馬　璽　劉義佳　關(guān)　松　袁軍亮　胡　曉　張士偉（1-長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

汽油發(fā)動(dòng)機(jī)不同燃油噴射方式下缸內(nèi)燃燒情況的試驗(yàn)研究

馬璽1，2劉義佳1，2關(guān)松1，2袁軍亮1，2胡曉1，2張士偉1，2
（1-長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

對(duì)于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)而言，燃油噴射方式分為氣道噴射和缸內(nèi)直噴。采用氣道噴射，燃油與新鮮空氣具有更長(zhǎng)的混合時(shí)間，油氣混合均勻；采用缸內(nèi)直接噴射，利用燃油在缸內(nèi)的蒸發(fā)吸熱降低混合氣溫度，可提高充氣效率。從缸內(nèi)燃燒參數(shù)的角度，分析低速、中小負(fù)荷工況汽油發(fā)動(dòng)機(jī)在氣道噴射和缸內(nèi)直噴狀態(tài)下燃燒情況以及對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能的影響。

汽油機(jī)氣道噴射缸內(nèi)直噴燃燒性能

引言

對(duì)于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)而言，燃油噴射方式分為氣道噴射和缸內(nèi)直噴。氣道噴射是在進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)將燃油噴入進(jìn)氣道內(nèi)的進(jìn)氣門背部，在進(jìn)氣行程，進(jìn)入氣道的新鮮空氣將燃油蒸汽帶入氣缸，形成可燃混合氣。缸內(nèi)直接噴射是依靠安裝在缸蓋上的噴油器在進(jìn)氣或者壓縮行程將燃油直接噴入缸內(nèi)，與缸內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)配合，形成可燃混合氣［1］。

缸內(nèi)直噴與氣道噴射相比，燃油直接噴入燃燒室內(nèi)，依靠燃油蒸發(fā)吸熱，可以降低缸內(nèi)混合氣溫度，提高充氣效率，減小大負(fù)荷工況點(diǎn)爆震傾向。而氣道噴射，因燃油噴入時(shí)刻較早，其與空氣具有更長(zhǎng)的混合時(shí)間，油氣混合更加均勻，燃燒更充分。

對(duì)于車用發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的燃燒情況，學(xué)者進(jìn)行了大量的研究分析，提出了幾種典型的燃燒特征參數(shù)，并且在理論研究和工程應(yīng)用中得到廣泛的使用。AI50為50%已燃燃油質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，代表燃燒放熱的早晚；AI10～AI90為10%～90%已燃燃油質(zhì)量所占據(jù)曲軸轉(zhuǎn)角，代表燃燒放熱的快慢；APMAX為最大爆發(fā)壓力對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角；RMAX為壓力升高率，代表燃燒的粗暴程度［2］。故本文將從以上參數(shù)的角度通過(guò)試驗(yàn)研究汽油發(fā)動(dòng)機(jī)不同燃油噴射方式下缸內(nèi)的燃燒情況，并分析其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能的影響。

1　試驗(yàn)研究

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)為1.8 L增壓汽油機(jī)，燃油供給為氣道噴射與缸內(nèi)直噴相結(jié)合，氣道噴射噴油器安裝于進(jìn)氣歧管，缸內(nèi)直噴噴油器安裝于缸蓋。采用AVL電力測(cè)功機(jī)、AVL735油耗儀、AVL753C燃油恒溫裝置、AVL620燃燒分析儀、火花塞式缸壓傳感器，在發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行性能試驗(yàn)，對(duì)比中低轉(zhuǎn)速、中小負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)在不同的燃油噴射方式下缸內(nèi)的燃燒情況。試驗(yàn)過(guò)程中，拆除各缸火花塞并安裝火花塞式缸壓傳感器，與燃燒分析儀相連，采集發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒數(shù)據(jù)；利用AVL735油耗儀測(cè)量試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗。試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1　發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)

