更全的杂志信息网

喷油控制参数对中置喷油器GDI发动机喷雾及燃烧的影响

更新时间:2016-07-05

直喷式汽油机(GDI)与气道喷射式汽油机(PFI)相比,能够在较为宽广的曲轴转角范围内将燃料直接喷入缸内,可有效降低缸内温度,抑制大负荷工况下爆震倾向,提升热效率,同时也在实现分层稀薄燃烧模式控制方面表现出巨大潜力,成为国内外研究机构研发领域关注的焦点[1-2]。由于汽油具有较好的挥发性,即使通过与柴油机相似的直喷方式引入缸内,也能在一定程度上保证油气混合过程[3]。但在某些工况下,由于混合气形成时间相对较短,存在缸内混合气不均匀的情况。因此,如何设计适宜的喷油控制策略并与燃烧室及缸内气流运动合理匹配成为直喷式汽油机燃烧系统开发的关键[4-5]

“昆北”阳平声字“潮”的唱调(《荆钗记·男祭》【折桂令】“改调俺在潮阳”,755)。基于“潮”是阳平声字,其曲字调值和字腔音势均为呈状的平后略升势。故即为“潮”的字腔,此后的十六分休止即该字腔的结点,其后的即为过腔。

随着研究的深入和研究手段的进一步完善,研究者采用可视化发动机,并借助多种非介入式光学研究手段,开展了一系列燃烧系统控制参数对发动机性能影响的研究[6-8]。研究发现,燃油喷射时刻对燃烧及排放有显著影响,通过对燃油喷射策略进行优化,有助于提升燃烧稳定性,降低HC等未完全燃烧产物排放[9]。同时,通过燃油系统与燃烧室、进气流动特性等进行合理匹配,可有效改善缸内混合气形成特性,在保证发动机高效清洁燃烧方面表现出一定潜力[10-11]

将含复杂噪声斑块的真实InSAR图用中值滤波、基于梯度的自适应方法滤波、均值滤波和先梯度—后均值四种滤波算法掩膜滤波,并将结果进行比较,如图1.

以往研究主要针对侧置喷油器直喷汽油机进行相应的光学试验,而对于中置喷油器直喷汽油机的研究较少[12-13]。基于此,本研究采用匹配中置喷油器高压直喷系统的单缸光学发动机进行试验研究,进一步明晰燃油喷射策略对发动机缸内喷雾发展及燃烧过程的影响规律。

1 试验装置和试验条件

1.1 试验用发动机和测控系统

从图3可以发现,不同燃烧特征参数均在θSOI3=120°BTDC时存在明显拐点,随θSOI3提前,燃烧持续期与滞燃期均先减小后增大。产生以上现象的主要原因在于,位于压缩冲程中的第3次喷射过程对火花塞周围混合气的形成有一定影响;喷油时刻过早,雾化的燃油随缸内气流旋转蒸发,易于形成更为均匀的混合气,使得火花塞跳火时着火稳定性降低;而喷油时刻过晚,油束与活塞顶相互干涉,形成壁面油膜,不利于燃油的挥发,同样会使得火花塞附近点火稳定性变差,燃烧过程pmi的循环变动(COVpmi)变大。

表1 发动机主要技术参数

型式单缸、四冲程进气压力控制温控模拟增压系统配气机构相位可调式驱动系统缸径/mm74行程/mm84.5压缩比10.5∶1喷油器布置中置直喷燃油供给系统35MPa高压供油系统

1.2 发动机光学测控平台

参考文献

试验中采用高速相机对喷雾图像进行采集,光学高速成像系统见图1。为提高拍摄质量,试验中利用以熔融石英缸套为中心布置的八盏高亮频闪照明灯作为光源,通过时序控制模块控制照明灯仅在每个做功周期的330°BTDC~14°ATDC点亮,以利于喷雾形态的捕捉,同时可避免在采集燃烧过程图像时灯光对成像质量的影响。研究中使用的高速相机为Photron High Speed Star Z系列高速数字相机,拍摄速度可达20 000 帧/s,曝光时间200 μs,采样时间分辨率为3°,能够满足试验研究的需要。

