进气门关闭状态下喷油时刻对汽油机性能的影响

马宗正， 邵凤翔， 王新莉， 杨安杰， 董少华， 张乾助

(1. 河南工程学院动力机械与车辆工程研究所， 河南 郑州 451191； 2. 河南工程学院机械工程学院， 河南 郑州 451191)

进气门关闭状态下喷油时刻对汽油机性能的影响

马宗正1,2， 邵凤翔2， 王新莉1,2， 杨安杰1， 董少华2， 张乾助2

(1. 河南工程学院动力机械与车辆工程研究所， 河南 郑州 451191； 2. 河南工程学院机械工程学院， 河南 郑州 451191)

为了改善进气道喷射式发动机性能，采用台架试验和数值计算的方法对喷油时刻与进气道喷射式汽油机性能之间的关系进行了研究。研究结果表明：在进气门关闭状态下进行燃油喷射，发动机运行工况不同，喷油时刻对发动机性能的影响规律不同，小节气门开度时推迟喷油时刻会导致HC排放升高和发动机动力性下降，大节气门开度时喷油时刻的改变对发动机性能的影响可以忽略。通过数值计算分析发现该变化规律与附壁油膜挥发速率有直接关系，在小节气门开度条件下，附壁油膜无法完全挥发，会增加燃油以液态形式进入气缸的量，从而使发动机性能下降，而处于大节气门条件下，较高的机体温度使得附壁油膜挥发速率加快，降低液态燃油的量，从而改善发动机性能。因此，进气道喷射发动机可以在小节气门开度时采用两次燃油喷射方式提升发动机性能，而在大节气门开度下则无需考虑喷油时刻的影响。

汽油机； 喷油定时；台架试验； 数值模拟； 油膜

目前进气道喷射仍然是汽油机主要的燃油喷射形式，对于进气道喷射式汽油机来说，燃油需要喷射到进气道内部，与空气初步混合后进入气缸参与燃烧[1]。由于进气道结构的限制，所喷射的燃油会到达进气道壁面或者进气门背面，形成附壁油膜[2-4]。已有的研究结果表明，附壁油膜现象会导致燃油以液态形式进入气缸，沉积在气缸内部的缝隙处(比如活塞与气缸套之间的缝隙，)或者是活塞表面上， 造成发动机HC排放升高[5]，特别是当发动机机体温度较低时，附壁油膜导致的液态燃油进入气缸的比例会更高[6]。同时，如果液态燃油进入气缸后没有挥发，还会影响发动机的动力性。因此提升附壁油膜的挥发速率就变得非常重要。

E. Curtis等人的研究发现，通过合理布置喷嘴位置和选择合适的喷嘴，增加燃油喷射的面积，可以提高燃油挥发的速率，减少以液态形式进入气缸的燃油量，并且燃油喷射落地集中在进气门背面时效果会更加明显[7]。与此相同，Miguel R. Panão等人的研究结果表明，燃油喷射压力升高也会产生同样的效果，即油膜的分布区域增加，从而增加油膜的挥发速率[8]。赵福全等人的研究表明，相比于单孔喷嘴，双孔喷嘴喷雾的扩散性较好，使得附壁油膜现象得到改善，但是对喷嘴的安装位置要求较为苛刻[9]。S. K. Fulcher等人研究发现，如果采用空气辅助喷射，效果更加明显[10]。

改善燃油挥发速率还有一种方法是改变燃油喷射时刻。C. Alkidas等人的研究结果表明，在进气开始阶段进行喷油都会使HC排放明显增加[11]；而G. M. Bianchi等人的研究结果表明，燃油喷射时进气阀完全关闭则可获得较为均匀的混合气[12]；马宗正等人的研究表明，当燃油在进气门开启状态下喷射时，可以利用进气回流增加附壁油膜的挥发速率[13-14]。

