進氣門關閉狀態下噴油時刻對汽油機性能的影響

馬宗正， 邵鳳翔， 王新莉， 楊安杰， 董少華， 張乾助

(1. 河南工程學院動力機械與車輛工程研究所， 河南 鄭州 451191； 2. 河南工程學院機械工程學院， 河南 鄭州 451191)

進氣門關閉狀態下噴油時刻對汽油機性能的影響

馬宗正1,2， 邵鳳翔2， 王新莉1,2， 楊安杰1， 董少華2， 張乾助2

(1. 河南工程學院動力機械與車輛工程研究所， 河南 鄭州 451191； 2. 河南工程學院機械工程學院， 河南 鄭州 451191)

為了改善進氣道噴射式發動機性能，采用臺架試驗和數值計算的方法對噴油時刻與進氣道噴射式汽油機性能之間的關系進行了研究。研究結果表明：在進氣門關閉狀態下進行燃油噴射，發動機運行工況不同，噴油時刻對發動機性能的影響規律不同，小節氣門開度時推遲噴油時刻會導致HC排放升高和發動機動力性下降，大節氣門開度時噴油時刻的改變對發動機性能的影響可以忽略。通過數值計算分析發現該變化規律與附壁油膜揮發速率有直接關系，在小節氣門開度條件下，附壁油膜無法完全揮發，會增加燃油以液態形式進入氣缸的量，從而使發動機性能下降，而處于大節氣門條件下，較高的機體溫度使得附壁油膜揮發速率加快，降低液態燃油的量，從而改善發動機性能。因此，進氣道噴射發動機可以在小節氣門開度時采用兩次燃油噴射方式提升發動機性能，而在大節氣門開度下則無需考慮噴油時刻的影響。

汽油機； 噴油定時；臺架試驗； 數值模擬； 油膜

目前進氣道噴射仍然是汽油機主要的燃油噴射形式，對于進氣道噴射式汽油機來說，燃油需要噴射到進氣道內部，與空氣初步混合后進入氣缸參與燃燒[1]。由于進氣道結構的限制，所噴射的燃油會到達進氣道壁面或者進氣門背面，形成附壁油膜[2-4]。已有的研究結果表明，附壁油膜現象會導致燃油以液態形式進入氣缸，沉積在氣缸內部的縫隙處(比如活塞與氣缸套之間的縫隙，)或者是活塞表面上， 造成發動機HC排放升高[5]，特別是當發動機機體溫度較低時，附壁油膜導致的液態燃油進入氣缸的比例會更高[6]。同時，如果液態燃油進入氣缸后沒有揮發，還會影響發動機的動力性。因此提升附壁油膜的揮發速率就變得非常重要。

E. Curtis等人的研究發現，通過合理布置噴嘴位置和選擇合適的噴嘴，增加燃油噴射的面積，可以提高燃油揮發的速率，減少以液態形式進入氣缸的燃油量，并且燃油噴射落地集中在進氣門背面時效果會更加明顯[7]。與此相同，Miguel R. Pan?o等人的研究結果表明，燃油噴射壓力升高也會產生同樣的效果，即油膜的分布區域增加，從而增加油膜的揮發速率[8]。趙福全等人的研究表明，相比于單孔噴嘴，雙孔噴嘴噴霧的擴散性較好，使得附壁油膜現象得到改善，但是對噴嘴的安裝位置要求較為苛刻[9]。S. K. Fulcher等人研究發現，如果采用空氣輔助噴射，效果更加明顯[10]。

改善燃油揮發速率還有一種方法是改變燃油噴射時刻。C. Alkidas等人的研究結果表明，在進氣開始階段進行噴油都會使HC排放明顯增加[11]；而G. M. Bianchi等人的研究結果表明，燃油噴射時進氣閥完全關閉則可獲得較為均勻的混合氣[12]；馬宗正等人的研究表明，當燃油在進氣門開啟狀態下噴射時，可以利用進氣回流增加附壁油膜的揮發速率[13-14]。

