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噴油器積碳對(duì)直噴汽油機(jī)燃燒和排放的影響

2021-12-17 21:41:13·  來(lái)源：內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)  
　
汽油缸內(nèi)直噴（GDI）發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器直接在燃燒室中噴射燃油并形成混合氣，其燃燒和排放在很大程度上依賴(lài)噴油器狀態(tài)和燃油噴射質(zhì)量。由于持續(xù)暴露在缸內(nèi)高溫高壓的
汽油缸內(nèi)直噴（GDI）發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器直接在燃燒室中噴射燃油并形成混合氣，其燃燒和排放在很大程度上依賴(lài)噴油器狀態(tài)和燃油噴射質(zhì)量。由于持續(xù)暴露在缸內(nèi)高溫高壓的條件下，噴油器在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)逐漸產(chǎn)生積碳，造成噴油流量損失和噴霧質(zhì)量下降，影響缸內(nèi)混合氣形成和燃燒，進(jìn)而導(dǎo)致顆粒物排放惡化。本期推文筆者通過(guò)去除積碳噴油器的尖端積碳，并與干凈噴油器相對(duì)比，分析了GDI 噴油器去除尖端積碳前、后對(duì)噴油器尖端燃油吸附、發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒和顆粒物排放的影響。
1、試驗(yàn)裝置和方法
筆者基于GDI單缸發(fā)動(dòng)機(jī)光學(xué)測(cè)試臺(tái)架開(kāi)展試驗(yàn)，圖1為光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)示意。光學(xué)機(jī)實(shí)體和高速相機(jī)拍攝視場(chǎng)范圍如圖2所示。詳細(xì)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)見(jiàn)原文[1]。為分離出噴油器積碳對(duì)燃燒的影響，本文試驗(yàn)中光學(xué)機(jī)使用自潤(rùn)滑性材料并控制噴油壓力、噴油時(shí)刻和點(diǎn)火時(shí)刻等參數(shù)一致。光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試分別使用了一只干凈噴油器和一只積碳噴油器，測(cè)試噴油器共有5個(gè)階梯式噴油孔。圖3為測(cè)試噴油器的尖端外觀圖像，其中圖3a為干凈噴油器外觀，圖3b為積碳噴油器未去除尖端積碳外觀，圖3c為積碳噴油器去除尖端積碳后外觀。
圖1 GDI光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架示意
圖2 GDI光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)和視場(chǎng)
圖3 干凈噴油器和積碳噴油器尖端外觀
表1為光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試工況。測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)適當(dāng)調(diào)整噴油脈寬，使所有測(cè)試工況均為化學(xué)計(jì)量比燃燒，平均指示壓力(IMEP)為0.35～0.36 MPa。
表1 光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試條件
使用Photron SA X2高速相機(jī)為彩色相機(jī)，所拍攝的缸內(nèi)燃燒圖像由紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)共3個(gè)通道的單色灰度圖合成。發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒過(guò)程中的黃色火焰一般由碳煙的黑體輻射產(chǎn)生，且輻射強(qiáng)度(火焰亮度)近似與碳煙體積分?jǐn)?shù)呈正比，因而可以通過(guò)對(duì)提取的黃色火焰亮度信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析得到缸內(nèi)碳煙體積分?jǐn)?shù)相對(duì)大小。此外，還利用高速相機(jī)在定容燃燒彈中對(duì)噴油器噴油結(jié)束后尖端表面燃油液滴吸附情況進(jìn)行了拍攝。黃色火焰提取和噴油器尖端燃油吸附面積提取等詳見(jiàn)原文[1]。