图1 试验台架示意

1.3 数据分析方法与研究方案

b) 试验控制工况范围下,缸内燃烧过程主要以预混合燃烧为主,燃烧过程整体稳定性较好;

2 试验结果及分析

2.1 喷油时刻对缸内喷雾发展的影响

对于直喷式汽油机,如何有效形成稳定的混合气是可靠点火的关键。对于本研究所选试验工况范围,由于汽油挥发性好,前两次喷射发生在进气冲程,主要在早期形成较为均质的混合气,对燃烧的影响相对较小,因此重点针对第三段喷射时刻对喷雾及燃烧的影响进行试验研究。图2示出采用3次喷射模式时,不同θSOI3下缸内压力对比。从图2可以看出,催化起燃工况下,由于点火时刻较晚,点火后缸内混合气经过一段时间后开始着火放热,缸压曲线明显脱离压缩线,呈现明显的双峰形态,其中第2个峰表征燃烧放热过程。同时,随θSOI3提前,缸内燃烧压力峰值先升高后降低,并于120°BTDC时达到最大值,且此时峰值相位相对较早。

图2 不同θSOI3下缸内燃烧压力对比

进一步研究θSOI3对燃烧过程的影响规律,研究中对燃烧过程特征参数进行对比分析。本研究定义:累计放热量达到总放热量10%时所对应的曲轴转角位置为燃烧始点;累计放热量达到总放热量90%时所对应的曲轴转角位置为燃烧终点;燃烧始点与燃烧终点之间所占的曲轴转角为燃烧持续期;点火时刻至燃烧始点所占曲轴转角为滞燃期。

图5示出第三段喷油时刻对燃烧过程的影响。由图可知,当θSOI3推迟至120°BTDC时,燃烧过程显示出理想的均质燃烧形态,燃烧过程整体以预混合燃烧为主,缸内高温明亮区较早喷情况明显减少,同时炭烟生成倾向降低。产生以上现象的原因主要是火花塞附近混合气略浓区在改善发火稳定性方面表现出一定优势。第三段喷射时刻对点火前火花塞周围混合气形成有显著影响,喷油过早,第三段喷射产生局部浓混合气区的能力减弱;喷油推迟,一方面利用活塞上行产生的压力提高缸内工质整体密度、降低喷雾贯穿距、增大油束的横向宽度、提高燃油与空气的接触面积、降低油束撞壁倾向,另一方面可利用活塞上行的动能,将略浓的混合气压缩于火花塞周围,火花塞跳火后,利用火核引燃周围略浓混合气,提高火焰传播速率,为前期形成的均质混合气预混燃烧提供条件。从微观角度讲,略浓的局部混合气区由于较快的火焰传播速度,在一定程度上可作为进气冲程形成的均质混合气的发火源,保证燃烧过程顺利进行。但当θSOI3推迟至80°BTDC时,由于喷油过晚,活塞逐渐靠近上止点位置,油束易发生冲击活塞现象,导致活塞表面积炭。

研究中采用一台匹配35 MPa高压供油系统的单缸光学汽油发动机,进气压力及进气温度采用模拟增压系统进行控制,喷油时刻、喷油量及点火时刻采用可编程的时序控制模块进行调整。试验用发动机主要技术参数见表1。

首先指定HTTP服务器及相应端口,通过URL访问到采集页面,根据采集项选择采集表;然后用户录入各项数据并通过网络发送到服务器端,服务器端再将客户端POST的数据通过数据库驱动接口保存至数据库中。

