增压直喷汽油机部分负荷燃烧特性及影响因素研究

付磊 宫艳峰 虞卫飞 窦慧莉 李显 李华 张建锐

（中国第一汽车股份有限公司技术中心吉林长春130011）

·研究·开发·

增压直喷汽油机部分负荷燃烧特性及影响因素研究

付磊 宫艳峰 虞卫飞 窦慧莉 李显 李华 张建锐

（中国第一汽车股份有限公司技术中心吉林长春130011）

研究了一台小型增压直喷汽油机部分负荷燃烧特性，并且与一台较大排量的增压直喷发动机进行了对比分析，总结了燃烧规律和影响因素。研究结果表明点火正时、喷油正时对燃烧有显著影响；对于一定工况，存在唯一的最优燃烧相位，使有效燃油油耗率达到最低值；冷却能力是影响最佳燃烧相位的主要因素。

增压直喷汽油机燃烧油耗

引言

随着经济发展和技术进步，人类的生产和生活给能源、环境带来了更大的负担。随着能源价格高企和环境的不断恶化，能源和环境问题越来越受到关注。

汽油机是乘用车的主要动力源，而增压直喷技术是被公认的提高燃油经济性最有效的技术之一[1，2]。通过增压技术实现降低排量，提高发动机负荷率，减少发动机在低负荷工作比重，对提高整车燃油经济性具有显著效果。缸内直喷技术通过增加压缩比提高发动机燃油经济性同时，与增压技术相配合，可以进一步提高发动机性能[3，4]。

虽然增压降排量技术可以提高发动机负荷率，但是乘用车发动机主要工况依然为部分负荷工况，所以研究增压直喷汽油机部分负荷燃烧特性及影响因素依然具有重要意义[5]。

发动机燃烧特性除与燃烧系统本身，如燃烧室形状、喷油条件、点火条件等有关外，还与冷却系统密切相关。对于增压发动机，为了满足高负荷的冷却需求，需要提高冷却系统的最大冷却能力，但在低负荷工况冷却能力过强，导致传热损失增加。为了解决这个问题，电控水泵等措施已经得到应用，但是很少有关于冷却能力过强对燃烧特性影响的研究。

本文详细研究了增压直喷汽油机部分负荷燃烧规律，并且通过与较大排量增压直喷汽油机进行对比，说明了相对过强的冷却能力，影响最佳燃烧相位，增加燃烧时间损失。

1 试验机及试验系统

试验机参数如表1所示，为一台两气门增压直喷汽油机，采用高涡流、高滚流进气系统和高压多孔喷油器。

表1 试验机基本参数

试验台架采用了冷却水外循环控制、机油外循环控制系统，保证了试验条件的一致性。

发动机控制采用基于dSPACE自行开发的控制系统，精确控制点火正时、点火能量、喷油正时、油轨压力、过量空气系数等参数，同时监测发动机各工作状态，记录试验数据。

2 部分负荷试验结果分析

以2000 r/min、0.2 MPa平均有效压力和3000 r/ min、0.3 MPa平均有效压力为基本工况点，调节点火正时、喷油正时等参数，研究其对性能及燃烧的影响。在发动机性能和燃烧分析中，详细分析了在2000 r/min、0.2 MPa平均有效压力的基本工况点，各控制参数的影响规律，并通过与3000 r/min、0.3 MPa平均有效压力工况点燃烧特性进行对比分析，总结燃烧规律。

2.1 点火正时对燃烧的影响

试验准则为：发动机转速为2000 r/min，油轨压力为8 MPa，喷油正时为压缩上止点前270°CA，在调节点火提前角过程中，由于热效率的变化，平均有效压力会发生一定的变动，通过调整喷油量和进气量维持平均有效压力为0.2 MPa。各项燃烧参数变化情况如图1所示。

图1 点火正时对性能和燃烧的影响

由图1a）可以看出，发动机有效燃油消耗率受点火提前角的影响非常明显。如果不考虑传热的影响，50%燃烧放热角在上止点会获得最大热效率，但过早的燃烧放热，使缸内气体温度升高过早，在上止点附近活塞位移较小做功能力较弱时的传热损失过大，导致做功过程中缸内温度和压力较低[6]。燃烧相位过晚，会导致更多的燃烧时间损失，做功过程的缸内压力较低。所以最佳燃烧相位可以认为是传热损失和时间损失的调和点。在本试验中，在点火提前角增加到上止点前32°CA时，达到最低值394 g/（kW· h），继续增加点火提前角，会使有效燃油消耗率增加。综合图1a）、b）、c）、d）可以看出，在最佳点火提前角附近的缸内燃烧变化较小，燃烧相位、燃烧持续期、最大爆发压力、最大爆发压力对应曲轴转角等变化不大，说明缸内压力状态在该点附近较为稳定，该燃烧相位是时间损失和传热损失影响的拐点。该燃烧相位下的循环变动率也比较低。该工况点的最佳燃烧相位为12°CA，由于相对上止点较远，燃烧时间损失较大。

