代春雨　洪偉　黃恩利　蘇巖　代志堯（.吉林大學(xué)汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春3005；.河北中興汽車(chē)制造有限公司，保定07000）

增壓直噴汽油機(jī)部分負(fù)荷燃燒及排放特性試驗(yàn)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(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春130025；2.河北中興汽車(chē)制造有限公司，保定071000）

在一臺(tái)增壓直噴汽油機(jī)上研究部分負(fù)荷下點(diǎn)火正時(shí)、噴油正時(shí)及噴油壓力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒及排放特性的影響。結(jié)果表明，點(diǎn)火正時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能、燃燒相位及排放特性的影響很大；噴油正時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能及排放特性影響較大，但對(duì)燃燒相位的影響很?。粐娪蛪毫?duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和燃燒相位影響較小，但對(duì)HC排放影響較為明顯。在中小轉(zhuǎn)速、部分負(fù)荷下，發(fā)動(dòng)機(jī)最佳點(diǎn)火正時(shí)、噴油正時(shí)、噴油壓力隨負(fù)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(jī)燃燒排放

1 前言

缸內(nèi)直噴技術(shù)是實(shí)現(xiàn)汽油機(jī)高效、清潔燃燒的一個(gè)有效途徑［1～4］。隨著增壓技術(shù)的不斷進(jìn)步，增壓直噴汽油機(jī)成為現(xiàn)代汽油機(jī)技術(shù)發(fā)展的主流方向。因此，針對(duì)增壓直噴汽油機(jī)的相關(guān)研究也變得越來(lái)越重要。

近些年便有關(guān)于增壓直噴汽油機(jī)部分負(fù)荷燃燒特性的相關(guān)研究。胡軍軍等［5］對(duì)直噴汽油機(jī)的燃燒特性進(jìn)行了詳細(xì)的分析；付磊等［6］對(duì)增壓直噴汽油機(jī)部分負(fù)荷燃燒特性的影響因素進(jìn)行了研究。但均未對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)多個(gè)轉(zhuǎn)速及負(fù)荷下的性能及最佳控制參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，因此有必要在不同轉(zhuǎn)速及負(fù)荷下進(jìn)行試驗(yàn)研究。

2 試驗(yàn)樣機(jī)及試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)樣機(jī)為一臺(tái)1.4L 4缸增壓直噴汽油機(jī)，其性能參數(shù)如表1所列。圖1為試驗(yàn)臺(tái)架示意圖。試驗(yàn)臺(tái)架采用了基于飛思卡爾自行開(kāi)發(fā)的控制系統(tǒng)，可對(duì)點(diǎn)火正時(shí)、噴油正時(shí)、噴油壓力等參數(shù)進(jìn)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(jìn)行采集，燃燒分析儀為日本小野DS-9100燃燒分析儀，每個(gè)工況點(diǎn)均采集200個(gè)循環(huán)取平均值以消除測(cè)量誤差，采用AVLDiGas4000尾氣分析儀對(duì)排氣進(jìn)行成分分析。

表1　試驗(yàn)機(jī)基本參數(shù)

圖1　試驗(yàn)臺(tái)架示意

3 燃燒及排放特性試驗(yàn)研究

點(diǎn)火正時(shí)、噴油正時(shí)以及噴油壓力是影響增壓直噴汽油機(jī)燃燒特性的重要因素。本試驗(yàn)對(duì)部分負(fù)荷下點(diǎn)火正時(shí)、噴油正時(shí)以及噴油壓力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒及排放性能的影響進(jìn)行研究。試驗(yàn)采用單因素變化的方式進(jìn)行研究，通過(guò)控制燃油消耗量的方式來(lái)進(jìn)行負(fù)荷控制。

3.1 點(diǎn)火正時(shí)的影響

試驗(yàn)在1 500 r/min、2 500 r/min兩個(gè)轉(zhuǎn)速以及噴油脈寬為1 000μs、1 500μs、2 000μs和2 500μs4個(gè)負(fù)荷（10%、19%、28%、40%負(fù)荷）下進(jìn)行，保持噴油正時(shí)為上止點(diǎn)前（BTDC）300°，噴油壓力為8.5MPa，研究點(diǎn)火正時(shí)的變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。