1.1燃燒持續(xù)期

圖1為試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)采用氣道噴射和缸內(nèi)直噴兩種不同的燃油噴射模式下燃燒持續(xù)期對(duì)比圖。從圖1可以看出，在1 500 r/min、2 000 r/min中小負(fù)荷工況點(diǎn)，采用氣道噴射模式燃燒持續(xù)期較短，基本處于13～15°CA；采用缸內(nèi)直噴時(shí)燃燒持續(xù)期維持在15～20°CA左右；在3 000 r/min中小負(fù)荷工況點(diǎn)燃燒持續(xù)期相差不多。

在中小負(fù)荷工況點(diǎn)，采用缸內(nèi)直噴模式，燃油蒸發(fā)吸收缸內(nèi)混合氣的熱量，降低了缸內(nèi)溫度，導(dǎo)致壓縮始點(diǎn)混合氣溫度較低，燃燒速度減小，燃燒持續(xù)期增大。燃燒持續(xù)期增長(zhǎng)則說(shuō)明放熱較慢，導(dǎo)致散熱損失增加，熱效率下降。氣道噴射情況下，燃油在氣道內(nèi)蒸發(fā)，所吸收熱量來(lái)自進(jìn)氣門及缸蓋氣道，即回收了一部分缸蓋水套熱量及氣門傳熱熱量；并且混合氣溫度升高，有利于提高燃燒速度，減小燃燒持續(xù)期，提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。

1.2AI50

圖2為試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)采用氣道噴射和缸內(nèi)直噴兩種不同的燃油噴射模式下AI50對(duì)比圖。從圖2可以看出，在1 500 r/min、2 000 r/min中小負(fù)荷工況點(diǎn)，氣道噴射AI50大于缸內(nèi)直噴AI50，且隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增大，兩者差值減小；氣道噴射時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在上述工況點(diǎn)AI50值維持在8～12°CA，采用缸內(nèi)直噴時(shí)AI50維持在5°CA左右，較大負(fù)荷（BMEP=1 MPa左右）時(shí)AI50值增大至10～15°CA。

圖1　不同噴射模式下燃燒持續(xù)期對(duì)比圖

AI50值一定程度上代表缸內(nèi)燃燒放熱的早晚程度。AI50太大，代表放熱太晚，活塞已經(jīng)開(kāi)始下行，燃燒定容度降低，且缸內(nèi)高溫高壓燃?xì)馀c缸套接觸面積增大，導(dǎo)致傳熱損失增加；AI50太小，放熱太早，有可能導(dǎo)致可以轉(zhuǎn)化的有用功降低。大量的研究及工程實(shí)踐表明，AI50=7～10°CA時(shí)最佳［2-4］，發(fā)動(dòng)機(jī)具有較高的熱效率。由圖2可知，在低速中小負(fù)荷工況，采用氣道噴射時(shí)AI50基本處于上述最佳范圍，有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率降低燃油消耗。

1.3APMAX

圖3為試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)采用氣道噴射和缸內(nèi)直噴兩種不同的燃油噴射模式下APMAX對(duì)比圖。由上圖可知1 500 r/min、2 000 r/min小負(fù)荷工況點(diǎn)，APMAX在氣道噴射模式下較大，處于13～18°CA；上述工況點(diǎn)，在缸內(nèi)直噴模式下APMAX基本穩(wěn)定在11° CA左右；在3 000 r/min中小負(fù)荷工況點(diǎn)，采用氣道噴射和缸內(nèi)直噴APMAX值相差不大。FEV大量的工程計(jì)算表明，APMAX處于12～15°CA范圍時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率較高，燃燒情況較好。國(guó)內(nèi)研究學(xué)者亦提出，APMAX處于13～17°CA范圍時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)具有較高的熱效率［2］。

圖2　不同噴射模式下AI50對(duì)比圖

圖3　不同噴射模式下APMAX對(duì)比圖

1.4RMAX

圖4為試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)采用氣道噴射和缸內(nèi)直噴兩種不同的燃油噴射模式下RMAX對(duì)比圖。由圖可知，在1 500 r/min、2 000 r/min中小負(fù)荷工況點(diǎn)氣道噴射模式下RMAX值較小，且在2 000 r/min、BMEP= 0.2 MPa發(fā)動(dòng)機(jī)常用工況點(diǎn)氣道噴射模式下RMAX= 0.119 MPa/°CA，直噴模式下RMAX=0.165 MPa/° CA；在3 000 r/min中小負(fù)荷工況兩者相差不大。采用氣道噴射時(shí)，混合氣的形成時(shí)間較長(zhǎng)，缸內(nèi)均質(zhì)化程度更高，壓力升高率較小，燃燒較平順。

