增壓直噴汽油機部分負荷燃燒特性及影響因素研究

付磊 宮艷峰 虞衛飛 竇慧莉 李顯 李華 張建銳

（中國第一汽車股份有限公司技術中心吉林長春130011）

·研究·開發·

增壓直噴汽油機部分負荷燃燒特性及影響因素研究

付磊 宮艷峰 虞衛飛 竇慧莉 李顯 李華 張建銳

（中國第一汽車股份有限公司技術中心吉林長春130011）

研究了一臺小型增壓直噴汽油機部分負荷燃燒特性，并且與一臺較大排量的增壓直噴發動機進行了對比分析，總結了燃燒規律和影響因素。研究結果表明點火正時、噴油正時對燃燒有顯著影響；對于一定工況，存在唯一的最優燃燒相位，使有效燃油油耗率達到最低值；冷卻能力是影響最佳燃燒相位的主要因素。

增壓直噴汽油機燃燒油耗

引言

隨著經濟發展和技術進步，人類的生產和生活給能源、環境帶來了更大的負擔。隨著能源價格高企和環境的不斷惡化，能源和環境問題越來越受到關注。

汽油機是乘用車的主要動力源，而增壓直噴技術是被公認的提高燃油經濟性最有效的技術之一[1，2]。通過增壓技術實現降低排量，提高發動機負荷率，減少發動機在低負荷工作比重，對提高整車燃油經濟性具有顯著效果。缸內直噴技術通過增加壓縮比提高發動機燃油經濟性同時，與增壓技術相配合，可以進一步提高發動機性能[3，4]。

雖然增壓降排量技術可以提高發動機負荷率，但是乘用車發動機主要工況依然為部分負荷工況，所以研究增壓直噴汽油機部分負荷燃燒特性及影響因素依然具有重要意義[5]。

發動機燃燒特性除與燃燒系統本身，如燃燒室形狀、噴油條件、點火條件等有關外，還與冷卻系統密切相關。對于增壓發動機，為了滿足高負荷的冷卻需求，需要提高冷卻系統的最大冷卻能力，但在低負荷工況冷卻能力過強，導致傳熱損失增加。為了解決這個問題，電控水泵等措施已經得到應用，但是很少有關于冷卻能力過強對燃燒特性影響的研究。

本文詳細研究了增壓直噴汽油機部分負荷燃燒規律，并且通過與較大排量增壓直噴汽油機進行對比，說明了相對過強的冷卻能力，影響最佳燃燒相位，增加燃燒時間損失。

1 試驗機及試驗系統

試驗機參數如表1所示，為一臺兩氣門增壓直噴汽油機，采用高渦流、高滾流進氣系統和高壓多孔噴油器。

表1 試驗機基本參數

試驗臺架采用了冷卻水外循環控制、機油外循環控制系統，保證了試驗條件的一致性。

發動機控制采用基于dSPACE自行開發的控制系統，精確控制點火正時、點火能量、噴油正時、油軌壓力、過量空氣系數等參數，同時監測發動機各工作狀態，記錄試驗數據。

2 部分負荷試驗結果分析

以2000 r/min、0.2 MPa平均有效壓力和3000 r/ min、0.3 MPa平均有效壓力為基本工況點，調節點火正時、噴油正時等參數，研究其對性能及燃燒的影響。在發動機性能和燃燒分析中，詳細分析了在2000 r/min、0.2 MPa平均有效壓力的基本工況點，各控制參數的影響規律，并通過與3000 r/min、0.3 MPa平均有效壓力工況點燃燒特性進行對比分析，總結燃燒規律。

2.1 點火正時對燃燒的影響

試驗準則為：發動機轉速為2000 r/min，油軌壓力為8 MPa，噴油正時為壓縮上止點前270°CA，在調節點火提前角過程中，由于熱效率的變化，平均有效壓力會發生一定的變動，通過調整噴油量和進氣量維持平均有效壓力為0.2 MPa。各項燃燒參數變化情況如圖1所示。

