進(jìn)氣道噴水量對(duì)GDI汽油機(jī)燃燒和排放特性的影響

秦?靜，張啟銳，裴毅強(qiáng)，李?翔，彭?忠，彭志軍

進(jìn)氣道噴水量對(duì)GDI汽油機(jī)燃燒和排放特性的影響

秦?靜1, 2，張啟銳1, 2，裴毅強(qiáng)2，李?翔2，彭?忠2，彭志軍2

(1. 天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所，天津 300072；2. 天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

基于一臺(tái)渦輪增壓4缸汽油機(jī)，全面系統(tǒng)地探究了進(jìn)氣道噴水量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性、燃油經(jīng)濟(jì)性以及排放特性的影響規(guī)律．試驗(yàn)選取發(fā)動(dòng)機(jī)3個(gè)常用轉(zhuǎn)速(2000r/min、2800r/min和3200r/min)以及具有代表性的中等負(fù)荷(50%)，水油質(zhì)量比的選取范圍為0～40%．結(jié)果表明：隨著的增加，水的大比熱容和高溫分解帶來的吸熱作用的增強(qiáng)，使得缸內(nèi)平均壓力曲線上升趨勢(shì)變平緩，缸內(nèi)最高壓力和α顯著降低；滯燃期先基本不變而后延長，CA 50和T先基本不變而后推遲，燃燒持續(xù)期逐步縮短．與＝0相比，＝40%時(shí)，在2000r/min、2800r/min、3200r/min下，缸內(nèi)最高壓力分別下降約0.72MPa、0.64MPa、0.94MPa，α分別降低30℃、68℃、47℃，CA 50分別滯后3.3°CA、3.1°CA、4.4°CA．燃油消耗率(BSFC)呈現(xiàn)先略有減少而后較明顯增加的趨勢(shì)，＝10%是轉(zhuǎn)折點(diǎn)，可降低BSFC約1g/(kW·h)，而＝40%時(shí)將增加BSFC約3g/(kW·h)．進(jìn)氣道噴水后減少了局部高溫和局部過濃區(qū)域，有助于明顯降低GDI汽油機(jī)的NO和煙度排放．與＝0相比，＝40%時(shí)，NO和煙度的最大降幅高達(dá)30%左右．而噴水對(duì)CO和HC排放的影響相對(duì)較弱，隨著的增加，CO和HC排放分別呈現(xiàn)緩慢降低和緩慢上升的趨勢(shì)．GDI汽油機(jī)在當(dāng)量比下采取噴水策略具有節(jié)能減排的潛力，工程應(yīng)用前景廣闊．

GDI汽油機(jī)；進(jìn)氣道噴水量；燃燒特性；排放特性

為進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，缸內(nèi)直噴和增壓小型化已成為當(dāng)今汽油機(jī)發(fā)展的主流技術(shù)方向，但也帶來了爆震傾向增加、熱負(fù)荷上升和排放污染物惡化等問題．噴水技術(shù)可利用水具有較高汽化潛熱等特點(diǎn)，有效地冷卻缸內(nèi)混合氣、減弱爆震趨勢(shì)、降低氮氧化物(NO)排放及改善油耗[1-4]．因此，關(guān)于噴水技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放特性的影響，已成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)．

G?rkem等[5]的研究表明，采用進(jìn)氣道噴射水蒸氣和10% EGR率結(jié)合的技術(shù)手段使得柴油機(jī)的NO排放大幅改善．Zehra等[6]研究了不同的進(jìn)氣道噴水量對(duì)柴油機(jī)性能和排放的影響，其結(jié)果表明，進(jìn)氣道噴水顯著降低了碳煙和NO的排放．史德勝等[7]在柴油機(jī)上進(jìn)行了摻水比例可控的燃油乳化的試驗(yàn)研究，探究了不同工況下，不同摻水比例對(duì)油耗、NO及碳煙排放的影響規(guī)律．康哲等[8]進(jìn)行了不同噴水溫度下的缸內(nèi)噴水技術(shù)對(duì)柴油機(jī)燃燒及性能影響的試驗(yàn)研究．張超[9]主要對(duì)摻水乳化油技術(shù)和進(jìn)氣道加濕技術(shù)進(jìn)行了研究，并分析了兩種技術(shù)與EGR結(jié)合對(duì)柴油機(jī)各性能指標(biāo)的影響．王銀山等[10]研究了柴油/含水甲醇組合燃燒對(duì)柴油機(jī)性能的影響，結(jié)果表明，燃用10%含水甲醇時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和NO排放優(yōu)于純甲醇．

