缸內(nèi)直噴汽油機(jī)噴射參數(shù)對(duì)燃燒過(guò)程的影響綜述

譚力新

（廣東文理職業(yè)學(xué)院，廣東 廉江 524400）

汽車(chē)工業(yè)的快速發(fā)展伴隨著環(huán)境污染問(wèn)題，節(jié)能減排是國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的研究重點(diǎn)。由于缸內(nèi)直噴汽油機(jī)具有空燃比控制精確、燃油消耗率低、動(dòng)態(tài)響應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)的主流動(dòng)力。然而受基礎(chǔ)理論和測(cè)試手段的限制，缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的技術(shù)瓶頸仍然存在。

（1）受爆震限制壓縮比難以提高。爆燃即發(fā)動(dòng)機(jī)在低速大負(fù)荷工況下極容易發(fā)生的“早燃”現(xiàn)象，極大地限制了發(fā)動(dòng)機(jī)功率的提升。直噴汽油機(jī)的爆燃發(fā)生具有不可預(yù)測(cè)性。

（2）顆粒物排放難以降低。由于燃油直接噴射進(jìn)氣缸內(nèi)，缸內(nèi)油氣混合時(shí)間短，易產(chǎn)生局部過(guò)濃和燃油濕壁等現(xiàn)象。因此缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的顆粒物排放不管是質(zhì)量分?jǐn)?shù)還是數(shù)量濃度都遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)。

針對(duì)該問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外目前的研究方向主要集中在直噴汽油機(jī)的噴霧特性及混合氣形成過(guò)程上。研究手段主要有試驗(yàn)和仿真。其中試驗(yàn)主要借助實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，通用光學(xué)測(cè)試等手段研究在特定條件下混合氣的噴霧特性及形成過(guò)程。而仿真則主要借助計(jì)算機(jī)軟件，設(shè)定好相關(guān)的邊界條件及初始條件的前提下對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

1 國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀

由于缸內(nèi)流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)具有強(qiáng)壓縮、強(qiáng)旋轉(zhuǎn)、不定長(zhǎng)性及各向異性等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的試驗(yàn)手段受到限制，無(wú)法對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確研究，且周期長(zhǎng)，見(jiàn)效慢。仿真由于可以突破實(shí)驗(yàn)手段的限制，不僅能研究缸內(nèi)噴霧特性、湍流運(yùn)動(dòng)、燃燒化學(xué)反應(yīng)機(jī)理等，還能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、性能改善提供參考，降低研發(fā)成本，縮短研發(fā)周期。因此仿真越來(lái)越多地被各高校采用在發(fā)動(dòng)機(jī)研究上，其中以大連理工大學(xué)和吉林大學(xué)較為集中。

2007年，大連理工大學(xué)的賈立全以LabVIEW為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)了集采集、分析與控制一體化的電控點(diǎn)火與燃燒分析系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于點(diǎn)火室直噴汽油機(jī)的點(diǎn)火控制和缸壓采集實(shí)驗(yàn)中。

2008年，大連理工大學(xué)的王玉冰提出了點(diǎn)火室式缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的概念及其燃油噴射策略。同時(shí)用AVL-FIRE軟件分析了點(diǎn)火室內(nèi)缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的氣流運(yùn)動(dòng)過(guò)程、兩次噴霧過(guò)程和分層混合氣形成過(guò)程。通過(guò)比較不同的點(diǎn)火室形狀和改變噴油定時(shí)，優(yōu)化了點(diǎn)火室內(nèi)混合氣的分布。

2009年，大連理工大學(xué)的田江平在2100B直噴柴油機(jī)的基礎(chǔ)上，對(duì)其供油系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)進(jìn)行改造，增設(shè)了電控點(diǎn)火系統(tǒng)，使其成為點(diǎn)火室式直噴汽油機(jī)的原理樣機(jī)。其點(diǎn)火可靠性和怠速排放性能實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過(guò)改裝后的發(fā)動(dòng)機(jī)各部件工作正常，電控點(diǎn)火系統(tǒng)工作穩(wěn)定，滿足初步驗(yàn)證試驗(yàn)的要求。

2010年，大連理工大學(xué)的夏美艷在上述原理樣機(jī)的基礎(chǔ)上對(duì)點(diǎn)火室和活塞進(jìn)行了改造，并用AVL Boost對(duì)缸內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)過(guò)程、混合氣形成過(guò)程及燃燒過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了噴油提前角以及點(diǎn)火室形狀對(duì)缸內(nèi)工作過(guò)程的影響。