圖1 點火正時對性能和燃燒的影響

由圖1a）可以看出，發動機有效燃油消耗率受點火提前角的影響非常明顯。如果不考慮傳熱的影響，50%燃燒放熱角在上止點會獲得最大熱效率，但過早的燃燒放熱，使缸內氣體溫度升高過早，在上止點附近活塞位移較小做功能力較弱時的傳熱損失過大，導致做功過程中缸內溫度和壓力較低[6]。燃燒相位過晚，會導致更多的燃燒時間損失，做功過程的缸內壓力較低。所以最佳燃燒相位可以認為是傳熱損失和時間損失的調和點。在本試驗中，在點火提前角增加到上止點前32°CA時，達到最低值394 g/（kW· h），繼續增加點火提前角，會使有效燃油消耗率增加。綜合圖1a）、b）、c）、d）可以看出，在最佳點火提前角附近的缸內燃燒變化較小，燃燒相位、燃燒持續期、最大爆發壓力、最大爆發壓力對應曲軸轉角等變化不大，說明缸內壓力狀態在該點附近較為穩定，該燃燒相位是時間損失和傳熱損失影響的拐點。該燃燒相位下的循環變動率也比較低。該工況點的最佳燃燒相位為12°CA，由于相對上止點較遠，燃燒時間損失較大。

2.2 噴油正時對燃燒的影響

試驗準則為：發動機轉速為2000 r/min，油軌壓力為8 MPa，點火提前角為壓縮上止點前30°CA，在調節噴油正時過程中，由于熱效率的變化，平均有效壓力會發生一定的變動，通過調整噴油量和進氣量維持平均有效壓力為0.2 MPa。各項燃燒參數變化情況如圖2所示。

圖2 噴油正時對性能和燃燒的影響

噴油正時對缸內直噴發動機混合氣形成質量具有很大影響。混合氣形成質量包括均勻程度和霧化程度，同時也包括缸內流動。對于進氣行程燃油噴射的均質燃燒汽油機，合適的噴油正時應該能夠給燃油留下足夠多的霧化和混合的時間，并且燃油撞壁較少。由圖2a）可以看出，噴油正時為壓縮上止點前320°CA BTDC時，有效燃油消耗率達到最低值384 g/（kW·h）。從圖2b），c），d）可以看出合適的噴油正時，能夠使燃燒速度加快，燃燒更加穩定；獲得更大的爆發壓力和指示平均壓力，燃燒更加穩定。如果噴油正時在合適位置提前，則由于過多燃油噴射到活塞表面，如果推遲噴油，則會減少混合氣形成時間，都會導致混合氣形成質量下降，進而使有效油耗率升高、燃燒持續期加長，燃燒相位滯后，燃燒不穩定，指示平均壓力降低、最大爆發壓力滯后且降低。

2.3 不同工況性能及燃燒對比分析

圖3、圖4分別為2000 r/min、0.2 MPa平均有效壓力和3000 r/min、0.3 MPa平均有效壓力工況下有效燃油消耗率和燃燒相位隨點火提前角的變化規律。一般來說，不同工況點對比意義不明顯，本文比較不同工況點的目的在于說明傳熱損失對燃燒的影響。

圖3 有效燃油消耗率隨點火正時變化

圖4 燃燒相位隨點火正時變化

從圖中可以看出，對于3000 r/min、0.3 MPa平均有效壓力工況，點火提前角對油耗和燃燒相位影響較小。對比兩種不同工況燃燒特性可知，3000 r/min、0.3 MPa工況相對于2000 r/min、0.2 MPa平均有效壓力工況，50%燃燒相位提前，約在壓縮上止點后8°CA。燃燒持續期減小至23°CA。同一燃燒系統在不發生爆燃情況下，最低有效燃油消耗率對應的50%燃燒放熱角應該相近，本文出現不同工況50%燃燒相位較大差異的原因在于試驗中使用的冷卻外循環系統，該系統對不同工況的冷卻能力是相近的，這就導致了2000 r/min、0.2 MPa工況相對于3000 r/min、0.3 MPa工況受到的冷卻能力更強，使最佳燃燒相位滯后，增加了燃燒時間損失。可以看出，過強的冷卻能力，在增加傳熱損失的同時，也影響最佳燃燒相位，增加了燃燒時間損失。