Fu等[11]對(duì)一款進(jìn)氣道丙烷噴射結(jié)合缸內(nèi)噴水的點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的研究發(fā)現(xiàn)，提高噴水時(shí)間和噴水壓力，有助于提高動(dòng)力性和熱效率．Vincenzo等[12]使用一維數(shù)值模擬的方法，揭示了寬負(fù)荷范圍內(nèi)進(jìn)氣道噴水降低缸內(nèi)直噴(GDI)汽油機(jī)燃油消耗率的潛力．Wei等[13]采用三維仿真模擬的手段，研究指出通過優(yōu)化噴水量，可以降低GDI汽油機(jī)NO和碳煙排放．Berni等[14]采用三維仿真模擬的手段，對(duì)比研究了GDI汽油機(jī)采用加濃混合氣和噴水兩種方法對(duì)爆震燃燒的抑制作用．Munsin等[15]的研究表明，在PFI發(fā)動(dòng)機(jī)燃用乙醇時(shí)，較高含水量的乙醇有助于進(jìn)一步降低NO排放．馮建軍等[16]對(duì)汽油機(jī)摻水燃燒與排放作了模擬計(jì)算，研究發(fā)現(xiàn)了水對(duì)混合氣的先期氧化反應(yīng)起抑制作用．

綜上分析，關(guān)于噴水技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放特性影響的研究，目前的研究對(duì)象多為柴油機(jī)，而涉及GDI汽油機(jī)相關(guān)的噴水研究也多集中于仿真模擬方面，較為缺乏相關(guān)的試驗(yàn)研究．尤其缺乏以進(jìn)氣道噴水量作為單一的參數(shù)變量，進(jìn)行其對(duì)GDI汽油機(jī)燃燒和排放特性影響的系統(tǒng)化試驗(yàn)和分析評(píng)價(jià)．

因此，為填補(bǔ)關(guān)于噴水量對(duì)GDI汽油機(jī)燃燒特性、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放特性影響試驗(yàn)研究的空缺，本文將進(jìn)氣道噴水技術(shù)應(yīng)用于GDI汽油機(jī)的典型常用工況中，進(jìn)行了進(jìn)氣道噴水量對(duì)燃燒和排放特性影響的全面系統(tǒng)研究，為充分了解噴水技術(shù)對(duì)GDI汽油機(jī)的影響提供了重要的數(shù)據(jù)信息、理論依據(jù)和工程實(shí)踐參考．

1?試驗(yàn)裝置及方法

1.1?發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架及測(cè)量設(shè)備

試驗(yàn)在一臺(tái)1.5L的直列4缸渦輪增壓GDI汽油機(jī)上進(jìn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)和臺(tái)架測(cè)試系統(tǒng)分別如表1和圖1所示．發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架測(cè)試系統(tǒng)主要包括AVL電力測(cè)功機(jī)、電控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理軟件．試驗(yàn)中，AVL-GH14DK火花塞式缸壓傳感器用來采集缸壓，AVL-AMA i60氣體排放分析儀(采集口位于三效催化器前)、AVL483煙度儀(采集口位于三效催化器后)和AVL740油耗儀分別用來實(shí)時(shí)測(cè)量常規(guī)排放氣體、碳煙煙度和油耗．試驗(yàn)所用燃料為國Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)98號(hào)汽油，進(jìn)氣道噴水選取蒸餾水．