通过以上文献可知，燃油挥发速率对发动机HC排放有着重要的影响，如果想改善发动机性能，可以通过选择合适的喷嘴、采用较高的喷射压力、改进配气相位以及改变燃油喷射时刻等方法实现，但是改变喷嘴结构、提高燃油喷射压力以及改变配气相位需要增加一定的成本，而改变燃油喷射时刻则只需要改变相应的燃油喷射程序即可，相对容易实现，且成本较低。之前对燃油喷射时刻与发动机性能之间关系的研究都没有考虑发动机工况的变化，而发动机在实际工作过程中，当工况发生变化时，燃油挥发的规律可能发生变化。

目前汽油发动机主要采用进气道喷射方式，如果能够通过改变燃油喷射时刻提高发动机性能，则对节能减排有着重要的意义，为此研究了不同工况下燃油喷射时刻对发动机性能的影响规律。

1 喷油时刻对发动机性能影响的试验分析

1.1 试验设备和试验方法

图1示出发动机试验系统示意。发动机台架系统主要由发动机、测功机系统、测量系统和电控系统组成。其中，发动机为K157 FMI发动机，具体参数见表1；测功机系统采用湘仪FC2000系统；空燃比测量采用Tech Edge公司的2C0控制器和BOSH7200LSU宽裕氧传感器，尾气测量采用FGA-4100五气分析仪；电控系统为自行开发完成，可以实现对燃油喷射的控制。

图1 试验系统示意

型式单缸，四冲程标定功率/kW7．0行程/mm56．5标定功率转速/r·min-17500缸径/mm49．5压缩比9∶1排量/mL124冷却方式风冷

1.2 试验结果分析

为了研究喷油时刻对发动机性能的影响，将燃油喷射开始时间设定在做功行程，为了便于分析，将压缩上止点设定为0°，喷油时刻分别为10°，50°，100°和150°。

图2示出发动机转速4 000 r/min，节气门开度20%时，发动机功率和空燃比随喷油时刻的变化。需要说明的是，为了消除机体温度的影响，通过鼓风机将火花塞垫片温度保持在135 ℃。由图2可知，当喷油时刻为10°时，发动机功率约为1.96 kW，空燃比值约为14.2，而当喷油时刻为150°时，发动机功率为1.92 kW，空燃比值为14.6。由图3可看出，当喷油时刻由10°变化到150°，HC排放体积分数由最初的764×10-6上升到843×10-6。可见随着喷油时刻的推迟，发动机功率降低，HC排放升高。

图2 功率和空燃比随喷油时刻的变化

图3 HC排放随喷油时刻的变化

但是当改变发动机工况时，喷油时刻的影响规律又发生变化。如图4和图5所示，当节气门开度变为100%时，喷油时刻由10°变化到150°，测得发动机的功率在3.05 kW左右波动，空燃比在13.3左右波动，HC排放体积分数在860×10-6到880×10-6之间波动，可见功率、空燃比和HC排放随喷油时刻的变化基本保持不变。

图4 功率和空燃比随喷油时刻的变化

图5 HC排放随喷油时刻的变化

2 喷射时刻对发动机性能影响的计算分析

由试验结果可见，喷油时刻在不同工况下对发动机的影响是不一样的，由已有文献可知，HC排放与附壁油膜的挥发有着重要的关系，但是从宏观角度无法对其进行分析，为此采用数值计算的方法分析了附壁油膜的挥发与发动机性能之间的关系。

2.1 网格模型及验证

在分析过程中，涉及到发动机进气道和燃烧室，为了便于分析，将发动机简化为进气道和燃烧室两部分(见图6)。在进气道喷射过程中可以不考虑燃烧室部分，只考虑进气道部分，喷嘴布置于进气道；进气门开启后采用进气道+燃烧室的网格模型；进气门关闭后则采用燃烧室模型进行分析。这样可以最大限度地降低计算网格数量，提高计算效率。

