增壓直噴汽油機部分負荷燃燒及排放特性試驗研究*

代春雨　洪偉　黃恩利　蘇巖　代志堯（.吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春3005；.河北中興汽車制造有限公司，保定07000）

增壓直噴汽油機部分負荷燃燒及排放特性試驗研究*

代春雨1洪偉1黃恩利2蘇巖1代志堯1
（1.吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春130025；2.河北中興汽車制造有限公司，保定071000）

在一臺增壓直噴汽油機上研究部分負荷下點火正時、噴油正時及噴油壓力對發(fā)動機燃燒及排放特性的影響。結(jié)果表明，點火正時對發(fā)動機性能、燃燒相位及排放特性的影響很大；噴油正時對發(fā)動機性能及排放特性影響較大，但對燃燒相位的影響很小；噴油壓力對發(fā)動機性能和燃燒相位影響較小，但對HC排放影響較為明顯。在中小轉(zhuǎn)速、部分負荷下，發(fā)動機最佳點火正時、噴油正時、噴油壓力隨負荷變化不明顯，最佳噴油壓力隨轉(zhuǎn)速上升而增大。

主題詞：增壓直噴汽油機燃燒排放

1 前言

缸內(nèi)直噴技術(shù)是實現(xiàn)汽油機高效、清潔燃燒的一個有效途徑［1～4］。隨著增壓技術(shù)的不斷進步，增壓直噴汽油機成為現(xiàn)代汽油機技術(shù)發(fā)展的主流方向。因此，針對增壓直噴汽油機的相關(guān)研究也變得越來越重要。

近些年便有關(guān)于增壓直噴汽油機部分負荷燃燒特性的相關(guān)研究。胡軍軍等［5］對直噴汽油機的燃燒特性進行了詳細的分析；付磊等［6］對增壓直噴汽油機部分負荷燃燒特性的影響因素進行了研究。但均未對發(fā)動機多個轉(zhuǎn)速及負荷下的性能及最佳控制參數(shù)進行對比分析，因此有必要在不同轉(zhuǎn)速及負荷下進行試驗研究。

2 試驗樣機及試驗系統(tǒng)

試驗樣機為一臺1.4L 4缸增壓直噴汽油機，其性能參數(shù)如表1所列。圖1為試驗臺架示意圖。試驗臺架采用了基于飛思卡爾自行開發(fā)的控制系統(tǒng)，可對點火正時、噴油正時、噴油壓力等參數(shù)進行精確控制。氣缸壓力采用KISTLER公司的6117B火花塞式壓力傳感器進行采集，燃燒分析儀為日本小野DS-9100燃燒分析儀，每個工況點均采集200個循環(huán)取平均值以消除測量誤差，采用AVLDiGas4000尾氣分析儀對排氣進行成分分析。

表1　試驗機基本參數(shù)

圖1　試驗臺架示意

3 燃燒及排放特性試驗研究

點火正時、噴油正時以及噴油壓力是影響增壓直噴汽油機燃燒特性的重要因素。本試驗對部分負荷下點火正時、噴油正時以及噴油壓力對發(fā)動機燃燒及排放性能的影響進行研究。試驗采用單因素變化的方式進行研究，通過控制燃油消耗量的方式來進行負荷控制。

3.1 點火正時的影響

試驗在1 500 r/min、2 500 r/min兩個轉(zhuǎn)速以及噴油脈寬為1 000μs、1 500μs、2 000μs和2 500μs4個負荷（10%、19%、28%、40%負荷）下進行，保持噴油正時為上止點前（BTDC）300°，噴油壓力為8.5MPa，研究點火正時的變化對發(fā)動機性能的影響。