通過以上文獻可知，燃油揮發速率對發動機HC排放有著重要的影響，如果想改善發動機性能，可以通過選擇合適的噴嘴、采用較高的噴射壓力、改進配氣相位以及改變燃油噴射時刻等方法實現，但是改變噴嘴結構、提高燃油噴射壓力以及改變配氣相位需要增加一定的成本，而改變燃油噴射時刻則只需要改變相應的燃油噴射程序即可，相對容易實現，且成本較低。之前對燃油噴射時刻與發動機性能之間關系的研究都沒有考慮發動機工況的變化，而發動機在實際工作過程中，當工況發生變化時，燃油揮發的規律可能發生變化。

目前汽油發動機主要采用進氣道噴射方式，如果能夠通過改變燃油噴射時刻提高發動機性能，則對節能減排有著重要的意義，為此研究了不同工況下燃油噴射時刻對發動機性能的影響規律。

1 噴油時刻對發動機性能影響的試驗分析

1.1 試驗設備和試驗方法

圖1示出發動機試驗系統示意。發動機臺架系統主要由發動機、測功機系統、測量系統和電控系統組成。其中，發動機為K157 FMI發動機，具體參數見表1；測功機系統采用湘儀FC2000系統；空燃比測量采用Tech Edge公司的2C0控制器和BOSH7200LSU寬裕氧傳感器，尾氣測量采用FGA-4100五氣分析儀；電控系統為自行開發完成，可以實現對燃油噴射的控制。

圖1 試驗系統示意

型式單缸，四沖程標定功率/kW7．0行程/mm56．5標定功率轉速/r·min-17500缸徑/mm49．5壓縮比9∶1排量/mL124冷卻方式風冷

1.2 試驗結果分析

為了研究噴油時刻對發動機性能的影響，將燃油噴射開始時間設定在做功行程，為了便于分析，將壓縮上止點設定為0°，噴油時刻分別為10°，50°，100°和150°。

圖2示出發動機轉速4 000 r/min，節氣門開度20%時，發動機功率和空燃比隨噴油時刻的變化。需要說明的是，為了消除機體溫度的影響，通過鼓風機將火花塞墊片溫度保持在135 ℃。由圖2可知，當噴油時刻為10°時，發動機功率約為1.96 kW，空燃比值約為14.2，而當噴油時刻為150°時，發動機功率為1.92 kW，空燃比值為14.6。由圖3可看出，當噴油時刻由10°變化到150°，HC排放體積分數由最初的764×10-6上升到843×10-6。可見隨著噴油時刻的推遲，發動機功率降低，HC排放升高。

圖2 功率和空燃比隨噴油時刻的變化

圖3 HC排放隨噴油時刻的變化

但是當改變發動機工況時，噴油時刻的影響規律又發生變化。如圖4和圖5所示，當節氣門開度變為100%時，噴油時刻由10°變化到150°，測得發動機的功率在3.05 kW左右波動，空燃比在13.3左右波動，HC排放體積分數在860×10-6到880×10-6之間波動，可見功率、空燃比和HC排放隨噴油時刻的變化基本保持不變。

圖4 功率和空燃比隨噴油時刻的變化

圖5 HC排放隨噴油時刻的變化

2 噴射時刻對發動機性能影響的計算分析

由試驗結果可見，噴油時刻在不同工況下對發動機的影響是不一樣的，由已有文獻可知，HC排放與附壁油膜的揮發有著重要的關系，但是從宏觀角度無法對其進行分析，為此采用數值計算的方法分析了附壁油膜的揮發與發動機性能之間的關系。

2.1 網格模型及驗證

在分析過程中，涉及到發動機進氣道和燃燒室，為了便于分析，將發動機簡化為進氣道和燃燒室兩部分(見圖6)。在進氣道噴射過程中可以不考慮燃燒室部分，只考慮進氣道部分，噴嘴布置于進氣道；進氣門開啟后采用進氣道+燃燒室的網格模型；進氣門關閉后則采用燃燒室模型進行分析。這樣可以最大限度地降低計算網格數量，提高計算效率。

圖6 計算網格模型

數值計算的準確性取決于采用模型的正確性，在本次數值計算中所采用的模型主要是噴霧模型和附壁油膜模型，為了確保模型的正確性，采用紋影法進行驗證。圖7示出紋影法與數值計算噴霧碰壁圖像的對比。通過可視化試驗結果與數值計算結果的對比可以看出，在噴油開始后的3 ms，7 ms時，模型預測的噴霧及碰壁過程與試驗結果都比較吻合[4]，所采用的計算模型能夠較好地反映燃油碰壁后的發展過程。因此所采用的噴霧及碰壁子模型可以用于后續的研究中。