表1?發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

Tab.1?Engine parameters

1—進(jìn)氣；2—空氣流量計(jì)；3—中冷器；4—節(jié)氣門；5—進(jìn)氣道噴水管路；6—缸內(nèi)直噴油軌；7—渦輪增壓器；8—排氣；9—缸壓傳感器；10—角標(biāo)；11—電荷放大器；12—燃燒分析儀；13，17，23—計(jì)算機(jī)；14—油門踏板；15—原機(jī)開放式ECU；16—INCA系統(tǒng)；18—水流量計(jì)；19—水箱；20—油耗儀；21—缸內(nèi)直噴油箱；22—進(jìn)氣道控制ECU；24—電力測(cè)功機(jī)；25—氧傳感器；26—空燃比分析儀；27—煙度儀；28—排放儀

噴水系統(tǒng)如圖2所示，通過在原機(jī)進(jìn)氣歧管加裝進(jìn)氣道噴水器，并使其噴孔朝向進(jìn)氣門方向．該噴水系統(tǒng)主要由水箱、水泵、水軌、穩(wěn)壓箱、壓力表和噴水器等組成，用于向進(jìn)氣道內(nèi)噴射蒸餾水．水分配管上設(shè)置有調(diào)壓閥和節(jié)流閥，能夠使噴水器噴水壓力相對(duì)于缸內(nèi)壓力穩(wěn)定在設(shè)定值．噴水壓力和噴水脈寬(噴水器針閥開啟時(shí)間)等參數(shù)均可通過獨(dú)立的電子控制單元(ECU)及其配套的INCA軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)、精確的控制調(diào)節(jié)．噴水壓力恒定(0.5MPa)，噴水量由噴水脈寬決定，噴水量與噴水脈寬對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示．

1—水泵；2—節(jié)流閥；3—水箱；4—調(diào)壓閥；5—穩(wěn)壓箱；6—流量計(jì)；7—壓力表；8—水軌；9—噴水器；10—ECU；11—電腦

圖3?噴水量與噴水脈寬的對(duì)應(yīng)關(guān)系

1.2?試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選取小型強(qiáng)化汽油機(jī)3個(gè)常用轉(zhuǎn)速(2000 r/min、2800r/min和3200r/min)以及具有代表性的中等負(fù)荷(50%)，進(jìn)氣道噴水壓力為0.5MPa，水油質(zhì)量比范圍為0～40%．具體發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)工況和噴油、點(diǎn)火時(shí)刻分別如表2和表3所示．試驗(yàn)中，冷卻液溫度穩(wěn)定在(88±2)℃．基準(zhǔn)工況為未噴水時(shí)的50%負(fù)荷，點(diǎn)火提前角為未噴水時(shí)原機(jī)標(biāo)定的點(diǎn)火角度，進(jìn)氣道噴水后該點(diǎn)火提前角保持不變．為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，待發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行5min之后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，連續(xù)測(cè)量3次發(fā)動(dòng)機(jī)缸壓、燃油消耗率、排放物等相關(guān)參數(shù)作為原機(jī)數(shù)據(jù)．并每次記錄100個(gè)連續(xù)缸壓循環(huán)．

表2?發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)工況

Tab.2?Engine test conditions

注：以壓縮上止點(diǎn)為0°CA.

表3?各試驗(yàn)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的噴油、點(diǎn)火時(shí)刻和進(jìn)氣邊界條件

Tab.3?Fuel injection timing，ignition timing and inlet boundary conditions under different test speed conditions

為了更科學(xué)直觀地表征進(jìn)氣道噴水量對(duì)汽油機(jī)性能的影響，定義水油質(zhì)量比這一參數(shù)來表征噴水量，其表達(dá)式為

式中：water為試驗(yàn)工況下的每循環(huán)進(jìn)氣道噴水質(zhì)量，mg；gasoline為試驗(yàn)工況下的每循環(huán)單缸噴油質(zhì)量，mg．因此，當(dāng)噴油量不變時(shí)，的大小只與噴水量相關(guān)．

據(jù)相關(guān)研究表明，水在2250℃以上穩(wěn)定性變差，使得式(2)中的水高溫分解為氫氣和氧氣的化學(xué)反應(yīng)速率明顯加快[17-18]．

為了便于更為直觀地認(rèn)識(shí)噴水量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響，本文將缸內(nèi)溫度首次達(dá)到2250℃時(shí)的曲軸轉(zhuǎn)角定義為T．(缸內(nèi)溫度)＞2250℃對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角區(qū)間(曲軸轉(zhuǎn)角采集間隔為0.1°CA)決定了高溫區(qū)間水分解的化學(xué)反應(yīng)速率，將此區(qū)間內(nèi)缸內(nèi)溫度的平均值記為a．