2.2 喷油正时对燃烧的影响

试验准则为：发动机转速为2000 r/min，油轨压力为8 MPa，点火提前角为压缩上止点前30°CA，在调节喷油正时过程中，由于热效率的变化，平均有效压力会发生一定的变动，通过调整喷油量和进气量维持平均有效压力为0.2 MPa。各项燃烧参数变化情况如图2所示。

图2 喷油正时对性能和燃烧的影响

喷油正时对缸内直喷发动机混合气形成质量具有很大影响。混合气形成质量包括均匀程度和雾化程度，同时也包括缸内流动。对于进气行程燃油喷射的均质燃烧汽油机，合适的喷油正时应该能够给燃油留下足够多的雾化和混合的时间，并且燃油撞壁较少。由图2a）可以看出，喷油正时为压缩上止点前320°CA BTDC时，有效燃油消耗率达到最低值384 g/（kW·h）。从图2b），c），d）可以看出合适的喷油正时，能够使燃烧速度加快，燃烧更加稳定；获得更大的爆发压力和指示平均压力，燃烧更加稳定。如果喷油正时在合适位置提前，则由于过多燃油喷射到活塞表面，如果推迟喷油，则会减少混合气形成时间，都会导致混合气形成质量下降，进而使有效油耗率升高、燃烧持续期加长，燃烧相位滞后，燃烧不稳定，指示平均压力降低、最大爆发压力滞后且降低。

2.3 不同工况性能及燃烧对比分析

图3、图4分别为2000 r/min、0.2 MPa平均有效压力和3000 r/min、0.3 MPa平均有效压力工况下有效燃油消耗率和燃烧相位随点火提前角的变化规律。一般来说，不同工况点对比意义不明显，本文比较不同工况点的目的在于说明传热损失对燃烧的影响。

图3 有效燃油消耗率随点火正时变化

图4 燃烧相位随点火正时变化

从图中可以看出，对于3000 r/min、0.3 MPa平均有效压力工况，点火提前角对油耗和燃烧相位影响较小。对比两种不同工况燃烧特性可知，3000 r/min、0.3 MPa工况相对于2000 r/min、0.2 MPa平均有效压力工况，50%燃烧相位提前，约在压缩上止点后8°CA。燃烧持续期减小至23°CA。同一燃烧系统在不发生爆燃情况下，最低有效燃油消耗率对应的50%燃烧放热角应该相近，本文出现不同工况50%燃烧相位较大差异的原因在于试验中使用的冷却外循环系统，该系统对不同工况的冷却能力是相近的，这就导致了2000 r/min、0.2 MPa工况相对于3000 r/min、0.3 MPa工况受到的冷却能力更强，使最佳燃烧相位滞后，增加了燃烧时间损失。可以看出，过强的冷却能力，在增加传热损失的同时，也影响最佳燃烧相位，增加了燃烧时间损失。

3 与其他燃烧系统对比分析

为了进一步证明冷却能力对最佳50%燃烧放热相位角的影响，在同样的试验条件系统下进行了某2.0L增压直喷汽油机的性能试验，并将试验2000 r/ min、0.2 MPa工况的有效油耗率和燃烧特性与1.2L试验机进行了对比分析。该2.0L发动机主要参数如表2所示。

表2 试验机基本参数

图5和图6是两种燃烧系统在2000 r/min、0.2 MPa平均有效压力工况点有效油耗率和燃烧特性随点火提前角变化规律的对比分析。可以看出，两种不同燃烧系统的有效油耗率和燃烧相位随点火提前角的变化具有相同的趋势，并且点火提前角都在32° CA BTDC附近时，有效燃油消耗率达到最低值。在最低有效燃油消耗率时，两种燃烧系统具有相似的50%燃烧放热角，都在上止点后12°CA至13°CA。可以看出，两种燃烧系统最佳50%燃烧放热角均比较滞后，说明两种燃烧系统在该工况点受到过强的冷却，进一步验证了前面的结论：增压直喷汽油机存在高低负荷冷却需求相差较大的问题，使得低负荷工况在传热损失增加的同时，也推后了最佳50%燃烧相位角，导致更多的燃烧时间损失。

图5 有效燃油消耗率随点火提前角变化

图6 燃烧相位随点火提前角变化

4 结论

本文分析了一台1.2L增压直喷汽油机燃烧特性及影响因素。总结了各控制参数对燃烧的影响，并且与2.0L增压直喷汽油机部分负荷性能和燃烧特性进行了对比分析。主要结论如下：

1）点火正时、喷油正时对燃烧有显著影响；

2）对于一定工况，存在唯一的最优燃烧相位，使油耗达到最低值；

3）传热损失是影响最佳燃烧相位的主要因素。

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

4Lake T，Sapsford S，Stokes J，et al.Simulation and development experience of a stratified charge gasoline direct injection engine.SAE Paper 962014

5李骏.汽车发动机节能减排先进技术[M].北京：北京理工大学出版社，2011

6杨嘉林.车用汽油发动机燃烧系统的开发[M].北京：机械工业出版社，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，Fuel consumption

TK411+.2

A

2095-8234（2014）05-0001-04

2014-07-11）

付磊（1982－），男，博士，主要研究方向为汽油机燃烧与排放控制。