楊雪培劉國軍陳　東吳海甫周　碩（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心　河北　保定　071000 2-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

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分次噴射對GDI發(fā)動機(jī)中高速工況機(jī)油稀釋影響的研究

楊雪培1，2劉國軍1，2陳東1，2吳海甫1，2周碩1，2
（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定071000 2-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

摘要：通過對2.0T GDI發(fā)動機(jī)進(jìn)行試驗，主要研究了分次噴射策略對GDI發(fā)動機(jī)中高速機(jī)油稀釋的影響。試驗結(jié)果表明，通過采用合理的分次噴射策略，可以改善油束在噴射過程中的碰壁情況，減少融入油膜中的汽油量，從而改善機(jī)油稀釋問題，但是隨著機(jī)油稀釋問題的改善，發(fā)動機(jī)的煙度會出現(xiàn)惡化。

關(guān)鍵詞：分次噴射噴油時刻機(jī)油稀釋缸內(nèi)直噴稀釋速率

引言

缸內(nèi)汽油直噴（GDI，Gasoline Direct Injection）能大幅提高發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性[1-3]。因GDI技術(shù)具有良好的燃油經(jīng)濟(jì)性和瞬態(tài)響應(yīng)特性，所以備受人們關(guān)注[4]。但隨著GDI技術(shù)的應(yīng)用，發(fā)動機(jī)的機(jī)油稀釋問題卻日漸突出。所謂機(jī)油稀釋，即燃油、不完全燃燒的產(chǎn)物、機(jī)油氧化物及摩擦產(chǎn)生的不溶物等混入機(jī)油，使機(jī)油粘度造成非正常下降，導(dǎo)致機(jī)油早期報廢的現(xiàn)象[5]。針對機(jī)油稀釋目前國內(nèi)外都尚無有效的解決方案，且問題研究方向多為發(fā)動機(jī)硬件結(jié)構(gòu)調(diào)整或低速大負(fù)荷機(jī)油稀釋問題改良，易導(dǎo)致成本增加或動力性損失。本文重點研究了分次噴射策略對GDI發(fā)動機(jī)中高速機(jī)油稀釋的影響。

1試驗樣本

試驗發(fā)動機(jī)樣本是一臺缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)基本配置信息參見表1。采用火花塞中央布置，噴油器側(cè)向布置。

2試驗方案

2.1機(jī)油稀釋形成機(jī)理

圖2介紹了機(jī)油稀釋形成的機(jī)理，是燃油蒸汽

表1　樣機(jī)配置

和油束碰壁后通過缸壁間隙進(jìn)入曲軸箱融入到機(jī)油中。而在穩(wěn)定狀態(tài)條件下發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后，機(jī)油稀釋量趨于一致。這是因為摻入到機(jī)油中的燃油量與從機(jī)油中蒸發(fā)的燃油量達(dá)到一個平衡。理論依據(jù)如下所示[6]：

圖2　機(jī)油稀釋形成示意圖

1）摻入到機(jī)油中的燃油量

穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下?lián)饺氲綑C(jī)油中的燃油量不變，與長運(yùn)行時間無關(guān)。因此摻入量表示如下：式中：t為時間。

2）從機(jī)油中揮發(fā)的燃油量

觀察發(fā)現(xiàn)，引入新鮮空氣后，從機(jī)油中揮發(fā)的燃油量與摻入到機(jī)油中的燃油量有關(guān)，因此揮發(fā)量的表示如下：式中：ω（t）為機(jī)油稀釋量；B為常數(shù)。

3）機(jī)油稀釋量

考慮到初始機(jī)油稀釋和機(jī)油量兩個因素，機(jī)油稀釋量表示如下：式中：V為機(jī)油量，D為初始機(jī)油稀釋。

方程兩邊微分：

結(jié)果顯示，機(jī)油稀釋隨時間變化，如果時間趨于無窮時，機(jī)油稀釋量是一個常數(shù)，且不受機(jī)油量的影響。

A和B實際上就是關(guān)于冷卻液或機(jī)油溫度、燃油性質(zhì)、燃油消耗量和噴油時刻等因素的方程[6]。

結(jié)合上述分析及結(jié)論，本文主要針對噴油參數(shù)對機(jī)油稀釋的影響進(jìn)行驗證

2.2模擬仿真

由于第一次噴射過早過晚都容易使噴霧直接撞擊燃燒室凹坑底部或氣缸側(cè)壁；第二次噴射噴油過多會導(dǎo)致噴霧碰到活塞凹坑和缸壁[7-8]。因此針對分次噴射方案首先進(jìn)行了仿真計算。計算方案如表2所示：

表2　試驗對比方案

一噴起始時刻又稱SOI（Start Of Injection），是指排氣沖程上止點之后對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角；

二噴結(jié)束時刻又稱EOI（End Of Injection），是指壓縮沖程上止點之前對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角；

