復合噴射技術對汽油機性能的影響研究

呂飛躍　賀子祺　陳浩　吳晨昊

摘 要：為了保證發(fā)動機在具有良好燃燒特性的同時，排放符合相應法規(guī)，可以采用復合噴射技術。本文將復合噴射模式分別與進氣道噴射模式和缸內(nèi)直噴模式進行比較，觀察發(fā)動機的動力表現(xiàn)、廢氣排放表現(xiàn)和循環(huán)工作時的燃油經(jīng)濟性表現(xiàn)。結果顯示，改變點火提前角時，復合噴射模式輸出功率始終高于進氣道噴射模式，碳氫化合物排放則更低;與缸內(nèi)直噴模式相比，復合噴射模式工作時平均指示壓力處于更高值，有良好的動力性能，同時燃料燃燒更加完全，具有更好的經(jīng)濟性。

關鍵詞：復合噴射;分層混合氣;燃燒特性;碳氫化合物排放

中圖分類號：TK46文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）05-0060-03

Abstract： In order to ensure that the engine has good combustion characteristics at the same time， emissions meet the corresponding regulations， the composite injection technology can be used. In this paper， the combined injection mode was compared with the inlet injection mode and the in cylinder direct injection mode respectively to observe the engine power performance， exhaust emission performance and fuel economy performance during the cycle operation. The results show that when the ignition advance angle was changed， the output power of the composite injection mode was always higher than that of the inlet injection mode， and the HC emission was lower; compared with GDI mode， the IMEP of the composite injection mode was higher， which had good dynamic performance， and the fuel combustion was more complete， which had better economy.

Keywords ： compound injection;stratified mixed gas;combustion characteristics;HC emissions

隨著能源消耗的增長和環(huán)境污染對人們生活的影響，人們對汽車性能的關注也越來越集中在節(jié)能減排上。汽車燃料燃燒與理想狀態(tài)之間的差距越大，廢氣排放量就越多。通過研究可知，大氣超過60%的碳氫化合物（HC）排放由機動車產(chǎn)生[1]。因而，對發(fā)動機進行技術改進，提高燃料燃燒的高效性，并減少有害氣體的產(chǎn)生，成為十分重要的任務。

眾多汽車公司對發(fā)動機技術進行深入研究，發(fā)現(xiàn)缸內(nèi)直噴技術使燃料在氣缸中分層燃燒，從而使發(fā)動機的熱效率大大提高[2]。三菱汽車在1996年研制了第一款運用缸內(nèi)直噴（Gasoline Direct Injection，GDI）技術的汽油機[3]。圖1是某款缸內(nèi)直噴汽油機的結構圖。盡管GDI技術在改善汽車動力和燃油經(jīng)濟性方面有顯著優(yōu)勢，但汽車的排放性卻不盡如人意。由于燃油霧化時間短，因此，霧化不充分，局部混合氣的濃度高，在發(fā)動機極高的溫度環(huán)境中會發(fā)生熱裂解脫氫，造成過多的碳氫化合物（HC）排放[4-5]。而復合噴射使氣缸中燃氣的分布達到理想的燃燒狀態(tài)，較好地彌補了上述缺陷。

1 復合噴射

復合噴射發(fā)動機循環(huán)工作時消耗的燃油一部分來自進氣道噴射（Port Fuel Injection，PFI），一部分由直噴式發(fā)動機提供。噴油器在進氣管道處噴出低壓油束，汽油在較高的溫度和充裕時間下?lián)]發(fā)，與進氣一同成為混合完全的燃氣。缸內(nèi)直噴又在燃燒室中相應的位置噴入壓力很高的燃料，使火花塞周圍實現(xiàn)濃燃燒氣的布置。復合噴射使氣缸中燃氣濃度呈現(xiàn)分層狀態(tài)[6]。

通過對復合噴射進行合理調(diào)節(jié)，會使分層混合氣達到理想的燃燒狀態(tài)，克服了進氣道噴射低轉速時動力性降低，缸內(nèi)直噴時氣缸內(nèi)燃油霧化時間偏短導致霧化不充分，HC排放和微粒物排放增多等缺點[7]。發(fā)動機處于不同工況時，可以調(diào)整兩種噴射模式的燃油比例，以達到更為理想的狀態(tài)。適當提高PFI模式的燃油比例，可以大幅度減少污染排放物。當需要追求動力性時，就增加GDI模式的燃油比例。

2 點火時刻對復合噴射的影響

圖1表示發(fā)動機轉速n保持在2 000 r/min、節(jié)氣門開度（Throttle Positioner，TP）是15%時，PFI和復合噴射兩種模式的點火提前角與輸出功率的關系圖。

在不同的點火提前角下，復合噴射模式的輸出功率高于進氣道噴射模式。這是因為復合噴射技術可以通過進氣道噴射形成均勻的混合氣，再加上缸內(nèi)直接噴射在火花塞周圍進行局部混合氣加濃，以使燃氣濃度呈現(xiàn)分層狀態(tài)，燃燒更加完全，發(fā)動機輸出更多功率。

