增壓直噴汽油機(jī)部分負(fù)荷燃燒特性及影響因素研究

付磊 宮艷峰 虞衛(wèi)飛 竇慧莉 李顯 李華 張建銳

（中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心吉林長(zhǎng)春130011）

·研究·開(kāi)發(fā)·

增壓直噴汽油機(jī)部分負(fù)荷燃燒特性及影響因素研究

付磊 宮艷峰 虞衛(wèi)飛 竇慧莉 李顯 李華 張建銳

（中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心吉林長(zhǎng)春130011）

研究了一臺(tái)小型增壓直噴汽油機(jī)部分負(fù)荷燃燒特性，并且與一臺(tái)較大排量的增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了對(duì)比分析，總結(jié)了燃燒規(guī)律和影響因素。研究結(jié)果表明點(diǎn)火正時(shí)、噴油正時(shí)對(duì)燃燒有顯著影響；對(duì)于一定工況，存在唯一的最優(yōu)燃燒相位，使有效燃油油耗率達(dá)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(jī)燃燒油耗

引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，人類的生產(chǎn)和生活給能源、環(huán)境帶來(lái)了更大的負(fù)擔(dān)。隨著能源價(jià)格高企和環(huán)境的不斷惡化，能源和環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注。

汽油機(jī)是乘用車(chē)的主要?jiǎng)恿υ?，而增壓直噴技術(shù)是被公認(rèn)的提高燃油經(jīng)濟(jì)性最有效的技術(shù)之一[1，2]。通過(guò)增壓技術(shù)實(shí)現(xiàn)降低排量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率，減少發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷工作比重，對(duì)提高整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性具有顯著效果。缸內(nèi)直噴技術(shù)通過(guò)增加壓縮比提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性同時(shí)，與增壓技術(shù)相配合，可以進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能[3，4]。

雖然增壓降排量技術(shù)可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率，但是乘用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)主要工況依然為部分負(fù)荷工況，所以研究增壓直噴汽油機(jī)部分負(fù)荷燃燒特性及影響因素依然具有重要意義[5]。

發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性除與燃燒系統(tǒng)本身，如燃燒室形狀、噴油條件、點(diǎn)火條件等有關(guān)外，還與冷卻系統(tǒng)密切相關(guān)。對(duì)于增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，為了滿足高負(fù)荷的冷卻需求，需要提高冷卻系統(tǒng)的最大冷卻能力，但在低負(fù)荷工況冷卻能力過(guò)強(qiáng)，導(dǎo)致傳熱損失增加。為了解決這個(gè)問(wèn)題，電控水泵等措施已經(jīng)得到應(yīng)用，但是很少有關(guān)于冷卻能力過(guò)強(qiáng)對(duì)燃燒特性影響的研究。

本文詳細(xì)研究了增壓直噴汽油機(jī)部分負(fù)荷燃燒規(guī)律，并且通過(guò)與較大排量增壓直噴汽油機(jī)進(jìn)行對(duì)比，說(shuō)明了相對(duì)過(guò)強(qiáng)的冷卻能力，影響最佳燃燒相位，增加燃燒時(shí)間損失。

1 試驗(yàn)機(jī)及試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)機(jī)參數(shù)如表1所示，為一臺(tái)兩氣門(mén)增壓直噴汽油機(jī)，采用高渦流、高滾流進(jìn)氣系統(tǒng)和高壓多孔噴油器。

表1 試驗(yàn)機(jī)基本參數(shù)

試驗(yàn)臺(tái)架采用了冷卻水外循環(huán)控制、機(jī)油外循環(huán)控制系統(tǒng)，保證了試驗(yàn)條件的一致性。

發(fā)動(dòng)機(jī)控制采用基于dSPACE自行開(kāi)發(fā)的控制系統(tǒng)，精確控制點(diǎn)火正時(shí)、點(diǎn)火能量、噴油正時(shí)、油軌壓力、過(guò)量空氣系數(shù)等參數(shù)，同時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)各工作狀態(tài)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 部分負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)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(diǎn)，調(diào)節(jié)點(diǎn)火正時(shí)、噴油正時(shí)等參數(shù)，研究其對(duì)性能及燃燒的影響。在發(fā)動(dòng)機(jī)性能和燃燒分析中，詳細(xì)分析了在2000 r/min、0.2 MPa平均有效壓力的基本工況點(diǎn)，各控制參數(shù)的影響規(guī)律，并通過(guò)與3000 r/min、0.3 MPa平均有效壓力工況點(diǎn)燃燒特性進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)燃燒規(guī)律。