圖7 數值計算與紋影法對比

2.2 初始條件和邊界條件

邊界條件是進氣道入口處的參數設置，主要包括進氣流量、進氣溫度等；初始條件包括進氣道初始條件和燃燒室初始條件。其中，進氣溫度、燃燒室內部壓力和溫度通過發動機實際工作過程測量得到，由于進氣流量需要是每一個曲軸轉角下的數據，不容易測量，為此采用一維計算獲取[16]。

針對20%節氣門開度和100%節氣門開度兩種情況進行了分析。為了便于分析，燃油噴射量保持一致，噴油脈寬保為2.5 ms，噴油量為2.63 mg，只改變邊界條件，具體參數見表2和表3。

表2 20%節氣門開度時的初始條件及邊界條件設置

表3 100%節氣門開度時的初始條件及邊界條件設置

2.3 20%節氣門開度時噴油時刻的影響

在進氣門關閉狀態下進行燃油噴射時，燃油空間揮發量幾乎可以忽略[7]，在分析過程中主要對附壁油膜的揮發進行分析，所設定的噴油時刻分別為20°，40°和60°。

圖8示出節氣門開度為20%時不同噴油時刻對應的附壁油膜揮發量的對比。由圖8可知，當噴油時刻為20°時，在點火時刻之前附壁油膜的揮發量約為1.44 mg，而噴油時刻推遲到60°時，該值僅為1.35 mg。進一步分析可以發現，在進氣門開啟(即330°)時，附壁油膜最大揮發量和最小揮發量的差值為0.15 mg，可見附壁油膜揮發的區別在于進氣門開啟之前進氣道內部的揮發量。

圖8 不同噴油時刻下的附壁油膜揮發量

噴油時間為2.5 ms時，換算為曲軸轉角大約為63°，此時進氣門沒有開啟，進氣道內部氣流基本處于靜止狀態，依靠空氣流動增加的燃油揮發基本可以忽略，也就是說附壁油膜的揮發主要是靠進氣道壁面吸收熱量來實現。推遲噴油時刻就會減少附壁油膜的揮發時間，從而減少燃油揮發量。

不是所有的附壁油膜都是在進氣門關閉狀態下完成的揮發，通過附壁油膜揮發量變化可以發現，當節氣門開啟后，附壁油膜揮發速率是增加的。主要原因是當進氣門開啟后，附壁油膜除了通過從發動機機體吸收熱量揮發之外，進氣氣流的流動也是促進油膜揮發的一個重要因素，兩種因素的共同作用使得油膜揮發速率增加。

通過圖9可以發現，當進氣門關閉時，不論噴油時刻如何變化，都有一部分燃油沒有完全揮發，這些燃油的存在會增加進入氣缸的液態燃油量，而液態燃油通過排氣測量無法獲取，使得測量空燃比值變大；而液態燃油的加入又會使燃燒惡化，從而造成HC排放升高。這就是圖2和圖3中推遲燃油噴射時刻空燃比升高、HC排放增加的原因。

圖9 不同噴油時刻下的附壁油膜質量

另外，通過對圖9的分析還可以發現，不管是哪一種燃油噴射時刻，在100°之前附壁油膜的質量會迅速升高，大約為2.4 mg，大約91%的燃油會到達進氣道壁面，只有不到10%的燃油可以通過空間霧化的方式揮發，因此可以在分析過程中忽略空間霧化的燃油量。

2.4 100%節氣門開度時噴油時刻的影響

圖10示出100%節氣門開度時不同噴油時刻附壁油膜揮發量的對比。由圖10可知，噴油時刻為20°時，在點火時刻之前附壁油膜的揮發量約為2.35 mg，而噴油時刻為60°時，附壁油膜揮發量約為2.32 mg，可見噴油時刻對附壁油膜揮發量基本不影響。

圖10 不同噴油時刻下的附壁油膜揮發量

與20%節氣門開度時進行對比可以發現，附壁油膜揮發量的大幅提升得益于進氣道溫度的升高，進氣道溫度的提高使得附壁油膜揮發速率提升，從而降低了揮發時間帶來的影響，使得噴油時刻對其影響降低，甚至可以忽略。

