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1、北京，2 0 0 9 年 1 0 月 A P C 联合学术年会论文集 2 3 5 用 P L I F法研究 G D I 发动机稀燃分层 与当量比分层策略 马 骁, 何 旭, 王建昕 （清华大学 汽车安全与节能国家重点实验室，北京 1 0 0 0 8 4 ） 摘 要: 摘 要: 混合气浓度分布状态对缸内直喷汽油机(GDI)燃烧特性有重要影响， 本研究用平面激光诱导荧光法(PLIF)定量研究了 GDI 汽油机在稀燃分层和当量比分层的不同控制策略下火花塞附近的混合气分布，并根据图像结果讨论了多种策略下火花塞附近燃空比分布的状态和循环变动状态，以及对混合气分布情况的评价方法。对于平均当量比 0.4 的
2、稀燃策略，恰当的二次喷射可以在火花塞附近适宜点火的浓区。 对连续多个循环的循环变动的分析表明大部分情况下火花塞附近混合气最高浓度的变动值小于15，部分策略产生的循环变动在10以内。 关键词:关键词: 激光诱导荧光 缸内直喷 混合气 分层策略 In-cylinder Mixture Distribution Research of Stratified Lean-burn Strategy and Stratified Stoichiometric Strategy in a GDI Engine Using Laser-induced Fluorescence Abstract: Planar
3、 Laser-induced fluorescence (PLIF) was applied to investigate the in-cylinder mixture distribution of stratified lean-burn strategy and stratified stoichiometric strategy for their importance in GDI combustion characteristics. Based on the image results, F/A ratio near the spark plug under different
4、 strategies, cycle-to-cycle variation and the method to evaluate the distribution were discussed. Appropriate second injection timing led to rich area suitable for ignition near the spark plug under lean-burn strategy with a average F/A ratio of 0.4. Most strategies under stoichiometric condition ca
5、n achieve suitable F/A ratio near the spark plug. Analysis of the cycle-to-cycle variation in consecutive 20 cycles shows at most 15variation in the richest areas. Some strategies have variation less than 10. Keywords: Laser-induced Fluorescence, GDI, In-cylinder mixture distribution, stratified str
6、ategy 引言 为应对环保法规的日益严格和能源短缺的威 胁，汽油机缸内直喷(GDI)因具有可以提高压缩比、 减小油耗的优点，将成为未来先进汽油机的主流技 术1。早期的 GDI 以中小负荷节油为主要目标，发 展出了分层稀燃技术，其主要思路是通过多次喷射 或者晚喷射在火花塞附近形成浓区，以实现在缸内 平均燃空比较低的情况下可靠燃烧。此外，GDI 多 段喷射的实现分层还被用于 HCCI 等先进燃烧模 式。尽管稀燃分层策略可以有效提升燃油经济性，但常规的 GDI 稀燃分层策略带来的问题是缸内混 合气较稀，偏离了理论空燃比，普通三效催化转化 器无法工作于合适的状态，而高压缩比又促进了 NOx 的生成，
7、 因此稀燃分层策略的排放问题是一个 较难解决的问题。近年来，理论空燃比下的分层混 合气(下称当量比分层)特性成为了研究热点，在缸 内平均燃空比接近当量比的情况下控制燃油分层 状态，实现对爆震的抑制以提高压缩比改善经济性2。 稀燃或当量比分层策略中，无论缸内混合气组 织采用哪种引导模式，其核心都是控制火花塞附近北京，2 0 0 9 年 1 0 月 马 骁等： 用 P L I F 法研究 G D I 发动机稀燃分层与当量比分层策略 2 3 6 的浓区的状态以及缸内浓度梯度。研发高效节能汽 油机对缸内混合气组织提出了更高的要求，传统的 台架实验和模拟计算辅助研发设计的手段难以完 全满足研发的需要，因
8、此可视化方法作为能够直接 观测缸内混合气以及燃烧状态的手段被应用于研 发中。 激光诱导荧光法(LIF)是目前缸内混合气浓度 定量测量中较为先进的可视化方法，拥有实时性 高、适合瞬态测量，非介入，可以获得二维场图像， 可以定量等优点，被广泛应用于内燃机燃烧研究， 其研究对象包括浓度场、温度场、组分分布等4-7。 本研究基于平面激光诱导荧光法，在一台可视化单 缸 GDI 发动机上进行了 GDI 两阶段喷射稀燃分层 和当量比分层策略的研究，并根据图像结果讨论了 多种策略下火花塞附近燃空比分布的状态和循环 变动状态，以及对混合气分布情况的评价方法。 1 实验装置、方法与标定 图 1 所示为实验系统图。
