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喷油器积碳对直喷汽油机燃烧和排放的影响
2021-12-17 21:41:13· 来源：内燃机学报
汽油缸内直喷（GDI）发动机喷油器直接在燃烧室中喷射燃油并形成混合气，其燃烧和排放在很大程度上依赖喷油器状态和燃油喷射质量。由于持续暴露在缸内高温高压的
汽油缸内直喷（GDI）发动机喷油器直接在燃烧室中喷射燃油并形成混合气，其燃烧和排放在很大程度上依赖喷油器状态和燃油喷射质量。由于持续暴露在缸内高温高压的条件下，喷油器在发动机运行过程中会逐渐产生积碳，造成喷油流量损失和喷雾质量下降，影响缸内混合气形成和燃烧，进而导致颗粒物排放恶化。本期推文笔者通过去除积碳喷油器的尖端积碳，并与干净喷油器相对比，分析了GDI 喷油器去除尖端积碳前、后对喷油器尖端燃油吸附、发动机缸内燃烧和颗粒物排放的影响。
1、试验装置和方法
笔者基于GDI单缸发动机光学测试台架开展试验，图1为光学发动机台架试验系统示意。光学机实体和高速相机拍摄视场范围如图2所示。详细发动机参数见原文[1]。为分离出喷油器积碳对燃烧的影响，本文试验中光学机使用自润滑性材料并控制喷油压力、喷油时刻和点火时刻等参数一致。光学发动机测试分别使用了一只干净喷油器和一只积碳喷油器，测试喷油器共有5个阶梯式喷油孔。图3为测试喷油器的尖端外观图像，其中图3a为干净喷油器外观，图3b为积碳喷油器未去除尖端积碳外观，图3c为积碳喷油器去除尖端积碳后外观。
图1 GDI光学发动机台架示意
图2 GDI光学发动机和视场
图3 干净喷油器和积碳喷油器尖端外观
表1为光学发动机测试工况。测试过程中，通过适当调整喷油脉宽，使所有测试工况均为化学计量比燃烧，平均指示压力(IMEP)为0.35～0.36 MPa。
表1 光学发动机测试条件
使用Photron SA X2高速相机为彩色相机，所拍摄的缸内燃烧图像由红(R)、绿(G)、蓝(B)共3个通道的单色灰度图合成。发动机缸内燃烧过程中的黄色火焰一般由碳烟的黑体辐射产生，且辐射强度(火焰亮度)近似与碳烟体积分数呈正比，因而可以通过对提取的黄色火焰亮度信息进行统计，分析得到缸内碳烟体积分数相对大小。此外，还利用高速相机在定容燃烧弹中对喷油器喷油结束后尖端表面燃油液滴吸附情况进行了拍摄。黄色火焰提取和喷油器尖端燃油吸附面积提取等详见原文[1]。
2、结果与分析
图4为不同喷油压力下喷油器尖端燃油液滴吸附情况。可知不同喷油压力下，积碳喷油器的尖端吸附液滴像素数均明显高于干净喷油器。在去除积碳喷油器的尖端积碳后，尖端燃油吸附量明显减少。对于积碳喷油器，去除尖端积碳后，燃油吸附平均像素数在喷油压力为10 MPa 和20 MPa 下分别减少78%和86%，表明积碳喷油器喷油时尖端积碳会造成明显的燃油液滴吸附增加。这可能由以下两个方面的因素共同导致：(1)喷孔内的积碳造成近场喷雾特性的改变，如增加在喷孔出口处产生大液滴的概率；(2)相比于光滑的金属表面，积碳的多孔疏松结构在喷油时更容易吸附燃油。此外，发动机在实际运转过程中，由于积碳覆盖在喷油器尖端表面(图3b)，传热性较差会使得喷油器顶部的温度下降，不利于吸附燃油的蒸发。将喷油压力从10 MPa 提高至20 MPa，积碳喷油器在去除尖端积碳前、后的燃油吸附量均有所降低，这是由于升高喷油压力增加了喷油时的燃油流速，燃油液滴动量更大，且流经喷孔出口时停留时间更短，减小了被积碳吸附的概率。
图4 不同喷油压力下喷油器尖端燃油液滴吸附
图5为部分代表性测试工况的缸内压力和放热率曲线。与干净喷油器相比，积碳喷油器的放热率滞后，缸内压力峰值降低，增加喷油压力可以缓解积碳对缸内燃烧的负面影响，喷油压力为20 MPa 相比10 MPa 的放热率有所提前，且缸内压力增加，但是将喷射策略改为双喷反而进一步推迟了放热，降低了缸内压力。积碳喷油器去除尖端积碳后，缸内压力和放热率曲线十分接近干净喷油器的结果，仅有轻微下降和推迟。单喷策略下，各测试工况下缸内压力和放热率的变化与喷油器尖端燃油吸附量的变化规律较为一致。由于喷雾大液滴和尖端吸附的产生更多发生在喷油结束、针阀落座阶段，因而双喷时增加的一次燃油喷射极大地增加了燃油液滴吸附的概率。喷油器尖端吸附的燃油会在缸内燃烧过程后期产生黄色扩散火焰，这是导致放热率推迟、缸内压力降低的主要原因。
图5 缸内压力及放热率