2?試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1?進(jìn)氣道噴水量對(duì)燃燒特性的影響

圖4反映了噴水量對(duì)缸壓的影響．不同轉(zhuǎn)速下，缸壓曲線隨的變化趨勢(shì)大致相同．隨著增加，缸內(nèi)平均壓力曲線上升趨勢(shì)變平緩，且缸內(nèi)最高壓力顯著降低．在2000r/min、2800r/min和3200r/min下，相對(duì)于＝0時(shí)，＝40%時(shí)的缸內(nèi)最高壓力分別下降了約0.72MPa、0.64MPa、0.94MPa．

考慮到進(jìn)氣道噴水后，水的蒸發(fā)吸熱作用對(duì)容積效率的影響，本文將壓縮上止點(diǎn)前，未噴水(＝0)工況的缸壓曲線超過噴水工況時(shí)的曲軸轉(zhuǎn)角定義為P．對(duì)壓縮上止點(diǎn)前的缸壓做了進(jìn)一步分析．由圖可知，2000r/min和2800r/min下，P分別為－3°CA和－7°CA．在相同轉(zhuǎn)速下，P前時(shí)噴入進(jìn)氣道的水蒸發(fā)吸熱，進(jìn)氣溫度略有降低，水蒸氣和進(jìn)氣充量的增加使容積效率略有提高．而P后，水蒸發(fā)吸熱使缸內(nèi)溫度降低的物理作用占據(jù)主要因素．＝0時(shí)燃燒初始階段快于噴水工況，導(dǎo)致噴水工況的缸內(nèi)壓力?降低．

在不同轉(zhuǎn)速下，隨著轉(zhuǎn)速增加，P提前．且3200r/min下未出現(xiàn)P，＝0的缸內(nèi)平均壓力始終高于噴水工況的缸內(nèi)平均壓力．這是因?yàn)镻與點(diǎn)火提前角關(guān)系密切，轉(zhuǎn)速增加后，點(diǎn)火提前角相應(yīng)提前．提前的點(diǎn)火時(shí)刻使燃燒初始階段的火焰?zhèn)鞑ゼ鞍l(fā)展領(lǐng)先，導(dǎo)致P提前．由于進(jìn)氣道噴水量是基于脈寬控制，3200r/min下用于進(jìn)氣行程的時(shí)間縮短較多，水在進(jìn)氣道的蒸發(fā)冷卻作用時(shí)間縮短，可能使進(jìn)氣道噴入的水未完全蒸發(fā)，較多殘留在進(jìn)氣道壁面上，以小液滴的形式流入缸內(nèi)，導(dǎo)致進(jìn)氣過程充量的增加受抑制，3200r/min下未出現(xiàn)P．

圖5進(jìn)一步對(duì)比了各轉(zhuǎn)速下，滯燃期(從火花塞點(diǎn)火到燃料化學(xué)能釋放10%之間的曲軸轉(zhuǎn)角)、燃燒持續(xù)期(燃料化學(xué)能釋放10%～90%之間的曲軸轉(zhuǎn)角)、燃燒重心CA50(燃料化學(xué)能釋放50%所對(duì)應(yīng)的的曲軸轉(zhuǎn)角)及T隨水油質(zhì)量比的變化．

