复合喷射技术对汽油机性能的影响研究

吕飞跃　贺子祺　陈浩　吴晨昊

摘 要：为了保证发动机在具有良好燃烧特性的同时，排放符合相应法规，可以采用复合喷射技术。本文将复合喷射模式分别与进气道喷射模式和缸内直喷模式进行比较，观察发动机的动力表现、废气排放表现和循环工作时的燃油经济性表现。结果显示，改变点火提前角时，复合喷射模式输出功率始终高于进气道喷射模式，碳氢化合物排放则更低;与缸内直喷模式相比，复合喷射模式工作时平均指示压力处于更高值，有良好的动力性能，同时燃料燃烧更加完全，具有更好的经济性。

关键词：复合喷射;分层混合气;燃烧特性;碳氢化合物排放

中图分类号：TK46文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）05-0060-03

Abstract： In order to ensure that the engine has good combustion characteristics at the same time， emissions meet the corresponding regulations， the composite injection technology can be used. In this paper， the combined injection mode was compared with the inlet injection mode and the in cylinder direct injection mode respectively to observe the engine power performance， exhaust emission performance and fuel economy performance during the cycle operation. The results show that when the ignition advance angle was changed， the output power of the composite injection mode was always higher than that of the inlet injection mode， and the HC emission was lower; compared with GDI mode， the IMEP of the composite injection mode was higher， which had good dynamic performance， and the fuel combustion was more complete， which had better economy.

Keywords ： compound injection;stratified mixed gas;combustion characteristics;HC emissions

随着能源消耗的增长和环境污染对人们生活的影响，人们对汽车性能的关注也越来越集中在节能减排上。汽车燃料燃烧与理想状态之间的差距越大，废气排放量就越多。通过研究可知，大气超过60%的碳氢化合物（HC）排放由机动车产生[1]。因而，对发动机进行技术改进，提高燃料燃烧的高效性，并减少有害气体的产生，成为十分重要的任务。

众多汽车公司对发动机技术进行深入研究，发现缸内直喷技术使燃料在气缸中分层燃烧，从而使发动机的热效率大大提高[2]。三菱汽车在1996年研制了第一款运用缸内直喷（Gasoline Direct Injection，GDI）技术的汽油机[3]。图1是某款缸内直喷汽油机的结构图。尽管GDI技术在改善汽车动力和燃油经济性方面有显著优势，但汽车的排放性却不尽如人意。由于燃油雾化时间短，因此，雾化不充分，局部混合气的浓度高，在发动机极高的温度环境中会发生热裂解脱氢，造成过多的碳氢化合物（HC）排放[4-5]。而复合喷射使气缸中燃气的分布达到理想的燃烧状态，较好地弥补了上述缺陷。

1 复合喷射

复合喷射发动机循环工作时消耗的燃油一部分来自进气道喷射（Port Fuel Injection，PFI），一部分由直喷式发动机提供。喷油器在进气管道处喷出低压油束，汽油在较高的温度和充裕时间下挥发，与进气一同成为混合完全的燃气。缸内直喷又在燃烧室中相应的位置喷入压力很高的燃料，使火花塞周围实现浓燃烧气的布置。复合喷射使气缸中燃气浓度呈现分层状态[6]。

通过对复合喷射进行合理调节，会使分层混合气达到理想的燃烧状态，克服了进气道喷射低转速时动力性降低，缸内直喷时气缸内燃油雾化时间偏短导致雾化不充分，HC排放和微粒物排放增多等缺点[7]。发动机处于不同工况时，可以调整两种喷射模式的燃油比例，以达到更为理想的状态。适当提高PFI模式的燃油比例，可以大幅度减少污染排放物。当需要追求动力性时，就增加GDI模式的燃油比例。

2 点火时刻对复合喷射的影响

图1表示发动机转速n保持在2 000 r/min、节气门开度（Throttle Positioner，TP）是15%时，PFI和复合喷射两种模式的点火提前角与输出功率的关系图。

在不同的点火提前角下，复合喷射模式的输出功率高于进气道喷射模式。这是因为复合喷射技术可以通过进气道喷射形成均匀的混合气，再加上缸内直接喷射在火花塞周围进行局部混合气加浓，以使燃气浓度呈现分层状态，燃烧更加完全，发动机输出更多功率。

