利用光电测量技术对GDI发动机炭烟进行研究

作者:李志峰 彭苏亮 刘亮 文章来源:声运技术 (Sonus Technologies) 发布时间:2018-03-29
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基于光纤火花塞FOSP(Fibre Optic Spark Plug)的光电测量技术不仅可以检测炭烟在燃烧室内的产生位置、燃烧循环内的产生时刻,而且可以计算炭烟指数,从而对炭烟进行定量化分析。

由于兼顾发动机高性能、低排放和良好燃油经济性等特点,缸内直喷汽油机(GDI)近年来得到了广泛应用。但GDI发动机容易产生炭烟(Soot)颗粒物排放,与越趋严苛的排放法规似乎背道而行。目前,如何解决GDI发动机的炭烟问题已成为了汽油发动机工程师们绕不开的议题。

本文将介绍利用新型的光纤火花塞FOSP(Fibre Optic Spark Plug)测量技术,检测在发动机燃烧循环内炭烟所产生时的曲轴转角,以及炭烟在燃烧室内产生的位置,继而定义炭烟指数SRN(Soot Reference Number),定量研究不同点火提前角、空燃比和喷油角等参数对炭烟生成和分布的影响。通过这种定位和定量的方法来检测及评估缸内的炭烟,为工程师研究如何降低缸内GDI发动机炭烟排放提供新的思路和方向。

炭烟成因

缸内直喷汽油机由于混合气混合的时间短,燃料边混合边燃烧,会出现局部混合不均匀,在高温缺氧的条件下燃烧会产生尺寸极小(一般为纳米级)的固体颗粒。炭烟生成过程比较复杂,涉及喷雾破碎、液滴蒸发、喷雾撞壁、壁面油膜形成与蒸发、点火和燃烧等复杂的物理化学过程等。

降低炭烟的方法

在目前技术条件下,减少炭烟生成主要有三种技术手段,包括①改进燃油:脱硫,重整,提升燃油品质;②机内净化:优化进气道、燃烧室和喷油器等,优化标定参数和策略,改善燃烧状态;③机外净化:采用后处理技术,加装颗粒物捕集器。

对于发动机工程师而言,采用机内净化方式,优化燃烧系统和标定参数,是从根本上减少炭烟生成和排放的行之有效的途径。因此只有了解燃烧室内炭烟的产生位置,特别是燃烧循环内的炭烟变化情况,才能进行诊断分析并制订应对措施,确定最优的喷油和燃烧配置,使炭烟排放最低。

光电测量技术及其应用

1.光纤测量技术

图1 光纤火花塞及光电倍增器试验布置

图1 光纤火花塞及光电倍增器试验布置

由于常规技术手段无法得到炭烟的缸内分布和等级,试验中采用了德国SMETEC公司的光纤火花塞FOSP(Fibre Optic Spark Plug)。集成在火花塞中的光纤在弯曲状态下也可以传导光,使得燃烧室内的炭烟检测成为可能。燃烧室内的燃烧火焰亮光经光纤实时传输到感光元件,再通过光电转换器将火焰亮光转换成电压信号,最后通过燃烧分析仪进行信号采集、处理和分析。图1显示了内嵌8 根光纤的火花塞连接至光电倍增器PMT(Photomultiplier Tube)。

图2 光纤火花塞布置方案和观察范围示意

图2 光纤火花塞布置方案和观察范围示意

炭烟可能在燃烧室内的不同位置生成,如活塞顶部、缸壁和喷油器附近等。为了保证发动机和火花塞原有的特性不发生改变和确定炭烟的产生位置,试验采用了在发动机原配的量产火花塞中加入12根光纤,其中4根布置在火花塞轴向,朝向活塞方向,光纤探头角度为 0°,另外8 根布置在火花塞径向,光纤探头角度根据燃烧室形状进行定制,朝向缸壁的各个方位,如图2所示。这样的布置可探测燃烧室内周边区域和中部区域,以研究火焰及炭烟在燃烧室内形成和扩散的过程。此外,为了方便在光电测量的同时测量缸内压力,亦可在光纤火花塞中集成缸压传感器。