2.1 點(diǎn)火正時(shí)對(duì)燃燒的影響

試驗(yàn)準(zhǔn)則為：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2000 r/min，油軌壓力為8 MPa，噴油正時(shí)為壓縮上止點(diǎn)前270°CA，在調(diào)節(jié)點(diǎn)火提前角過(guò)程中，由于熱效率的變化，平均有效壓力會(huì)發(fā)生一定的變動(dòng)，通過(guò)調(diào)整噴油量和進(jìn)氣量維持平均有效壓力為0.2 MPa。各項(xiàng)燃燒參數(shù)變化情況如圖1所示。

圖1 點(diǎn)火正時(shí)對(duì)性能和燃燒的影響

由圖1a）可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)有效燃油消耗率受點(diǎn)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(diǎn)會(huì)獲得最大熱效率，但過(guò)早的燃燒放熱，使缸內(nèi)氣體溫度升高過(guò)早，在上止點(diǎn)附近活塞位移較小做功能力較弱時(shí)的傳熱損失過(guò)大，導(dǎo)致做功過(guò)程中缸內(nèi)溫度和壓力較低[6]。燃燒相位過(guò)晚，會(huì)導(dǎo)致更多的燃燒時(shí)間損失，做功過(guò)程的缸內(nèi)壓力較低。所以最佳燃燒相位可以認(rèn)為是傳熱損失和時(shí)間損失的調(diào)和點(diǎn)。在本試驗(yàn)中，在點(diǎn)火提前角增加到上止點(diǎn)前32°CA時(shí)，達(dá)到最低值394 g/（kW· h），繼續(xù)增加點(diǎn)火提前角，會(huì)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(diǎn)火提前角附近的缸內(nèi)燃燒變化較小，燃燒相位、燃燒持續(xù)期、最大爆發(fā)壓力、最大爆發(fā)壓力對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角等變化不大，說(shuō)明缸內(nèi)壓力狀態(tài)在該點(diǎn)附近較為穩(wěn)定，該燃燒相位是時(shí)間損失和傳熱損失影響的拐點(diǎn)。該燃燒相位下的循環(huán)變動(dòng)率也比較低。該工況點(diǎn)的最佳燃燒相位為12°CA，由于相對(duì)上止點(diǎn)較遠(yuǎn)，燃燒時(shí)間損失較大。

2.2 噴油正時(shí)對(duì)燃燒的影響

試驗(yàn)準(zhǔn)則為：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2000 r/min，油軌壓力為8 MPa，點(diǎn)火提前角為壓縮上止點(diǎn)前30°CA，在調(diào)節(jié)噴油正時(shí)過(guò)程中，由于熱效率的變化，平均有效壓力會(huì)發(fā)生一定的變動(dòng)，通過(guò)調(diào)整噴油量和進(jìn)氣量維持平均有效壓力為0.2 MPa。各項(xiàng)燃燒參數(shù)變化情況如圖2所示。

圖2 噴油正時(shí)對(duì)性能和燃燒的影響

噴油正時(shí)對(duì)缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣形成質(zhì)量具有很大影響?；旌蠚庑纬少|(zhì)量包括均勻程度和霧化程度，同時(shí)也包括缸內(nèi)流動(dòng)。對(duì)于進(jìn)氣行程燃油噴射的均質(zhì)燃燒汽油機(jī)，合適的噴油正時(shí)應(yīng)該能夠給燃油留下足夠多的霧化和混合的時(shí)間，并且燃油撞壁較少。由圖2a）可以看出，噴油正時(shí)為壓縮上止點(diǎn)前320°CA BTDC時(shí)，有效燃油消耗率達(dá)到最低值384 g/（kW·h）。從圖2b），c），d）可以看出合適的噴油正時(shí)，能夠使燃燒速度加快，燃燒更加穩(wěn)定；獲得更大的爆發(fā)壓力和指示平均壓力，燃燒更加穩(wěn)定。如果噴油正時(shí)在合適位置提前，則由于過(guò)多燃油噴射到活塞表面，如果推遲噴油，則會(huì)減少混合氣形成時(shí)間，都會(huì)導(dǎo)致混合氣形成質(zhì)量下降，進(jìn)而使有效油耗率升高、燃燒持續(xù)期加長(zhǎng)，燃燒相位滯后，燃燒不穩(wěn)定，指示平均壓力降低、最大爆發(fā)壓力滯后且降低。