當點火提前角較小時，燃料剛剛燃燒放熱時活塞已經(jīng)運動，燃氣放熱膨脹對外做功未達到理想的狀態(tài)，有更多的熱量通過傳遞給氣缸而浪費掉，表現(xiàn)為發(fā)動機過熱，燃料經(jīng)過燃燒釋放的熱不能按預期推動活塞運動。當點火提前角較大時，活塞在向上運動過程中要抵抗混合氣燃燒放熱的氣體膨脹壓力?；钊谙蛳轮裹c運動過程中，氣缸中的氣體溫度已經(jīng)降低，不能有效推動做功。因此，發(fā)動機要根據(jù)工況調(diào)整至合適的點火提前角。

圖2表示上述兩種模式下，點火提前角為不同值時，HC的排放變化規(guī)律。點火提前角在不同值時，進氣道噴射模式的平均HC排放量是0.246 mg/L，復合噴射模式平均HC排放量為0.125 mg/L。

3 過量空氣系數(shù)對復合噴射的影響

過量空氣系數(shù)[λ]會影響燃料在氣缸中的燃燒程度和火焰在氣缸中的運動情況，表現(xiàn)為發(fā)動機的動力性能和經(jīng)濟性能狀況。選取平均指示壓力（Indicated Mean Effective Pressure，IMEP）和熱效率來評價燃料燃燒情況與理想的燃燒設計的差距。當[λ]依次變大時，IMEP逐漸降低。這是因為節(jié)氣門開度調(diào)整至一個固定值不變，過量空氣系數(shù)的增加使發(fā)動機每個工作循環(huán)投入的燃料量相對減少，平均指示壓力隨之減小。

圖3是[λ]調(diào)節(jié)至不同值，IMEP變化情況。復合噴射模式與缸內(nèi)直噴模式相比較，前者的平均指示壓力始終要高于后者，并且其差值基本上保持固定不變。復合噴射模式通過PFI向燃燒室提供混合完全的燃氣，又通過GDI在燃燒室中噴入另一部分燃油，使火花塞周圍實現(xiàn)濃混合氣的布置。氣缸中整體混合狀態(tài)比較理想，能夠使燃料的放熱做功被充分利用。復合噴射氣缸中整體更為均勻的混合氣使燃燒更加完全。這些都使復合噴射模式的平均指示壓力更高。

從圖4可知，復合噴射模式的熱效率隨[λ]變化且始終大于缸內(nèi)噴射。在復合噴射模式和缸內(nèi)直噴模式下，當過量空氣系數(shù)增大時，熱效率都是先增大后減小。當[λ]處于較大值時，氣缸中進入的空氣量充足，氣缸中混合氣能得到充分燃燒;并且氣缸中燃燒溫度降低，傳熱損失降低，熱效率上升。[λ]繼續(xù)增大，混合氣接近燃燒極限，混合氣不能充分反應，導致熱效率下降。

4 結論

①復合噴射模式能實現(xiàn)分層混合氣的布置。與進氣道噴射相比，更適用于燃料燃燒，能保證燃料燃燒更加充分，發(fā)動機的輸出功率更高，有良好的動力性能，燃料經(jīng)過燃燒之后，HC排放只有進氣道噴射的50%左右。

②復合噴射模式和進氣道噴射模式下，點火提前角與動力性能的關系都是：點火提前角處于理想值時，發(fā)動機的燃燒表現(xiàn)最佳，可以輸出更多功率;點火提前角高于或低于該值，燃料燃燒放熱都不能充分轉化為輸出功。

③復合噴射模式在氣缸內(nèi)形成相對均勻的混合氣，同時又在火花帶周圍形成濃混合氣，混合氣整體混合狀態(tài)得到改善。與GDI模式相比，復合噴射模式工作時IMEP處于更高值，有良好的動力性能，同時燃料燃燒更加完全，具有更好的經(jīng)濟性。

參考文獻：

[1]楊忠敏.我國治理汽車尾氣排放污染的對策[J].上海汽車，2004（6）：43-45.

[2]王建昕，王志.高效清潔車用汽油機燃燒的研究進展[J].汽車安全與節(jié)能學報，2010 （3）：167-178.

[3] KUME T . Combustion Control Technologies for Direct Injection SI Engines[C]// SAE Annual Congress. 1996.

[4] GRIMALDI F ， GERVAIS D ， MARCHAL A ， et al. Single-cylinder Experiments for Downsizing-Oriented SI Concepts： GDI and VVL Thermodynamic Comparison[C]// International Conference on Engines for Automobiles. 2007.

[5] NAJJAR Y S H . Comparison of performance of a Greener direct-injection stratified-charge （DISC） engine with a spark-ignition engine using a simplified model[J]. Energy，2011（7）：4136-4143.

[6]MOU J F ， CHEN R Q ， LU Y W . The Research of Lean Combustion Characteristic of Compound Injection System of Direct Injection Engine[J]. Applied Mechanics & Materials，2014（532）：362-366.

[7]KAPUS P，OGRIS M，HOLLERER P. Measures to reduce particulate emissions from gasoline DI engines [EB/OL]. （2011-04-12）[2020-12-20]. http：//www.doc88.com/p-481336088606.html.