2、結(jié)果與分析
圖4為不同噴油壓力下噴油器尖端燃油液滴吸附情況。可知不同噴油壓力下，積碳噴油器的尖端吸附液滴像素?cái)?shù)均明顯高于干凈噴油器。在去除積碳噴油器的尖端積碳后，尖端燃油吸附量明顯減少。對(duì)于積碳噴油器，去除尖端積碳后，燃油吸附平均像素?cái)?shù)在噴油壓力為10 MPa 和20 MPa 下分別減少78%和86%，表明積碳噴油器噴油時(shí)尖端積碳會(huì)造成明顯的燃油液滴吸附增加。這可能由以下兩個(gè)方面的因素共同導(dǎo)致：(1)噴孔內(nèi)的積碳造成近場(chǎng)噴霧特性的改變，如增加在噴孔出口處產(chǎn)生大液滴的概率；(2)相比于光滑的金屬表面，積碳的多孔疏松結(jié)構(gòu)在噴油時(shí)更容易吸附燃油。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，由于積碳覆蓋在噴油器尖端表面(圖3b)，傳熱性較差會(huì)使得噴油器頂部的溫度下降，不利于吸附燃油的蒸發(fā)。將噴油壓力從10 MPa 提高至20 MPa，積碳噴油器在去除尖端積碳前、后的燃油吸附量均有所降低，這是由于升高噴油壓力增加了噴油時(shí)的燃油流速，燃油液滴動(dòng)量更大，且流經(jīng)噴孔出口時(shí)停留時(shí)間更短，減小了被積碳吸附的概率。
圖4 不同噴油壓力下噴油器尖端燃油液滴吸附
圖5為部分代表性測(cè)試工況的缸內(nèi)壓力和放熱率曲線(xiàn)。與干凈噴油器相比，積碳噴油器的放熱率滯后，缸內(nèi)壓力峰值降低，增加噴油壓力可以緩解積碳對(duì)缸內(nèi)燃燒的負(fù)面影響，噴油壓力為20 MPa 相比10 MPa 的放熱率有所提前，且缸內(nèi)壓力增加，但是將噴射策略改為雙噴反而進(jìn)一步推遲了放熱，降低了缸內(nèi)壓力。積碳噴油器去除尖端積碳后，缸內(nèi)壓力和放熱率曲線(xiàn)十分接近干凈噴油器的結(jié)果，僅有輕微下降和推遲。單噴策略下，各測(cè)試工況下缸內(nèi)壓力和放熱率的變化與噴油器尖端燃油吸附量的變化規(guī)律較為一致。由于噴霧大液滴和尖端吸附的產(chǎn)生更多發(fā)生在噴油結(jié)束、針閥落座階段，因而雙噴時(shí)增加的一次燃油噴射極大地增加了燃油液滴吸附的概率。噴油器尖端吸附的燃油會(huì)在缸內(nèi)燃燒過(guò)程后期產(chǎn)生黃色擴(kuò)散火焰，這是導(dǎo)致放熱率推遲、缸內(nèi)壓力降低的主要原因。
圖5 缸內(nèi)壓力及放熱率
對(duì)缸內(nèi)燃燒的黃色火焰圖像進(jìn)行提取，并基于每張圖片中各像素點(diǎn)亮度(R 通道灰度值)進(jìn)行求和平均即可得到黃色火焰的統(tǒng)計(jì)信號(hào)強(qiáng)度[1]。圖6示出噴油壓力為10 MPa 下干凈噴油器、積碳噴油器和去除尖端積碳噴油器的平均黃色火焰信號(hào)強(qiáng)度?；鸹ㄈc(diǎn)火時(shí)刻為-20° CA ATDC。干凈噴油器的黃色火焰主要出現(xiàn)在缸內(nèi)燃燒中期，平均信號(hào)強(qiáng)度峰值極低，約為15° CA ATDC，主要是來(lái)自燃燒室中少量、隨機(jī)的局部濃區(qū)；積碳噴油器去除尖端積碳前、后的黃色火焰主要出現(xiàn)在缸內(nèi)燃燒后期，平均信號(hào)強(qiáng)度峰值均約為30° CA ATDC，主要來(lái)自噴油器尖端吸附燃油的擴(kuò)散燃燒。噴油器在有尖端積碳情況下的黃色火焰信號(hào)強(qiáng)度高，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，在80° CA ATDC 時(shí)仍可觀察到較為明顯的黃色火焰。去除尖端積碳后，缸內(nèi)燃燒黃色火焰信號(hào)強(qiáng)度峰值明顯降低，但仍高于干凈噴油器。
