缸內(nèi)直噴汽油機噴射參數(shù)對燃燒過程的影響綜述

譚力新

（廣東文理職業(yè)學(xué)院，廣東 廉江 524400）

汽車工業(yè)的快速發(fā)展伴隨著環(huán)境污染問題，節(jié)能減排是國內(nèi)外研究學(xué)者的研究重點。由于缸內(nèi)直噴汽油機具有空燃比控制精確、燃油消耗率低、動態(tài)響應(yīng)性強等優(yōu)點，目前已成為車用發(fā)動機的主流動力。然而受基礎(chǔ)理論和測試手段的限制，缸內(nèi)直噴汽油機的技術(shù)瓶頸仍然存在。

（1）受爆震限制壓縮比難以提高。爆燃即發(fā)動機在低速大負(fù)荷工況下極容易發(fā)生的“早燃”現(xiàn)象，極大地限制了發(fā)動機功率的提升。直噴汽油機的爆燃發(fā)生具有不可預(yù)測性。

（2）顆粒物排放難以降低。由于燃油直接噴射進氣缸內(nèi)，缸內(nèi)油氣混合時間短，易產(chǎn)生局部過濃和燃油濕壁等現(xiàn)象。因此缸內(nèi)直噴汽油機的顆粒物排放不管是質(zhì)量分?jǐn)?shù)還是數(shù)量濃度都遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的進氣道噴射汽油機。

針對該問題，國內(nèi)外目前的研究方向主要集中在直噴汽油機的噴霧特性及混合氣形成過程上。研究手段主要有試驗和仿真。其中試驗主要借助實驗臺架，通用光學(xué)測試等手段研究在特定條件下混合氣的噴霧特性及形成過程。而仿真則主要借助計算機軟件，設(shè)定好相關(guān)的邊界條件及初始條件的前提下對系統(tǒng)模型進行數(shù)據(jù)分析。

1 國內(nèi)的研究現(xiàn)狀

由于缸內(nèi)流場的運動具有強壓縮、強旋轉(zhuǎn)、不定長性及各向異性等特點，傳統(tǒng)的試驗手段受到限制，無法對流場進行準(zhǔn)確研究，且周期長，見效慢。仿真由于可以突破實驗手段的限制，不僅能研究缸內(nèi)噴霧特性、湍流運動、燃燒化學(xué)反應(yīng)機理等，還能對發(fā)動機的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、性能改善提供參考，降低研發(fā)成本，縮短研發(fā)周期。因此仿真越來越多地被各高校采用在發(fā)動機研究上，其中以大連理工大學(xué)和吉林大學(xué)較為集中。

2007年，大連理工大學(xué)的賈立全以LabVIEW為基礎(chǔ)，開發(fā)了集采集、分析與控制一體化的電控點火與燃燒分析系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于點火室直噴汽油機的點火控制和缸壓采集實驗中。

2008年，大連理工大學(xué)的王玉冰提出了點火室式缸內(nèi)直噴汽油機的概念及其燃油噴射策略。同時用AVL-FIRE軟件分析了點火室內(nèi)缸內(nèi)直噴汽油機的氣流運動過程、兩次噴霧過程和分層混合氣形成過程。通過比較不同的點火室形狀和改變噴油定時，優(yōu)化了點火室內(nèi)混合氣的分布。

2009年，大連理工大學(xué)的田江平在2100B直噴柴油機的基礎(chǔ)上，對其供油系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)進行改造，增設(shè)了電控點火系統(tǒng)，使其成為點火室式直噴汽油機的原理樣機。其點火可靠性和怠速排放性能實驗表明，經(jīng)過改裝后的發(fā)動機各部件工作正常，電控點火系統(tǒng)工作穩(wěn)定，滿足初步驗證試驗的要求。

2010年，大連理工大學(xué)的夏美艷在上述原理樣機的基礎(chǔ)上對點火室和活塞進行了改造，并用AVL Boost對缸內(nèi)的氣流運動過程、混合氣形成過程及燃燒過程進行了數(shù)值模擬，分析了噴油提前角以及點火室形狀對缸內(nèi)工作過程的影響。