隨著的增加，各轉(zhuǎn)速下的滯燃期和燃燒重心CA50呈現(xiàn)先基本不變而后分別延長和推遲的趨勢(shì)．這是由于隨著的增加，噴水帶來的缸內(nèi)冷卻效果進(jìn)一步增強(qiáng)，降低的缸內(nèi)溫度會(huì)減慢化學(xué)反應(yīng)速率．在2000r/min、2800r/min和3200r/min下，從0增加至40%時(shí)，滯燃期分別延長了2.4°CA、2.2°CA、3.0°CA，CA50分別滯后3.3°CA、3.1°CA、4.4°CA．在3200r/min，較高的轉(zhuǎn)速使得水在進(jìn)氣道中的蒸發(fā)時(shí)間相對(duì)縮短，不利于其充分蒸發(fā)．此時(shí)較多水殘留在管壁上以小液滴形式進(jìn)入缸內(nèi)，其結(jié)果相當(dāng)于使水直噴入缸內(nèi)，水吸收缸內(nèi)熱量蒸發(fā)，冷卻作用加強(qiáng)．而2000r/min時(shí)，其點(diǎn)火時(shí)刻較其余轉(zhuǎn)速延遲，滯燃期和燃燒重心CA50滯后．最終使滯燃期和CA50隨轉(zhuǎn)速增加呈現(xiàn)非單調(diào)變化的結(jié)果．而燃燒持續(xù)期隨的增加呈現(xiàn)出逐步縮短的趨勢(shì)．在＝40%時(shí)，與＝0相比，各轉(zhuǎn)速下燃燒持續(xù)期縮短約1°CA～2°CA．研究表明，這可能是由于水在高溫高壓下分解產(chǎn)生OH基團(tuán)，加速了燃燒反應(yīng)過程[8, 19]．

缸內(nèi)溫度首次達(dá)到2250℃的時(shí)刻T對(duì)于噴水后發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程極其重要，它表征了水在缸內(nèi)發(fā)生高溫分解的化學(xué)反應(yīng)開始時(shí)刻．同CA50，隨著的增加，在2000r/min、2800r/min、3200r/min，T呈現(xiàn)先基本不變而后推遲的趨勢(shì)，且T均出現(xiàn)在CA50后．這是因?yàn)門與2250℃相關(guān)聯(lián)，CA 50后，燃料的放熱使缸內(nèi)溫度上升達(dá)2250℃．隨著增加，CA50滯后，燃料燃燒放熱滯后，2250℃出現(xiàn)時(shí)刻隨之推遲．此外，這說明水在高溫下分解產(chǎn)生氫和氧的助燃作用雖可促進(jìn)燃燒，但并不能完全抵消高溫分解過程的強(qiáng)吸熱作用對(duì)缸內(nèi)溫度的影響．

噴水量對(duì)α的影響如圖6所示．由圖可知，a在＝10%時(shí)降低較少，隨著進(jìn)一步增加，a迅速降低．＝40%時(shí)，a在2000r/min、2800r/min、3200r/min下分別降低30℃、68℃、47℃．由式(2)，從狀態(tài)函數(shù)變化可以看出，T后，水可發(fā)生高溫?zé)峤獾幕瘜W(xué)反應(yīng)，該過程是一個(gè)強(qiáng)吸熱過程．＝10%時(shí)水分解產(chǎn)生的氫氣和氧氣有助燃放熱作用，可抵消部分水分解的強(qiáng)吸熱作用，此時(shí)缸內(nèi)平均溫度下降趨于緩慢．隨著的增加，受水高溫分解的強(qiáng)吸熱作用主導(dǎo)，此時(shí)缸內(nèi)平均溫度降低較快．在＝10%噴水后，a在不同轉(zhuǎn)速下的大小排序發(fā)生變化，出現(xiàn)2800r/min和3200r/min兩種轉(zhuǎn)速下曲線交叉的現(xiàn)象．這是由于轉(zhuǎn)速降低后，高溫區(qū)間內(nèi)水分解的化學(xué)反應(yīng)時(shí)間增長，其強(qiáng)吸熱作用增強(qiáng)，導(dǎo)致a降低.

圖6?進(jìn)氣道噴水量對(duì)ta的影響

圖7所示為進(jìn)氣道噴水量對(duì)BSFC的影響．由圖可知，BSFC隨的增加呈現(xiàn)先略有減少而后較明顯增加的趨勢(shì)，＝10%是一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)．在2000r/min、2800r/min和3200r/min下，與＝0相比，＝10%時(shí)，BSFC減少約1g/(kW·h)；＝40%時(shí)，BSFC分別增加2.79g/(kW·h)、3.27g/(kW·h)、2.98 g/(kW·h).這是因?yàn)閲娝夹g(shù)對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響具有兩面性：一方面，水蒸發(fā)使得缸內(nèi)溫度和壓力降低，減小了壓縮過程的壓縮功，且水在做功行程中通過高溫分解產(chǎn)生氫氣和氧氣可助燃，有助于BSFC降低；另一方面，當(dāng)噴水量較大(＞10%)時(shí)，水的蒸發(fā)吸熱過程帶來的缸內(nèi)冷卻作用較強(qiáng)，缸內(nèi)溫度和壓力降低，燃燒重心CA 50滯后．此時(shí)需要噴入更多的燃油來維持相同的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷，使得BSFC增加．