图6 计算网格模型

数值计算的准确性取决于采用模型的正确性，在本次数值计算中所采用的模型主要是喷雾模型和附壁油膜模型，为了确保模型的正确性，采用纹影法进行验证。图7示出纹影法与数值计算喷雾碰壁图像的对比。通过可视化试验结果与数值计算结果的对比可以看出，在喷油开始后的3 ms，7 ms时，模型预测的喷雾及碰壁过程与试验结果都比较吻合[4]，所采用的计算模型能够较好地反映燃油碰壁后的发展过程。因此所采用的喷雾及碰壁子模型可以用于后续的研究中。

图7 数值计算与纹影法对比

2.2 初始条件和边界条件

边界条件是进气道入口处的参数设置，主要包括进气流量、进气温度等；初始条件包括进气道初始条件和燃烧室初始条件。其中，进气温度、燃烧室内部压力和温度通过发动机实际工作过程测量得到，由于进气流量需要是每一个曲轴转角下的数据，不容易测量，为此采用一维计算获取[16]。

针对20%节气门开度和100%节气门开度两种情况进行了分析。为了便于分析，燃油喷射量保持一致，喷油脉宽保为2.5 ms，喷油量为2.63 mg，只改变边界条件，具体参数见表2和表3。

表2 20%节气门开度时的初始条件及边界条件设置

表3 100%节气门开度时的初始条件及边界条件设置

2.3 20%节气门开度时喷油时刻的影响

在进气门关闭状态下进行燃油喷射时，燃油空间挥发量几乎可以忽略[7]，在分析过程中主要对附壁油膜的挥发进行分析，所设定的喷油时刻分别为20°，40°和60°。

图8示出节气门开度为20%时不同喷油时刻对应的附壁油膜挥发量的对比。由图8可知，当喷油时刻为20°时，在点火时刻之前附壁油膜的挥发量约为1.44 mg，而喷油时刻推迟到60°时，该值仅为1.35 mg。进一步分析可以发现，在进气门开启(即330°)时，附壁油膜最大挥发量和最小挥发量的差值为0.15 mg，可见附壁油膜挥发的区别在于进气门开启之前进气道内部的挥发量。

图8 不同喷油时刻下的附壁油膜挥发量

喷油时间为2.5 ms时，换算为曲轴转角大约为63°，此时进气门没有开启，进气道内部气流基本处于静止状态，依靠空气流动增加的燃油挥发基本可以忽略，也就是说附壁油膜的挥发主要是靠进气道壁面吸收热量来实现。推迟喷油时刻就会减少附壁油膜的挥发时间，从而减少燃油挥发量。

不是所有的附壁油膜都是在进气门关闭状态下完成的挥发，通过附壁油膜挥发量变化可以发现，当节气门开启后，附壁油膜挥发速率是增加的。主要原因是当进气门开启后，附壁油膜除了通过从发动机机体吸收热量挥发之外，进气气流的流动也是促进油膜挥发的一个重要因素，两种因素的共同作用使得油膜挥发速率增加。

通过图9可以发现，当进气门关闭时，不论喷油时刻如何变化，都有一部分燃油没有完全挥发，这些燃油的存在会增加进入气缸的液态燃油量，而液态燃油通过排气测量无法获取，使得测量空燃比值变大；而液态燃油的加入又会使燃烧恶化，从而造成HC排放升高。这就是图2和图3中推迟燃油喷射时刻空燃比升高、HC排放增加的原因。

图9 不同喷油时刻下的附壁油膜质量

另外，通过对图9的分析还可以发现，不管是哪一种燃油喷射时刻，在100°之前附壁油膜的质量会迅速升高，大约为2.4 mg，大约91%的燃油会到达进气道壁面，只有不到10%的燃油可以通过空间雾化的方式挥发，因此可以在分析过程中忽略空间雾化的燃油量。