圖6 噴油壓力為10 MPa時(shí)的平均黃色火焰信號(hào)強(qiáng)度
不同噴油壓力下的平均黃色火焰信號(hào)強(qiáng)度如圖7所示。由于干凈噴油器噴油時(shí)的燃油吸附量本來(lái)就很低，增加噴油壓力對(duì)其影響不大(圖4)，因而不同噴油壓力下的平均黃色火焰信號(hào)強(qiáng)度沒(méi)有太大區(qū)別(圖7a)，且峰值都很低。圖7a中，在燃燒初期(火花塞點(diǎn)火后)也出現(xiàn)一個(gè)黃色火焰信號(hào)強(qiáng)度峰值(圖6中也出現(xiàn)，但因?yàn)楹笃谛盘?hào)強(qiáng)度過(guò)高而不突出)，主要出現(xiàn)在火花塞電極附近，可能來(lái)自于電極放電所導(dǎo)致的燃料的碳化，在點(diǎn)火后短暫時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生并迅速消失。圖7b中，噴油壓力為10 MPa和20 MPa下，在燃燒后期積碳噴油器尖端燃油吸附所產(chǎn)生的黃色火焰都很明顯，平均黃色火焰信號(hào)強(qiáng)度也明顯高于去除尖端積碳后的結(jié)果。更高的噴油壓力有利于減少尖端燃油吸附(圖4)，因而噴油壓力為20 MPa下積碳噴油器在去除尖端積碳前、后的黃色火焰信號(hào)強(qiáng)度相比10 MPa都更低。對(duì)于積碳噴油器，去除尖端積碳后，黃色火焰信號(hào)強(qiáng)度峰值在噴油壓力為10 MPa和20 MPa下分別降低74%和85%。
圖7 噴油壓力對(duì)平均黃色火焰信號(hào)強(qiáng)度的影響
圖8為不同噴油次數(shù)(單噴和雙噴，噴油壓力為10 MPa)下的平均黃色火焰信號(hào)強(qiáng)度。由于測(cè)試工況均在進(jìn)氣行程早噴且避免了噴霧撞壁，雙噴對(duì)干凈噴油器的混合氣形成質(zhì)量幾乎沒(méi)有改善，與單噴相比，缸內(nèi)燃燒過(guò)程中的平均黃色火焰信號(hào)強(qiáng)度沒(méi)有太大變化(圖8a)，且峰值都很低。但對(duì)于積碳噴油器(圖8b)，由于存在明顯的尖端燃油吸附，且兩次噴射相比于單次噴射增加了一次產(chǎn)生吸附的機(jī)會(huì)，理論上燃油吸附量也會(huì)增加，從而產(chǎn)生更多、更明顯的黃色火焰，這與圖8b中的結(jié)果非常符合。積碳噴油器在去除尖端積碳前，雙噴時(shí)的平均黃色火焰信號(hào)強(qiáng)度相比于單噴明顯增加。去除尖端積碳后，尖端燃油吸附會(huì)明顯減少(平均黃色火焰信號(hào)強(qiáng)度也明顯降低，峰值強(qiáng)度減少了約93% )，但依然存在，這是由于噴孔內(nèi)部積碳仍然會(huì)造成近場(chǎng)噴霧特性的改變，只是尖端金屬表面上燃油不易吸附或較易蒸發(fā)。因而去除尖端積碳后，雙噴還是會(huì)一定程度增加尖端燃油吸附，導(dǎo)致平均黃色火焰信號(hào)強(qiáng)度的略微增加。


圖8 兩次噴射策略對(duì)平均黃色火焰信號(hào)強(qiáng)度的影響
此外，噴油器積碳造成的黃色火焰分布情況、排氣顆粒物粒徑分布及數(shù)量濃度等信息參見(jiàn)原文[1]。
3、結(jié)論
(1)干凈噴油器噴油時(shí)的尖端燃油吸附非常少；尖端積碳會(huì)顯著增加燃油噴射時(shí)的尖端燃油吸附，燃油噴油壓力從10 MPa 增加至20 MPa 可以部分降低尖端吸附量；積碳噴油器在去除尖端積碳后，尖端燃油吸附量大幅降低78%～86%。
(2)缸內(nèi)黃色火焰信號(hào)強(qiáng)度隨燃燒過(guò)程的進(jìn)行呈現(xiàn)兩個(gè)階段的峰值；對(duì)積碳噴油器，第一峰值在燃燒初期的火花塞電極周?chē)?，第二峰值在燃燒后期的噴油器頂部附近；第二峰值主要?lái)自尖端吸附燃油帶來(lái)的擴(kuò)散燃燒，并使得放熱推遲、缸內(nèi)壓力降低，在低噴油壓力、雙噴條件下尤為突出。
文獻(xiàn)來(lái)源
[1]張文彬,張 周,馬 驍,等.噴油器積碳對(duì)直噴汽油機(jī)燃燒和排放的影響[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2021,(06):488-497.
學(xué)報(bào)簡(jiǎn)介
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