分次比例是指單缸每個循環(huán)內(nèi)第一次噴射燃油量占總?cè)加土康陌俜直龋挛慕y(tǒng)稱P。

利用仿真軟件FIRE模擬計算油束在缸內(nèi)的噴射及碰壁情況。如圖3所示，分別表示不同曲軸轉(zhuǎn)角下，缸壁活塞頂面及氣門背面的油膜質(zhì)量分布情況。

圖3　油膜質(zhì)量分布

從結(jié)果可看出，V3方案的壁面油膜量最低，V2居中，V1油膜量最大。初步確定，采用分次噴射方案可以改善油束碰壁問題。但V3方案在活塞頂部形成的油膜要多于V2方案，可能會導(dǎo)致煙度出現(xiàn)惡化。

2.3分次噴射試驗方案工況選擇

通過計算分析，確認(rèn)分次噴射方案對于降低壁面油膜量有益，結(jié)合計算結(jié)果對噴油參數(shù)進(jìn)行試驗方案策劃及驗證。具體如表3所示，其中燃油油軌壓力保持一致，對點火角及空燃比進(jìn)行調(diào)整，保證每種方案運(yùn)行在最優(yōu)控制狀態(tài)。

表3　試驗方案

3試驗驗證

3.1設(shè)備介紹

機(jī)油稀釋結(jié)果采用D_LUBE設(shè)備在線檢測，檢測原理如下：在發(fā)動機(jī)機(jī)油中添加放射性元素“鍺”作為示蹤劑，通過“鍺”元素在機(jī)油中放射性比度的變化來反映機(jī)油稀釋速率（單位時間內(nèi)機(jī)油稀釋變化率，%/h）。如圖4所示，通過試驗點的測量利用軟件擬合出機(jī)油的稀釋速率。

圖4　稀釋速率計算軟件界面

3.2結(jié)果對比

對試驗方案進(jìn)行正交掃點驗證，隨機(jī)選取兩組單次噴射方案和六組分次噴射方案進(jìn)行結(jié)果對比，如圖5所示。從圖中可看出發(fā)動機(jī)采用分次噴射后機(jī)油稀釋速率得到明顯改善，并且不同分次噴射方案對機(jī)油稀釋速率的影響也存在差異。

圖5　稀釋速率試驗結(jié)果對比

3.3數(shù)據(jù)分析

由內(nèi)燃機(jī)動力學(xué)可知：

曲柄回轉(zhuǎn)角速度：活塞位移的近似值：活塞運(yùn)行速度近似值：

通過公式9可以推算出缸壁露出面積：

結(jié)合上述公式可算出本機(jī)型在4000 r/min時活塞位移、活塞運(yùn)行速度與缸壁露出面積同曲軸轉(zhuǎn)角的對應(yīng)關(guān)系，如圖6、7、8所示。

圖6　活塞運(yùn)行速度

圖7　活塞位移

圖8　缸壁露出面積

3.3.1 SOI對機(jī)油稀釋的影響

試驗過程中固化E0I = 120°CA、P = 0.8，不同SOI對機(jī)油稀釋的影響如圖9所示。

圖9　 SOI對機(jī)油稀釋影響

通過圖9可看出，提前SOI可以降低發(fā)動機(jī)機(jī)油稀釋速率。由圖6我們可看出，活塞最大運(yùn)行速度出現(xiàn)在上止點后75°CA和285°CA附近。分次比例為0.8時，一噴持續(xù)期為114°CA。當(dāng)SOI = 20°CA時，在活塞最大運(yùn)行速度兩側(cè)噴油持續(xù)期為55°CA 和59°CA，使噴油平均分布在活塞最大速度兩側(cè)。而SOI = 30°CA時，在活塞最大運(yùn)行速度兩側(cè)噴油持續(xù)期分別為45°CA和69°CA。也就是說SOI為20°CA時更加充分地利用了活塞運(yùn)行速度加速燃油霧化及混合氣的形成。

由圖8可知，隨著SOI提前，缸壁露出面積逐漸減小，此時噴油會大幅度降低油束碰壁風(fēng)險或者說是縮短了油束碰壁的時間，進(jìn)而減少了壁面油膜量的形成，改善機(jī)油稀釋問題。

SOI對煙度影響如圖10所示。

圖10　 SOI對煙度影響

通過圖10可看出隨著SOI的變化，發(fā)動機(jī)的煙度排放呈現(xiàn)出明顯的惡化趨勢。主要是因為SOI的提前使得噴霧碰到活塞，在緊貼壁面處形成一層過濃混合氣，增加了碳煙排放[9]。結(jié)合圖7可看出，當(dāng)SOI提前時，活塞頂部越靠近上止點，此時噴油，必然導(dǎo)致活塞頂部油膜量增加，引起煙度排放惡化。