对缸内燃烧的黄色火焰图像进行提取，并基于每张图片中各像素点亮度(R 通道灰度值)进行求和平均即可得到黄色火焰的统计信号强度[1]。图6示出喷油压力为10 MPa 下干净喷油器、积碳喷油器和去除尖端积碳喷油器的平均黄色火焰信号强度。火花塞点火时刻为-20° CA ATDC。干净喷油器的黄色火焰主要出现在缸内燃烧中期，平均信号强度峰值极低，约为15° CA ATDC，主要是来自燃烧室中少量、随机的局部浓区；积碳喷油器去除尖端积碳前、后的黄色火焰主要出现在缸内燃烧后期，平均信号强度峰值均约为30° CA ATDC，主要来自喷油器尖端吸附燃油的扩散燃烧。喷油器在有尖端积碳情况下的黄色火焰信号强度高，持续时间长，在80° CA ATDC 时仍可观察到较为明显的黄色火焰。去除尖端积碳后，缸内燃烧黄色火焰信号强度峰值明显降低，但仍高于干净喷油器。
图6 喷油压力为10 MPa时的平均黄色火焰信号强度
不同喷油压力下的平均黄色火焰信号强度如图7所示。由于干净喷油器喷油时的燃油吸附量本来就很低，增加喷油压力对其影响不大(图4)，因而不同喷油压力下的平均黄色火焰信号强度没有太大区别(图7a)，且峰值都很低。图7a中，在燃烧初期(火花塞点火后)也出现一个黄色火焰信号强度峰值(图6中也出现，但因为后期信号强度过高而不突出)，主要出现在火花塞电极附近，可能来自于电极放电所导致的燃料的碳化，在点火后短暂时间内产生并迅速消失。图7b中，喷油压力为10 MPa和20 MPa下，在燃烧后期积碳喷油器尖端燃油吸附所产生的黄色火焰都很明显，平均黄色火焰信号强度也明显高于去除尖端积碳后的结果。更高的喷油压力有利于减少尖端燃油吸附(图4)，因而喷油压力为20 MPa下积碳喷油器在去除尖端积碳前、后的黄色火焰信号强度相比10 MPa都更低。对于积碳喷油器，去除尖端积碳后，黄色火焰信号强度峰值在喷油压力为10 MPa和20 MPa下分别降低74%和85%。
图7 喷油压力对平均黄色火焰信号强度的影响
图8为不同喷油次数(单喷和双喷，喷油压力为10 MPa)下的平均黄色火焰信号强度。由于测试工况均在进气行程早喷且避免了喷雾撞壁，双喷对干净喷油器的混合气形成质量几乎没有改善，与单喷相比，缸内燃烧过程中的平均黄色火焰信号强度没有太大变化(图8a)，且峰值都很低。但对于积碳喷油器(图8b)，由于存在明显的尖端燃油吸附，且两次喷射相比于单次喷射增加了一次产生吸附的机会，理论上燃油吸附量也会增加，从而产生更多、更明显的黄色火焰，这与图8b中的结果非常符合。积碳喷油器在去除尖端积碳前，双喷时的平均黄色火焰信号强度相比于单喷明显增加。去除尖端积碳后，尖端燃油吸附会明显减少(平均黄色火焰信号强度也明显降低，峰值强度减少了约93% )，但依然存在，这是由于喷孔内部积碳仍然会造成近场喷雾特性的改变，只是尖端金属表面上燃油不易吸附或较易蒸发。因而去除尖端积碳后，双喷还是会一定程度增加尖端燃油吸附，导致平均黄色火焰信号强度的略微增加。
图8 两次喷射策略对平均黄色火焰信号强度的影响
此外，喷油器积碳造成的黄色火焰分布情况、排气颗粒物粒径分布及数量浓度等信息参见原文[1]。
3、结论
(1)干净喷油器喷油时的尖端燃油吸附非常少；尖端积碳会显著增加燃油喷射时的尖端燃油吸附，燃油喷油压力从10 MPa 增加至20 MPa 可以部分降低尖端吸附量；积碳喷油器在去除尖端积碳后，尖端燃油吸附量大幅降低78%～86%。
(2)缸内黄色火焰信号强度随燃烧过程的进行呈现两个阶段的峰值；对积碳喷油器，第一峰值在燃烧初期的火花塞电极周围，第二峰值在燃烧后期的喷油器顶部附近；第二峰值主要来自尖端吸附燃油带来的扩散燃烧，并使得放热推迟、缸内压力降低，在低喷油压力、双喷条件下尤为突出。
文献来源
[1]张文彬,张 周,马 骁,等.喷油器积碳对直喷汽油机燃烧和排放的影响[J].内燃机学报,2021,(06):488-497.
学报简介
《内燃机学报》是由中国内燃机学会主办的国家级高级学术刊物，是国务院学位委员会与研究生教育中文重要期刊，是中国科技论文统计用刊，被工程索引(EI)等多个国内外数据库收录，多年来一直位居我国“中文核心期刊要目”能源与动力工程类前列。《内燃机学报》主要刊载内燃机方面有较高学术价值和应用价值的学术性论文，在海内外有广大的读者群，是内燃机工作者的良师益友，欢迎登录《内燃机学报》官方网站（www.transcsice.org.cn）投稿。
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