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作者简介： 王小燕（1988-），女（汉），硕士研究生， wangxiaoyan_2007@sina.com
摘要： 基于定容积法搭建了均质混合气压燃（HCCI）燃烧模式下的缸内直喷汽油机（GDI）喷油器喷油规律测试台，在保证其测试精度的基础上，研究了GDI喷油器两阶段喷油的喷射压力、喷射背压、两次喷油间隔和体积分数对其喷油规律的影响.结果表明，喷油率随喷射压力增大呈增大趋势；喷射背压只对喷油中期的喷油率有影响且随着喷射背压的增大喷油率有所下降，但喷射背压对喷油总量影响不大.试验测得的喷射间隔小于设定值.另外，两次喷射间隔较小时出现两次喷油过程重叠，使其第2次喷油率高于喷射间隔较大时的第2次喷油率.单次喷油率和喷油持续时间随着喷射体积分数增大而增大.
关键词：
缸内直喷喷油器； 两阶段喷射； 喷油规律
中图分类号： TK 421文献标志码： A
近年来，由于均质混合气压燃（Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI）燃烧模式下尚无直接控制燃烧着火时刻的方法，因此，作为控制HCCI燃烧过程的重要手段，喷油策略在HCCI燃烧控制方面得到了广泛的应用和研究.喷油策略对HCCI燃烧的混合气形成、燃烧速率、放热率等因素都有直接影响[1]，这引起了国内外专家的关注.范钱旺等[2]在缸内直喷汽油HCCI燃烧模式发动机上，利用监测缸内离子电流的方法研究了两阶段喷射时刻和喷射体积分数等因素对缸内燃烧的影响，从而实现了对HCCI燃烧的闭环控制.Lee等[3-4]研究了基于缸内直喷汽油机在HCCI燃烧模式下喷油策略对降低发动机排放的影响，结果表明，两阶段喷射都存在降低发动机NOx和HC排放的最佳时刻和最佳喷射体积分数.Gowda 等[5]建立了一维湍流模型对HCCI发动机进行模拟，通过改变缸内压力和温度研究多脉冲喷油策略对燃烧的影响，发现延迟主喷射时刻可抑制缸内过早自燃，进而抑制发动机爆燃，有助于稳定HCCI燃烧，拓展HCCI运行范围.王燕军等[6]研究了基于两阶段喷射缸内直喷汽油机（TSGDI）发动机的喷油策略对混合气形成的影响，发现两阶段喷射时刻，尤其是第1次喷射时刻对避免喷雾湿壁问题起着重要作用，且存在最佳的两次喷射体积分数比和第2次喷射时刻，使其最有利于混合气的形成，以控制HCCI的着火时间和燃烧速率.此外，杨彬彬等[7]通过搭建喷油规律测试台对GDI多孔喷油器的喷油规律进行了研究，得到了不同喷射条件下的喷油规律.以上研究都是围绕喷油策略对HCCI燃烧影响和GDI喷油器单次喷油规律进行，然而目前利用试验装置直接对HCCI燃烧模式下发动机的GDI喷油器两阶段喷油规律进行量化的研究还比较少.
本文利用自行设计的喷油规律测试台对GDI喷油器在不同喷油策略（喷射间隔、喷射体积分数）和喷射压力、喷射背压下的两阶段喷油规律进行研究，将不同喷油策略下的喷油规律进行量化.采用缸内直喷方式时，改变喷油策略可对HCCI燃烧的每个循环过程直接进行实时控制与调整，从而具有基于循环的燃烧控制能力.
1测试系统与测试原理
1.1喷油规律测试系统
图1为喷油规律测试系统示意图.燃油由低压油泵向高压油泵供给，并经过高压油泵升压后进入燃油分配管；控制器发出的脉冲信号对喷油器的开启和关闭进行控制；当喷油器收到喷油信号后将燃油喷入矩形定容器中，并在燃油出口附近安装压电式压力传感器和温度传感器，对定容器内的压力和温度进行实时监测.通过温度变化的反馈值对其压力变化值进行修正.定容器内的压力通过作用在活塞右端的氮气压力进行调节.