2.4 100%节气门开度时喷油时刻的影响

图10示出100%节气门开度时不同喷油时刻附壁油膜挥发量的对比。由图10可知，喷油时刻为20°时，在点火时刻之前附壁油膜的挥发量约为2.35 mg，而喷油时刻为60°时，附壁油膜挥发量约为2.32 mg，可见喷油时刻对附壁油膜挥发量基本不影响。

图10 不同喷油时刻下的附壁油膜挥发量

与20%节气门开度时进行对比可以发现，附壁油膜挥发量的大幅提升得益于进气道温度的升高，进气道温度的提高使得附壁油膜挥发速率提升，从而降低了挥发时间带来的影响，使得喷油时刻对其影响降低，甚至可以忽略。

对图11中100%节气门开度时不同喷油时刻附壁油膜量的对比分析可以发现，在100%节气门开度，当进气门关闭时，进气道内部的附壁油膜质量只有0.2 mg左右，大约只占所喷射燃油的7%，而在20%节气门开度时，该值约为48%。由前面的分析可知，附壁油膜量的降低直接影响空燃比和HC排放，而当附壁油膜挥发量升高后，液态燃油量就会大大降低，从而降低HC排放，这也是图3和图4中发动机功率、HC排放等不随燃油喷射时刻变化而改变的原因。

图11 不同喷油时刻下的附壁油膜质量

3 基于分析结果的喷油方式对比

研究结果表明，利用进气流动也能够提高燃油

挥发速率[17]，为此提出将部分燃油在进气过程中喷射。表4列出4 500 r/min时不同节气门开度下喷油方式的对比。在试验过程中保持总喷油量不变，单次喷油时喷油时刻设定为10°，两次喷射时喷油时刻分别为10°和320°。

由表4可知，当节气门开度为40%，单次喷油时发动机功率只有2.44 kW，空燃比为15.1，而采用两次喷油方式时发动机功率可达到2.55 kW，空燃比下降到14.2；而当节气门开度为100%，采用两次喷油方式时，发动机功率从2.99 kW升高到3.05 kW，空燃比从13.7降低13.2。

由此可表明，改善燃油喷射速率可以改善发动机性能；当节气门开度较大时，两次喷油对发动机性能的改善效果小于节气门开度较小时。

表4 4 500 r/min时不同节气门开度下喷油方式的对比

4 结论

a) 当发动机处于小节气门开度时，在保持喷油量不变的情况下，当喷油时刻由10°推迟到150°时，发动机功率降低，HC排放升高；当发动机处于大节气门开度时，在保持喷油量不变的情况下，推迟喷油时刻对发动机功率和HC排放的影响可以忽略；

b) 喷射时刻对发动机性能的影响与附壁油膜挥发速率有直接关系，提升燃油挥发速率可以降低喷油时刻对发动性能的影响；

c) 对于进气道喷射式发动机，当发动机处于小节气门开度时，可以采用两次燃油喷射方式提高发动机性能，而节气门开度较大时，则无需改变燃油喷射时刻。

[1] 周龙保.内燃机学[M]．北京:机械工业出版社,1999:14-18.

[2] Shin Y,Cheng W K,Heywood J B.Liquid gasoline behavior in the engine cylinder of a si engine[C]．SAE Paper 941872,1994.

[3] Zughyer J,Zhao F Q,Lai M C,et al.A visualization study of fuel distribution and combustion inside a port-injection gasoline engine under different start conditions[C]．SAE Paper 2000-01-0242.

[4] 马宗正，程勇，纪少波，等.汽油机起动工况附壁油膜挥发过程的计算分析[J]．燃烧科学与技术,2010,16(6):503-507.

[5] Cho H,Min K.Measurement of liquid fuel film distribution on the cylinder liner of a spark ignition engine using the laser induced fluorescence technique[J]．Measurement Science and Technology,2003,14(7):975-982.

[6] Saito K,Sekiguchi K,Nobuo I.A New Method to Analyze Fuel Behavior in a Spark Ignition Engine[C]．SAE Paper 950044,1995.

