柴油机燃用汽油燃料直接压燃燃烧特性光学诊断
刘海峰 ，唐青龙 ，郑尊清 ，尧命发
（1. 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072 ）
摘要：本文在一台光学发动机上，对1200 r/min转速下柴油机燃用汽油燃料直接压燃燃烧特性开展光学诊断测量。首先研
究了缸内不同喷射时刻对汽油压燃燃烧特性影响，发现燃油在某个喷射时刻区间内撞击到燃烧室或缸套表面，并来不及形成所需的混合气浓度分布，导致燃烧反应只进行到低温反应阶段，在膨胀后期局部存在大量甲醛分布，缸内发生失火。针对-25°CA ATDC喷射时刻的燃烧特性研究发现，火焰发展速度可以达到55 m/s、高于传统汽油机，表明了其更好的定容燃烧特性；燃烧后期的膨胀冲程仍存在OH的广泛分布，可以促进碳烟的后期氧化。通过两次喷射研究发现，通过优化喷射燃油比例，可以有效的避免早喷燃油湿壁，两次喷射具有更多的自燃着火点、燃烧反应速率更快，是不同工况下优化汽油压燃燃烧过程的有效控制策略之一。
关键词：光学发动机；汽油压燃；光学诊断；喷射时刻；激光诱导荧光
先进燃烧技术始终是内燃机研究的热点和前沿课题。例如，以均质压燃（HCCI）为代表的新型燃烧可以实现超低NOx和碳烟排放同时，获得更高的热效率而得到广泛研究。但HCCI面临着运转工况范围有限、着火时刻控制困难等挑战[1]。之后，高比例EGR稀释柴油机低温燃烧，通过在上止点前20o CA或更晚的喷射时刻，实现通过喷油时刻控制着火时刻的目的，而过晚喷油时刻导致滞燃期较短，混合不充分的弊端通过大比例EGR来拓展滞燃期，改善混合过程，而且大比例EGR的稀释降低了燃烧温度，抑制了NOx和碳烟的生成。但柴油机低温燃烧由于大比例EGR稀释，导致UHC和CO排放很高，而且在负荷提高后，也无法通过大比例EGR来实现低温燃烧了。这主要是因为实现低温燃烧需要引入的EGR量过高，很难实现。Noehre等人[2]研究发现当IMEP达到15bar时，需要引入至少 70% EGR实现喷油与燃烧的分离，即着火前喷油已经结束。
因此国内外研究人员便提出通过改变燃料特性，降低燃料十六烷值，通过燃料延长滞燃期，降低对EGR的依赖。Kalghatgi 等人 [3, 4] 直接利用直喷柴油机喷射汽油燃料，获取足够的点火延迟，之后汽油燃料被缸内压缩后的高温高压环境直接压燃。Manente等人[5]新近研究发现，汽油压燃IMEP可以实现25bar负荷，同时具有低的NOx和碳烟排放，当然这个过程是包括中等EGR、分段喷射、喷油器改进等一系列优化后的结果。另一方面，汽油压燃小负荷运转不稳定的问题可以通过气门策略回收热废气或是火花辅助等方式进行控制[6,7]。
尽管汽油压燃具有满足全负荷高效清洁燃烧的潜
力，但目前研究主要聚焦于台架试验，对其燃烧机理的认识还存在很多不足。直接对内燃机燃烧室内部进行观察与测量的可视化技术可以更直观清晰地了解燃烧发生和发展的特征规律，加深对燃烧过程的理解；也可以为燃烧系统的评价和改进以及为指导发动机燃烧系统的设计提供依据。
利用燃烧火焰发光记录缸内燃烧过程是最直接简单的方法，它可以从宏观上观测到一个循环内不同曲轴转角下燃烧火焰及自由基的发展历程，广泛应用于内燃机缸内光学诊断研究中。近20年来，随着激光技术方展，为内燃机缸内光学研究提供了更多手段，通过把激光点光源转换为2维片状光源，可以详细研究混合气浓度分布，燃烧内部结构，如甲醛、OH、NO、碳烟等物质的空间、时间和浓度分布状况，同时还可以提供各种不同物质浓度定量或半定量信息 [8-10]。
本文通过多种光学诊断方法，研究了缸内不同汽油喷射时刻以及两次喷射条件下汽油压燃燃烧特性，并针对晚喷工况下汽油压燃的燃烧特性开展详细研究，从而揭示在高压共轨柴油机上直接实现汽油压燃这种新型燃烧方式的燃烧特征。
1 试验装置和方法
试验在一台光学发动机上进行，该光学发动机由一台二气门顶置凸轮轴、自然吸气的四缸直喷柴油机改造而成，缸径92 mm，行程100 mm。光学发动机试验简图如图1所示。燃油喷射量和喷射时刻的控制由一套多参数可控的高压共轨燃油喷射系统完成，该系统可以实现喷油时刻、喷油量、喷油压力和喷油次数灵
作者简介：刘海峰（1981－），男，博士，副教授，研究方向：发动机先进燃烧理论和技术。 E-mail: haifengliu@tju.edu.cn
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