1.4测试方案
不同的喷射间隔、两阶段喷射的体积分数与喷油规律直接相关进而影响发动机的燃烧和放热.因此，研究了不同喷射间隔和两阶段喷射的体积分数对喷油规律的影响，具体测试方案如表2所示.
2测试结果分析
2.1喷射压力对喷油规律的影响
喷油器的开启和关闭存在延迟[11].为了保证两次喷油过程不出现重叠，将两次喷射间隔设定为1.5 ms，喷射背压为1 MPa.此外，为使试验具有单一变量特性，喷油总量不变，两次喷射的体积分数（单次喷油量占总喷油量的百分比）均取为50%，对其喷油规律进行研究，结果如图4、图5所示.
图4显示，不同喷射脉宽时，较高的喷油压力所对应的瞬时喷油率较大，并且喷油率变化趋势基本一致.喷油器工作时，由于高压油路中压力波的存在，压力波的反射使喷油器开启和关闭的瞬时喷油率增加. 此外，由于喷油器的关闭存在延迟，使得实际测得的两次喷射间隔小于试验设定的喷射间隔，例如，试验设定的两次喷射间隔为1.5 ms，测得的时间间隔为0.9 ms左右.
2.2喷射背压对喷油规律的影响
喷射间隔为1.5 ms，喷射压力为10 MPa时，喷射背压Pb对喷油率的影响如图6所示.相同的喷射压力和喷射脉宽下，在喷油初期和结束时，不同喷射背压下的喷油率基本相同.这是由于喷油器开启和关闭时，喷油率主要受球阀运动的影响.在喷油器完全开启到开始关闭的过程中，高喷射背压下的喷油率低于低喷射背压下的喷油率.原因是喷油器完全开启时，喷射背压较大，喷孔两端压差小，油液流速较低，因此，喷油率减小.但是两者相差不大，且喷油量相差不大，如图7所示.
2.3喷射间隔对喷油规律的影响
图8为不同喷射间隔时的喷油率.由图8可得出，不同喷射间隔时，第1次喷射的喷油率基本一致.对于第2次喷射而言，当喷射间隔分别为0.5 ms和1.0 ms时，由于两次喷射间隔相对较小，喷油器电磁阀还未完全关闭，第1次喷油未结束，第2次喷油已经开始，两次喷油过程重叠在一起，使其喷油率明显大于喷射间隔为2～3 ms时第2次的喷油率.这是因为喷射间隔为2～3 ms时没有出现两次喷射过程重叠现象，第2次的喷油率基本保持一致且不受喷射间隔的影响. 2.4喷射体积分数对喷油规律的影响
将两次喷射开始时刻固定，并保证两次喷射过程不出现重叠，从而精确控制两次喷射的燃油体积.在HCCI燃烧方式下，首先在进气行程中喷射较少的燃油，形成均质稀薄混合气，然后在压缩行程中喷射较多的燃油，形成浓混合气并首先被压燃，在极短的时间内加热稀混合气区使其自燃，进而实现稀薄分层燃烧.因此，测试中第1次喷射的体积分数分别设定为20%、30%和40%，第2次的喷射体积分数相应地设定为80%、70%和60%，其喷油规律曲线如图9所示.不同体积分数的单次喷射在喷油初期的喷油率曲线上升速度都是一致的，而喷油持续时间随着每次喷射的体积分数的增加而增加.
3结论
（1）通过对测试系统的误差分析发现，仅在喷油脉宽较小时，由于喷油器开启程度比较随机，导致实测喷油量和积分喷油量的相对误差较大，但是不超过±10%；在喷油脉宽较大的情况下，相对误差在±5%左右.说明测试系统的准确性满足测试要求.另外，在数据采集装置中安装一个低通滤波器可有效消除喷油器关闭时产生的高频噪声.
（2）高喷射压力对应高的瞬时喷油率，喷射背压只对喷油中期的喷油率有影响且随着喷射背压增大而减小，但是喷射背压对喷油量的影响不大，每次的喷油率和喷射持续时间随着喷射体积分数的增大而增大.由于喷油器关闭过程存在延迟性，实际测得的两次喷射间隔要小于设定的喷射间隔.
