缸内直喷汽油机喷射参数对燃烧过程的影响综述

谭力新

（广东文理职业学院，广东 廉江 524400）

汽车工业的快速发展伴随着环境污染问题，节能减排是国内外研究学者的研究重点。由于缸内直喷汽油机具有空燃比控制精确、燃油消耗率低、动态响应性强等优点，目前已成为车用发动机的主流动力。然而受基础理论和测试手段的限制，缸内直喷汽油机的技术瓶颈仍然存在。

（1）受爆震限制压缩比难以提高。爆燃即发动机在低速大负荷工况下极容易发生的“早燃”现象，极大地限制了发动机功率的提升。直喷汽油机的爆燃发生具有不可预测性。

（2）颗粒物排放难以降低。由于燃油直接喷射进气缸内，缸内油气混合时间短，易产生局部过浓和燃油湿壁等现象。因此缸内直喷汽油机的颗粒物排放不管是质量分数还是数量浓度都远高于传统的进气道喷射汽油机。

针对该问题，国内外目前的研究方向主要集中在直喷汽油机的喷雾特性及混合气形成过程上。研究手段主要有试验和仿真。其中试验主要借助实验台架，通用光学测试等手段研究在特定条件下混合气的喷雾特性及形成过程。而仿真则主要借助计算机软件，设定好相关的边界条件及初始条件的前提下对系统模型进行数据分析。

1 国内的研究现状

由于缸内流场的运动具有强压缩、强旋转、不定长性及各向异性等特点，传统的试验手段受到限制，无法对流场进行准确研究，且周期长，见效慢。仿真由于可以突破实验手段的限制，不仅能研究缸内喷雾特性、湍流运动、燃烧化学反应机理等，还能对发动机的结构优化、性能改善提供参考，降低研发成本，缩短研发周期。因此仿真越来越多地被各高校采用在发动机研究上，其中以大连理工大学和吉林大学较为集中。

2007年，大连理工大学的贾立全以LabVIEW为基础，开发了集采集、分析与控制一体化的电控点火与燃烧分析系统，并成功应用于点火室直喷汽油机的点火控制和缸压采集实验中。

2008年，大连理工大学的王玉冰提出了点火室式缸内直喷汽油机的概念及其燃油喷射策略。同时用AVL-FIRE软件分析了点火室内缸内直喷汽油机的气流运动过程、两次喷雾过程和分层混合气形成过程。通过比较不同的点火室形状和改变喷油定时，优化了点火室内混合气的分布。

2009年，大连理工大学的田江平在2100B直喷柴油机的基础上，对其供油系统和燃烧系统进行改造，增设了电控点火系统，使其成为点火室式直喷汽油机的原理样机。其点火可靠性和怠速排放性能实验表明，经过改装后的发动机各部件工作正常，电控点火系统工作稳定，满足初步验证试验的要求。

2010年，大连理工大学的夏美艳在上述原理样机的基础上对点火室和活塞进行了改造，并用AVL Boost对缸内的气流运动过程、混合气形成过程及燃烧过程进行了数值模拟，分析了喷油提前角以及点火室形状对缸内工作过程的影响。

2015年，天津大学的饶小康通过搭建试验平台，研究低速早燃特征研究和运行参数对低速早燃的影响，并提出一系列针对低速早燃的控制策略。

2017年，吉林大学的代志尧针对汽油机二次喷射策略，研究了在低转速、大负荷（1500r/min，75%）工况下的两次喷射时刻、喷射比例和喷射压力对缸内混合气的形成以及燃烧性能和排放参数的影响。同时，研究了不同转速和不同负荷对于混合气形成、发动机性能和排放参数的影响，优化了在不同转速和负荷下的喷射策略。

2017年，吉林大学的杨海洋在定容弹及光学发动机试验平台上对喷油器的喷雾特性进行研究，并通过AVL-FIRE软件建立了缸内直喷发动机的系统模型，分析了起动工况下不同参数对缸内混合气形成过程的影响。

2017年，吉林大学的邓绮绘利用 AVL-FIRE软件对某款增压直喷汽油机进行了摸拟仿真，分析了其在二次喷射策略下两次喷射时刻，喷射参数对其燃烧过程的影响，并对原样机的各项喷油参数进行了优化，提升了其热效率。

2 国外的研究现状

由于发动机数据的采集与分析对发动机的设计开发具有重要意义，因此自20世纪80年代起许多国外汽车公司和科研机构都开始了该领域的研究。

2001年，Stiesch 等人通过使用 KIVA 软件进行摸拟分析后提出：与单次喷射策略相比，二次喷射策略具有更好的燃油经济性和排放性。其中，第二次喷注的燃油在点火时刻能够在火花塞附近形成更浓的混合气，缸内混合气的整体分层效果也更好。

2006年，Gandhi等人利用高速摄影技术在光学发动机上研究单孔压力旋流式喷油器冷起动工况时缸内喷雾发展过程。同年，Rotondi 等人通过模拟研究了相应工况下的缸内喷雾扩散、混合气形成及燃烧过程。

2013年，Youngjae Kim等人研究缸内直喷汽油机喷射策略对颗粒物排放的影响。其研究表明，多次喷射和控制喷射压力可降低缸内喷雾的贯穿距。燃油碰壁质量可通过第二次喷油时刻远离上止点和减少第二次喷油质量的方式来减少，从而降低颗粒物的排放。

3 结语

通过以上对最近十几年来国内外学者关于缸内直喷汽油机喷射参数对燃烧过程的影响成果的总结。可以看到，国内关于缸内直喷流场的分析正日趋完善，研究也由模拟仿真逐步向台架试验过渡。

国外的直喷发动机技术相比于国内开发时间更早，技术也更成熟。自2010年之后，随着新能源技术成为汽车业界的研究热点。

缸内直喷技术目前已得到普遍认可和应用，已经覆盖大多数车型，在燃料电池等新型动力得到普及应用之前，仍将是重要的车用动力形式。随着国内对发动机技术研发的重视，缸内直喷技术也将更加成熟，燃料利用效率也将越来越高 。