汽油發動機不同燃油噴射方式下缸內燃燒情況的試驗研究

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

汽油發動機不同燃油噴射方式下缸內燃燒情況的試驗研究

馬璽1，2劉義佳1，2關松1，2袁軍亮1，2胡曉1，2張士偉1，2
（1-長城汽車股份有限公司技術中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術研究中心）

對于汽油發動機而言，燃油噴射方式分為氣道噴射和缸內直噴。采用氣道噴射，燃油與新鮮空氣具有更長的混合時間，油氣混合均勻；采用缸內直接噴射，利用燃油在缸內的蒸發吸熱降低混合氣溫度，可提高充氣效率。從缸內燃燒參數的角度，分析低速、中小負荷工況汽油發動機在氣道噴射和缸內直噴狀態下燃燒情況以及對發動機整體性能的影響。

汽油機氣道噴射缸內直噴燃燒性能

引言

對于汽油發動機而言，燃油噴射方式分為氣道噴射和缸內直噴。氣道噴射是在進氣門關閉時將燃油噴入進氣道內的進氣門背部，在進氣行程，進入氣道的新鮮空氣將燃油蒸汽帶入氣缸，形成可燃混合氣。缸內直接噴射是依靠安裝在缸蓋上的噴油器在進氣或者壓縮行程將燃油直接噴入缸內，與缸內空氣運動配合，形成可燃混合氣［1］。

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

對于車用發動機缸內的燃燒情況，學者進行了大量的研究分析，提出了幾種典型的燃燒特征參數，并且在理論研究和工程應用中得到廣泛的使用。AI50為50%已燃燃油質量分數對應的曲軸轉角，代表燃燒放熱的早晚；AI10～AI90為10%～90%已燃燃油質量所占據曲軸轉角，代表燃燒放熱的快慢；APMAX為最大爆發壓力對應的曲軸轉角；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的角度通過試驗研究汽油發動機不同燃油噴射方式下缸內的燃燒情況，并分析其對發動機整體性能的影響。

1　試驗研究

試驗發動機為1.8 L增壓汽油機，燃油供給為氣道噴射與缸內直噴相結合，氣道噴射噴油器安裝于進氣歧管，缸內直噴噴油器安裝于缸蓋。采用AVL電力測功機、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，在發動機動態試驗臺進行性能試驗，對比中低轉速、中小負荷發動機在不同的燃油噴射方式下缸內的燃燒情況。試驗過程中，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，采集發動機缸內燃燒數據；利用AVL735油耗儀測量試驗過程中發動機燃油消耗。試驗發動機相關參數如表1所示。

表1　發動機相關參數

1.1燃燒持續期

圖1為試驗發動機采用氣道噴射和缸內直噴兩種不同的燃油噴射模式下燃燒持續期對比圖。從圖1可以看出，在1 500 r/min、2 000 r/min中小負荷工況點，采用氣道噴射模式燃燒持續期較短，基本處于13～15°CA；采用缸內直噴時燃燒持續期維持在15～20°CA左右；在3 000 r/min中小負荷工況點燃燒持續期相差不多。

在中小負荷工況點，采用缸內直噴模式，燃油蒸發吸收缸內混合氣的熱量，降低了缸內溫度，導致壓縮始點混合氣溫度較低，燃燒速度減小，燃燒持續期增大。燃燒持續期增長則說明放熱較慢，導致散熱損失增加，熱效率下降。氣道噴射情況下，燃油在氣道內蒸發，所吸收熱量來自進氣門及缸蓋氣道，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，減小燃燒持續期，提高發動機熱效率。

1.2AI50

圖2為試驗發動機采用氣道噴射和缸內直噴兩種不同的燃油噴射模式下AI50對比圖。從圖2可以看出，在1 500 r/min、2 000 r/min中小負荷工況點，氣道噴射AI50大于缸內直噴AI50，且隨著發動機負荷增大，兩者差值減小；氣道噴射時，發動機在上述工況點AI50值維持在8～12°CA，采用缸內直噴時AI50維持在5°CA左右，較大負荷（BMEP=1 MPa左右）時AI50值增大至10～15°CA。