9、系统由光学发动机系 统、缸压采集系统和 PLIF 系统组成。表 1 为可视 化发动机基本参数。光学发动机由单缸机改造而 成，可工作于直喷汽油机模式和进气道喷射模式。 上止点附近的气缸体为石英玻璃环，汽缸可视部分 高 20mm，延长活塞顶端安装石英视窗，活塞下方 装有 45 度反射镜， 可视直径为 82mm。延长活塞可 以更换以获得不同的余隙， 本研究中余隙为0.9mm。发动机由电力测功机倒拖转动，用 PLIF 测量缸内 混合气浓度场分布时切断了火花塞供电以防止干 扰。 表 1 发动机基本参数 类型 单杠、水冷系统 缸径 100 mm 冲程 105 mm 压缩比 13 喷射压力 7.0MPa P
10、LIF 系统由激光器、片光系统、ICCD 相机和 作为同步装置的脉冲发生器 DG535 组成。使用 Nd:YAG 激光器作为光源，激光波长 266nm，工作 频率 10Hz，能量 60mJ/pulse。激光通过光学透镜组 整形为宽 50mm的平行片光，片光经过石英环从火 花塞下方电极附近水平穿过燃烧室截面，片光有效 区域的厚度小于 1mm（位置见图 2） 。ICCD 相机置 于发动机侧面，通过 45 度反射镜获得缸内荧光的 图像。图像为 102410216bit。镜头前加装了 400-450nm 透过的带通滤光片以滤去散射激光。系 统以角标器提供的曲轴转角信号作为时钟，在火花 塞点火时刻发射激
11、光，使用 DG535 作为系统同步 控制器以触发激光、 ICCD， 缸压传感器按每度曲轴 转角记录缸内压力作为标定参考。本研究中使用异 辛烷作为汽油表征燃料，掺入 6.8的丙酮作为体 现燃料浓度的荧光示踪剂。 图 1 可视化发动机实验系统示意图北京，2 0 0 9 年 1 0 月 马 骁等： 用 P L I F 法研究 G D I 发动机稀燃分层与当量比分层策略 2 3 7图 2 石英窗可视区域和激光有效区域示意 实验中每一个拍摄条件下均取 45 幅图像平均， 单张图像被用于分析循环差异。标定是 PLIF 定量 测试技术的难点，本研究的定量标定采用同条件下 的均匀场标定。根据喷射量和气量可计算
12、出均匀场 的燃空当量比，在每一个采集图像的曲轴转角处都 取对应的均匀场图像共 45 幅，根据激光能量分布 以及衰减情况修正后作为该条件的标定参照，由此 得到荧光强度与燃空比的关系以及衰减系数，将标 定数据应用于实验结果图像，即可将 ICCD 拍摄到 的亮度信号转换为缸内燃空比信息。 PLIF 标定和求 衰减系数的原理、 相关的公式及推导详参见文献8。 2 结果与分析 2 . 1 点火时刻混合气浓度分析 稀燃分层策略与理论空燃比分层策略的第一次喷射均在 260CA BTDC，第二次喷射时刻分别 在 120CA 、100CA BTDC、80CA BTDC 和 60CA BTDC， 稀燃分层策略缸内
13、总体平均燃空比 为约为 0.4，两次喷射比例为 3:1 和 4:1。当量比分 层策略两次喷射比例为 4:1、6:1 和 9:1。 图 3 为两类策略在 25CA BTDC 时刻火花塞 附近截面上缸内混合气燃空比分布的定量结果。 120CA BTDC二次喷射在稀燃策略下浓区中心位 置离开了火花塞电极附近，其中 4:1 喷射的策略缸 内混合气比较均匀， 火花塞附近的浓区不明显。 100 CA BTDC 二次喷射在火花塞附近形成了浓区， 燃空比在 1.0-1.2 之间，适合点火。80CA BTDC 二次喷射时，稀燃 3:1 喷射形成的浓区只是边缘抵 达了火花塞附近，最浓区域位于三点钟方向，稀燃 4:
14、1 喷射形成的浓区中心到火花塞的位置相对前者 更远。 二次喷射 分层稀燃 分层当量比 时间 比例 3:1 4:1 4:1 6:1 9:1 120CA BTDC 100CA BTDC 80CA BTDC 北京，2 0 0 9 年 1 0 月 马 骁等： 用 P L I F 法研究 G D I 发动机稀燃分层与当量比分层策略 2 3 860CA BTDC 图 3 不同策略在 2 5 C A B T D C时的混合气分布120CA BTDC二次喷射在当量比策略下浓区 范围相对较大，浓区基本处于火花塞附近，但是整 体分布比较均匀。100CA BTDC 二次喷射在当量 比所有的喷射比例下，浓区中心都在火
15、花塞附近， 分层效果较好。80CA BTDC 二次喷射和 60CA BTDC 二次喷射火花塞附近只有相对均匀的稀区， 浓区尚未抵达，9:1 喷射时浓区距离火花塞最远。 两类策略均符合二次喷射的量越大，浓区中心 最高浓度越高的规律。100CA BTDC 二次喷射形 成浓区效果最好，60CA BTDC 二次喷射时所有 的策略下浓区都位于十点到十二点方位，这种状态 下不是点火的恰当时刻。 在同样的喷射比例下，可见二次喷射的时间和 涡流的状态对浓区的位置起决定性的作用，涡流旋 转的方向为浓区前进方向，实验工况下，从 120 CA BTDC 到 60CA BTDC 喷射，每推迟 20CA BTDC 进行
16、第二次喷射，浓区中心位置相对于汽缸 中心的角度方位相差约 80-100，这在一定程度 上体现出该工况条件下了缸内涡流的旋转速度。如 果改变发动机工况进而造成涡流的运动速度变化， 浓区中心运动的情况也会随之改变，因此点火策略 需作响应的调整。 理论空燃比策略下 120CA BTDC 、 100CA BTDC 第二次喷射， 在 25CA BTDC 时， 3 种比例 形成的混合气分布都形成了较好的分层的效果，火花塞附近浓度适宜点燃，外围有一定的浓度梯度， 而缸内相对于火花塞的远端混合气浓度低于 0.7， 甚至有 0.4 以下的区域，这对抑制爆震有一定的益 处。 图 4 所示为 25CA BTDC 不同策略下火花塞 附近半径 5mm 范围内混合气