（3）利用已测出的不同喷油策略的喷油规律，通过调整第1次喷油时刻、两次喷射体积分数和喷射间隔可对HCCI燃烧进行基于循环的实时控制与调整.
参考文献：
[1]邹庆武.喷油和气门策略对HCCI汽油机缸内燃油分布影响的试验研究[D].天津：天津大学，2011.
[2]范钱旺，李理光，卞江，等.基于两阶段燃油喷射的直喷汽油机离子电流特性的试验[J].内燃机学报，2012，30（2）：141-148.
[3]LEE K，KIM H.Reduction in harmful emissions using a twostage injection type HCCI engine[J].Environmental Engineering Science，2009，26（11）：1567-1576.
[4]LEE K.An experimental study on the twostage combustion characteristics of a direct injectiontype HCCI engine[J].Energy & Fuels，2005，19（3）：393-402.
[5]GOWDA B D.ECHEKKI K.Complex injection strategies for hydrogenfueled HCCI engines[J].Fuel，2012，97（2）：418-427.
[6]王燕军，王建昕，帅石金.两段喷射直喷式汽油机（TSGDI）点火特性的试验研究与模拟计算[J].汽车工程，2006，28（7）：621-626.
[7]杨彬彬.直喷汽油机多孔喷油器的喷油规律研究[D].天津：天津大学，2009.
[8]TAKAMORA，TAKASHI O.A new instrument to measure the compression ratio of automobile engines by pressure variation method—2nd report：development of a measuring instrument[J].JSAE Review，1996，17（4）：432-435.
[9]PAYRI R，ANTONIO G.An experimental study of gasoline effects on injection rate，momentum flux and spray characteristic using a common rail diesel injection system[J].Fuel，2012，97（3）：390- 399.
[10]张奇，杨凯.微型定容多次燃油喷射系统高速响应特性仿真[J].航空动力学报，2012，27（10）：2243-2248.
[11]肖龙发，张振东.电磁喷油器开启及落座滞后时间测试研究[J].上海理工大学学报，2010，32（3）：297-302.
[12]胡传胜，熊洪亮，虞先煌.喷嘴液滴雾化细度和喷雾角测量装置的研究[J].能源研究与信息，2001，17（4）：225-231.
摘要： 基于定容积法搭建了均质混合气压燃（HCCI）燃烧模式下的缸内直喷汽油机（GDI）喷油器喷油规律测试台，在保证其测试精度的基础上，研究了GDI喷油器两阶段喷油的喷射压力、喷射背压、两次喷油间隔和体积分数对其喷油规律的影响.结果表明，喷油率随喷射压力增大呈增大趋势；喷射背压只对喷油中期的喷油率有影响且随着喷射背压的增大喷油率有所下降，但喷射背压对喷油总量影响不大.试验测得的喷射间隔小于设定值.另外，两次喷射间隔较小时出现两次喷油过程重叠，使其第2次喷油率高于喷射间隔较大时的第2次喷油率.单次喷油率和喷油持续时间随着喷射体积分数增大而增大.
关键词：
缸内直喷喷油器； 两阶段喷射； 喷油规律
中图分类号： TK 421文献标志码： A
近年来，由于均质混合气压燃（Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI）燃烧模式下尚无直接控制燃烧着火时刻的方法，因此，作为控制HCCI燃烧过程的重要手段，喷油策略在HCCI燃烧控制方面得到了广泛的应用和研究.喷油策略对HCCI燃烧的混合气形成、燃烧速率、放热率等因素都有直接影响[1]，这引起了国内外专家的关注.范钱旺等[2]在缸内直喷汽油HCCI燃烧模式发动机上，利用监测缸内离子电流的方法研究了两阶段喷射时刻和喷射体积分数等因素对缸内燃烧的影响，从而实现了对HCCI燃烧的闭环控制.Lee等[3-4]研究了基于缸内直喷汽油机在HCCI燃烧模式下喷油策略对降低发动机排放的影响，结果表明，两阶段喷射都存在降低发动机NOx和HC排放的最佳时刻和最佳喷射体积分数.Gowda 等[5]建立了一维湍流模型对HCCI发动机进行模拟，通过改变缸内压力和温度研究多脉冲喷油策略对燃烧的影响，发现延迟主喷射时刻可抑制缸内过早自燃，进而抑制发动机爆燃，有助于稳定HCCI燃烧，拓展HCCI运行范围.王燕军等[6]研究了基于两阶段喷射缸内直喷汽油机（TSGDI）发动机的喷油策略对混合气形成的影响，发现两阶段喷射时刻，尤其是第1次喷射时刻对避免喷雾湿壁问题起着重要作用，且存在最佳的两次喷射体积分数比和第2次喷射时刻，使其最有利于混合气的形成，以控制HCCI的着火时间和燃烧速率.此外，杨彬彬等[7]通过搭建喷油规律测试台对GDI多孔喷油器的喷油规律进行了研究，得到了不同喷射条件下的喷油规律.以上研究都是围绕喷油策略对HCCI燃烧影响和GDI喷油器单次喷油规律进行，然而目前利用试验装置直接对HCCI燃烧模式下发动机的GDI喷油器两阶段喷油规律进行量化的研究还比较少.
