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中国工程热物理学会 燃烧学 学术会议论文 编号： 进气涡流对火焰速度影响的分析 1 1 1,2 2 1 2 1 杨杰 ，许敏 ，孔令逊 ，庄瀚洋 ，田少雄 ，杨文璟 ，陈豪 （1. 上海交通大学 机械与动力工程学院 汽车电子控制技术国家工程实验室， 上海 200240 2. 上海交通大学 密西根学院 上海 200240） (yangjiejt@; mxu@ ; dhung@) 摘 要 直喷汽油机燃油经济性和排放性能的提升依赖于对发动机缸内过程的可视化研究。本实验中 调节进气涡流，同时采集发动机缸内压力与燃烧图像，利用后处理软件计算出火焰面积，火焰边界进 而得到火焰重心速度与火焰扩散速度。研究发现高涡流比下火焰重心移动速度快，较快的火焰移动速 度导致燃烧速度加快，最终导致发动机性能的提升。 关键词 可视化发动机；缸内燃烧；火焰图像；进气涡流；火焰速度 前言 在当前汽油机发动机领域内，缸内直喷技术作为最先进的燃油喷射技术，在提高燃 油燃烧效率以及降低排放物等方面有着优越的表现[1]。燃油喷雾与进入缸内的空气的接 触与混合过程会显著的影响燃烧过程同时影响发动机的扭矩输出。理想的匀质的油气混 合气该在火花塞点火之前便已在发动机缸内充分形成，但由于种种现象与运动的复杂的 互相耦合与影响，使得发动机中的各个过程并不能时时处于最优状态。众所周知，即使 在相同的环境条件下，发动机的运作也并不能保证每个循环都严格的完全一致，这主要 是由于缸内的湍流运动所产生的[2, 3]。较差的工作循环会产生失火或者部分燃烧等不完 全燃烧现象，在这些循环下未完全燃尽的油气混合物会被直接排出发动机外进入到空气 中，这不仅恶化了发动机的排放水准同时也无端的增加了燃油消耗。 对于发动机循环波动的研究已经在该领域内被研究多年了，广泛的综述性论文对于 循环波动性已有全面概述。其中一部分原因是发动机气缸内的燃油与空气混合物的形成 过程在各个循环之间是不同的，尤其是恰好在点火时刻前火花塞位置附近的燃油分布情 况[4,5]。因此，在点火时刻后初始火焰传播的过程中的火焰特征与燃烧稳定性之间也会 存在一定的关联。这种初始火焰的特征即使有很小的变化，也能够引发指示平均有效压 力的很强的波动性，因此对于火焰初始阶段的研究将有助于帮助人们揭示其中的关联并 加强对于初始火焰传播过程的理解。 对于火焰的研究依赖于可视化技术的发展，在以前针对基础燃烧的研究过程中已经 开发出了不少利用高速相机与激光相结合的激光测试技术，但是对于发动机这种包含复 杂组件与运动的设备来说，可视化发动机或光学发动机的发展对于实现缸内可视化起到 了重要的推进作用。与传统的传感器数据采集测量相比，光学发动机中的可视化技术能 提供更加全面的数据信息。同时由于高速相机的开发与图像处理方法的发展，现在的研 究者已经能够准确而全面的提取出每个曲轴转角甚至更短时间间隔内发生的现象的特 征，例如火焰前锋面的传播，火焰整体结构，火焰速度以及循环波动性等。因此相比于 传统的测量方式，可视化研究在学术领域起着重要的作用，许多研究者以此发表出大量 的学术成功推动该领域的发展[6-10]。例如，有研究者对于直喷汽油机的稀薄燃烧过程的 燃烧波动性进行了可视化研究，他们发现火核的形成过程对于后续的燃烧阶段有着重要 的作用[11]。同样的发现也存在于另外的研究成果中[12]，早期火焰的出现位置与增长速 率的波动性是引起整个缸内压力循环波动性的主要原因。 追溯对早期火焰形成过程的各种影响，研究者们发现发动机的充气过程在这其中起 到重要的作用。充气运动不仅会影响燃油与空气的混合效果，同时也会推动火焰本身的 传播，因此对充气过程的研究已经发展成为提高内燃机燃烧效率的重要方向。许多产品 型发动机配备有涡流控制阀来增强缸内空气流动。有研究表明这种强烈的涡流运动相比 于低涡流将会导致较差的匀质油气混合物形成，但是对于加强火焰传播过程有着重要的 强化作用[16] 。对于进气涡流运动推动的究竟是油气混合过程还是火焰传播速度也有着 一定的分歧，因此有研究通过使用分子标记测速(MTV)来研究