通过对比图4光学发动机缸内的喷雾发展结果发现,第三段喷射时缸内滚流对喷雾的引导作用相对减弱,且不同喷射时刻下油束的贯穿距存在一定差异。θSOI3早于140°BTDC时,缸内喷雾的发展情况较为相似,由于滚流强度的减弱,油束发展末期存在轻微湿壁的情况。随θSOI3推迟,燃油喷出时缸内工质的压缩程度增大,工质密度增加,缸内压力升高,燃油与空气分子的碰撞概率增加,空气阻力加大,油束贯穿距减小。但当θSOI3推迟至80°BTDC时,可明显观察到在曲轴转角位于69°BTDC时油束与活塞顶发生干涉,燃油壁面油膜的形成倾向明显增大。结合图3b中的拐点位置,可以认为当θSOI3=120°BTDC时,能够较好地折中活塞顶油束湿壁及火花塞附近混合气浓度场分布的问题。喷油时刻提前,由于汽油易挥发,过早的喷油时刻不利于压缩点火前火花塞周围混合气的形成;喷油时刻推迟,由于活塞距离上止点较近,油束对活塞顶的湿壁倾向增大。

图3 不同θSOI3下燃烧特征参数对比

图4 第三段喷油时刻对缸内喷雾发展的影响对比

控制器固件,其功能相对较多,主要功能为传感器信号采集、上位机通信、自动跟踪处理、手动跟踪处理、按键设置处理、显示处理和参数设置保存等,采用μC/OS II(是一个可以基于ROM运行的、可裁剪的、抢占式、实时多任务内核)系统平台进行设计。主要创建4个任务来实现本系统功能,见图6流程图。

图5 第三段喷油时刻对缸内燃烧过程的影响对比

2.2 喷油压力对缸内喷雾及燃烧的影响

对于直喷式燃烧系统,燃油喷射压力是影响燃烧过程的关键控制参数。基于此,本节重点针对燃油喷射压力对缸内喷雾发展及燃烧过程的影响开展试验研究。试验中分别设定燃油喷射压力为10 MPa,11 MPa和12 MPa,喷油时刻θSOI1=280°BTDC,θSOI2=240°BTDC,θSOI3=100°BTDC。为避免喷油压力的改变对实际循环供油量产生影响,保证试验结果的可靠性及可比性,试验中通过改变加电脉宽保证实际当量比为1。

图6示出不同喷油压力下燃烧特征参数的对比。由图6可知,喷油压力增大,滞燃期有所缩短,主要原因是提高喷油压力能够促进燃油液滴与空气相互作用,有助于改善喷雾的雾化质量,使得更多的液滴颗粒与空气接触,增大初始化学反应速率。同时,良好的油气混合气组织有助于缩短燃烧持续期,提高定容度。但由于火花塞附近的浓度场分布对初期燃烧过程有明显影响,提高喷油压力虽能够促进油气混合,但过高的喷油压力反而不利于点火前火花塞附近稳定点燃浓度场的形成,使得滞燃期及燃烧持续期有所延长。

数控机床是机电液一体化的复杂系统,为便于进行质量特性分析,首先要将数控机床分解为简单的基本单元以达到容易建模的目的,然后对基本单元进行质量特性分析,最后对整机的质量特性进行综合分析。按“部件—组件—零件”的分解方法虽然简单易行,但是在实际应用过程中却存在许多难以解决的困难,比如零件数目繁多导致的建模困难、零件故障数据缺乏导致的定量分析困难等。

图6 不同喷油压力下燃烧持续期及滞燃期对比

由图7光学发动机缸内特性及燃烧过程对比结果可以看出,喷油压力对缸内喷雾发展影响较为显著,压力增大,油束纵向贯穿距明显延长,同时油束横向宽度减小。此外,随喷油压力增大,油束整体包络面积减小,表明提高喷油压力有助于促进燃油液滴的进一步破碎及雾化,在促进燃油与空气的混合过程中表现出巨大潜力。通过对比不同喷油压力情况下缸内燃烧过程可以发现,提高喷油压力,改善混合气形成,燃烧过程中后期高温明亮区数量明显减少,有助于抑制燃烧过程高温区炭烟的生成。对于中置喷油器直喷式燃烧系统,提高喷油压力能够有效改善炭烟生成情况,但压力过高,油束贯穿距进一步延长,易导致油束撞击活塞顶或缸壁,在其表面形成不易挥发的壁面油膜,反而不利于混合气的形成。因此,实际控制中需要综合考虑油气混合气形成及油束与燃烧系统的综合匹配。