點火正時對汽油機經(jīng)濟性影響較大。點火過早會使壓縮負功增加，點火過晚會使燃燒溫度與壓力降低，從而降低燃燒熱效率，點火正時對該發(fā)動機性能的影響如圖2所示?？梢钥闯?，當(dāng)點火正時為20°BTDC時，不同轉(zhuǎn)速及負荷下扭矩均可達最大值，在小負荷（噴油脈寬為1 000μs）時燃油消耗率的最低點出現(xiàn)在25°BTDC，隨著負荷的升高燃油消耗率降低，且最低油耗點有減小的趨勢，均為20°BTDC。隨著轉(zhuǎn)速的升高，相同點火提前角跨度下的扭矩及燃油消耗率的差值變大。

大量研究表明，當(dāng)最大爆發(fā)壓力出現(xiàn)在壓縮上止點后12°～15°時，實際循環(huán)與理論循環(huán)最為接近，此時對應(yīng)的點火正時即是最佳點火正時［7］。圖3為點火正時對燃燒特性的影響。

圖2　點火正時對該發(fā)動機性能的影響

圖3　點火正時對燃燒特性的影響

由圖3可以看出，隨著點火提前，最大爆發(fā)壓力逐漸升高，最大爆發(fā)壓力對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角逐漸提前，即燃燒相位隨著點火正時的提前而提前，說明點火正時是汽油機燃燒相位的主要影響因素。當(dāng)點火正時為20°BTDC時，發(fā)動機可以獲得較大的最大爆發(fā)壓力，且最大爆發(fā)壓力對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角均在12°～15°BTDC附近，燃燒定容度高，燃燒損失較小。隨著轉(zhuǎn)速的升高，最大爆發(fā)壓力降低，最大爆發(fā)壓力對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角增大，燃燒相位滯后。負荷增大時，點火正時對燃燒最大爆發(fā)壓力的影響較大，在不同轉(zhuǎn)速下燃燒最大爆發(fā)壓力隨點火正時變化的趨勢區(qū)別不大。

圖4　點火正時對排放特性的影響

由圖4可知，隨著點火正時逐漸提前，HC排放呈先降低后升高的趨勢，2 500 r/min較小負荷時HC排放在點火正時為15°BTDC時出現(xiàn)最低值。1 500 r/min下CO排放同樣呈先降低后升高的趨勢，在點火正時為20°BTDC時達到最低值，2 500 r/min較大負荷（噴油脈寬大于2 000μs）時CO排放隨著點火提前而一直升高，其是由點火提前使混合氣混合時間變短，混合不均勻?qū)е碌?。由于點火提前導(dǎo)致燃燒溫度升高，故NOx排放隨著點火正時的提前而升高，1 500 r/min較大負荷下，NOx排放在點火正時為20°BTDC時達到最大。負荷增大，混合氣混合均勻性降低，CO排放上升。轉(zhuǎn)速上升，后燃增加，這種情況下有利于HC的后期氧化，使HC降低，燃燒溫度升高使NOx排放升高。

3.2 噴油正時的影響

試驗的轉(zhuǎn)速及噴油脈寬與對點火正時影響的試驗條件相同，保持點火正時為20°BTDC，噴油壓力為8.5MPa，研究噴油正時的變化對發(fā)動機燃燒特性的影響。噴油正時是影響混合氣形成的關(guān)鍵因素。對直噴汽油機來說，噴油時刻越早，混合氣形成的時間越長，混合氣混合越充分，發(fā)動機燃燒越好。但過早的噴油時刻會使油束撞擊活塞頂部而產(chǎn)生濕壁現(xiàn)象。故最佳噴油正時是在避免燃油濕壁的前提下盡量延長油氣混合時間，保證油氣充分混合。圖5為噴油正時對發(fā)動機性能的影響。

圖5　噴油正時對發(fā)動機性能的影響

由圖5可以看出，在噴油正時為300°BTDC時，兩轉(zhuǎn)速下的大部分工況均可獲得最大扭矩以及最低的燃油消耗率。在2 500 r/min較小負荷下，最佳噴油正時出現(xiàn)在330°BTDC。相對于低轉(zhuǎn)速來說，較高轉(zhuǎn)速下發(fā)動機性能隨噴油正時變化的趨勢較大。

