馬 璽劉義佳袁軍亮關(guān) 松王文杰賀 禮孟 飛（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心 河北 保定 071000 2-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

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探究多次噴油對汽油機(jī)性能的影響

馬 璽1，2劉義佳1，2袁軍亮1，2關(guān) 松1，2王文杰1，2賀 禮1，2孟 飛1，2
（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心 河北 保定 071000 2-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

摘 要：對汽油發(fā)動機(jī)而言，噴油參數(shù)和點(diǎn)火性能對發(fā)動機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放具有較大影響。噴油參數(shù)直接影響可燃混合氣的形成以及在缸內(nèi)的分布，和點(diǎn)火相配合決定著缸內(nèi)的燃燒情況。發(fā)動機(jī)在低速大負(fù)荷工況易發(fā)生爆燃，通過多次噴油形成整體化學(xué)計(jì)量空燃比的分層混合氣，改善燃燒降低爆燃傾向并提高燃油經(jīng)濟(jì)性。論述了采用多次噴油時噴油時刻、噴油持續(xù)期以及點(diǎn)火性能對于直噴汽油機(jī)經(jīng)濟(jì)性、排放性能、爆震的影響。

關(guān)鍵詞：汽油機(jī) 直噴 多次噴油 性能

引言

對于汽油機(jī)而言，燃油噴射方式分為進(jìn)氣道噴射和缸內(nèi)直噴。與傳統(tǒng)的進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)相比，采用分層稀燃燃燒模式，可以降低泵氣損失，提高發(fā)動機(jī)熱效率，改善經(jīng)濟(jì)性。但是，在分層稀燃模式下，缸內(nèi)混合氣的過量空氣系數(shù)較大，三元催化器工作效率大幅下降，導(dǎo)致排放惡化[1]。為了滿足國家的排放法規(guī)要求，必須采用特殊的后處理方式，成本較高。故本文將從噴油和點(diǎn)火的角度研究采用多次噴油實(shí)現(xiàn)混合氣分層，缸內(nèi)整體混合氣化學(xué)計(jì)量空燃比下的燃燒情況，以及對發(fā)動機(jī)整體性能的影響。

1試驗(yàn)研究

試驗(yàn)發(fā)動機(jī)為1.4L增壓直噴汽油機(jī)，采用AVL電力測功機(jī)、HORIBA直采排放柜、AVL735油耗儀、AVL753C燃油恒溫儀、AVL621燃燒分析儀，在發(fā)動機(jī)動態(tài)試驗(yàn)臺進(jìn)行性能試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)動機(jī)相關(guān)參數(shù)

如表1所示。

表1　試驗(yàn)發(fā)動機(jī)主要參數(shù)

2技術(shù)參數(shù)的影響

2.1噴油次數(shù)

圖1為試驗(yàn)發(fā)動機(jī)在全工況范圍內(nèi)的噴油次數(shù)示意圖。由圖1可知，在低速大負(fù)荷工況采用三次噴射；低速中負(fù)荷工況采用兩次噴射；其他工況范圍采用一次噴射。

圖1　噴油次數(shù)

一般來說，在低速大負(fù)荷工況，汽油發(fā)動機(jī)缸內(nèi)易發(fā)生爆燃。爆燃即為末端混合氣的自燃，會使冷卻系統(tǒng)過熱，功率下降，油耗增加，嚴(yán)重時甚至造成活塞、氣門損壞[2]。低速大負(fù)荷工況，一方面燃油在缸內(nèi)的停留時間較長，另一方面壓縮終了缸內(nèi)的壓力、溫度較高，有利于末端混合氣的自燃，導(dǎo)致爆燃的產(chǎn)生。

采用多次噴射，將燃油在不同時刻噴入缸內(nèi)，可以在火花塞附近形成較濃混合氣而周圍混合氣較稀。一方面可以減小燃油在缸內(nèi)的停留時間；另一方面，火花塞附近較濃混合氣有助于點(diǎn)火，可以提高火焰?zhèn)鞑ニ俣龋s短火焰前鋒面?zhèn)鞑サ侥┒嘶旌蠚獾臅r間，有利于避免爆燃[3]。

2.2噴油時刻

圖2為試驗(yàn)發(fā)動機(jī)噴油時刻MAP圖。根據(jù)圖2可以看出采用三次噴射時，第一次噴射集中在上止點(diǎn)前280°CA（進(jìn)氣行程），第二次噴射集中在上止點(diǎn)前200°CA（進(jìn)氣終），第三次噴射集中在上止點(diǎn)前100°CA（壓縮行程）。