当点火提前角较小时，燃料刚刚燃烧放热时活塞已经运动，燃气放热膨胀对外做功未达到理想的状态，有更多的热量通过传递给气缸而浪费掉，表现为发动机过热，燃料经过燃烧释放的热不能按预期推动活塞运动。当点火提前角较大时，活塞在向上运动过程中要抵抗混合气燃烧放热的气体膨胀压力。活塞在向下止点运动过程中，气缸中的气体温度已經降低，不能有效推动做功。因此，发动机要根据工况调整至合适的点火提前角。

图2表示上述两种模式下，点火提前角为不同值时，HC的排放变化规律。点火提前角在不同值时，进气道喷射模式的平均HC排放量是0.246 mg/L，复合喷射模式平均HC排放量为0.125 mg/L。

3 过量空气系数对复合喷射的影响

过量空气系数[λ]会影响燃料在气缸中的燃烧程度和火焰在气缸中的运动情况，表现为发动机的动力性能和经济性能状况。选取平均指示压力（Indicated Mean Effective Pressure，IMEP）和热效率来评价燃料燃烧情况与理想的燃烧设计的差距。当[λ]依次变大时，IMEP逐渐降低。这是因为节气门开度调整至一个固定值不变，过量空气系数的增加使发动机每个工作循环投入的燃料量相对减少，平均指示压力随之减小。

图3是[λ]调节至不同值，IMEP变化情况。复合喷射模式与缸内直喷模式相比较，前者的平均指示压力始终要高于后者，并且其差值基本上保持固定不变。复合喷射模式通过PFI向燃烧室提供混合完全的燃气，又通过GDI在燃烧室中喷入另一部分燃油，使火花塞周围实现浓混合气的布置。气缸中整体混合状态比较理想，能够使燃料的放热做功被充分利用。复合喷射气缸中整体更为均匀的混合气使燃烧更加完全。这些都使复合喷射模式的平均指示压力更高。

从图4可知，复合喷射模式的热效率随[λ]变化且始终大于缸内喷射。在复合喷射模式和缸内直喷模式下，当过量空气系数增大时，热效率都是先增大后减小。当[λ]处于较大值时，气缸中进入的空气量充足，气缸中混合气能得到充分燃烧;并且气缸中燃烧温度降低，传热损失降低，热效率上升。[λ]继续增大，混合气接近燃烧极限，混合气不能充分反应，导致热效率下降。

4 結论

①复合喷射模式能实现分层混合气的布置。与进气道喷射相比，更适用于燃料燃烧，能保证燃料燃烧更加充分，发动机的输出功率更高，有良好的动力性能，燃料经过燃烧之后，HC排放只有进气道喷射的50%左右。

②复合喷射模式和进气道喷射模式下，点火提前角与动力性能的关系都是：点火提前角处于理想值时，发动机的燃烧表现最佳，可以输出更多功率;点火提前角高于或低于该值，燃料燃烧放热都不能充分转化为输出功。

③复合喷射模式在气缸内形成相对均匀的混合气，同时又在火花带周围形成浓混合气，混合气整体混合状态得到改善。与GDI模式相比，复合喷射模式工作时IMEP处于更高值，有良好的动力性能，同时燃料燃烧更加完全，具有更好的经济性。

参考文献：

[1]杨忠敏.我国治理汽车尾气排放污染的对策[J].上海汽车，2004（6）：43-45.

[2]王建昕，王志.高效清洁车用汽油机燃烧的研究进展[J].汽车安全与节能学报，2010 （3）：167-178.

[3] KUME T . Combustion Control Technologies for Direct Injection SI Engines[C]// SAE Annual Congress. 1996.

[4] GRIMALDI F ， GERVAIS D ， MARCHAL A ， et al. Single-cylinder Experiments for Downsizing-Oriented SI Concepts： GDI and VVL Thermodynamic Comparison[C]// International Conference on Engines for Automobiles. 2007.

[5] NAJJAR Y S H . Comparison of performance of a Greener direct-injection stratified-charge （DISC） engine with a spark-ignition engine using a simplified model[J]. Energy，2011（7）：4136-4143.

[6]MOU J F ， CHEN R Q ， LU Y W . The Research of Lean Combustion Characteristic of Compound Injection System of Direct Injection Engine[J]. Applied Mechanics & Materials，2014（532）：362-366.

[7]KAPUS P，OGRIS M，HOLLERER P. Measures to reduce particulate emissions from gasoline DI engines [EB/OL]. （2011-04-12）[2020-12-20]. http：//www.doc88.com/p-481336088606.html.