专题

白皮书:直喷汽油机碳烟的光学检测与诊断分析

 

1 前言

发动机碳烟是老生常谈的问题,也是发动机开发过程中一直需要优化改善的重点。 在传统的发动机开发过程中,发动机碳烟更多是柴油机需要解决的问题;但随着近些年汽油发动机特别是汽油直喷发动机的研发,以及愈趋严格的排放法规要求,燃烧室碳烟 问题也成为汽油发动机需要迫切攻克的难题。

汽油直喷发动机由于燃油直接喷入气缸内,与空气进行混合的时间短,燃油局部过浓和湿壁,以及喷油嘴的燃油液滴泄漏,积碳吸收燃油饱和后的燃油释放,都有可能产生碳烟颗粒物。

由于碳烟的产生机理复杂多样,常规的测试手段难以准确、全面地了解燃烧室内碳烟的产生过程。本文介绍了运用光纤火花塞测量技术对燃烧室碳烟的检测,分析了不同标定参数变化对碳烟程度等级及分布的影响。 

 

2 愈趋严格的排放法规

目前,国内的汽车排放法规已经到了“国五”标准,“国六”标准在制定当中,将于近期发布,排放法规愈趋严格。国内的排放法规一直紧随欧洲的排放法规标准。图 1 显示了欧洲对汽油机排放标准历年的变化进程。

图1 欧洲排放标准变化进程

图1  欧洲排放标准变化进程

从图 1 可以看到,欧洲对汽油机的排放标准,从欧五标准开始增加了针对 SIDI(汽 油直喷技术)碳烟颗粒物的要求。SIDI 对于欧美系汽车企业来说,技术相对成熟;但 对于国内研发直喷汽油机的企业来讲还处于起步和发展阶段。随着国五标准的陆续实施, SIDI 已成为国内汽车企业的研发热点。欧五和国五排放标准对 SIDI 碳烟颗粒物排放 要求的增加,意味着对于国内开发直喷汽油机的企业来说,需要迫切研究如何降低碳烟颗粒物。

 

3 光纤火花塞测量技术介绍

要研究如何降低碳烟颗粒物的排放,首先需要了解燃烧室内碳烟的产生根源和分布,特别是燃烧循环内的碳烟变化情况。

德国 SMETEC 公司开发了光纤火花塞测量技术,可以伸入到燃烧室内对碳烟进行 检测。其原理是将多根光纤集成到火花塞内,燃烧室内的燃烧火焰亮光通过光纤传输到 感光元件,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 2 显示了光纤火花塞和光电倍增管,8 根光纤一端内置于火花塞中,另一端连接 光电倍增器,其中的光电倍增管(Photomultiplier tube)将光信号转换为电信号。

图2 光纤火花塞及光电倍增器

图2  光纤火花塞及光电倍增器

为了检测燃烧室内的碳烟分布,需要在火花塞内布置多根光纤,即可以探测燃烧室内周边区域,也可以探测中部区域。下面的示意图显示了光纤的布置和观察范围。

图3 火花塞内光纤布置和观察范围示意图

图3  火花塞内光纤布置和观察范围示意图

德国 SMETEC 公司采用独特的加工技术可将多达 12 根光纤同时集成在一个火花 塞内。不仅可以在任何普通的量产火花塞上进行加工,无需特制火花塞(特制火花塞有 可能改变了火花塞的原有特性);而且可以在火花塞型缸压传感器上进行加工,同时进 行缸压测量。

布置 12 根光纤能够探测到燃烧室内的各个方位。这些光纤的布置通常是在火花塞 轴向布置 4 根光纤,探头角度为 0°,朝向活塞方向;径向布置 8 根光纤,探头角度为 0~90°,可以根据燃烧室形状进行定制化设计和制造,朝向缸壁的各个方位。这样 12 根光纤的布置可以探测到火焰在燃烧室内形成和扩散的过程。图 4 和图 5 显示了某光 纤火花塞的布置方案和观察范围示意图。