圖2　噴油時刻MAP圖

圖3　活塞運(yùn)動速度

由圖3可知活塞運(yùn)動最大速度出現(xiàn)在90°CA之前和270°CA之后。根據(jù)活塞運(yùn)動的周期性，可知活塞運(yùn)動最大速度也出現(xiàn)在上止點(diǎn)前270°CA前和上止點(diǎn)前90°CA之后。結(jié)合圖2可知，第一次噴油和第三次噴油位于活塞運(yùn)動速度較大時刻，此時缸內(nèi)氣流運(yùn)動速度也較大，有助于油氣混合，結(jié)合進(jìn)氣系統(tǒng)可形成整體化學(xué)計(jì)量空燃比下的分層混合氣，提高經(jīng)濟(jì)性和抗爆震性。并且，利用缸內(nèi)強(qiáng)烈的氣流運(yùn)動可減小油束貫穿度，提高缸內(nèi)空氣的利用率，減小濕壁現(xiàn)象，改善機(jī)油稀釋。

圖4為固定轉(zhuǎn)速下噴油時刻隨負(fù)荷的變化情況。結(jié)合圖2和圖4可知，采用三次噴射時隨著負(fù)荷的增加，第二次噴油時刻滯后、第一次和第三次噴油時刻變化不大。推遲第二次噴油，可以利用汽油液滴蒸發(fā)吸熱降低壓縮終了時缸內(nèi)混合氣的溫度，減小爆震傾向[4]，并可以提高充氣效率，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。

圖4　噴油時刻隨負(fù)荷變化情況（n=2000r/min）

2.3噴油持續(xù)期

圖5為試驗(yàn)發(fā)動機(jī)噴油持續(xù)期MAP圖。

根據(jù)圖5可知第一次噴射持續(xù)期較長，第二次、第三次噴射持續(xù)期較短。例如，1500 r/min、1.8 MPa工況，第一、第二、第三次噴射持續(xù)期分別為2 ms、1.278 ms、1.056 ms，可知第一、第二、第三次噴油持續(xù)期分別占總噴油持續(xù)期46.14%、29.48%、24.36%。

圖5　噴油持續(xù)期MAP圖

圖6和圖7分別為采用三次噴射時轉(zhuǎn)速n = 2000 r/min和n = 1500 r/min工況下，噴油持續(xù)期占總持續(xù)期比例的變化情況。對上述工況而言，燃油導(dǎo)軌壓力穩(wěn)定在20 MPa，故噴油持續(xù)期在一定程度上代表噴油量。由圖6和圖7可知，隨著負(fù)荷增加，第一次噴油持續(xù)期占比逐漸減小、第二和第三次噴油持續(xù)期占比逐漸增大。結(jié)合圖4可知，在低速大負(fù)荷工況，第一次噴油量降低，第二次噴油時刻滯后、噴油量增加；第三次噴油量增加。故更多的燃油較晚地噴入缸內(nèi)，一方面可使火花塞附近形成較濃混合氣，周圍混合氣較稀，加快燃燒速度；另一方面，利用更多燃油的蒸發(fā)吸熱，可降低壓縮終了時刻缸內(nèi)溫度，減小其自燃傾向，降低爆燃，并且可以提高充氣效率，降低燃油消耗率，使其在低速中負(fù)荷燃油消耗率達(dá)230 g/（kW·h），有效熱效率高達(dá)35%，低速大負(fù)荷工況點(diǎn)燃油消耗率也維持在260 g/（kW·h），有效熱效率為30%左右，遠(yuǎn)高于一般汽油發(fā)動機(jī)。

圖6　噴油持續(xù)期占比隨負(fù)荷變化情況（n = 2000 r/min）

圖7　噴油持續(xù)期占比隨負(fù)荷變化情況（n = 1500 r/min）

2.4點(diǎn)火提前角

圖8為點(diǎn)火提前角MAP圖。

圖8　點(diǎn)火提前角MAP圖

根據(jù)上圖可以看出在低速大負(fù)荷工況范圍，點(diǎn)火提前角較小。例如，在1500 r/min、1.8～1.9 MPa以及1750 r/min、2.0 MPa工況點(diǎn)，點(diǎn)火提前角為上止點(diǎn)后6°CA。點(diǎn)火滯后，可以降低最大爆發(fā)壓力以及末端混合氣的壓力、溫度，降低爆燃傾向。

