简述小缸径直喷式汽油机混合气形成的试验研究

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在小缸径汽油机上应用汽油直接喷射方式，为此对混合气形成过程提出了非常高的要求。由于缸内喷束的自由行程长度较短，会出现燃油润湿壁面的现象，并随之引起废气排放方面的技术缺陷。德国布伦瑞克（Braunschweig）理工大学在内燃机联合会（FVV）研究计划框架内，通过光学和数字试验研究已阐明了具有不同喷油器位置的小排量汽油机方案的混合气形成过程。

1 动机

小型化方案通常被用于降低汽油机燃油耗，最理想的是使动力总成系统混合动力化并应用汽油机作为增程器来进一步减小单缸排量。若考虑到采用小缸径机型情况下的运行参数，则通常不会出现比采用大缸径机型时更严峻的问题，但是其并未全面解决所有问题，例如在四气门（4V）方案情况下充量运动调节阀关闭对颗粒排放产生的不利影响，因此借助于激光诱导激基复合物荧光（LIEF）来实现燃油喷束液相和气相的同步目视化，以深化对混合气形成的试验研究，其目的是加深对混合气形成过程的认识，并借助于3D流体动力学计算方法（3D-CFD）以评价喷油器中央布置（中置喷油器）改善混合气形成的效果。

2 试验载体及其实施情况

试验载体是一台单缸试验发动机（图1），其具有一级和二级质量平衡装置，并能被改装成透明发动机，这样就可在整个活塞行程内通过光学仪器观测缸内工作过程。其缸径为60 mm，活塞行程为71 mm，单缸排量可达0.2 L ，在光学透明气缸结构情况下的压缩比ε=8.72，热力学压缩比ε=10。试验用气缸盖方案示于图2，3气门（3V）方案的喷油器侧置，而4气门（4V）方案的喷油器则位于进气道下方。

激光诱导激基复合物荧光（LIEF）用于对混合气形成过程进行光学评判，它能同步目视燃油喷束的气相和液相，为此在非荧光的模拟燃油异己烷（89%体积份额）中掺入示踪剂荧光苯（2%体积份额）和二乙基甲胺（9%体积份额）。由于混合燃油的沸点较低，因而试验在发动机倒拖运行过程中进行。由光透镜通过玻璃缸套两侧照明用紫外光来激发示踪剂。

图1  单缸试验发动机试验台

图2  试验用气缸盖方案：3气门方案（左）和4气门方案（右）

图3 LWOT后98～110°CA时LBK位置的影响

（注：图中的°KW =°CA）

3 光学试验

在先期试验研究期间中已部分确定了充量运动调节阀关闭（LBKg）对颗粒排放产生的不良影响。如下示出的照片揭示了产生不良影响的部分原因，并查明了4V方案在转速1 200 r/min和相当于pmi=0.39 MPa的负荷以及25 MPa喷油压力时的情况。

采用喷油器3并关闭充量运动调节阀（LBKg）的试验表明，在喷油器控制始点（ASB，译注：即相当于图3中的喷油始点SOE）为换气上止点（LWOT）后90°CA（曲轴转角）的情况下，在经过8°CA后就显示出其对混合气造成的影响（图3）。在LWOT后98°CA时燃烧室内强烈的气流运动使燃油喷束向活塞方向发生偏转，以此就会导致活塞较早地被润湿。与此相比，如果充量运动调节阀打开（LBKo）的话，那么燃油喷束则几乎不受影响。在燃油喷射终了（LWOT后102°CA）后LBKo的影响从喷束末端状况即可看出，进气门阀盘左侧的气流会使液相喷束发生明显偏转，而若LBKg的话，则可看到在喷油器顶端范围内液相喷束状况的明显不同，由于仅在进气门阀盘上方有气流，因此在喷油器范围内燃油与流入的空气之间并未发生强烈的相互作用，在LBKg时喷油后在喷油器上残留的燃油将不会被带走，这可能会因喷油器被润湿而对颗粒排放产生不利的影响。此外，在LBKo时流入的空气与燃油之间的相互作用有助于燃油的汽化，正如LWOT后110°CA时的状况一样。