本文利用自行设计的喷油规律测试台对GDI喷油器在不同喷油策略（喷射间隔、喷射体积分数）和喷射压力、喷射背压下的两阶段喷油规律进行研究，将不同喷油策略下的喷油规律进行量化.采用缸内直喷方式时，改变喷油策略可对HCCI燃烧的每个循环过程直接进行实时控制与调整，从而具有基于循环的燃烧控制能力.
1测试系统与测试原理
1.1喷油规律测试系统
图1为喷油规律测试系统示意图.燃油由低压油泵向高压油泵供给，并经过高压油泵升压后进入燃油分配管；控制器发出的脉冲信号对喷油器的开启和关闭进行控制；当喷油器收到喷油信号后将燃油喷入矩形定容器中，并在燃油出口附近安装压电式压力传感器和温度传感器，对定容器内的压力和温度进行实时监测.通过温度变化的反馈值对其压力变化值进行修正.定容器内的压力通过作用在活塞右端的氮气压力进行调节.
1.4测试方案
不同的喷射间隔、两阶段喷射的体积分数与喷油规律直接相关进而影响发动机的燃烧和放热.因此，研究了不同喷射间隔和两阶段喷射的体积分数对喷油规律的影响，具体测试方案如表2所示.
2测试结果分析
2.1喷射压力对喷油规律的影响
喷油器的开启和关闭存在延迟[11].为了保证两次喷油过程不出现重叠，将两次喷射间隔设定为1.5 ms，喷射背压为1 MPa.此外，为使试验具有单一变量特性，喷油总量不变，两次喷射的体积分数（单次喷油量占总喷油量的百分比）均取为50%，对其喷油规律进行研究，结果如图4、图5所示.
图4显示，不同喷射脉宽时，较高的喷油压力所对应的瞬时喷油率较大，并且喷油率变化趋势基本一致.喷油器工作时，由于高压油路中压力波的存在，压力波的反射使喷油器开启和关闭的瞬时喷油率增加. 此外，由于喷油器的关闭存在延迟，使得实际测得的两次喷射间隔小于试验设定的喷射间隔，例如，试验设定的两次喷射间隔为1.5 ms，测得的时间间隔为0.9 ms左右.
2.2喷射背压对喷油规律的影响
喷射间隔为1.5 ms，喷射压力为10 MPa时，喷射背压Pb对喷油率的影响如图6所示.相同的喷射压力和喷射脉宽下，在喷油初期和结束时，不同喷射背压下的喷油率基本相同.这是由于喷油器开启和关闭时，喷油率主要受球阀运动的影响.在喷油器完全开启到开始关闭的过程中，高喷射背压下的喷油率低于低喷射背压下的喷油率.原因是喷油器完全开启时，喷射背压较大，喷孔两端压差小，油液流速较低，因此，喷油率减小.但是两者相差不大，且喷油量相差不大，如图7所示.