點(diǎn)火提前角和APMAX（最大爆壓對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角）有密切關(guān)系，由圖9可知，試驗(yàn)發(fā)動機(jī)大多數(shù)工況下APMAX維持在10～18°CA，燃燒定容度好，可有效提高有效熱效率，降低燃油消耗率。

圖9　 APMAX

3發(fā)動機(jī)性能

3.1動力性

圖10為試驗(yàn)所得凈功率曲線。

圖10　凈功率曲線

可以看出，其最大扭矩為240 N·m，最大功率為105 kW，在1500 r/min扭矩為214 N·m，具有較好的低速扭矩。在低速區(qū)域采用多次噴射，發(fā)動機(jī)工作在爆震點(diǎn)附近，可有效提高動力性，使其在2000～3500 r/min范圍內(nèi)保持最大扭矩。

3.2經(jīng)濟(jì)性

圖11為燃油消耗率，根據(jù)ηe=h3. b6×106可知

ue有效熱效率如圖12所示，其中汽油機(jī)低熱值hu= 44000 kJ/kg。根據(jù)圖11和圖12可知，最低燃油消耗率為230 g（/kW·h），在低速中高負(fù)荷采用三次噴油，通過細(xì)致的標(biāo)定優(yōu)化，其燃油消耗率維持在260 g/（kW·h）左右，有效熱效率較大，穩(wěn)定在30%以上。

圖11　燃油消耗率

圖12　有效熱效率

3.3排放性

圖13和圖14為碳?xì)浜偷趸锱欧艌D，圖中為體積分?jǐn)?shù)。根據(jù)圖13可以看出，在低速大負(fù)荷工況點(diǎn)，采用多次噴油，利用缸內(nèi)的氣流運(yùn)動，改善了混合氣形成，碳?xì)渑欧泡^低為1000×10-6，并且可以看出在2000 r/min、1.8 MPa工況點(diǎn)附近低水平碳?xì)渑欧诺玫酵卣埂?/p>

圖13　碳?xì)渑欧牛▓D中單位為10-6）

圖14　氮氧化物排放（圖中單位為10-6）

4　結(jié)論

對于直噴汽油機(jī)，在低速大負(fù)荷工況，易發(fā)生爆震。通過采用三次噴油技術(shù)，可形成整體化學(xué)計(jì)量空燃比的分層混合氣，通過標(biāo)定噴油時刻以及噴油脈寬并結(jié)合適宜的點(diǎn)火提前角可以降低爆燃傾向；第一次和第三次噴油時刻活塞運(yùn)動速度較大，可利用缸內(nèi)強(qiáng)烈的氣流運(yùn)動提高油氣混合質(zhì)量，避免濕壁現(xiàn)象，改善機(jī)油稀釋；在低速大負(fù)荷工況，通過推遲第二次噴油并增加第二次和第三次噴油量可以改善混合氣形成，提高充氣效率，改善燃燒，提高燃燒穩(wěn)定性；采用多次噴射，可改善混合氣的形成以及缸內(nèi)燃燒情況，最高熱效率可達(dá)35%，在大負(fù)荷工況熱效率可達(dá)30%左右，具有優(yōu)異的燃油經(jīng)濟(jì)性。

參考文獻(xiàn)

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Investigation on the Effects of Multiple Fuel Injection for Gasoline Engine Performance

Ma Xi1，2，Liu Yijia1，2，Yuan Junliang1，2，Guan Song1，2，Wang Wenjie1，2，He Li1，2，Meng Fei1，2
1- Technique Center of Grate Wall Motor Company Ltd. (Baoding, Hebei, 071000, China)
2- Research Center of Auto Technology Engineering of Hebei Provence

Abstract：For gasoline engine，fuel injection and ignition parameters have a great influence for engine performance，fuel economy and emission performance. Fuel injection parameters directly affect the formation and distribution of the fuel in the cylinder，and decide the combustion in cylinder with ignition. Engine is liable to deflagration in the condition of low speed and heavy load. The layered mixture stoichiometric air-fuel ratio can improve combustion, reduce lower deflagration tendency and improve fuel economy through multiple injection. This paper discusses the effects of the multiple fuel injection，the fuel injection time, injection duration and ignition performance on fuel economy, emission performance and detonation for direct injection gasoline engine.

Keywords：Gasoline engine，Direct injection，Multiple fuel injection，Performance

收稿日期：（2015-01-24）

文章編號：2095-8234（2015）03-0023-05

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TK413.8+4

作者簡介：馬 璽（1990-），男，學(xué)士，助理工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動機(jī)試驗(yàn)技術(shù)。