火花点火发动机燃烧热力学和光学联合分析方法的评价外文翻译资料

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火花点火发动机燃烧热力学和光学联合分析方法的评价

摘要:

对火花点火发动机燃烧分析的研究一般包括气缸压力痕迹和废气排放量的测量。结合热力学和光学调查可以提供显着的洞察具体现象和更完整的燃烧过程。虽然后一类探测技术提供了局部火焰和流体特性的信息，但气缸内压力的测量确保了在燃烧室内发生的复杂过程的快速和成本竞争分析。通过使用这两种方法之间的不同的现象，可以得到有价值的关联，从而提供了一种基于实验试验的完整视图。这项工作的目的是评估能力，不同的数据分析程序，以提供准确和相关的结果，对燃烧的发展，以及两种类型的测量之间的对应关系。在每一类调查方法中，对三种气缸压力分析和三种成像技术的热力学模型进行了比较，并对结果进行了综合评价，以评估每个过程。更复杂的热力学模型，包括以提供更好的初始燃烧相位精度是一个传热相关，相比其他两个简单的方法。

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1.简介

火花点火（SI）发动机中的湍流燃烧以及与缸内现象有关的特点是复杂的流体动力学和热-化学相互作用，它们在时间和长度上有很大的差别[ 1 ]。在汽油机燃烧最关键的阶段是初始火焰核增长”对应的，通常持续0–质量分数5%烧伤（MFB）[ 2 ]。紫外-可见数字成像的初始火焰核增长已被证明是特别有用的研究燃烧行为点火[ 3,4 ]。此外，激光诱导荧光（LIF）实验和火焰核生长模型表明，燃烧速率的循环变异程度可以用空气-燃料比（5 - 7）的局部变化来解释。2d化学发光测量是一个强大的工具，使整个燃烧过程的演变是遵循从点火到排气阶段，在火焰传播的早期阶段的特殊利益。特别是，自然排放强度从基，喜欢哦，CH，和HCO，是放热的一个很好的指标。

在发动机火焰[4,8 ]模式和反应速度。化学发光法的局限性之一是由于获得了完整的视线信息，难以区分局部火焰特征。结合光学和热力学的研究可以识别某些现象可以影响由于燃油性能的发动机性能的影响，如不同的蒸发特性醇类汽油相比，[ 9 ]。进行此类研究的基本前提是记录整个工作周期内的气缸压力。基于压力测试的燃烧分析是一个众所周知的和成本有效的解决方案。即使如最大压力等级或位置这一点简单的评估可以是非常有用的故障检测[ 10 ]和检索信息在燃烧开发或评估爆震强度[ 11 ]。在气缸压力迹线也用于校准计算流体动力学（CFD）。CFD模拟可以提供良好的精度和正确预测燃料的影响，当使用替代能源，如氢[ 12 ]，这是非常不同的特点相比，传统的。复杂的现象，如缸内直喷发动机喷雾进化可以通过结合不同的模型[ 13 ]准确模拟复杂的进气系统结构[14 ]和可变的阀门驱动[ 15 ]的控制策略可以降低成本研究使用CFD代码。然而，他们对计算资源的要求非常高，仍然依赖于需要校准的经验相关性。此外，他们不能正确地预测随机现象，如爆震[ 16 ]。不太复杂的热力学模型，确保精度和计算量[ 17 ]，可用于CFD代码更快的收敛的一个很好的折衷。利用这种热力学模型，即使是非定常效应，也能在一定程度上预测循环变异性[ 18 ]。然而，所有这些方法用于汽油机燃烧分析，有局限性，需要改进，以提供准确和相关的结果可以用来制定电力火车和固定的下一代应用程序优化的解决方案。

A. Irimescu等人。/能源转换和管理87（2014）914 - 927 915

命名

面积（m2）r参考

b孔（m）u未燃

c常数（-）或（m k 1 S 1）w墙

h高度（m）或比焓（j kg 1）

质量（公斤）缩写

n多变系数（–）下止点

发动机转速（RAD S 1）或数字（-）CAD曲轴转角度

p（PA）CCD电荷耦合器件

q热（j）变异系数

平均速度（M 1）缸内直喷直接喷射火花点火

燃烧温度（k）

你内在的能量（J）排气阀关闭

V体积（m3）排气门开启

W流体特征速度（M 1）平均指示压力

c比热比（j kg 1 K 1）下腔静脉瓣关闭

Q密度（公斤米3）进气阀开

激光诱导荧光

下标MFB燃烧

燃烧压力比

间隙火花点火

d位移SOS开始火花（与A后）

燃油上止点（B为前，后为A）

高温换热床体积分数烧

M动力全开油门

P活塞

本文的目的是在气缸燃烧过程的早期阶段，直至火焰到达光学极限的点，在火花点火发动机，全面的看法，对周期变化的周期。在装有商用汽油涡轮增压发动机的气缸盖和喷射系统的SI光学发动机上进行了实验。通过混合热力学测量和紫外可见数字成像，研究了稀薄空气-燃料混合条件下的三个曲轴转速。考虑到主要的困难在气缸压力的分析是在燃烧的第一阶段获得相关的结果，计算体积分数烧了一些方法的影响（VFB）是与火焰面积计算使用光学调查结果的相关性评估。后者的技术提供一个很好的解决火焰面积几度点火后，他们被认为是作为一个参考，当比较不同方法分析振动流化床。采用三种热力学模型测定燃烧参数和燃烧体积演化。针对广泛使用的传热模型，提出了一种新的标定方法，使计算值即使在初始阶段也可用于燃烧分析，并大大减少了其他两种方法的用户输入量。对振动流化床的相关结果与火焰区评估使用三种不同的图像处理方法进行比较。