哥们儿朝洛蒙拿着饭盒,去楼下打饭(这是哥们儿朝洛蒙要逃跑想出的办法,要不然面对媳妇的质问,他没办法回答)。走到刚才抽烟的地方,看见烟蒂还冒着烟。他停下来,用脚把烟蒂撵灭。随后他又点了根烟,椅着楼门廊的柱子抽起来。虽然刚才他嘴上劝媳妇别瞎想,但他心里也觉得不安。他想着租这房子后的种种迹象:正月回来的奇异的感觉,立交桥下算命先生的谶语,搬家时无缘无故被冰箱砸了的脚趾头,丢了客户被经理没头没脸的斥骂,刚装上好好的骤然爆裂的灯泡,媳妇收拾屋子时在房角砖下发现的符咒,还有这次狗蛋被蝎子的叮咬……难道这之间没有必然联系,只是意外?

对于组织因素如何引起侵犯行为的问题,一种合理的解释是首先因为这些因素会引起个体产生负面情绪,随后唤起了个体的侵犯意向,在有明确的对象的情况下导致侵犯行为发生。

图7 不同喷油压力下缸内喷雾及燃烧特性

e) 燃油喷射压力增大,燃烧过程高温明亮区数量减少。

3 结论

a) 随θSOI3提前,燃烧持续期与滞燃期均先减小后增大,燃烧特征参数均在θSOI3=120°BTDC时存在明显拐点,此时pmi的循环变动COVpmi相对较小;

为保证试验结果重复性,研究中设定燃烧开始50次循环后开始采样,此时燃烧过程趋于稳定,能够较好地反映实际的燃烧特性。本研究选取典型的催化器起燃工况(1 200 r/min@0.19 MPa (pmi)),发动机水温及机油温度均由油水恒温系统精确控制在20 ℃左右,燃油喷射模式根据实际负荷和喷油器线性区间选取三段喷射模式。为保证催化器快速起燃,通过推迟发动机点火提高排气温度,试验中为保证数据的可比性,点火时刻均为20°ATDC。由于较晚的点火时刻不利于燃烧过程稳定进行,因此采用多次喷射策略保证混合气均质性的同时在火花塞附近形成适宜的混合气浓度,改善点火稳定性。第一段喷射时刻θSOI1及第二段喷射时刻θSOI2分别控制在280°BTDC和240°BTDC,第三段喷射时刻θSOI3调整范围控制在80°BTDC~160°BTDC以内。研究中三段喷射过程加电脉宽均保持在0.85 ms,以保证数据的可比性。

城市垃圾填埋场适宜性评价主要以垃圾对地质环境影响评价结果为基础,综合考虑建场后的环境效应、经济效应和社会效应,采用层次分析法进行分析评价,从而获得一个半定量的综合评判结果。

c) 第三段喷油时刻过晚,由于活塞上行距上止点较近导致油束易于冲击活塞表面;

d) 通过提高喷油压力,可缩短燃烧持续期,有助于改善燃烧定容度,但喷油压力过大,油束贯穿距进一步延长,油束冲击缸壁的倾向增加,滞燃期及燃烧持续期反而延长;

研究中采用的单缸光学发动机测控系统主要包括光学发动机、AVL PUMA瞬态测功机、AVL 515进气模拟增压系统、AVL 577油水恒温控制单元、ScienLab DICU喷油控制单元及时序控制单元等系统组件。缸压测量采用Kistler 6054缸压传感器,转角信号由AVL 365C角标器输出,利用AVL Indicom系统对燃烧过程示功图及时序控制信号进行采集,采样分辨率为0.5°,每个工况点均采集70个循环进行平均以消除测量误差。为保证燃油压力的实时在线控制,研究中自行设计开发了35 MPa高压汽油供油系统,具有精度高、响应快等特点,并具备50 MPa的升级潜力,满足试验研究的需要。