2.炭烟检测及分析

(1)炭烟指数

图3 光纤测量得到的不同炭烟指数和等级

图3 光纤测量得到的不同炭烟指数和等级

为能够对炭烟进行定量分析,用可定义炭烟指数SRN(Soot Reference Number)来衡量炭烟的多少。SRN是无量纲单位,以无炭烟时的燃烧亮度(图3左上角的曲线显示了无炭烟时的燃烧情况)作为基准,将有炭烟时的燃烧亮度与基准进行比较。图3中其他三个曲线显示了不同程度炭烟的燃烧情况。与基准的差别越大,SRN指数越大,表明炭烟越多,反之越少。根据炭烟指数SRN的大小,可将炭烟分为以下四种不同等级(见表)。

表 不同的炭烟等级

表1 不同的炭烟等级

根据每根光纤的光电信号,可得到该光纤对应区域的SRN,确定该区域的炭烟等级。为了研究如何减少炭烟,需要了解在不同的标定参数下,炭烟等级和分布情况,从而进行有针对性的优化标定。

(2) 点火提前角对炭烟的影响

图4 点火提前角对炭烟的影响

图4 点火提前角对炭烟的影响

图4显示了某工况下调整点火提前角对炭烟等级和分布的影响结果。从图中可以看到,在靠近喷油嘴处的炭烟要比远离喷油嘴处的炭烟指数大,且靠近排气门更大一些,达到中度炭烟的程度。这是由于喷油嘴处的残留油滴在排气行程时燃烧造成炭烟增多。

早点火(点火提前角为 4.5 ºCA,图中所示为绿色线)下的炭烟指数要小于迟点火(点火提前角为 0 ºCA,图中所示为黑色线)。总体而言,在转速和负荷不变的情况下,只调整点火提前角对炭烟指数的影响并不大。

(3) 空燃比对炭烟的影响

图5 空燃比对炭烟的影响

图5 空燃比对炭烟的影响

图5显示了某工况下调整空燃比对炭烟等级和分布的影响结果。从图中可以看到,燃烧室中部靠近喷油嘴处炭烟产生得多一些。在转速和负荷不变的情况下调整空燃比,空燃比越小,炭烟指数越大。这也可以验证当空燃比越小,即混合气越浓时,产生的炭烟越多。且在转速和负荷都不高的情况下,炭烟含量都比较轻微。

(4) 喷油角对炭烟的影响

图6 喷油角对炭烟的影响

图6 喷油角对炭烟的影响

图6显示了某工况下调整喷油角对炭烟等级和分布的影响结果。从图中可以明显看到,喷油角越大,在燃烧室中部区域产生的炭烟越多,而在燃烧室边缘,炭烟并不随着喷油角的变化而明显变化。在喷油角320 ºCA之前,炭烟含量都比较轻微;当喷油角调整为320 ºCA 时,燃烧室中部的炭烟指数显著增加,达到中度炭烟。这是因为在320 ºCA时,活塞接近上止点,此时喷射出的燃油大量击打在活塞顶部,因此燃烧时产生了大量炭烟。

总结

基于光纤火花塞FOSP的光电测量技术不仅可以检测炭烟在燃烧室内的产生位置,而且可以计算炭烟指数,对炭烟进行量化分析。根据多根光纤的测量数据,可以非常容易地获得在燃烧循环内炭烟在燃烧室内各区域的产生和分布情况,有助于工程师对炭烟产生的原因进行分析。通过调整不同的标定参数,可以实时测量在不同的标定参数下炭烟的分布变化,快速、直观地进行炭烟量化分析和优化。这样工程师可以更有针对性地进行炭烟的优化和标定,减少炭烟的产生和排放,提升发动机性能。 

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