相對于點火正時，噴油正時對最大爆發(fā)壓力影響相對較小，如圖6所示。當(dāng)噴油正時為300°BTDC時，最大爆發(fā)壓力較高。噴油正時對燃燒相位影響很小，當(dāng)噴油正時改變時，最大爆發(fā)壓力對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角變化較小，變化范圍不超過5°。負荷較高時，最大爆發(fā)壓力隨噴油正時變化較大，即噴油正時對燃燒的影響是隨著負荷增大而增大的。

圖6　噴油正時對燃燒特性的影響

圖7為噴油正時對排放特性的影響。

圖7　噴油正時對排放特性的影響

由圖7可知，HC和CO排放隨噴油正時的提前先降低后升高，并且均在噴油正時為300°BTDC時達到最低值，此時NOx排放較高。噴油正時比較滯后時，HC排放較高，這是由混合時間太短，大量燃油沒有來得及與空氣混合造成的。轉(zhuǎn)速升高，HC和NOx排放降低，但由于燃燒時間變短而使燃燒變得不完全，CO排放升高。

3.3 噴油壓力的影響

試驗在1 500 r/min、2 500 r/min兩個轉(zhuǎn)速下進行，保持點火正時為20°BTDC，噴油正時為300°BTDC，通過調(diào)節(jié)噴油脈寬保證在不同噴油壓力下燃油消耗量相同。

直噴汽油機噴油壓力是影響混合氣形成的另一個重要因素。噴油壓力越高，燃油霧化越好，但發(fā)動機燃油始噴時刻均處于活塞下行的進氣行程中，過高的壓力會造成燃油碰壁的現(xiàn)象，因此噴油壓力的選擇應(yīng)以使油束貫穿整個氣缸而又盡量避免碰壁為準。圖8為噴油壓力對該發(fā)動機性能的影響。

由圖8可以看出，發(fā)動機扭矩隨噴油壓力變化呈先升高后降低的趨勢，1 500 r/min噴油壓力為6MPa時扭矩最高，2 500 r/min噴油壓力為8MPa時扭矩最高，并且均可在相應(yīng)噴油壓力下獲得最低的有效燃油消耗率。此外，最佳噴油壓力隨轉(zhuǎn)速升高而增大，且在不同轉(zhuǎn)速及負荷下，發(fā)動機性能隨噴油壓力變化的趨勢差別不大。

發(fā)動機在1 500 r/min噴油壓力為6MPa、2 500 r/min噴油壓力為8MPa時均可獲得較高的最大爆發(fā)壓力（圖9），但噴油壓力對最大爆發(fā)壓力的影響很小，對最大爆發(fā)壓力出現(xiàn)的曲軸轉(zhuǎn)角影響也很小。隨著轉(zhuǎn)速的升高，燃燒所占的曲軸轉(zhuǎn)角隨之變大，燃燒相位較低轉(zhuǎn)速滯后，且轉(zhuǎn)速升高后燃燒最大爆發(fā)壓力對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角隨噴油壓力變化的趨勢更為平緩。

圖10為噴油壓力對排放特性的影響?？梢钥闯?，噴油壓力變化時，HC及CO排放量均先降低后升高的變化趨勢，在1 500 r/min噴油壓力為6MPa、2 500 r/min噴油壓力為8MPa時，發(fā)動機的HC及CO排放達最低值。在軌壓過高或過低（10MPa或4MPa）時會由于燃燒不穩(wěn)定導(dǎo)致HC排放值波動較大。噴油壓力對NOx排放影響不大。負荷增大時HC排放會降低，CO排放升高，NOx排放升高。