亚太拉斯材料测试技术有限公司逾80年来一直是材料测试领域的领军企业,与世界著名OEM厂商一起开发测试程序,致力于模拟真实外界条件。其整套气候老化测试程序能够就客户的产品材料提供整套完善的测试分析,包括抵御紫外线、抗炎热天气和抗盐雾腐蚀等性能。

[1] Park C,Kim S,Kim H,et al.Effects of split-injection strategy on the performance of stratified combustion for a gasoline direct-injection engine[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part D: Journal of Automobile Engineering,2011,225(10):1415-1426.

[2] Oh H,Bae C,Park J,et al.Effect of the Multiple Injection on Stratified Combustion Characteristics in a Spray-guided DISI Engine[C].SAE Paper 2011-24-0059.

[3] Zhao F,Lai M C,Harrington D L.Automotive spark-ignited direct-injection gasoline engines[J].Progress in energy and combustion science,1999,25(5): 437-562.

3.以法律审查为手段,加强法律风险防控制度体系。各种管理制度与法律法规之间存在一定的协调关系,管理制度不能超越法律法规的强制性规定。所以,应当在事前、事中和事后三个阶段对管理制度进行法律审查。

[4] Han S,Qin J,Lin M,et al.Simulation Study of Injection Strategy and Tumble Effect on the Mixture Formation and Spray Impingement in a Gasoline Direct Injection Engine[C].SAE Paper 2014-01-1129.

[5] Seo J,Lee J S,Choi K H,et al.Numerical investigation of the combustion characteristics and wall impingement with dependence on split-injection strategies from a gasoline direct-injection spark ignition engine[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part D:Journal of Automobile Engineering,2013,227(11):1518-1535.

[6] 马骁,何旭,王建昕,等.用激光诱导荧光法测量 GDI 发动机缸内混合气分布[J].内燃机工程,2010(4):1-5.

[7] Dahlander P,Hemdal S.High-speed photography of stratified combustion in an optical GDI engine for different triple injection strategies[C].SAE Paper 2015-01-0745.

[8] 刘国庆.缸内直喷汽油机冷启动燃烧与排放光学试验研究[J].中国机械工程,2013,24(23):3164-3169,3254.

[9] Lohfink C,Baecker H,Tichy M.Experimental investigation on catalyst-heating strategies and potential of GDI combustion systems[C].SAE Paper 2008-01-2517.

[10] Merola S S,Irimescu A,Tornatore C,et al.UV-visible digital imaging of split injection in a Gasoline Direct Injection engine[J].Thermal Science,2015,19(6): 1873-1886.

[11] Li T,Nishida K,Zhang Y,et al.An insight into effect of split injection on mixture formation and combustion of DI gasoline engines[C].SAE Paper 2004-01-1949.

[12] 杜宏飞,刘江唯,付磊.直喷汽油机喷雾过程图像采集和处理[J].汽车工程,2016,38(10):1189-1193.

[13] Lee P O I,Polcyn N,Lai M C.Direct visualization of combustion in an E85-fueled DISI engine under various operation conditions[C].SAE Paper 2013-01-1129.

杜家坤,陈泓,李钰怀,冶麟,张双
《车用发动机》 2018年第2期
《车用发动机》2018年第2期文献

服务严谨可靠 7×14小时在线支持 支持宝特邀商家 不满意退款

本站非杂志社官网,上千家国家级期刊、省级期刊、北大核心、南大核心、专业的职称论文发表网站。
职称论文发表、杂志论文发表、期刊征稿、期刊投稿,论文发表指导正规机构。是您首选最可靠,最快速的期刊论文发表网站。
免责声明:本网站部分资源、信息来源于网络,完全免费共享,仅供学习和研究使用,版权和著作权归原作者所有
如有不愿意被转载的情况,请通知我们删除已转载的信息 粤ICP备2023046998号