马　玺　刘义佳　关　松　袁军亮　胡　晓　张士伟（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定0710002-河北省汽车工程技术研究中心）

汽油发动机不同燃油喷射方式下缸内燃烧情况的试验研究

马玺1，2刘义佳1，2关松1，2袁军亮1，2胡晓1，2张士伟1，2
（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定0710002-河北省汽车工程技术研究中心）

对于汽油发动机而言，燃油喷射方式分为气道喷射和缸内直喷。采用气道喷射，燃油与新鲜空气具有更长的混合时间，油气混合均匀；采用缸内直接喷射，利用燃油在缸内的蒸发吸热降低混合气温度，可提高充气效率。从缸内燃烧参数的角度，分析低速、中小负荷工况汽油发动机在气道喷射和缸内直喷状态下燃烧情况以及对发动机整体性能的影响。

汽油机气道喷射缸内直喷燃烧性能

引言

对于汽油发动机而言，燃油喷射方式分为气道喷射和缸内直喷。气道喷射是在进气门关闭时将燃油喷入进气道内的进气门背部，在进气行程，进入气道的新鲜空气将燃油蒸汽带入气缸，形成可燃混合气。缸内直接喷射是依靠安装在缸盖上的喷油器在进气或者压缩行程将燃油直接喷入缸内，与缸内空气运动配合，形成可燃混合气［1］。

缸内直喷与气道喷射相比，燃油直接喷入燃烧室内，依靠燃油蒸发吸热，可以降低缸内混合气温度，提高充气效率，减小大负荷工况点爆震倾向。而气道喷射，因燃油喷入时刻较早，其与空气具有更长的混合时间，油气混合更加均匀，燃烧更充分。

对于车用发动机缸内的燃烧情况，学者进行了大量的研究分析，提出了几种典型的燃烧特征参数，并且在理论研究和工程应用中得到广泛的使用。AI50为50%已燃燃油质量分数对应的曲轴转角，代表燃烧放热的早晚；AI10～AI90为10%～90%已燃燃油质量所占据曲轴转角，代表燃烧放热的快慢；APMAX为最大爆发压力对应的曲轴转角；RMAX为压力升高率，代表燃烧的粗暴程度［2］。故本文将从以上参数的角度通过试验研究汽油发动机不同燃油喷射方式下缸内的燃烧情况，并分析其对发动机整体性能的影响。

1　试验研究

试验发动机为1.8 L增压汽油机，燃油供给为气道喷射与缸内直喷相结合，气道喷射喷油器安装于进气歧管，缸内直喷喷油器安装于缸盖。采用AVL电力测功机、AVL735油耗仪、AVL753C燃油恒温装置、AVL620燃烧分析仪、火花塞式缸压传感器，在发动机动态试验台进行性能试验，对比中低转速、中小负荷发动机在不同的燃油喷射方式下缸内的燃烧情况。试验过程中，拆除各缸火花塞并安装火花塞式缸压传感器，与燃烧分析仪相连，采集发动机缸内燃烧数据；利用AVL735油耗仪测量试验过程中发动机燃油消耗。试验发动机相关参数如表1所示。

表1　发动机相关参数

1.1燃烧持续期

图1为试验发动机采用气道喷射和缸内直喷两种不同的燃油喷射模式下燃烧持续期对比图。从图1可以看出，在1 500 r/min、2 000 r/min中小负荷工况点，采用气道喷射模式燃烧持续期较短，基本处于13～15°CA；采用缸内直喷时燃烧持续期维持在15～20°CA左右；在3 000 r/min中小负荷工况点燃烧持续期相差不多。

在中小负荷工况点，采用缸内直喷模式，燃油蒸发吸收缸内混合气的热量，降低了缸内温度，导致压缩始点混合气温度较低，燃烧速度减小，燃烧持续期增大。燃烧持续期增长则说明放热较慢，导致散热损失增加，热效率下降。气道喷射情况下，燃油在气道内蒸发，所吸收热量来自进气门及缸盖气道，即回收了一部分缸盖水套热量及气门传热热量；并且混合气温度升高，有利于提高燃烧速度，减小燃烧持续期，提高发动机热效率。

1.2AI50

图2为试验发动机采用气道喷射和缸内直喷两种不同的燃油喷射模式下AI50对比图。从图2可以看出，在1 500 r/min、2 000 r/min中小负荷工况点，气道喷射AI50大于缸内直喷AI50，且随着发动机负荷增大，两者差值减小；气道喷射时，发动机在上述工况点AI50值维持在8～12°CA，采用缸内直喷时AI50维持在5°CA左右，较大负荷（BMEP=1 MPa左右）时AI50值增大至10～15°CA。

图1　不同喷射模式下燃烧持续期对比图

AI50值一定程度上代表缸内燃烧放热的早晚程度。AI50太大，代表放热太晚，活塞已经开始下行，燃烧定容度降低，且缸内高温高压燃气与缸套接触面积增大，导致传热损失增加；AI50太小，放热太早，有可能导致可以转化的有用功降低。大量的研究及工程实践表明，AI50=7～10°CA时最佳［2-4］，发动机具有较高的热效率。由图2可知，在低速中小负荷工况，采用气道喷射时AI50基本处于上述最佳范围，有利于提高发动机热效率降低燃油消耗。