對圖11中100%節氣門開度時不同噴油時刻附壁油膜量的對比分析可以發現，在100%節氣門開度，當進氣門關閉時，進氣道內部的附壁油膜質量只有0.2 mg左右，大約只占所噴射燃油的7%，而在20%節氣門開度時，該值約為48%。由前面的分析可知，附壁油膜量的降低直接影響空燃比和HC排放，而當附壁油膜揮發量升高后，液態燃油量就會大大降低，從而降低HC排放，這也是圖3和圖4中發動機功率、HC排放等不隨燃油噴射時刻變化而改變的原因。

圖11 不同噴油時刻下的附壁油膜質量

3 基于分析結果的噴油方式對比

研究結果表明，利用進氣流動也能夠提高燃油

揮發速率[17]，為此提出將部分燃油在進氣過程中噴射。表4列出4 500 r/min時不同節氣門開度下噴油方式的對比。在試驗過程中保持總噴油量不變，單次噴油時噴油時刻設定為10°，兩次噴射時噴油時刻分別為10°和320°。

由表4可知，當節氣門開度為40%，單次噴油時發動機功率只有2.44 kW，空燃比為15.1，而采用兩次噴油方式時發動機功率可達到2.55 kW，空燃比下降到14.2；而當節氣門開度為100%，采用兩次噴油方式時，發動機功率從2.99 kW升高到3.05 kW，空燃比從13.7降低13.2。

由此可表明，改善燃油噴射速率可以改善發動機性能；當節氣門開度較大時，兩次噴油對發動機性能的改善效果小于節氣門開度較小時。

表4 4 500 r/min時不同節氣門開度下噴油方式的對比

4 結論

a) 當發動機處于小節氣門開度時，在保持噴油量不變的情況下，當噴油時刻由10°推遲到150°時，發動機功率降低，HC排放升高；當發動機處于大節氣門開度時，在保持噴油量不變的情況下，推遲噴油時刻對發動機功率和HC排放的影響可以忽略；

b) 噴射時刻對發動機性能的影響與附壁油膜揮發速率有直接關系，提升燃油揮發速率可以降低噴油時刻對發動性能的影響；

c) 對于進氣道噴射式發動機，當發動機處于小節氣門開度時，可以采用兩次燃油噴射方式提高發動機性能，而節氣門開度較大時，則無需改變燃油噴射時刻。

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[編輯： 袁曉燕]

Effects of Fuel Injection Timing on Performance of Gasoline Engine under Intake Valve Closing

MA Zongzheng1,2, SHAO Fengxiang2, WANG Xinli1,2,YANG Anjie1, DONG Shaohua1, ZHANG Qianzhu1

(1. Power-driven Machinery and Vehicle Engineering Research Center, Henan University of Engineering, Zhengzhou 451191, China;2. School of Mechanical Engineering, Henan University of Engineering, Zhengzhou 451191, China)

In order to improve the performance of port fuel injection (PFI) gasoline engine, the relationship between the injection timing and engine performance was studied through the bench test and numerical simulation. The results show that the fuel injection timing has different influences on engine performance under different operating conditions when the intake valve is close. The retarded injection timing will result in the increase of HC emission and the decrease of engine performance at a small throttle opening, but has little influence on engine performance at a large throttle opening, which depends on the evaporation rate of wall-adhered fuel film according to the numerical calculation and analysis. The wall-adhered fuel film cannot evaporate completely so as to increase the liquid fuel amount inside cylinder and thereby the engine performance deteriorates at a small throttle. On the contrary, higher body temperature accelerates the evaporation of fuel film so as to reduce the liquid fuel and thereby the engine performance improves at a large throttle. Accordingly, the dual fuel injection method should be applied in order to improve engine performance only at small throttle opening.

gasoline engine; fuel injection timing; bench test; numerical simulation; fuel film

2016-08-30；

2016-11-03

河南省高等學校青年骨干教師資助計劃(2014GGJS-120)；河南省產學研合作試點項目(201513)

馬宗正(1981—)，男，博士，研究方向為發動機工作過程及數值計算；zongzhengma@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.06.009

TK412.3

B

1001-2222(2016)06-0046-06