圖1　不同噴射模式下燃燒持續期對比圖

AI50值一定程度上代表缸內燃燒放熱的早晚程度。AI50太大，代表放熱太晚，活塞已經開始下行，燃燒定容度降低，且缸內高溫高壓燃氣與缸套接觸面積增大，導致傳熱損失增加；AI50太小，放熱太早，有可能導致可以轉化的有用功降低。大量的研究及工程實踐表明，AI50=7～10°CA時最佳［2-4］，發動機具有較高的熱效率。由圖2可知，在低速中小負荷工況，采用氣道噴射時AI50基本處于上述最佳范圍，有利于提高發動機熱效率降低燃油消耗。

1.3APMAX

圖3為試驗發動機采用氣道噴射和缸內直噴兩種不同的燃油噴射模式下APMAX對比圖。由上圖可知1 500 r/min、2 000 r/min小負荷工況點，APMAX在氣道噴射模式下較大，處于13～18°CA；上述工況點，在缸內直噴模式下APMAX基本穩定在11° CA左右；在3 000 r/min中小負荷工況點，采用氣道噴射和缸內直噴APMAX值相差不大。FEV大量的工程計算表明，APMAX處于12～15°CA范圍時發動機熱效率較高，燃燒情況較好。國內研究學者亦提出，APMAX處于13～17°CA范圍時，發動機具有較高的熱效率［2］。

圖2　不同噴射模式下AI50對比圖

圖3　不同噴射模式下APMAX對比圖

1.4RMAX

圖4為試驗發動機采用氣道噴射和缸內直噴兩種不同的燃油噴射模式下RMAX對比圖。由圖可知，在1 500 r/min、2 000 r/min中小負荷工況點氣道噴射模式下RMAX值較小，且在2 000 r/min、BMEP= 0.2 MPa發動機常用工況點氣道噴射模式下RMAX= 0.119 MPa/°CA，直噴模式下RMAX=0.165 MPa/° CA；在3 000 r/min中小負荷工況兩者相差不大。采用氣道噴射時，混合氣的形成時間較長，缸內均質化程度更高，壓力升高率較小，燃燒較平順。

1.5燃油消耗率

圖5為試驗發動機采用氣道噴射和缸內直噴兩種不同的燃油噴射模式下燃油消耗率對比圖。從圖可以看出，在1 500 r/min、2 000 r/min中小負荷（BMEP小于0.5 MPa）工況點，采用氣道噴射試驗發動機具有更低的燃油消耗率，且隨著負荷的減小，兩者差值增加，氣道噴射優勢明顯；在3 000 r/min工況點，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對比圖

根據可知有效熱效率如圖6所示，其中汽油機低熱值hu=44 000 kJ/kg。由上圖可知，在1 500 r/min小負荷工況點，氣道噴射模式下發動機有效熱效率比直噴模式下可提高3%左右，2 000 r/min中小負荷工況點可提高2%左右。

圖5　不同噴射模式下油耗對比圖

圖6　不同噴射模式下有效熱效率對比圖

2　結論

1）在1 500 r/min、2 000 r/min中小負荷工況點，采用缸內直噴情況下AI50值維持在5°CA左右，APMAX維持在11°CA左右；采用氣道噴射時AI50值維持在8～12°CA，APMAX維持在13～18° CA，處于發動機燃油消耗率較優范圍；采用氣道噴射時RMAX值較低，并且燃燒持續期較短，有利于減小散熱損失，提高發動機熱效率。

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

3）在1 500 r/min、2 000 r/min中小負荷工況點，試驗發動機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，與缸內直噴相比有效熱效率可提高2%～3%。

1周龍保.內燃機學［M］.北京：機械工業出版社，2005

2劉敬平，夏孝朗，趙智超，等.內燃機燃燒放熱率的典型特征參數對比以及對熱-功轉換效率的影響［J］.內燃機學報，2012，30（03）:260-265

3李駿，宮艷峰，李偉，等.汽油直噴發動機燃燒特性分析［J］.西安交通大學學報，2010，44（07）：9-13

4王忠恕，吳楠，許允，等.增壓直噴柴油機瞬態工況燃燒參數的變化規律［J］.內燃機學報，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，學士學位，主要研究方向為發動機試驗技術。