圖7?進(jìn)氣道噴水量對(duì)BSFC的影響

2.2?進(jìn)氣道噴水量對(duì)排放特性的影響

圖8展示了進(jìn)氣道噴水量對(duì)NO和煙度排放的影響．

由圖8(a)可知，隨著的增加，NO排放量逐步下降，NO排放在＝40%時(shí)最優(yōu)，與＝0相比，在2000r/min、2800r/min和3200r/min轉(zhuǎn)速下分別大幅降低了24%、25%、32%．這是α降低的結(jié)果．NO排放的產(chǎn)生與缸內(nèi)溫度關(guān)系密切．通過進(jìn)氣道噴射具有較高比熱容的水，利用其高溫分解化學(xué)反應(yīng)的強(qiáng)吸熱過程，增強(qiáng)了缸內(nèi)冷卻效應(yīng)，降低了缸內(nèi)溫度，使得NO的排放大幅降低．

圖8?NOx和煙度排放隨μ的變化

由圖8(b)可知，煙度排放隨的增加呈現(xiàn)明顯降低的趨勢(shì)．煙度排放均在＝40%時(shí)最優(yōu)，相對(duì)＝0時(shí)的降幅分別為35%、25%、26%．這是因?yàn)橛绊懱紵熒傻闹匾蛩厥歉變?nèi)的局部高溫缺氧現(xiàn)象．隨著的增加，水的較高比熱容和高溫分解伴隨的強(qiáng)吸熱過程對(duì)缸內(nèi)的降溫效果更為顯著，減少了局部高溫區(qū)域的產(chǎn)生，使得碳煙生成減少，煙度降低[20]．同時(shí)，部分未蒸發(fā)的水以液態(tài)形式進(jìn)入缸內(nèi)，使密度更低的油滴包圍在水滴外層．水滴破碎蒸發(fā)的微爆作用有利于油滴破碎蒸發(fā)，缸內(nèi)混合氣更加均勻，從而減少缸內(nèi)局部過濃區(qū)域[21]．

圖9展示了進(jìn)氣道噴水量對(duì)CO和HC排放的影響趨勢(shì)．

由圖9可知，相較于對(duì)NO和煙度的影響，進(jìn)氣道噴水對(duì)CO和HC排放的影響相對(duì)較弱．隨著的增加，CO、HC排放分別呈現(xiàn)緩慢降低和緩慢上升的趨勢(shì)．在2000r/min、2800r/min、3200r/min下，相較于＝0，＝40%時(shí)的CO排放分別降低17%、14%、18%，而HC排放則分別增加9%、11%、11%．

CO排放的產(chǎn)生主要與缸內(nèi)油氣混合的不均勻性有關(guān)[4]．當(dāng)進(jìn)氣道噴入的水進(jìn)入缸內(nèi)，在高溫環(huán)境下分解出氧氣，影響了缸內(nèi)油氣分布的空燃比，減少了燃油局部過濃區(qū)域，一定程度上改善了可燃混合氣的均勻性．因此，CO排放隨著增加而緩慢降低，且在＞10%時(shí)趨勢(shì)更為明顯．

圖9?CO和HC排放隨μ的變化

HC排放則主要受燃燒充分性的影響．較多的水噴入后，由圖5可知，隨著的增加，滯燃期延長，且燃燒重心CA50滯后，燃燒能量釋放過程減慢，降低了燃燒的充分性，促進(jìn)了不完全燃燒產(chǎn)物HC排放有所升高．因此，HC排放隨著的增加而呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢(shì)．

