燃稀限相位都较晚图7为不同拖动转速下可燃稀限相位与首次喷油结束时刻的间隔随首次喷油时刻的变化情况由图可见ꎬ速下ꎬ可燃稀限相位与首次喷油结束时刻的间隔随首次喷油时刻的推迟总体呈缩短的趋势ꎻ随拖动转速升高ꎬ可燃稀限相位与首次喷油结束时刻间隔时间缩短ꎬ但间隔角增大ꎬ800r/n和1200r/n下ꎬ可燃稀限相位与首次喷油结束时刻平均间隔时间分别比400r/n下的缩短7%和49%ꎬ但平均间隔角却分别比400r/n时增加49℃A和91℃A图
可见拖动转速较低时燃油有足够的时间蒸发雾化ꎬ点火时刻均能形成可燃混合气ꎻ拖动转速升高后ꎬ由于使气流运动加强ꎬ加快了燃油的蒸发雾化ꎬ但其经历的曲轴转角较大ꎬ可燃稀限相位依然滞后从上止点附近混合气浓度的变化趋势来看ꎬ拖动转速升高后ꎬ为使正常点火区间内在火花塞附近形成可燃混合气ꎬ单纯靠提前首次喷油时刻效果不明显在压缩行程中进行第二次喷油ꎬꎬ使火花塞周围形成较浓混合气ꎬ保证火花塞点火的稳定性以下第二次喷油时刻对火花塞附近混合气浓度的影响ꎬ其中Φoal≈1ꎬ首次喷油时刻为ꎬ结果如图a~c所示由图可见ꎬ拖动转速400rmin时ꎬ第二次喷油时刻在~范围内对应的混合气浓度较高提前或推迟都使混合气变稀在800rmin下ꎬ第二次喷油时刻在2~时ꎬ混合气浓度较高ꎬ晚于时混合气浓度变稀ꎬ上止点附近不易形成可燃混合气ꎻ在1200rmin下ꎬ第二次喷油时刻在280℃A~时对应混合气浓度较高ꎬꎬ随拖动转速升高ꎬ混合气较浓区域往第二次喷油提前的方向移动原因可能是ꎬ第二次喷油时刻推迟ꎬ燃油撞壁量增加使得混合气浓度变稀拖动转速升高后ꎬ气流运动较强ꎬ使得燃油蒸发较快ꎬ但所需时间仍大于喷油结束时刻到点火时刻图 Φ随第二次喷油时刻的变图9为可燃稀限相位随第二次喷油时刻的变化情况由图可见ꎬ在400r/min时ꎬ无论何时进行第二次喷油ꎬ均能在前形成可燃混合气ꎻ拖动转速升高ꎬ可燃稀限相位后移800rmin下第二次喷油时刻早于时ꎬ可相位后移ꎬ位于上止点后ꎻ转速继续升高ꎬ可燃稀限相位继续后移在1200rmin下ꎬ第二次喷油时刻早于时ꎬ可燃稀限相位位于325℃A~340℃A之间ꎬ随喷油提前ꎬ可燃稀限相位提前ꎬ均位于压缩上止点之后图10二次喷油时刻的变化情况ꎬ负值说明第二次喷油之前已经在火花塞附近形成可燃混合气 由图可见ꎬ在400r/n时ꎬ在第二次喷油之前已经在火花塞附近形成可燃混合气ꎬ因此第二次喷油时刻晚于280℃A时对可燃稀限相位无影响ꎻ转
图 速继续升高ꎬ在800r/min和1200r/min下ꎬ所第二次喷油时刻下ꎬ平均间隔时间分别为msmsꎬ平均间隔 2015CG
角分别为ꎬ可见尽管间隔时间缩短ꎬ但间隔角仍然较大由此可见ꎬ转速升高后ꎬ提前第二次喷油时刻ꎬ有利于在正常点火区间形成可燃混合气ꎬ但提前角度有限ꎬ早于时则浓度不再增加由前述可知ꎬ喷油时刻对火花塞附近混合气浓度形成影响较大转速升高后喷油时刻提前有利于提高混合气浓度ꎬAꎬ第二次喷油时刻为ꎬ结果如图11a~c所示11ΦΦ由图可见ꎬ在400r/min和800r/min下ꎬ所Φtotal
图12可燃稀限相位随Φ围内均能形成可燃混合气ꎻ当400rmin时ꎬΦtotal为
图13为可燃稀限相位与首次喷油结束时刻随
混合气较浓ꎬ合气浓度ꎻ当800r/min时ꎬ随Φtotal提高混合气浓度提高ꎻ转速升高ꎬΦtotal下ꎬ火花塞附近混合气浓度变稀ꎬ在1200r/min下ꎬΦtotal低于1时ꎬ不易在上止点附近形成可燃混合气图12为各转速下可燃稀限相位随Φtotal的变化情况由图可见ꎬ在Φtotal为1附近ꎬ转速从400r/min升高到1200r/min后ꎬHC浓度变稀ꎬ可燃稀限相位滞后55℃A800r/min和1200r/min下ꎬΦtotal从085升高至119时ꎬ可燃稀限相位分别提前和