點(diǎn)火正時(shí)對(duì)汽油機(jī)經(jīng)濟(jì)性影響較大。點(diǎn)火過(guò)早會(huì)使壓縮負(fù)功增加，點(diǎn)火過(guò)晚會(huì)使燃燒溫度與壓力降低，從而降低燃燒熱效率，點(diǎn)火正時(shí)對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響如圖2所示?？梢钥闯觯?dāng)點(diǎn)火正時(shí)為20°BTDC時(shí)，不同轉(zhuǎn)速及負(fù)荷下扭矩均可達(dá)最大值，在小負(fù)荷（噴油脈寬為1 000μs）時(shí)燃油消耗率的最低點(diǎn)出現(xiàn)在25°BTDC，隨著負(fù)荷的升高燃油消耗率降低，且最低油耗點(diǎn)有減小的趨勢(shì)，均為20°BTDC。隨著轉(zhuǎn)速的升高，相同點(diǎn)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(diǎn)后12°～15°時(shí)，實(shí)際循環(huán)與理論循環(huán)最為接近，此時(shí)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)火正時(shí)即是最佳點(diǎn)火正時(shí)［7］。圖3為點(diǎn)火正時(shí)對(duì)燃燒特性的影響。

圖2　點(diǎn)火正時(shí)對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

圖3　點(diǎn)火正時(shí)對(duì)燃燒特性的影響

由圖3可以看出，隨著點(diǎn)火提前，最大爆發(fā)壓力逐漸升高，最大爆發(fā)壓力對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角逐漸提前，即燃燒相位隨著點(diǎn)火正時(shí)的提前而提前，說(shuō)明點(diǎn)火正時(shí)是汽油機(jī)燃燒相位的主要影響因素。當(dāng)點(diǎn)火正時(shí)為20°BTDC時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)可以獲得較大的最大爆發(fā)壓力，且最大爆發(fā)壓力對(duì)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(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角增大，燃燒相位滯后。負(fù)荷增大時(shí)，點(diǎn)火正時(shí)對(duì)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(diǎn)火正時(shí)變化的趨勢(shì)區(qū)別不大。

圖4　點(diǎn)火正時(shí)對(duì)排放特性的影響

由圖4可知，隨著點(diǎn)火正時(shí)逐漸提前，HC排放呈先降低后升高的趨勢(shì)，2 500 r/min較小負(fù)荷時(shí)HC排放在點(diǎn)火正時(shí)為15°BTDC時(shí)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(shì)，在點(diǎn)火正時(shí)為20°BTDC時(shí)達(dá)到最低值，2 500 r/min較大負(fù)荷（噴油脈寬大于2 000μs）時(shí)CO排放隨著點(diǎn)火提前而一直升高，其是由點(diǎn)火提前使混合氣混合時(shí)間變短，混合不均勻?qū)е碌?。由于點(diǎn)火提前導(dǎo)致燃燒溫度升高，故NOx排放隨著點(diǎn)火正時(shí)的提前而升高，1 500 r/min較大負(fù)荷下，NOx排放在點(diǎn)火正時(shí)為20°BTDC時(shí)達(dá)到最大。負(fù)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(shí)的影響

試驗(yàn)的轉(zhuǎn)速及噴油脈寬與對(duì)點(diǎn)火正時(shí)影響的試驗(yàn)條件相同，保持點(diǎn)火正時(shí)為20°BTDC，噴油壓力為8.5MPa，研究噴油正時(shí)的變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響。噴油正時(shí)是影響混合氣形成的關(guān)鍵因素。對(duì)直噴汽油機(jī)來(lái)說(shuō)，噴油時(shí)刻越早，混合氣形成的時(shí)間越長(zhǎng)，混合氣混合越充分，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒越好。但過(guò)早的噴油時(shí)刻會(huì)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(shí)是在避免燃油濕壁的前提下盡量延長(zhǎng)油氣混合時(shí)間，保證油氣充分混合。圖5為噴油正時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。

圖5　噴油正時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

由圖5可以看出，在噴油正時(shí)為300°BTDC時(shí)，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(fù)荷下，最佳噴油正時(shí)出現(xiàn)在330°BTDC。相對(duì)于低轉(zhuǎn)速來(lái)說(shuō)，較高轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)性能隨噴油正時(shí)變化的趨勢(shì)較大。

相對(duì)于點(diǎn)火正時(shí)，噴油正時(shí)對(duì)最大爆發(fā)壓力影響相對(duì)較小，如圖6所示。當(dāng)噴油正時(shí)為300°BTDC時(shí)，最大爆發(fā)壓力較高。噴油正時(shí)對(duì)燃燒相位影響很小，當(dāng)噴油正時(shí)改變時(shí)，最大爆發(fā)壓力對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角變化較小，變化范圍不超過(guò)5°。負(fù)荷較高時(shí)，最大爆發(fā)壓力隨噴油正時(shí)變化較大，即噴油正時(shí)對(duì)燃燒的影響是隨著負(fù)荷增大而增大的。