2.3喷射间隔对喷油规律的影响
图8为不同喷射间隔时的喷油率.由图8可得出，不同喷射间隔时，第1次喷射的喷油率基本一致.对于第2次喷射而言，当喷射间隔分别为0.5 ms和1.0 ms时，由于两次喷射间隔相对较小，喷油器电磁阀还未完全关闭，第1次喷油未结束，第2次喷油已经开始，两次喷油过程重叠在一起，使其喷油率明显大于喷射间隔为2～3 ms时第2次的喷油率.这是因为喷射间隔为2～3 ms时没有出现两次喷射过程重叠现象，第2次的喷油率基本保持一致且不受喷射间隔的影响. 2.4喷射体积分数对喷油规律的影响
将两次喷射开始时刻固定，并保证两次喷射过程不出现重叠，从而精确控制两次喷射的燃油体积.在HCCI燃烧方式下，首先在进气行程中喷射较少的燃油，形成均质稀薄混合气，然后在压缩行程中喷射较多的燃油，形成浓混合气并首先被压燃，在极短的时间内加热稀混合气区使其自燃，进而实现稀薄分层燃烧.因此，测试中第1次喷射的体积分数分别设定为20%、30%和40%，第2次的喷射体积分数相应地设定为80%、70%和60%，其喷油规律曲线如图9所示.不同体积分数的单次喷射在喷油初期的喷油率曲线上升速度都是一致的，而喷油持续时间随着每次喷射的体积分数的增加而增加.
3结论
（1）通过对测试系统的误差分析发现，仅在喷油脉宽较小时，由于喷油器开启程度比较随机，导致实测喷油量和积分喷油量的相对误差较大，但是不超过±10%；在喷油脉宽较大的情况下，相对误差在±5%左右.说明测试系统的准确性满足测试要求.另外，在数据采集装置中安装一个低通滤波器可有效消除喷油器关闭时产生的高频噪声.
（2）高喷射压力对应高的瞬时喷油率，喷射背压只对喷油中期的喷油率有影响且随着喷射背压增大而减小，但是喷射背压对喷油量的影响不大，每次的喷油率和喷射持续时间随着喷射体积分数的增大而增大.由于喷油器关闭过程存在延迟性，实际测得的两次喷射间隔要小于设定的喷射间隔.
（3）利用已测出的不同喷油策略的喷油规律，通过调整第1次喷油时刻、两次喷射体积分数和喷射间隔可对HCCI燃烧进行基于循环的实时控制与调整.
参考文献：
[1]邹庆武.喷油和气门策略对HCCI汽油机缸内燃油分布影响的试验研究[D].天津：天津大学，2011.
[2]范钱旺，李理光，卞江，等.基于两阶段燃油喷射的直喷汽油机离子电流特性的试验[J].内燃机学报，2012，30（2）：141-148.
[3]LEE K，KIM H.Reduction in harmful emissions using a twostage injection type HCCI engine[J].Environmental Engineering Science，2009，26（11）：1567-1576.
[4]LEE K.An experimental study on the twostage combustion characteristics of a direct injectiontype HCCI engine[J].Energy & Fuels，2005，19（3）：393-402.
[5]GOWDA B D.ECHEKKI K.Complex injection strategies for hydrogenfueled HCCI engines[J].Fuel，2012，97（2）：418-427.
[6]王燕军，王建昕，帅石金.两段喷射直喷式汽油机（TSGDI）点火特性的试验研究与模拟计算[J].汽车工程，2006，28（7）：621-626.
[7]杨彬彬.直喷汽油机多孔喷油器的喷油规律研究[D].天津：天津大学，2009.
[8]TAKAMORA，TAKASHI O.A new instrument to measure the compression ratio of automobile engines by pressure variation method—2nd report：development of a measuring instrument[J].JSAE Review，1996，17（4）：432-435.
[9]PAYRI R，ANTONIO G.An experimental study of gasoline effects on injection rate，momentum flux and spray characteristic using a common rail diesel injection system[J].Fuel，2012，97（3）：390- 399.
[10]张奇，杨凯.微型定容多次燃油喷射系统高速响应特性仿真[J].航空动力学报，2012，27（10）：2243-2248.
[11]肖龙发，张振东.电磁喷油器开启及落座滞后时间测试研究[J].上海理工大学学报，2010，32（3）：297-302.
[12]胡传胜，熊洪亮，虞先煌.喷嘴液滴雾化细度和喷雾角测量装置的研究[J].能源研究与信息，2001，17（4）：225-231.