增压直喷汽油机部分负荷燃烧及排放特性试验研究*

代春雨　洪伟　黄恩利　苏岩　代志尧（.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，长春3005；.河北中兴汽车制造有限公司，保定07000）

增压直喷汽油机部分负荷燃烧及排放特性试验研究*

代春雨1洪伟1黄恩利2苏岩1代志尧1
（1.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，长春130025；2.河北中兴汽车制造有限公司，保定071000）

在一台增压直喷汽油机上研究部分负荷下点火正时、喷油正时及喷油压力对发动机燃烧及排放特性的影响。结果表明，点火正时对发动机性能、燃烧相位及排放特性的影响很大；喷油正时对发动机性能及排放特性影响较大，但对燃烧相位的影响很小；喷油压力对发动机性能和燃烧相位影响较小，但对HC排放影响较为明显。在中小转速、部分负荷下，发动机最佳点火正时、喷油正时、喷油压力随负荷变化不明显，最佳喷油压力随转速上升而增大。

主题词：增压直喷汽油机燃烧排放

1 前言

缸内直喷技术是实现汽油机高效、清洁燃烧的一个有效途径［1～4］。随着增压技术的不断进步，增压直喷汽油机成为现代汽油机技术发展的主流方向。因此，针对增压直喷汽油机的相关研究也变得越来越重要。

近些年便有关于增压直喷汽油机部分负荷燃烧特性的相关研究。胡军军等［5］对直喷汽油机的燃烧特性进行了详细的分析；付磊等［6］对增压直喷汽油机部分负荷燃烧特性的影响因素进行了研究。但均未对发动机多个转速及负荷下的性能及最佳控制参数进行对比分析，因此有必要在不同转速及负荷下进行试验研究。

2 试验样机及试验系统

试验样机为一台1.4L 4缸增压直喷汽油机，其性能参数如表1所列。图1为试验台架示意图。试验台架采用了基于飞思卡尔自行开发的控制系统，可对点火正时、喷油正时、喷油压力等参数进行精确控制。气缸压力采用KISTLER公司的6117B火花塞式压力传感器进行采集，燃烧分析仪为日本小野DS-9100燃烧分析仪，每个工况点均采集200个循环取平均值以消除测量误差，采用AVLDiGas4000尾气分析仪对排气进行成分分析。

表1　试验机基本参数

图1　试验台架示意

3 燃烧及排放特性试验研究

点火正时、喷油正时以及喷油压力是影响增压直喷汽油机燃烧特性的重要因素。本试验对部分负荷下点火正时、喷油正时以及喷油压力对发动机燃烧及排放性能的影响进行研究。试验采用单因素变化的方式进行研究，通过控制燃油消耗量的方式来进行负荷控制。

3.1 点火正时的影响

试验在1 500 r/min、2 500 r/min两个转速以及喷油脉宽为1 000μs、1 500μs、2 000μs和2 500μs4个负荷（10%、19%、28%、40%负荷）下进行，保持喷油正时为上止点前（BTDC）300°，喷油压力为8.5MPa，研究点火正时的变化对发动机性能的影响。

点火正时对汽油机经济性影响较大。点火过早会使压缩负功增加，点火过晚会使燃烧温度与压力降低，从而降低燃烧热效率，点火正时对该发动机性能的影响如图2所示。可以看出，当点火正时为20°BTDC时，不同转速及负荷下扭矩均可达最大值，在小负荷（喷油脉宽为1 000μs）时燃油消耗率的最低点出现在25°BTDC，随着负荷的升高燃油消耗率降低，且最低油耗点有减小的趋势，均为20°BTDC。随着转速的升高，相同点火提前角跨度下的扭矩及燃油消耗率的差值变大。

大量研究表明，当最大爆发压力出现在压缩上止点后12°～15°时，实际循环与理论循环最为接近，此时对应的点火正时即是最佳点火正时［7］。图3为点火正时对燃烧特性的影响。

图2　点火正时对该发动机性能的影响

图3　点火正时对燃烧特性的影响

由图3可以看出，随着点火提前，最大爆发压力逐渐升高，最大爆发压力对应曲轴转角逐渐提前，即燃烧相位随着点火正时的提前而提前，说明点火正时是汽油机燃烧相位的主要影响因素。当点火正时为20°BTDC时，发动机可以获得较大的最大爆发压力，且最大爆发压力对应的曲轴转角均在12°～15°BTDC附近，燃烧定容度高，燃烧损失较小。随着转速的升高，最大爆发压力降低，最大爆发压力对应曲轴转角增大，燃烧相位滞后。负荷增大时，点火正时对燃烧最大爆发压力的影响较大，在不同转速下燃烧最大爆发压力随点火正时变化的趋势区别不大。