2.实验装置和方法

用于实验的发动机是单缸直喷式汽油机的光学访问。它配备了同一缸径的商用SI涡轮增压发动机的气缸盖。有关发动机的详细情况见表1。

压缩比可以通过放置在活塞顶下的垫片进行修改，这项研究的价值是10.6。所有的调查都使用商业汽油研究法辛烷值（RON）95行。发动机转速设定在三个不同的值，1000, 1500和2000转/分钟，在节气门全开（WOT）。注射时间的调整，–相对空气燃料比（或lambda;）保持约1.3的价值，对稀燃极限；喷油始点设定在300l BTDC，从而保证均质操作。点火提前角是在为了所有曲轴旋转速度15l BTDC评价火焰燃烧特性的发展大致相同的热力学条件。

每个发动机的工作状态，测试过程中进行连续200次没有跳过射击，经过1分钟的热身期联动条件。被视为200个燃烧周期中的160个被检测到的光学数据。收集了两个不同的图像序列：第一个图像序列是通过在TDC上获得所有图像来获取的；第二个图像的采集周期每周期延迟0.2次。实验装置的示意图如图1所示。即使用于测量发动机的特点略有不同的特性（如活塞顶几何）相比，生产机组，对火焰的传播的主要驱动力是相同的；因此，结果可以被认为是高度相关的汽车应用以及。同时，由于流体速度（与湍流强度对燃烧发展的主要影响）尺度合理与活塞速度，该程序可以应用于更广泛的操作参数，尤其是光学引擎汽缸头的是从商业的缸内直喷装置。

表1

2.1 压力测量与热力学分析

一个石英压力传感器被冲装在火花塞侧面的进排气阀之间。该传感器可以与plusmn;0.5%气缸压力测量精度的实时执行；进气压力被安装在进气歧管的测量采用压阻式传感器的精度plusmn;1%。压力值是通过触发基于与分辨率0.2l光学曲柄角度编码器的数据采集系统，活塞运动相关。与plusmn;准确性1%、气体分析仪测量燃油流量被用于测量CO2、HC、NOx、O2、CO与plusmn;3%错误。鉴于上述的精度水平平均在1%plusmn;误差水平，考虑通过简化如考虑所有的化学物种作为理想气体[ 19 ]误差计算是有效的压力，精度可以被评价为一个正常的范围内对内燃机的相关调查。在点火结束前，TDC前的点火提前角作为点火提前角。

除非另有规定，所有其他的曲柄角度的参考是在关系到制造相同的点（即开始扩张（TDC）。

压力痕迹均连续200次以减少噪声和平均发动机参数如平均指示压力循环变动的影响（IMEP）和变异系数（COV）。在[ 20 ]的详细程序用于计算这些参数；值得注意的是，平均指示压力指的是净价值（即包括进气、膨胀冲程）。录得显着差异，即使在同一发动机平均速度记录的痕迹，喷油时间和点火提前设置，因为空气相对–燃料比接近可燃极限（图2；看到“重复”和“顺序”的含义一小节）；这些差异进一步强调循环变化的影响。这是相对较低的重要性，因为热力学和光学结果的联合研究，压力跟踪需要分析每个周期对应的曲柄角分辨图像。为此，使用一个等效于一个曲轴转角旋转周期的滑动平均滤波器进行数据平滑。需要注意的是，上述平滑方法仅用于消除由电气设备引起的压力信号中的局部尖峰，并且对移动平均线选择的相对窄的窗口不影响计算的参数。

有几种用于燃烧参数如初始的测定方法、时间或最佳期，所有分析的基础上，记录在气缸压力[ 21 ]。鉴于开发这种方法的出发点是火焰图像与压力迹线的相关性，本研究将考虑三种模型。它们与复杂程度有关，这意味着输入数据量和计算工作量从第一个模型增加到第三个。一般来说，最简单的过程是首选的，因为它可以很容易地集成，即使在实时分析；然而，它的主要缺点是，结果显着影响的几个参数的选择，因此需要从用户输入，以确保相关的结果。

图1 光学研究和燃烧室底部视野的实验装置。

Spark plug 火花塞 Injector 喷油器

UV enhanced mirror 紫外增强镜 Crankshaft 曲轴

Quartz piston window 石英活塞窗口 Exhaust valves 排气阀

Pressure transducer 压力传感器 Intake valves 进气阀

ICCD 增强型电荷耦合器件（摄像机）

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