1 初始狀況

近年來，已對直噴式汽油機在均質和分層燃燒運行中所產(chǎn)生的顆粒物(PM)排放開展了許多試驗研究工作。隨著全新行駛循環(huán)的實施和廢氣排放限值的日趨嚴格，以及新增的顆粒數(shù)(PN)排放限值要求，實現(xiàn)低PM排放燃燒的舉措愈加緊迫。提高噴油壓力以改善混合氣準備過程是其中的1項關鍵技術。雖然已針對噴油壓力提高到50 MPa的目標進行了許多試驗研究工作[1-10]，但是其中僅有為數(shù)不多的研究工作對超高噴油壓力的(50～100 MPa)汽油噴射進行過相關試驗研究。本試驗研究項目也對該目標作出了相關貢獻，并指出了其與燃燒過程無關且能進一步提高噴油壓力的潛力。

2 試驗設備配置

常規(guī)汽油高壓噴油器的噴油嘴針閥直接由電磁線圈操縱，因此在噴油器控制方面如不進行大幅調整是無法采用超高噴油壓力的，而且由于其結構型式比柴油機噴油器更為緊湊，使其機械強度受到限制。而在柴油機噴油器中并非直接由電磁線圈而是通過液力轉換來控制總針閥開啟，電磁力僅用于打開通往控制室的入口，而控制室將燃油壓力施加在針閥上，在開啟時較高的燃油壓力也對針閥起到推動作用。在本試驗研究項目中應用了Bosch公司的CRI2型柴油機噴油器。

這種噴油器配備了專門開發(fā)的噴油嘴，其根據(jù)噴束霧化和混合特性的計算流體力學(3D-CFD)模擬研究設計而成，適用于均質燃燒過程和噴束導向型分層燃燒過程。設計時遵循均質燃燒過程基于下止點時的壁面潤濕和混合氣均質化過程，噴束導向型分層燃燒過程則是通過上止點時的壁面潤濕和混合氣的分層(易燃性)而得以實現(xiàn)。

針對其燃燒過程分別進行過2次優(yōu)化的噴油嘴(第1代)設計了1種適用于2類燃燒過程的折中方案(第2代)，同樣也對原有的第1代噴油嘴進行了制造和試驗研究，但是噴油嘴噴孔的幾何形狀和尺寸尚未得以完全優(yōu)化(表1)。

表1 高壓噴油器及其噴油嘴特性數(shù)據(jù)

借助于激光打孔技術在噴油嘴坯料上打出第2代噴油嘴的噴孔幾何形狀和尺寸。在正常的柴油噴射應用情況下，由于噴油嘴坯料的壁面較厚，因而如不作進一步的修改，噴油嘴噴孔的長度與直徑之比(L/d)對噴束霧化會造成負面影響，因此用硬質合金刀具切削以減小坯料的壁厚并附帶加工出臺階孔，這種臺階孔可有效減小噴孔長度，從而降低噴孔的L/d。在加工過程終了時，采取液力侵蝕孔口倒圓工藝來提高流量，以便減小穴蝕傾向，從而降低噴油嘴損壞的風險。圖1(a)中示出了減小噴孔L/d的措施，并在圖1(b)中示出了噴射油束圖形。噴射油束圖形包含有2個靠近火花塞的噴束(深色噴束)，在分層充氣的情況下，將混合氣輸送到火花塞附近，而其余噴束(淺色噴束)則通過燃油填充剩余的燃燒室空間。表1中歸納了所采用的噴油器的技術數(shù)據(jù)。

圖1 具有臺階孔和減小壁厚的噴油嘴剖面圖和研究噴射油束側視圖

所應用的單缸試驗發(fā)動機的技術數(shù)據(jù)匯總于表2，其活塞和燃燒室的幾何形狀以量產(chǎn)轎車發(fā)動機為基礎，其排量為0.463 L，配備了特制的氣缸蓋，能將高壓噴油器集成在2個排氣門的中間位置。

表2 單缸試驗發(fā)動機技術數(shù)據(jù)

圖2示出了試驗臺布置示意圖。燃油系統(tǒng)可分為低壓循環(huán)回路和高壓循環(huán)回路，常規(guī)的前置輸油泵將燃油通過濾清器和流量計輸送到高壓燃油泵進口，高壓燃油泵再將燃油增壓，壓力調節(jié)器在燃油共軌前將其調節(jié)到所期望的噴油壓力，這樣就能使噴油壓力高達80 MPa。

圖2 試驗臺布置示意圖

3 均質運行試驗結果

對新開發(fā)的配備第2代噴油嘴的高壓(HP)噴油系統(tǒng)的試驗結果和第1代噴油嘴(噴油壓力80 MPa)與傳統(tǒng)噴油系統(tǒng)的試驗結果進行比較。傳統(tǒng)噴油系統(tǒng)由噴油壓力高達20 MPa的量產(chǎn)汽油噴油器組成，其噴射圖形與第2代噴油嘴相比具有較好的特性。3種噴油系統(tǒng)采用的噴油始點都已通過前期試驗而針對PM排放進行過優(yōu)化，高壓噴油器為470°CA，傳統(tǒng)噴油器為430°CA。傳統(tǒng)噴油系統(tǒng)較早的噴油始點是由于噴油壓力較低而使噴油持續(xù)期延長所引起的。