1.5燃油消耗率

圖5為試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)采用氣道噴射和缸內(nèi)直噴兩種不同的燃油噴射模式下燃油消耗率對(duì)比圖。從圖可以看出，在1 500 r/min、2 000 r/min中小負(fù)荷（BMEP小于0.5 MPa）工況點(diǎn)，采用氣道噴射試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)具有更低的燃油消耗率，且隨著負(fù)荷的減小，兩者差值增加，氣道噴射優(yōu)勢(shì)明顯；在3 000 r/min工況點(diǎn)，采用不同的燃油噴射模式，燃油消耗率相差不大。

圖4　不同噴射模式下RMAX對(duì)比圖

根據(jù)可知有效熱效率如圖6所示，其中汽油機(jī)低熱值hu=44 000 kJ/kg。由上圖可知，在1 500 r/min小負(fù)荷工況點(diǎn)，氣道噴射模式下發(fā)動(dòng)機(jī)有效熱效率比直噴模式下可提高3%左右，2 000 r/min中小負(fù)荷工況點(diǎn)可提高2%左右。

圖5　不同噴射模式下油耗對(duì)比圖

圖6　不同噴射模式下有效熱效率對(duì)比圖

2　結(jié)論

1）在1 500 r/min、2 000 r/min中小負(fù)荷工況點(diǎn)，采用缸內(nèi)直噴情況下AI50值維持在5°CA左右，APMAX維持在11°CA左右；采用氣道噴射時(shí)AI50值維持在8～12°CA，APMAX維持在13～18° CA，處于發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率較優(yōu)范圍；采用氣道噴射時(shí)RMAX值較低，并且燃燒持續(xù)期較短，有利于減小散熱損失，提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。

2）在3 000 r/min中小負(fù)荷工況，以上燃燒參數(shù)在不同噴射模式下變化不大。

3）在1 500 r/min、2 000 r/min中小負(fù)荷工況點(diǎn)，試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在氣道噴射模式下具有更低的燃油消耗率及更高的有效熱效率，與缸內(nèi)直噴相比有效熱效率可提高2%～3%。

1周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005

2劉敬平，夏孝朗，趙智超，等.內(nèi)燃機(jī)燃燒放熱率的典型特征參數(shù)對(duì)比以及對(duì)熱-功轉(zhuǎn)換效率的影響［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2012，30（03）:260-265

3李駿，宮艷峰，李偉，等.汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性分析［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，44（07）：9-13

4王忠恕，吳楠，許允，等.增壓直噴柴油機(jī)瞬態(tài)工況燃燒參數(shù)的變化規(guī)律［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2007，25（05）:385-389

Experimental Study on Combustion in Cylinder about Gasoline Engine under Different Fuel Injection Modes

Ma Xi1，2，Liu Yijia1，2，Guan Song1，2，Yuan Junliang1，2，Hu Xiao1，2，Zhang Shiwei1，2
1-Technique Center of Great Wall Motor Co.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）
2-Research Center of Auto Technology Engineering of Hebei Provence

For gasoline engine，the fuel injection is divided into port fuel injection and direct injection. With port fuel injection，the mixing time is longer for the fuel and fresh air and they are homogenized however，with direct injection the evaporation of the fuel in the cylinder is endothermic then the mixing temperature is reduced，so charging efficiency can be improved.From the perspective of combustion parameters，this article analyzes the combustion conditions of gasoline engine in low-load with port fuel injection and direct injection and performance of the engine.

Gasoline engine，Port fuel injection，Direct injection，Combustion，Performance

TK413.8+4

A

2095-8234（2015）04-0036-04

2015-04-07）

馬璽（1990-），男，學(xué)士學(xué)位，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)技術(shù)。