3 與其他燃燒系統對比分析

為了進一步證明冷卻能力對最佳50%燃燒放熱相位角的影響，在同樣的試驗條件系統下進行了某2.0L增壓直噴汽油機的性能試驗，并將試驗2000 r/ min、0.2 MPa工況的有效油耗率和燃燒特性與1.2L試驗機進行了對比分析。該2.0L發動機主要參數如表2所示。

表2 試驗機基本參數

圖5和圖6是兩種燃燒系統在2000 r/min、0.2 MPa平均有效壓力工況點有效油耗率和燃燒特性隨點火提前角變化規律的對比分析。可以看出，兩種不同燃燒系統的有效油耗率和燃燒相位隨點火提前角的變化具有相同的趨勢，并且點火提前角都在32° CA BTDC附近時，有效燃油消耗率達到最低值。在最低有效燃油消耗率時，兩種燃燒系統具有相似的50%燃燒放熱角，都在上止點后12°CA至13°CA。可以看出，兩種燃燒系統最佳50%燃燒放熱角均比較滯后，說明兩種燃燒系統在該工況點受到過強的冷卻，進一步驗證了前面的結論：增壓直噴汽油機存在高低負荷冷卻需求相差較大的問題，使得低負荷工況在傳熱損失增加的同時，也推后了最佳50%燃燒相位角，導致更多的燃燒時間損失。

圖5 有效燃油消耗率隨點火提前角變化

圖6 燃燒相位隨點火提前角變化

4 結論

本文分析了一臺1.2L增壓直噴汽油機燃燒特性及影響因素。總結了各控制參數對燃燒的影響，并且與2.0L增壓直噴汽油機部分負荷性能和燃燒特性進行了對比分析。主要結論如下：

1）點火正時、噴油正時對燃燒有顯著影響；

2）對于一定工況，存在唯一的最優燃燒相位，使油耗達到最低值；

3）傳熱損失是影響最佳燃燒相位的主要因素。

1Stokes J，Lake T，Osborne，R.A gasoline engine concept for improved fuel economy-The lean boost system.SAE Paper 2000-01-2902

2Fraser N，Blaxill H，Lumsden G，et al.Challenges for increased efficiency through gasoline engine downsizing.SAE Paper 2009-01-1053

3Yang J，Anderson R.Fuel injection strategies to increase full-load torque output of a direct-injection SI engine.SAE Paper 980495

4Lake T，Sapsford S，Stokes J，et al.Simulation and development experience of a stratified charge gasoline direct injection engine.SAE Paper 962014

5李駿.汽車發動機節能減排先進技術[M].北京：北京理工大學出版社，2011

6楊嘉林.車用汽油發動機燃燒系統的開發[M].北京：機械工業出版社，2008

Research on Performance and Combustion of a Small Displacement Gasoline Direct Injection Turbocharger Engine and Influencing Factors

Fu Lei，Gong Yanfeng，Yu Weifei，Dou Huili，Li Xian，Li Hua，Zhang Jianrui
R&D Center，China FAW Group Corporation（Changchun，Jilin，130011，China）

This paper shows the character of combustion of a small displacement gasoline direct injection engine at part load，and compares with another large displacement engine.The flowing conclusion can be obtained：1，the combustion is infected by spark timing，injection timing and fuel pressure significantly；2，the only best combustion phase exists for a certain operating condition；3，cooling capability is one of the most important factors which influence the best combustion phases.

Gasoline Direct iInjection，Turbocharger，Combustion，Fuel consumption

TK411+.2

A

2095-8234（2014）05-0001-04

2014-07-11）

付磊（1982－），男，博士，主要研究方向為汽油機燃燒與排放控制。