圖3示出了3種噴油系統(tǒng)在2 000 r/min的恒定轉速時基于發(fā)動機負荷變化的試驗結果，值得注意的是，所有的噴油系統(tǒng)從0.3 MPa的平均指示壓力(pmi)起都達到了穩(wěn)定的發(fā)動機運行狀態(tài)(燃燒穩(wěn)定性σ(pmi)<3%)，僅第1代噴油嘴高壓噴油系統(tǒng)在pmi為0.2 MPa時明顯超出了這一標準，這種噴油器因其穩(wěn)態(tài)流量較大(表1)而無法實現(xiàn)重復噴射較小的噴油量。

就碳氫(HC)排放和指示燃油耗(bi)而言，使用第2代噴油嘴高壓噴油系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢。改善噴束霧化與優(yōu)化噴射油束圖形相結合能有效減少壁面潤濕，因此能使更多燃油參與燃燒，這也從較長的燃燒持續(xù)期中得以體現(xiàn)。

圖3 使用傳統(tǒng)噴油器(20 MPa)和2種不同噴油嘴高壓噴油器(80 MPa)均質運行時在2 000 r/min轉速下發(fā)動機負荷變化的比較

由于測量誤差，傳統(tǒng)噴油系統(tǒng)的氮氧化物(NOx)原始排放數(shù)據(jù)難以令人信服，因而無法直接進行比較。在使用高壓噴油系統(tǒng)時，由于燃燒過程得以強化，而熱NOx的形成會相應增多。在比較2種高壓噴油系統(tǒng)時，觀察到使用第2代噴油嘴會導致NOx排放降低，預計第2代噴油嘴的噴射油束圖形會加強滾流充量運動，因此氣缸峰值溫度將會有所降低并阻礙NOx的形成。

4 分層運行試驗結果

圖4示出了3種噴油系統(tǒng)在分層混合氣工況下運行時于2 000 r/min的恒定轉速下負荷變化的試驗結果比較。在pmi為0.2 MPa的最小負荷時，尚無某種噴油系統(tǒng)能使發(fā)動機達到穩(wěn)定運行(即圖中燃燒穩(wěn)定性σ(pmi)>3%)的狀態(tài)，其原因是由于噴油量較小，使得燃燒過程總體上過于稀薄。無論是噴油量還是噴束動量都過小，無法在火花塞附近準備好足夠濃的混合氣，因而無法獲得穩(wěn)定的可燃性。與傳統(tǒng)的噴油系統(tǒng)相比，高壓噴油器即使在pmi為0.3 MPa的負荷工況下也無法確保穩(wěn)定的燃燒過程。在這種高壓噴射的情況下，改善噴束霧化的效果難以補償混合氣形成時間過短造成的影響。

圖4 使用傳統(tǒng)噴油器(20 MPa)和2種不同噴油嘴高壓噴油器(80 MPa)分層運行時2 000 r/min轉速下發(fā)動機負荷變化的比較

與燃燒穩(wěn)定性不同，使用第2代噴油嘴高壓噴油系統(tǒng)時廢氣排放和燃油耗的狀況都得到了相應改善。在所有的發(fā)動機試驗負荷時會有更多燃油參與燃燒，這體現(xiàn)在燃油耗的改善方面。噴油嘴幾何形狀和尺寸的修改與提高噴油壓力相結合使得燃油能更快地實現(xiàn)氣化，從而在火花塞周圍獲得了濃度較高的混合氣。若將高壓噴油系統(tǒng)的2種噴油嘴直接進行比較的話，則噴油嘴噴孔L/d減小可使HC排放降低。在沒有優(yōu)化的第一代噴油嘴下可觀察到噴束霧化不充分，導致噴束貫穿深度增大，其結果是活塞潤濕的風險增大，導致HC排放增加，這種不良后果可通過使用第2代噴油嘴進行優(yōu)化。

第2代噴油嘴高壓噴油系統(tǒng)表現(xiàn)出最佳的NOx排放值。提高噴油壓力與改善噴束霧化相互配合就能在火花塞周圍獲得最合理的混合氣分層，從而降低了氣缸溫度，并緩解了NOx的形成。

在分層運行時，通過使用這種高壓噴油系統(tǒng)同樣能改善PN排放。雖然從原理上來講其為擴散燃燒，PN排放總體水平始終相對較高，可在較高負荷時降低PN排放。

5 結論

介紹了1種由柴油機噴油器和新開發(fā)的噴油嘴組成的汽油高壓噴射系統(tǒng)，這種噴油嘴的噴油壓力高達80 MPa，并借助于3D-CFD模擬對這種噴油嘴的噴射油束圖形進行了優(yōu)化，從而在混合氣分層與減少壁面潤濕之間獲得了最佳的折中，此外這種噴油嘴噴孔L/d被調整到汽油噴油器的常規(guī)值，從而確保了噴束的快速霧化。

高壓噴油系統(tǒng)在單缸試驗發(fā)動機上對均質和分層燃燒2類運行方式都進行了相關試驗研究。試驗結果證實，提高噴油壓力能明顯地改善PN排放而不會使其他氣態(tài)排放值得以惡化。與具有相同噴射油束圖形的傳統(tǒng)汽油噴油器相比，高壓噴油系統(tǒng)對于這2類燃燒過程在降低原始排放和燃油耗方面具有一定的技術潛力。試驗結果表明，噴油嘴幾何形狀和尺寸的優(yōu)化對于提高噴油壓力具有決定性的意義。