1.3APMAX

图3为试验发动机采用气道喷射和缸内直喷两种不同的燃油喷射模式下APMAX对比图。由上图可知1 500 r/min、2 000 r/min小负荷工况点，APMAX在气道喷射模式下较大，处于13～18°CA；上述工况点，在缸内直喷模式下APMAX基本稳定在11° CA左右；在3 000 r/min中小负荷工况点，采用气道喷射和缸内直喷APMAX值相差不大。FEV大量的工程计算表明，APMAX处于12～15°CA范围时发动机热效率较高，燃烧情况较好。国内研究学者亦提出，APMAX处于13～17°CA范围时，发动机具有较高的热效率［2］。

图2　不同喷射模式下AI50对比图

图3　不同喷射模式下APMAX对比图

1.4RMAX

图4为试验发动机采用气道喷射和缸内直喷两种不同的燃油喷射模式下RMAX对比图。由图可知，在1 500 r/min、2 000 r/min中小负荷工况点气道喷射模式下RMAX值较小，且在2 000 r/min、BMEP= 0.2 MPa发动机常用工况点气道喷射模式下RMAX= 0.119 MPa/°CA，直喷模式下RMAX=0.165 MPa/° CA；在3 000 r/min中小负荷工况两者相差不大。采用气道喷射时，混合气的形成时间较长，缸内均质化程度更高，压力升高率较小，燃烧较平顺。

1.5燃油消耗率

图5为试验发动机采用气道喷射和缸内直喷两种不同的燃油喷射模式下燃油消耗率对比图。从图可以看出，在1 500 r/min、2 000 r/min中小负荷（BMEP小于0.5 MPa）工况点，采用气道喷射试验发动机具有更低的燃油消耗率，且随着负荷的减小，两者差值增加，气道喷射优势明显；在3 000 r/min工况点，采用不同的燃油喷射模式，燃油消耗率相差不大。

图4　不同喷射模式下RMAX对比图

根据可知有效热效率如图6所示，其中汽油机低热值hu=44 000 kJ/kg。由上图可知，在1 500 r/min小负荷工况点，气道喷射模式下发动机有效热效率比直喷模式下可提高3%左右，2 000 r/min中小负荷工况点可提高2%左右。

图5　不同喷射模式下油耗对比图

图6　不同喷射模式下有效热效率对比图

2　结论

1）在1 500 r/min、2 000 r/min中小负荷工况点，采用缸内直喷情况下AI50值维持在5°CA左右，APMAX维持在11°CA左右；采用气道喷射时AI50值维持在8～12°CA，APMAX维持在13～18° CA，处于发动机燃油消耗率较优范围；采用气道喷射时RMAX值较低，并且燃烧持续期较短，有利于减小散热损失，提高发动机热效率。

2）在3 000 r/min中小负荷工况，以上燃烧参数在不同喷射模式下变化不大。

3）在1 500 r/min、2 000 r/min中小负荷工况点，试验发动机在气道喷射模式下具有更低的燃油消耗率及更高的有效热效率，与缸内直喷相比有效热效率可提高2%～3%。

1周龙保.内燃机学［M］.北京：机械工业出版社，2005

2刘敬平，夏孝朗，赵智超，等.内燃机燃烧放热率的典型特征参数对比以及对热-功转换效率的影响［J］.内燃机学报，2012，30（03）:260-265

3李骏，宫艳峰，李伟，等.汽油直喷发动机燃烧特性分析［J］.西安交通大学学报，2010，44（07）：9-13

4王忠恕，吴楠，许允，等.增压直喷柴油机瞬态工况燃烧参数的变化规律［J］.内燃机学报，2007，25（05）:385-389

Experimental Study on Combustion in Cylinder about Gasoline Engine under Different Fuel Injection Modes

Ma Xi1，2，Liu Yijia1，2，Guan Song1，2，Yuan Junliang1，2，Hu Xiao1，2，Zhang Shiwei1，2
1-Technique Center of Great Wall Motor Co.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）
2-Research Center of Auto Technology Engineering of Hebei Provence

For gasoline engine，the fuel injection is divided into port fuel injection and direct injection. With port fuel injection，the mixing time is longer for the fuel and fresh air and they are homogenized however，with direct injection the evaporation of the fuel in the cylinder is endothermic then the mixing temperature is reduced，so charging efficiency can be improved.From the perspective of combustion parameters，this article analyzes the combustion conditions of gasoline engine in low-load with port fuel injection and direct injection and performance of the engine.

Gasoline engine，Port fuel injection，Direct injection，Combustion，Performance

TK413.8+4

A

2095-8234（2015）04-0036-04

2015-04-07）

马玺（1990-），男，学士学位，主要研究方向为发动机试验技术。