2015年，天津大學(xué)的饒小康通過(guò)搭建試驗(yàn)平臺(tái)，研究低速早燃特征研究和運(yùn)行參數(shù)對(duì)低速早燃的影響，并提出一系列針對(duì)低速早燃的控制策略。

2017年，吉林大學(xué)的代志堯針對(duì)汽油機(jī)二次噴射策略，研究了在低轉(zhuǎn)速、大負(fù)荷（1500r/min，75%）工況下的兩次噴射時(shí)刻、噴射比例和噴射壓力對(duì)缸內(nèi)混合氣的形成以及燃燒性能和排放參數(shù)的影響。同時(shí)，研究了不同轉(zhuǎn)速和不同負(fù)荷對(duì)于混合氣形成、發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放參數(shù)的影響，優(yōu)化了在不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下的噴射策略。

2017年，吉林大學(xué)的楊海洋在定容彈及光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)噴油器的噴霧特性進(jìn)行研究，并通過(guò)AVL-FIRE軟件建立了缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)模型，分析了起動(dòng)工況下不同參數(shù)對(duì)缸內(nèi)混合氣形成過(guò)程的影響。

2017年，吉林大學(xué)的鄧綺繪利用 AVL-FIRE軟件對(duì)某款增壓直噴汽油機(jī)進(jìn)行了摸擬仿真，分析了其在二次噴射策略下兩次噴射時(shí)刻，噴射參數(shù)對(duì)其燃燒過(guò)程的影響，并對(duì)原樣機(jī)的各項(xiàng)噴油參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，提升了其熱效率。

2 國(guó)外的研究現(xiàn)狀

由于發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)的采集與分析對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)具有重要意義，因此自20世紀(jì)80年代起許多國(guó)外汽車(chē)公司和科研機(jī)構(gòu)都開(kāi)始了該領(lǐng)域的研究。

2001年，Stiesch 等人通過(guò)使用 KIVA 軟件進(jìn)行摸擬分析后提出：與單次噴射策略相比，二次噴射策略具有更好的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性。其中，第二次噴注的燃油在點(diǎn)火時(shí)刻能夠在火花塞附近形成更濃的混合氣，缸內(nèi)混合氣的整體分層效果也更好。

2006年，Gandhi等人利用高速攝影技術(shù)在光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)上研究單孔壓力旋流式噴油器冷起動(dòng)工況時(shí)缸內(nèi)噴霧發(fā)展過(guò)程。同年，Rotondi 等人通過(guò)模擬研究了相應(yīng)工況下的缸內(nèi)噴霧擴(kuò)散、混合氣形成及燃燒過(guò)程。

2013年，Youngjae Kim等人研究缸內(nèi)直噴汽油機(jī)噴射策略對(duì)顆粒物排放的影響。其研究表明，多次噴射和控制噴射壓力可降低缸內(nèi)噴霧的貫穿距。燃油碰壁質(zhì)量可通過(guò)第二次噴油時(shí)刻遠(yuǎn)離上止點(diǎn)和減少第二次噴油質(zhì)量的方式來(lái)減少，從而降低顆粒物的排放。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上對(duì)最近十幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于缸內(nèi)直噴汽油機(jī)噴射參數(shù)對(duì)燃燒過(guò)程的影響成果的總結(jié)。可以看到，國(guó)內(nèi)關(guān)于缸內(nèi)直噴流場(chǎng)的分析正日趨完善，研究也由模擬仿真逐步向臺(tái)架試驗(yàn)過(guò)渡。

國(guó)外的直噴發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)相比于國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)時(shí)間更早，技術(shù)也更成熟。自2010年之后，隨著新能源技術(shù)成為汽車(chē)業(yè)界的研究熱點(diǎn)。

缸內(nèi)直噴技術(shù)目前已得到普遍認(rèn)可和應(yīng)用，已經(jīng)覆蓋大多數(shù)車(chē)型，在燃料電池等新型動(dòng)力得到普及應(yīng)用之前，仍將是重要的車(chē)用動(dòng)力形式。隨著國(guó)內(nèi)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研發(fā)的重視，缸內(nèi)直噴技術(shù)也將更加成熟，燃料利用效率也將越來(lái)越高 。