3?結(jié)?論

(1) 隨著的增加，缸內(nèi)平均壓力曲線上升趨勢(shì)變平緩，缸內(nèi)最高壓力和α顯著降低，滯燃期、CA 50以及T先基本不變而后延長或推遲，燃燒持續(xù)期逐步縮短．＝40%時(shí)，在2000r/min、2800r/min、3200r/min，缸內(nèi)最高壓力分別下降了約0.72MPa、0.64MPa、0.94MPa，a分別降低30℃、68℃、47℃，CA50分別滯后3.3°CA、3.1°CA、4.4°CA．

(2) 隨著的增加，BSFC先略有減少而后較明顯增加，＝10%是轉(zhuǎn)折點(diǎn)．在2000r/min、2800r/min和3200r/min，相較于＝0，＝10%時(shí)的BSFC減少約1g/(kW·h)；＝40%時(shí)的BSFC分別增加2.79g/(kW·h)、3.27g/(kW·h)、2.98g/(kW·h)．

(3) 進(jìn)氣道噴水有助于顯著降低GDI汽油機(jī)NO和煙度排放，對(duì)CO和HC排放的影響較?。甆O和煙度排放均在＝40%時(shí)最優(yōu)，與＝0相比，在2000r/min、2800r/min和3200r/min，NO分別大幅降低了24%、25%、32%，煙度的降幅分別為35%、25%、26%．

(4) GDI汽油機(jī)在當(dāng)量比下采取噴水策略具有節(jié)能減排的潛力．噴水技術(shù)使得在高負(fù)荷條件下燃油空氣按當(dāng)量比混合成為可能，燃油消耗率隨之降低，工程應(yīng)用前景廣闊．

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Effects of Intake Manifold Water Injection Mass on Combustion and Emission Characteristics of GDI Engine

Qin Jing1, 2，Zhang Qirui1, 2，Pei Yiqiang2，Li Xiang2，Peng Zhong2，Peng Zhijun2

(1. Internal Combustion Engine Research Institute，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Based on a turbocharged four-cylinder gasoline direct injection(GDI)engine，the influence of intake manifold water injection mass on combustion，fuel economy，and emissions was systematically investigated．Three usual engine speeds(2000r/min，2800r/min，and 3200r/min)and a typical medium load(50%)were selected for the test．The range of water-fuel mass ratio was selected as 0—40%．The results showed that with the increase of，due to the high specific heat capacity of water and the enhancement of heat absorption from pyrolysis，the upward trend of the average pressure curve in cylinder became flat，and the maximum cylinder pressure andαreduced sig-nificantly．The combustion delay period first remained largely steady and then extended．The crank angle CA50andTfirst remained largely steady and then delayed，and the combustion duration gradually shortened．Compared with the conditions of＝0，when＝40%，at 2000r/min，2800r/min，and 3200r/min，the maximum pressure in the cylinder decreased by about 0.72MPa，0.64MPa，and 0.94MPa，respectively．Theαwas reduced by 30℃，68℃，and 47℃，respectively．The CA50 lagged by 3.3°CA，3.1°CA，and 4.4°CA，respectively．The fuel consumption ratio(BSFC)first reduced slightly and then significantly increased．With＝10% as the turning point，the BSFC reduced by about 1g/(kW·h)，while with＝40%，the BSFC increased by about 3g/(kW·h)．The intake manifold water injection reduced the local high-temperature and local overconcentration areas，which is conducive to significantly reducing the NOand smoke emissions of the GDI engine．Compared with the conditions of＝0，the maximum reduction of NOand smoke could reach about 30% when＝40%．However，the effect of water injection on CO and HC emissions was relatively weak．With the increase of，CO and HC emissions showed a trend of slow decrease and slow increase，respectively．The GDI engine has the potential of energy saving and emission reduction by using the water injection strategy under a ratio of equivalenceand it has broad engineering application prospects．

GDI engine；intake manifold water injection mass；combustion characteristic；emission characteristic

TK417

A

0493-2137(2020)11-1167-08

10.11784/tdxbz201912015

2019-12-04；

2019-12-26.

秦?靜（1979—??），女，博士，副研究員.

張啟銳，18482155765@163.com.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51776024).

Supported by the National Natural Science Foundation of China(No. 51776024).

(責(zé)任編輯：許延芳)