图4　点火正时对排放特性的影响

由图4可知，随着点火正时逐渐提前，HC排放呈先降低后升高的趋势，2 500 r/min较小负荷时HC排放在点火正时为15°BTDC时出现最低值。1 500 r/min下CO排放同样呈先降低后升高的趋势，在点火正时为20°BTDC时达到最低值，2 500 r/min较大负荷（喷油脉宽大于2 000μs）时CO排放随着点火提前而一直升高，其是由点火提前使混合气混合时间变短，混合不均匀导致的。由于点火提前导致燃烧温度升高，故NOx排放随着点火正时的提前而升高，1 500 r/min较大负荷下，NOx排放在点火正时为20°BTDC时达到最大。负荷增大，混合气混合均匀性降低，CO排放上升。转速上升，后燃增加，这种情况下有利于HC的后期氧化，使HC降低，燃烧温度升高使NOx排放升高。

3.2 喷油正时的影响

试验的转速及喷油脉宽与对点火正时影响的试验条件相同，保持点火正时为20°BTDC，喷油压力为8.5MPa，研究喷油正时的变化对发动机燃烧特性的影响。喷油正时是影响混合气形成的关键因素。对直喷汽油机来说，喷油时刻越早，混合气形成的时间越长，混合气混合越充分，发动机燃烧越好。但过早的喷油时刻会使油束撞击活塞顶部而产生湿壁现象。故最佳喷油正时是在避免燃油湿壁的前提下尽量延长油气混合时间，保证油气充分混合。图5为喷油正时对发动机性能的影响。

图5　喷油正时对发动机性能的影响

由图5可以看出，在喷油正时为300°BTDC时，两转速下的大部分工况均可获得最大扭矩以及最低的燃油消耗率。在2 500 r/min较小负荷下，最佳喷油正时出现在330°BTDC。相对于低转速来说，较高转速下发动机性能随喷油正时变化的趋势较大。

相对于点火正时，喷油正时对最大爆发压力影响相对较小，如图6所示。当喷油正时为300°BTDC时，最大爆发压力较高。喷油正时对燃烧相位影响很小，当喷油正时改变时，最大爆发压力对应曲轴转角变化较小，变化范围不超过5°。负荷较高时，最大爆发压力随喷油正时变化较大，即喷油正时对燃烧的影响是随着负荷增大而增大的。

图6　喷油正时对燃烧特性的影响

图7为喷油正时对排放特性的影响。

图7　喷油正时对排放特性的影响

由图7可知，HC和CO排放随喷油正时的提前先降低后升高，并且均在喷油正时为300°BTDC时达到最低值，此时NOx排放较高。喷油正时比较滞后时，HC排放较高，这是由混合时间太短，大量燃油没有来得及与空气混合造成的。转速升高，HC和NOx排放降低，但由于燃烧时间变短而使燃烧变得不完全，CO排放升高。

3.3 喷油压力的影响

试验在1 500 r/min、2 500 r/min两个转速下进行，保持点火正时为20°BTDC，喷油正时为300°BTDC，通过调节喷油脉宽保证在不同喷油压力下燃油消耗量相同。

直喷汽油机喷油压力是影响混合气形成的另一个重要因素。喷油压力越高，燃油雾化越好，但发动机燃油始喷时刻均处于活塞下行的进气行程中，过高的压力会造成燃油碰壁的现象，因此喷油压力的选择应以使油束贯穿整个气缸而又尽量避免碰壁为准。图8为喷油压力对该发动机性能的影响。

由图8可以看出，发动机扭矩随喷油压力变化呈先升高后降低的趋势，1 500 r/min喷油压力为6MPa时扭矩最高，2 500 r/min喷油压力为8MPa时扭矩最高，并且均可在相应喷油压力下获得最低的有效燃油消耗率。此外，最佳喷油压力随转速升高而增大，且在不同转速及负荷下，发动机性能随喷油压力变化的趋势差别不大。