情况由图可见ꎬΦtotal小于1时ꎬ同一转速下ꎬ随着Φtotal的升 响ꎻ大于后ꎬΦtotal升高ꎬ图 可燃稀限相位与首次喷油结束时刻间隔随Φ的变4利用缸内火花塞与快速火焰离子采样系统ꎬ对快速拖动起动过程中两阶段喷射直喷汽油机首循环火花塞附近混合气浓度进行的测量和分析试验表明:(1)快速起动过程喷油时刻的优化需考虑拖动转速的变化转速升高后ꎬ提前第二次喷油时刻或增加燃油喷射量有转速较低时燃油有足够的时间蒸发雾化较易在点火时刻于火花塞附近形成可燃混合气转速升高后燃油的蒸发雾化加快但其经历的曲轴转角较大使达到可燃稀限的相位滞后ꎬ可能引起失火(3)全局燃空当量比的优化也要考虑拖动转速ꎬ当拖动转速为400rmin时ꎬ全局燃空当量比在108附近时混合2015CG 气较浓ꎬ增加或减小燃空当量比都会降低火花塞附近混合气浓度ꎻ拖动转速升高后ꎬ相同全局燃空当量比下ꎬ火花塞附近混合气浓度变稀ꎻ在1200r/min下ꎬ全局燃空当量比低于1时ꎬ不易在上止点附近形成可燃混合气 本课题得到了国家自然科学基金项目o
同济大学KSPG教席基金以及皮尔博格(PierburgGmbH)和吉利同济汽车项目的大力支持与帮参考文献 HohenbergꎬG.IndraꎬF.ꎬexusRX400hDrivetrainAnalysisandTestResultsꎬ”FortschrittBerichteVDI.
RatioDuringStartingUsingaFastFIDꎬ”KSMEInternationalJournalꎬVol.11ꎬNo.6ꎬpp.726736ꎬ1997.Reihe12ꎬVerkehrstechnik/FahrzeugtechnikꎬVDIVerlagGmbHꎬ2006.[2]王建昕ꎬ帅石金.汽车发动机原理[M].:清华大学ꎬ20113.[3]于水.混合动力汽车汽油机起动工况瞬态燃烧和排放特性研究[D].:交通大学ꎬ2009.ineDirectInjectionEngines[M].SAEInternationalꎬ1stEdꎬ2002.[5TerrenceFrancisAlgerIIꎬ“FactorsinChargePreparationandTheirEffectonPerformanceandEmissionsfromaDirectInjectionSparkIgnitionEngineꎬ”TheUniversityofTexasatAustinDoctoralDissertationꎬ2001.[6]李程.缸内直喷汽油机混合气形成过程数值模拟[D].:理工大学ꎬ2011.[7]陈芳菲.分层稀薄燃烧仿真研究吉林吉林大学[8]刘俊杰.直喷汽油机冷起动混合气形成及燃烧特性模拟研究[D].:同济大学ꎬ2012.[9]范钱旺.直喷汽油机喷雾及起动工况燃烧与失火补火控制研究[D].:同济大学ꎬ2012.[10]张东明可变气门驱动直喷汽油机缸内气流运动及燃油雾化混合的试验研究[D].:大学2009.[11]马骁应用激光诱导荧光法研究直喷汽油机缸内混合气形成过程[D].:ꎬ2010.[]YounggyShinꎬeretofInCylinder
[HChoꎬJLeeandKLeeꎬMeareesofcycleresolvedairfuelrationearthesparkpluginasparkignitionengineꎬ”ProceedingsoftheInstitutionofMcailEn
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