[7] Curtis E,Russ S,Aquino C,et al.The effects of injector targeting and fuel volatility on fuel dynamics in a pfi engine during warm-up:part Ⅱ-modeling results[C]．SAE Paper 982519,1998.

[8] Miguel R P,António L N M.Visualization and analysis of spray impingement under cross-flow conditions[C]．SAE Paper 2002-01-2664.

[9] Zhao F Q,Yoo J H,Lai M C.Spray targeting inside a production-type intake port of a 4-valve gasoline engine[C]．SAE Paper 960115,1996.

[10] Fulcher S K,Gajdeczko B F,Felton P G,et al.The effects of fuel atomization, vaporization, and mixing on the cold-start uhc emissions of a contemporary s.i. engine with intake-manifold injection[C]．SAE Paper 952482,1995.

[11] Alkidas C.The effects of fuel preparation on hydrocarbon emissions of a S.I.engine operating under steady-state conditions[C]．SAE Paper 941959,1994.

[12] Kuo T W.Multidimensional port-and-cylinder gas flow,fuel spray,and combustion calculations for a port-fuel-injection engine[C]．SAE Paper 920515,1992.

[13] Bianchi G M,Brusiani F,Postrioti L,et al.CFD analysis of injection timing influence on mixture preparation in a pfi motorcycle engine[C]．SAE Paper 2006-32-0022.

[14] Takahashi Y K,Nakase Y S H.Analysis of the fuel liquid film thickness of a port fuel injection engine[C]．SAE Paper 2006-01-1051.

[15] 马宗正，程勇，纪少波，等.进气回流对PFI汽油机燃油挥发量影响的计算分析[J]．燃烧科学与技术,2012,18(1):67-72.

[16] 纪少波，程勇，马宗正，等.汽油机进气过程燃油喷射挥发速率影响因素分析[J]．农业机械学报,2013,44(5):25-30.

[17] 马宗正，程勇，纪少波，等.两次燃油喷射对摩托车汽油机性能影响的实验研究[J]．内燃机工程,2012,33(1):72-75，80.

[编辑： 袁晓燕]

Effects of Fuel Injection Timing on Performance of Gasoline Engine under Intake Valve Closing

MA Zongzheng1,2, SHAO Fengxiang2, WANG Xinli1,2,YANG Anjie1, DONG Shaohua1, ZHANG Qianzhu1

(1. Power-driven Machinery and Vehicle Engineering Research Center, Henan University of Engineering, Zhengzhou 451191, China;2. School of Mechanical Engineering, Henan University of Engineering, Zhengzhou 451191, China)

In order to improve the performance of port fuel injection (PFI) gasoline engine, the relationship between the injection timing and engine performance was studied through the bench test and numerical simulation. The results show that the fuel injection timing has different influences on engine performance under different operating conditions when the intake valve is close. The retarded injection timing will result in the increase of HC emission and the decrease of engine performance at a small throttle opening, but has little influence on engine performance at a large throttle opening, which depends on the evaporation rate of wall-adhered fuel film according to the numerical calculation and analysis. The wall-adhered fuel film cannot evaporate completely so as to increase the liquid fuel amount inside cylinder and thereby the engine performance deteriorates at a small throttle. On the contrary, higher body temperature accelerates the evaporation of fuel film so as to reduce the liquid fuel and thereby the engine performance improves at a large throttle. Accordingly, the dual fuel injection method should be applied in order to improve engine performance only at small throttle opening.

gasoline engine; fuel injection timing; bench test; numerical simulation; fuel film

2016-08-30；

2016-11-03

河南省高等学校青年骨干教师资助计划(2014GGJS-120)；河南省产学研合作试点项目(201513)

马宗正(1981—)，男，博士，研究方向为发动机工作过程及数值计算；zongzhengma@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.06.009

TK412.3

B

1001-2222(2016)06-0046-06