2015年，天津大學(xué)的饒小康通過搭建試驗平臺，研究低速早燃特征研究和運行參數(shù)對低速早燃的影響，并提出一系列針對低速早燃的控制策略。

2017年，吉林大學(xué)的代志堯針對汽油機二次噴射策略，研究了在低轉(zhuǎn)速、大負(fù)荷（1500r/min，75%）工況下的兩次噴射時刻、噴射比例和噴射壓力對缸內(nèi)混合氣的形成以及燃燒性能和排放參數(shù)的影響。同時，研究了不同轉(zhuǎn)速和不同負(fù)荷對于混合氣形成、發(fā)動機性能和排放參數(shù)的影響，優(yōu)化了在不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下的噴射策略。

2017年，吉林大學(xué)的楊海洋在定容彈及光學(xué)發(fā)動機試驗平臺上對噴油器的噴霧特性進行研究，并通過AVL-FIRE軟件建立了缸內(nèi)直噴發(fā)動機的系統(tǒng)模型，分析了起動工況下不同參數(shù)對缸內(nèi)混合氣形成過程的影響。

2017年，吉林大學(xué)的鄧綺繪利用 AVL-FIRE軟件對某款增壓直噴汽油機進行了摸擬仿真，分析了其在二次噴射策略下兩次噴射時刻，噴射參數(shù)對其燃燒過程的影響，并對原樣機的各項噴油參數(shù)進行了優(yōu)化，提升了其熱效率。

2 國外的研究現(xiàn)狀

由于發(fā)動機數(shù)據(jù)的采集與分析對發(fā)動機的設(shè)計開發(fā)具有重要意義，因此自20世紀(jì)80年代起許多國外汽車公司和科研機構(gòu)都開始了該領(lǐng)域的研究。

2001年，Stiesch 等人通過使用 KIVA 軟件進行摸擬分析后提出：與單次噴射策略相比，二次噴射策略具有更好的燃油經(jīng)濟性和排放性。其中，第二次噴注的燃油在點火時刻能夠在火花塞附近形成更濃的混合氣，缸內(nèi)混合氣的整體分層效果也更好。

2006年，Gandhi等人利用高速攝影技術(shù)在光學(xué)發(fā)動機上研究單孔壓力旋流式噴油器冷起動工況時缸內(nèi)噴霧發(fā)展過程。同年，Rotondi 等人通過模擬研究了相應(yīng)工況下的缸內(nèi)噴霧擴散、混合氣形成及燃燒過程。

2013年，Youngjae Kim等人研究缸內(nèi)直噴汽油機噴射策略對顆粒物排放的影響。其研究表明，多次噴射和控制噴射壓力可降低缸內(nèi)噴霧的貫穿距。燃油碰壁質(zhì)量可通過第二次噴油時刻遠(yuǎn)離上止點和減少第二次噴油質(zhì)量的方式來減少，從而降低顆粒物的排放。

3 結(jié)語

通過以上對最近十幾年來國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于缸內(nèi)直噴汽油機噴射參數(shù)對燃燒過程的影響成果的總結(jié)。可以看到，國內(nèi)關(guān)于缸內(nèi)直噴流場的分析正日趨完善，研究也由模擬仿真逐步向臺架試驗過渡。

國外的直噴發(fā)動機技術(shù)相比于國內(nèi)開發(fā)時間更早，技術(shù)也更成熟。自2010年之后，隨著新能源技術(shù)成為汽車業(yè)界的研究熱點。

缸內(nèi)直噴技術(shù)目前已得到普遍認(rèn)可和應(yīng)用，已經(jīng)覆蓋大多數(shù)車型，在燃料電池等新型動力得到普及應(yīng)用之前，仍將是重要的車用動力形式。隨著國內(nèi)對發(fā)動機技術(shù)研發(fā)的重視，缸內(nèi)直噴技術(shù)也將更加成熟，燃料利用效率也將越來越高 。