3.3.2 EOI對機(jī)油稀釋的影響

固化SOI = 20°CA、P = 0.8，對比不同EOI對機(jī)油稀釋的影響，結(jié)果如圖11所示。

圖11　 EOI對機(jī)油稀釋影響

通過圖11可看出，隨著EOI的滯后，機(jī)油稀釋速率得到明顯降低。利用SOI的分析理論，其實不難發(fā)現(xiàn)，由于活塞第二次最大運(yùn)行速度位置在75°CA（為了便于對比，將進(jìn)氣上止點后285°CA轉(zhuǎn)化成壓縮上止點前角度，同EOI定義相同）曲軸轉(zhuǎn)角附近。也就是說在進(jìn)氣下止點之后，隨著EOI的推遲，活塞運(yùn)行速度逐漸加快，而二次噴射持續(xù)期只有30°CA，所以整個噴射過程都隨著EOI的滯后而落在更快的活塞運(yùn)動速度區(qū)間，充分利用了活塞運(yùn)動速度對燃油進(jìn)行霧化。同理在缸壁露出面積上，由圖8可知，隨著EOI滯后，缸壁露出面積也是越來越小，有助于降低燃油碰壁的風(fēng)險，促進(jìn)機(jī)油稀釋的改善。

在煙度的影響上，通過圖7可看出，隨著EOI滯后，活塞頂部逐漸靠近壓縮上止點，此時噴油，必然會引起活塞頂部油膜量增多，并且噴油完成后基本只有90°CA曲軸轉(zhuǎn)角的時間供燃油揮發(fā)，短時間內(nèi)燃油不能充分揮發(fā)，導(dǎo)致煙度排放惡化，如圖12所示。

圖12　 EOI及分次比例對煙度影響

3.3.3分次比例對機(jī)油稀釋的影響

分次噴射比例只是改變了一次噴射和二次噴射的持續(xù)期，在一噴起始及二噴結(jié)束時刻固定的條件下，減小噴射比例可以一方面縮短了第一次噴射持續(xù)期，降低濕壁的風(fēng)險，另一方面由于二次噴射所占比例小，噴油時刻也沒有特別遲，噴霧動量、射程及燃油碰壁量都較小[9]。兩方面共同作用促使機(jī)油稀釋得到改善。如圖13所示，表示了不同分次噴射比例下機(jī)油稀釋的變化趨勢。

圖13　分次比例對機(jī)油稀釋影響

由于第二次噴射較晚，增加噴油量會使得混合氣混合質(zhì)量變差，造成碳煙排放增加[9]。具體如圖12所示，隨著二噴油量的增加，煙度排放惡化越來越嚴(yán)重，如SOI = 20°CA、EOI = 90°CA，分次比例為0.6時相對于0.8煙度排放提高了7.5倍左右。

由于分次噴射方案對煙度排放有直接影響，所以選擇適當(dāng)?shù)膰娪拖辔缓蛧娪捅壤梢越档桶l(fā)動機(jī)煙度[10]。

所以通過調(diào)整標(biāo)定參數(shù)對機(jī)油稀釋問題進(jìn)行整改過程中，不能僅關(guān)注機(jī)油稀釋的改善水平，還需結(jié)合煙度的變化情況綜合考慮。

4　結(jié)論

通過對GDI發(fā)動機(jī)中高轉(zhuǎn)速的外特性區(qū)域進(jìn)行分次噴射驗證，得出如下結(jié)論：

1）通過采用分次噴射策略，可以有效改善發(fā)動機(jī)中高速外特性區(qū)域的機(jī)油稀釋問題。

2）發(fā)動機(jī)機(jī)油稀釋風(fēng)險隨著SOI提前、EOI滯后以及分次噴射比例的降低逐漸降低，反之則會使機(jī)油稀釋惡化。

3）發(fā)動機(jī)的煙度排放同機(jī)油稀釋是相互制約的，單個問題優(yōu)化必然會導(dǎo)致另一個問題的惡化。分次噴射最優(yōu)方案的確定需要結(jié)合機(jī)油稀釋與煙度進(jìn)行折中考慮。

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Research on Twice Injection Influence of GDI Engine
on Oil Dilution at Mid-High Speed

Yang Xuepei1，2，Liu Guojun1，2，Chen Dong1，2，Wu Haifu1，2，Zhou Shuo1，2
1- Technical Center，Great Wall Motor Co.，Ltd.（Baoding，071000，China）
2- Hebei Automobile Engineering Technology & Research Center

Abstract：With the test on 2.0T GDI engine, this paper mainly studies the effect of twice injection strategy of the oil dilution on GDI engine at mid-high speed. The test results show that by adopting reasonable twice injection strategy，the wall wetting can be improved in the injection process，and the amount of gasoline in the oil film also reduced，so as to improve oil dilution. But with the improvement of oil dilution, the soot will be deteriorated.

Keywords：Twice injection strategy，Injection timing，Oil dilution，Direct injection，Dilution rate

收稿日期：（2015-02-09）

文章編號：2095-8234（2015）03-0033-05

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TK414.1+1

作者簡介：楊雪培（1986-），女，助理工程師，主要研究方向為發(fā)動機(jī)設(shè)計。