发动机在1 500 r/min喷油压力为6MPa、2 500 r/min喷油压力为8MPa时均可获得较高的最大爆发压力（图9），但喷油压力对最大爆发压力的影响很小，对最大爆发压力出现的曲轴转角影响也很小。随着转速的升高，燃烧所占的曲轴转角随之变大，燃烧相位较低转速滞后，且转速升高后燃烧最大爆发压力对应曲轴转角随喷油压力变化的趋势更为平缓。

图10为喷油压力对排放特性的影响。可以看出，喷油压力变化时，HC及CO排放量均先降低后升高的变化趋势，在1 500 r/min喷油压力为6MPa、2 500 r/min喷油压力为8MPa时，发动机的HC及CO排放达最低值。在轨压过高或过低（10MPa或4MPa）时会由于燃烧不稳定导致HC排放值波动较大。喷油压力对NOx排放影响不大。负荷增大时HC排放会降低，CO排放升高，NOx排放升高。

图8　喷油压力对发动机性能的影响

图9　喷油压力对燃烧特性的影响

图10　喷油压力对排放特性的影响

4 结束语

a.点火正时和喷油正时对增压直喷汽油机动力性及经济性影响很大，喷油压力对发动机性能影响较小。最佳点火正时随负荷增大而减小，最佳喷油压力随转速升高而增大，最佳喷油正时随转速和负荷变化不明显，较高转速下发动机性能对点火正时和喷油正时的变化更为敏感。

b.点火正时对发动机燃烧相位影响十分显著，而喷油正时和喷油压力对燃烧相位影响不明显，对最大爆发压力影响较为明显。发动机在最佳点火正时、最佳喷油正时以及喷油压力下均可获得较高的最大爆发压力，且负荷变大时点火正时和喷油正时对燃烧最大爆发压力影响也变大。

c.点火正时和喷油正时对发动机排放影响较大，发动机在最佳点火正时、最佳喷油正时以及喷油压力下HC和CO排放均可达到最低值，但NOx排放较高。随转速升高HC排放降低，CO排放升高。喷油压力对发动机HC的排放影响较为明显，喷油压力过低或过高时会由于燃烧不稳定而导致HC波动变大。

1 Landenfeld T，Kufferath A，Gerhardt J.Gasoline direct injection-SULEV emission concept.SAE paper2004-01-0041.

2 Strokes J，Lake T，Osborne R.A gasoline engine concept for improved fueleconomy-The lean boostsystem.SAEPaper2000-01-2902.

3 Bandel W，Fraidl G K，Kapus P E，et al.The turbocharged GDIengine：boosted synergies for high fuel economy plusultra-low emission.SAEPaper 2006-01-1266.

4 Lake T，Sapsford S，Strokes J，etal.Simulation and development experience of a stratified charge gasoline direct injection engine.SAEPaper962014.

5胡军军，黄震，周龙保，等.缸内直喷式汽油机燃烧特性分析.汽车工程，2003，25（6）：550～552.

6付磊，宫艳峰，虞卫飞，等.增压直喷汽油机部分负荷燃烧特性及影响因素研究.小型内燃机与车辆技术，2014，43（5）：1～4.

7周龙保，刘忠长，高宗英.内燃机学（第3版）.北京：机械工业出版社，2010.

（责任编辑晨曦）

修改稿收到日期为2016年4月14日。

Research on Combustion and Em ission Characteristics of Turbocharged Direct Injection Gasoline Engine in Partial Load

Dai Chunyu1，HongWei1，Huang Enli2，Su Yan1，Dai Zhiyao1
（1.State Key Laboratory of Automobile Simulation and Control，Jilin University，Changchun 130025；2.Hebei Zhongxing Automobile Co.，Ltd.，Baoding 071000）

【Abstract】An experiment has been conducted on a turbocharged direct injection gasoline engine to study the effects of ignition timing，injection timing and injection pressure on the engine combustion and emission characteristics.The results show that ignition timing has substantial influence on the engine performance，combustion phase and emission characteristics.Injection timing influences greatly the engine performance and emission characteristics，but little on the combustion phase.Injection pressure has little influence on the engine performance and combustion phase，whereas its influence on HC emissions is relatively clear.Under low medium speed and partial load，engine optimum ignition timing，injection timing and injection pressure changing with load is not obvious，the optimum injection pressure increases when engine speed rises.

GDIengine，Combustion，Em ission

U464.1

A

1000-3703（2016）08-0018-05

国家自然科学基金资助项目（51276080、51206059）。

苏岩，男，副教授，研究方向为内燃机工作过程控制及优化，E-mail：suyan@jlu.edu.cn。