圖6　噴油正時(shí)對(duì)燃燒特性的影響

圖7為噴油正時(shí)對(duì)排放特性的影響。

圖7　噴油正時(shí)對(duì)排放特性的影響

由圖7可知，HC和CO排放隨噴油正時(shí)的提前先降低后升高，并且均在噴油正時(shí)為300°BTDC時(shí)達(dá)到最低值，此時(shí)NOx排放較高。噴油正時(shí)比較滯后時(shí)，HC排放較高，這是由混合時(shí)間太短，大量燃油沒(méi)有來(lái)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(shí)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(yàn)在1 500 r/min、2 500 r/min兩個(gè)轉(zhuǎn)速下進(jìn)行，保持點(diǎn)火正時(shí)為20°BTDC，噴油正時(shí)為300°BTDC，通過(guò)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(jī)噴油壓力是影響混合氣形成的另一個(gè)重要因素。噴油壓力越高，燃油霧化越好，但發(fā)動(dòng)機(jī)燃油始噴時(shí)刻均處于活塞下行的進(jìn)氣行程中，過(guò)高的壓力會(huì)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(gè)氣缸而又盡量避免碰壁為準(zhǔn)。圖8為噴油壓力對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。

由圖8可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩隨噴油壓力變化呈先升高后降低的趨勢(shì)，1 500 r/min噴油壓力為6MPa時(shí)扭矩最高，2 500 r/min噴油壓力為8MPa時(shí)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(fù)荷下，發(fā)動(dòng)機(jī)性能隨噴油壓力變化的趨勢(shì)差別不大。

發(fā)動(dòng)機(jī)在1 500 r/min噴油壓力為6MPa、2 500 r/min噴油壓力為8MPa時(shí)均可獲得較高的最大爆發(fā)壓力（圖9），但噴油壓力對(duì)最大爆發(fā)壓力的影響很小，對(duì)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(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角隨噴油壓力變化的趨勢(shì)更為平緩。

圖10為噴油壓力對(duì)排放特性的影響?？梢钥闯?，噴油壓力變化時(shí)，HC及CO排放量均先降低后升高的變化趨勢(shì)，在1 500 r/min噴油壓力為6MPa、2 500 r/min噴油壓力為8MPa時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的HC及CO排放達(dá)最低值。在軌壓過(guò)高或過(guò)低（10MPa或4MPa）時(shí)會(huì)由于燃燒不穩(wěn)定導(dǎo)致HC排放值波動(dòng)較大。噴油壓力對(duì)NOx排放影響不大。負(fù)荷增大時(shí)HC排放會(huì)降低，CO排放升高，NOx排放升高。

圖8　噴油壓力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

圖9　噴油壓力對(duì)燃燒特性的影響

圖10　噴油壓力對(duì)排放特性的影響

4 結(jié)束語(yǔ)

a.點(diǎn)火正時(shí)和噴油正時(shí)對(duì)增壓直噴汽油機(jī)動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性影響很大，噴油壓力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響較小。最佳點(diǎn)火正時(shí)隨負(fù)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(shí)隨轉(zhuǎn)速和負(fù)荷變化不明顯，較高轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)性能對(duì)點(diǎn)火正時(shí)和噴油正時(shí)的變化更為敏感。

b.點(diǎn)火正時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒相位影響十分顯著，而噴油正時(shí)和噴油壓力對(duì)燃燒相位影響不明顯，對(duì)最大爆發(fā)壓力影響較為明顯。發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳點(diǎn)火正時(shí)、最佳噴油正時(shí)以及噴油壓力下均可獲得較高的最大爆發(fā)壓力，且負(fù)荷變大時(shí)點(diǎn)火正時(shí)和噴油正時(shí)對(duì)燃燒最大爆發(fā)壓力影響也變大。

c.點(diǎn)火正時(shí)和噴油正時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放影響較大，發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳點(diǎn)火正時(shí)、最佳噴油正時(shí)以及噴油壓力下HC和CO排放均可達(dá)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)HC的排放影響較為明顯，噴油壓力過(guò)低或過(guò)高時(shí)會(huì)由于燃燒不穩(wěn)定而導(dǎo)致HC波動(dòng)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(jī)燃燒特性分析.汽車(chē)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(jī)部分負(fù)荷燃燒特性及影響因素研究.小型內(nèi)燃機(jī)與車(chē)輛技術(shù)，2014，43（5）：1～4.

7周龍保，劉忠長(zhǎng)，高宗英.內(nèi)燃機(jī)學(xué)（第3版）.北京：機(jī)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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51276080、51206059）。

蘇巖，男，副教授，研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)工作過(guò)程控制及優(yōu)化，E-mail：suyan@jlu.edu.cn。