圖8　噴油壓力對發(fā)動機性能的影響

圖9　噴油壓力對燃燒特性的影響

圖10　噴油壓力對排放特性的影響

4 結(jié)束語

a.點火正時和噴油正時對增壓直噴汽油機動力性及經(jīng)濟性影響很大，噴油壓力對發(fā)動機性能影響較小。最佳點火正時隨負荷增大而減小，最佳噴油壓力隨轉(zhuǎn)速升高而增大，最佳噴油正時隨轉(zhuǎn)速和負荷變化不明顯，較高轉(zhuǎn)速下發(fā)動機性能對點火正時和噴油正時的變化更為敏感。

b.點火正時對發(fā)動機燃燒相位影響十分顯著，而噴油正時和噴油壓力對燃燒相位影響不明顯，對最大爆發(fā)壓力影響較為明顯。發(fā)動機在最佳點火正時、最佳噴油正時以及噴油壓力下均可獲得較高的最大爆發(fā)壓力，且負荷變大時點火正時和噴油正時對燃燒最大爆發(fā)壓力影響也變大。

c.點火正時和噴油正時對發(fā)動機排放影響較大，發(fā)動機在最佳點火正時、最佳噴油正時以及噴油壓力下HC和CO排放均可達到最低值，但NOx排放較高。隨轉(zhuǎn)速升高HC排放降低，CO排放升高。噴油壓力對發(fā)動機HC的排放影響較為明顯，噴油壓力過低或過高時會由于燃燒不穩(wěn)定而導(dǎo)致HC波動變大。

1 Landenfeld T，Kufferath A，Gerhardt J.Gasoline direct injection-SULEV emission concept.SAE paper2004-01-0041.

2 Strokes J，Lake T，Osborne R.A gasoline engine concept for improved fueleconomy-The lean boostsystem.SAEPaper2000-01-2902.

3 Bandel W，F(xiàn)raidl G K，Kapus P E，et al.The turbocharged GDIengine：boosted synergies for high fuel economy plusultra-low emission.SAEPaper 2006-01-1266.

4 Lake T，Sapsford S，Strokes J，etal.Simulation and development experience of a stratified charge gasoline direct injection engine.SAEPaper962014.

5胡軍軍，黃震，周龍保，等.缸內(nèi)直噴式汽油機燃燒特性分析.汽車工程，2003，25（6）：550～552.

6付磊，宮艷峰，虞衛(wèi)飛，等.增壓直噴汽油機部分負荷燃燒特性及影響因素研究.小型內(nèi)燃機與車輛技術(shù)，2014，43（5）：1～4.

7周龍保，劉忠長，高宗英.內(nèi)燃機學(xué)（第3版）.北京：機械工業(yè)出版社，2010.

（責(zé)任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2016年4月14日。

Research on Combustion and Em ission Characteristics of Turbocharged Direct Injection Gasoline Engine in Partial Load

Dai Chunyu1，HongWei1，Huang Enli2，Su Yan1，Dai Zhiyao1
（1.State Key Laboratory of Automobile Simulation and Control，Jilin University，Changchun 130025；2.Hebei Zhongxing Automobile Co.，Ltd.，Baoding 071000）

【Abstract】An experiment has been conducted on a turbocharged direct injection gasoline engine to study the effects of ignition timing，injection timing and injection pressure on the engine combustion and emission characteristics.The results show that ignition timing has substantial influence on the engine performance，combustion phase and emission characteristics.Injection timing influences greatly the engine performance and emission characteristics，but little on the combustion phase.Injection pressure has little influence on the engine performance and combustion phase，whereas its influence on HC emissions is relatively clear.Under low medium speed and partial load，engine optimum ignition timing，injection timing and injection pressure changing with load is not obvious，the optimum injection pressure increases when engine speed rises.

GDIengine，Combustion，Em ission

U464.1

A

1000-3703（2016）08-0018-05

國家自然科學(xué)基金資助項目（51276080、51206059）。

蘇巖，男，副教授，研究方向為內(nèi)燃機工作過程控制及優(yōu)化，E-mail：suyan@jlu.edu.cn。