2.3 不同工況性能及燃燒對(duì)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(diǎn)火提前角的變化規(guī)律。一般來(lái)說(shuō)，不同工況點(diǎn)對(duì)比意義不明顯，本文比較不同工況點(diǎn)的目的在于說(shuō)明傳熱損失對(duì)燃燒的影響。

圖3 有效燃油消耗率隨點(diǎn)火正時(shí)變化

圖4 燃燒相位隨點(diǎn)火正時(shí)變化

從圖中可以看出，對(duì)于3000 r/min、0.3 MPa平均有效壓力工況，點(diǎn)火提前角對(duì)油耗和燃燒相位影響較小。對(duì)比兩種不同工況燃燒特性可知，3000 r/min、0.3 MPa工況相對(duì)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(diǎn)后8°CA。燃燒持續(xù)期減小至23°CA。同一燃燒系統(tǒng)在不發(fā)生爆燃情況下，最低有效燃油消耗率對(duì)應(yīng)的50%燃燒放熱角應(yīng)該相近，本文出現(xiàn)不同工況50%燃燒相位較大差異的原因在于試驗(yàn)中使用的冷卻外循環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)不同工況的冷卻能力是相近的，這就導(dǎo)致了2000 r/min、0.2 MPa工況相對(duì)于3000 r/min、0.3 MPa工況受到的冷卻能力更強(qiáng)，使最佳燃燒相位滯后，增加了燃燒時(shí)間損失?？梢钥闯?，過(guò)強(qiáng)的冷卻能力，在增加傳熱損失的同時(shí)，也影響最佳燃燒相位，增加了燃燒時(shí)間損失。

3 與其他燃燒系統(tǒng)對(duì)比分析

為了進(jìn)一步證明冷卻能力對(duì)最佳50%燃燒放熱相位角的影響，在同樣的試驗(yàn)條件系統(tǒng)下進(jìn)行了某2.0L增壓直噴汽油機(jī)的性能試驗(yàn)，并將試驗(yàn)2000 r/ min、0.2 MPa工況的有效油耗率和燃燒特性與1.2L試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了對(duì)比分析。該2.0L發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)機(jī)基本參數(shù)

圖5和圖6是兩種燃燒系統(tǒng)在2000 r/min、0.2 MPa平均有效壓力工況點(diǎn)有效油耗率和燃燒特性隨點(diǎn)火提前角變化規(guī)律的對(duì)比分析?？梢钥闯?，兩種不同燃燒系統(tǒng)的有效油耗率和燃燒相位隨點(diǎn)火提前角的變化具有相同的趨勢(shì)，并且點(diǎn)火提前角都在32° CA BTDC附近時(shí)，有效燃油消耗率達(dá)到最低值。在最低有效燃油消耗率時(shí)，兩種燃燒系統(tǒng)具有相似的50%燃燒放熱角，都在上止點(diǎn)后12°CA至13°CA。可以看出，兩種燃燒系統(tǒng)最佳50%燃燒放熱角均比較滯后，說(shuō)明兩種燃燒系統(tǒng)在該工況點(diǎn)受到過(guò)強(qiáng)的冷卻，進(jìn)一步驗(yàn)證了前面的結(jié)論：增壓直噴汽油機(jī)存在高低負(fù)荷冷卻需求相差較大的問(wèn)題，使得低負(fù)荷工況在傳熱損失增加的同時(shí)，也推后了最佳50%燃燒相位角，導(dǎo)致更多的燃燒時(shí)間損失。

圖5 有效燃油消耗率隨點(diǎn)火提前角變化

圖6 燃燒相位隨點(diǎn)火提前角變化

4 結(jié)論

本文分析了一臺(tái)1.2L增壓直噴汽油機(jī)燃燒特性及影響因素?？偨Y(jié)了各控制參數(shù)對(duì)燃燒的影響，并且與2.0L增壓直噴汽油機(jī)部分負(fù)荷性能和燃燒特性進(jìn)行了對(duì)比分析。主要結(jié)論如下：

1）點(diǎn)火正時(shí)、噴油正時(shí)對(duì)燃燒有顯著影響；

2）對(duì)于一定工況，存在唯一的最優(yōu)燃燒相位，使油耗達(dá)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

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5李駿.汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能減排先進(jìn)技術(shù)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2011

6楊嘉林.車(chē)用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)[M].北京：機(jī)械工業(yè)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，F(xiàn)uel 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?yàn)槠蜋C(jī)燃燒與排放控制。