图4 12根光纤布置

图4  12根光纤布置

图5 观察范围示意图

图5 观察范围示意图

对 12 根光纤进行编号,每根光纤对应燃烧室内地一个检测区域,这样将燃烧室也相应地划分为 12 个区域,如图 6 所示。

图6 12根光纤对应区域

图6  12根光纤对应区域

4 碳烟检测及分析

4.1 碳烟指数

为能够对碳烟进行定量分析,SMETEC 定义了碳烟指数 Soot Reference Number (SRN)来衡量碳烟的大小。SRN 是无量纲单位,以无碳烟时的燃烧亮度(图 7 左上 角的曲线显示了无碳烟时的燃烧情况)作为基准,将有碳烟时的燃烧亮度与基准进行比 较。图 7 中其它三个曲线显示了不同程度碳烟的燃烧情况。如基准的差别越大,SRN 指数越大,表明碳烟越多,反之越小。

根据碳烟指数 SRN 的大小,可以将碳烟分为以下四种不同等级: 

表1  不同的碳烟等级

表1 不同的碳烟等级

 

根据每根光纤的测量数据,可以得到该光纤对应区域的碳烟指数值,确定该区域的碳烟等级。如图7所示为3#光纤所对应的区域(见图6)不同的碳烟指数情况。

图7 3#光纤检测的不同碳烟等级

图7  3#光纤检测的不同碳烟等级

为了研究如何减少碳烟,需要了解在不同的标定参数下,碳烟等级和分布情况,从而进行有针对性的优化标定。

 

4.2 点火提前角对碳烟的影响

图 8 显示了某工况下调整点火提前角对碳烟等级和分布的影响结果。

图8 点火提前角对碳烟的影响

图8 点火提前角对碳烟的影响

从图中可以看到,在靠近喷油嘴处的碳烟要比远离喷油嘴处的碳烟指数大,且靠近 排气门更大一些,达到中度碳烟的程度。这是由于喷油嘴处的残留油滴在排气冲程时燃 烧造成碳烟增多。而早点火(点火提前角为 4.5°CA,图中所示为绿色线)下的碳烟指 数要小于迟点火(点火提前角为 0°,图中所示为黑色线)。但总体而言,在转速和负荷 不变的情况下,只调整点火提前角对碳烟指数的影响并不大。

 

4.3 空燃比对碳烟的影响

图 9 显示了某工况下调整空燃比对碳烟等级和分布的影响结果。

图9 空燃比对碳烟的影响

图9  空燃比对碳烟的影响

从图 9 也可以看到,燃烧室中部靠近喷油嘴处碳烟产生得多一些。在转速和负荷不 变的情况下调整空燃比,空燃比越小,碳烟指数越大。这也可以验证当空燃比越小,即 混合气越浓时,产生的碳烟越多。且在转速和负荷都不高的情况下,碳烟含量都比较轻微。

 

4.4 喷油角对碳烟的影响

图 10 显示了某工况下调整喷油角对碳烟等级和分布的影响结果。

图10 喷油角对碳烟的影响

图10  喷油角对碳烟的影响

图 10 可以明显看到,喷油角越大,在燃烧室中部区域产生的碳烟越多,而在燃烧 室边缘,碳烟并不随着喷油角的变化而明显变化。在喷油角 320°CA 之前,碳烟含量 都比较轻微;一旦喷油角调整为 320°CA 时,燃烧室中部的碳烟指数快速增加,达到 中度碳烟。这是因为在 320°CA 时,活塞位于上止点附近,此时喷射出的燃油都击打 在活塞顶部,因此燃烧时产生了大量碳烟。

 

5 总结

通过光纤火花塞测量技术不仅可以检测碳烟的产生,而且基于光纤的火焰亮度信号计算碳烟指数,对碳烟等级进行定量化分析。

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碳烟在燃烧室内各区 域的产生和分布情况,有助于工程师对碳烟产生的根源进行分析判断。

通过调整不同的标定参数,可以全面、准确了解碳烟等级和分布,这样工程师可以 更有针对性地进行碳烟的优化和标定。

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