在LWOT后130°CA时（图4）可看到与其基本相似的燃油分布，仔细观察就能确定充量运动变化所引起的差别。在LBKg时燃油大多聚集在燃烧室左侧，而在LBKo时大多数燃油则分布于活塞上方。再经过40°CA充量运动所引起的差别则变得更为明显，LBKg时的混合气就变得更加均质化了，而LBKo时的混合气却存在明显的浓度梯度，特别是有两个稀薄区域。在LWOT后230°CA时充量运动对混合气均质化的影响仍然较为明显，LBKg时的混合气分布比LBKo时明显均匀，后者仍能看出具有较大的浓度梯度，直至LWOT后310°CA时这种浓度梯度依然存在，而LBKg的混合气则进一步实现均质化。总体而言，可以确定的是即使LBKg时的混合气均质化得以改善，但还是能看到零件被润湿的征兆。

图4 LWOT后130～310°CA时LBK位置的影响

（SOE=90°CA，LWOT后）

在喷油器控制始点（ASB，即喷油始点SOE）为换气上止点（LWOT）后180°CA和使用喷油器4的情况下，在喷油终了后不久同样显示出LBKg的影响（图5）。强烈的充量运动会使燃油喷束后部向气缸壁面方向偏转。在LBKo时出现气相的直线运动，在LWOT后192°CA时在液相中也能观察到此类现象。

LBKg在LWOT后200°CA时燃油喷束的偏转较为明显（图6），从那以后，在LWOT后230°CA时的混合气均质化程度与LBKo相比，则相差并不大，LBKg时气相的不均匀分布表现在排气门范围内有一个明显更为稀薄的区域。LBKo在LWOT后270°CA时燃烧室中央的稀薄区域被周围的浓混合气包围，这是比LBKg时更好的混合气分布状况。此后，在LWOT后310°时的混合气分布较为均匀且具有较小的浓度梯度。

图5 LWOT后192～196°CA时LBK位置的影响

（SOE=180°CA，LWOT后）

图6 LWOT后200～310°CA时LBK位置的影响

（SOE=180°CA，LWOT后）

4 数字试验研究

3V方案中喷油器中央布置提供了改善混合气形成的潜力，并已通过3D-CFD计算评估这种潜力。因为中置喷油器并无喷束设计可供选择，因而第一步就制定了合适的喷束方案，紧接着就对其进行了混合气形成计算，其中对部分负荷和全负荷均进行了考察。

图7作为实例示出了部分负荷LWOT和晚ASB（即SOE）（LWOT后170°CA）时的过量空气系数轮廓标图的比较。因混合时间较短而存在明显的不均匀性，特别是在侧置喷油器情况下喷油器侧燃烧室的混合气显示出燃油的不均匀分布，而且空气量相对不足。与此相比，正如所预料的那样，中置喷油器使混合气形成效果更好。与燃烧室中部平面相比，此时所存在的燃油不均匀分布通常归因于活塞顶不对称的凹坑。

从图7所示出的过量空气系数直方图中也可看出中置喷油器明显改善了混合气的形成效果。侧置喷油器情况下燃油的不均匀性表现在其过量空气系数在直方图中分布于宽广的范围内，而中置喷油器的过量空气系数则在直方图中典型地聚集在中间较窄的范围内。因为采用中置喷油器除了能促进良好的混合气形成效果还能避免润湿进气门，与侧置喷油器相比其在选择ASB时具有更高的自由度，因此使用中置喷油器能全面优化所试验的小缸径发动机的性能。

图7  在LWOT时的过量空气系数轮廓标图（上）和直方图（下）的比较

（n=1 800 r/min,pmi=0.7 MPa,SOE=LWOT后170°CA）

5 结论

光学试验研究分析已证实，LBKg会对混合气形成过程产生不利的影响，随之在热力学试验中就会使颗粒排放增加，强烈的充量运动会导致气态燃油沿着气缸壁面被压缩，从而引起燃烧室中央空气过量，而且燃油喷束会向活塞和火力岸方向偏转，导致活塞被强烈润湿，除此之外还会使进气门左侧缺乏空气流动，因而喷油器顶端与空气之间通常不会存在相互作用，这就会导致燃油汽化速度较慢，并使喷油器被强烈润湿。

数字试验研究的结果表明，与侧置喷油器相比，中置喷油器能明显改善混合气形成，并且能有效避免进气门润湿，因而在选择ASB时具有更大的自由度，从而在改善小缸径发动机性能方面具有更广阔的潜力，因此证实了在先期试验研究计划中所阐述的小缸径直喷式汽油机的发展潜力。