吳錫江，李相超，王志宇

(上汽技術(shù)中心上海市汽車(chē)動(dòng)力總成重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804)

當(dāng)前內(nèi)燃機(jī)面臨著重大變革，油耗和排放法規(guī)成為驅(qū)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)技術(shù)發(fā)展的兩大主因。面對(duì)快節(jié)奏的排放法規(guī)更新，顆粒物排放是當(dāng)前主流的缸內(nèi)直噴汽油機(jī)面臨的關(guān)鍵問(wèn)題之一。近年來(lái)，隨著噴油器和噴油泵技術(shù)以及加工工藝的提升，50 MPa超高壓汽油缸內(nèi)直噴系統(tǒng)，以其可觀的排放收益越來(lái)越來(lái)越受到重視，全球主流的燃油噴射系統(tǒng)供應(yīng)商也即將推出相關(guān)量產(chǎn)產(chǎn)品。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于50 MPa高壓汽油直噴系統(tǒng)的研究還不多，而國(guó)外已有不少50 MPa甚至更高壓力的汽油缸內(nèi)直噴系統(tǒng)的研究。業(yè)內(nèi)的共識(shí)是采用50 MPa及以上超高壓汽油缸內(nèi)直噴技術(shù)，燃油初次破碎而成的液滴尺寸小、數(shù)量多，表面積增大，加上更快的運(yùn)動(dòng)速度能夠快速與空氣交互，霧化、蒸發(fā)速度加快，改善油氣混合過(guò)程[1-7]。油氣混合過(guò)程的改善，帶來(lái)的直接收益是燃燒穩(wěn)定性和效率提升，顆粒物排放大大降低[1-14]。對(duì)于顆粒數(shù)量(Particulate Number, PN)排放集中的高速大負(fù)荷區(qū)域，以及包含暖機(jī)工況在內(nèi)的低速低負(fù)荷區(qū)域和部分負(fù)荷區(qū)域，應(yīng)用超過(guò)35 MPa的噴射壓力均能進(jìn)一步有效降低PN排放[7-9]。同時(shí)，對(duì)于噴油量較小的冷起動(dòng)過(guò)程和低負(fù)荷工況，更高的噴射壓力意味著更短的貫穿距，有利于控制燃油濕壁量，降低PN排放的同時(shí)減小了機(jī)油稀釋的風(fēng)險(xiǎn)[8]。另一方面，部分研究結(jié)果則顯示，當(dāng)噴射壓力超過(guò)50 MPa，顆粒物排放隨噴射壓力增大而降低的幅度明顯減小[10-11]，同時(shí)考慮高壓燃油泵帶來(lái)的更多燃油消耗，50 MPa噴射壓力是兼顧油耗和排放的一個(gè)較為合適的平衡點(diǎn)。

汽油機(jī)缸內(nèi)直噴燃燒系統(tǒng)可分為均質(zhì)燃燒和分層燃燒兩大類(lèi)。分層燃燒通常由接近壓縮終了的一次噴霧引導(dǎo)火花塞附近形成局部濃混合氣，整體以稀燃形式運(yùn)行，噴油器多采用中置布置形式，其PN排放總體較高，引入50 MPa高壓直噴系統(tǒng)具有明顯的效果，現(xiàn)有的研究也多集中于分層燃燒系統(tǒng)[5,9-12]；均質(zhì)燃燒由進(jìn)氣流引導(dǎo)形成均勻混合氣并以當(dāng)量比燃燒，整體PN排放相對(duì)較低，引入50 MPa高壓直噴系統(tǒng)仍能進(jìn)一步降低PN排放，但效果不如分層燃燒系統(tǒng)[11-12]。同時(shí)，現(xiàn)有研究中50 MPa及以上的汽油噴射系統(tǒng)多是利用結(jié)構(gòu)類(lèi)似的多孔柴油噴油器及噴射系統(tǒng)來(lái)代替使用，相應(yīng)的燃燒系統(tǒng)也沒(méi)有經(jīng)過(guò)充分優(yōu)化匹配。本研究在全新開(kāi)發(fā)的缸內(nèi)直噴燃燒系統(tǒng)中，重新設(shè)計(jì)、優(yōu)化匹配油束方案并定制專(zhuān)用的50 MPa汽油噴油器，以研究主流的均質(zhì)燃燒系統(tǒng)應(yīng)用50 MPa高壓直噴系統(tǒng)帶來(lái)的影響。

1 試驗(yàn)裝置及方法

本試驗(yàn)在噴油器專(zhuān)用定容彈進(jìn)行噴霧特性測(cè)試，重點(diǎn)關(guān)注噴油器貫穿距L、噴霧角θ、索特平均直徑(Sauter Mean Diameter，SMD)等跟油氣混合過(guò)程密切相關(guān)的特性參數(shù)隨噴射壓力提升的變化。在一臺(tái)開(kāi)發(fā)了全新燃燒系統(tǒng)的光學(xué)單缸機(jī)上進(jìn)行測(cè)試，以研究50 MPa缸內(nèi)汽油直噴系統(tǒng)對(duì)燃燒過(guò)程和排放的影響。圖1a是利用相位多普勒粒子分析儀(Phase Doppler Particle Analyzer，PDPA)在定容彈內(nèi)測(cè)試SMD的實(shí)況，圖1b示出相應(yīng)噴油系統(tǒng)在光學(xué)單缸機(jī)內(nèi)的燃燒過(guò)程實(shí)拍情況。

圖1 高壓直噴噴霧特性和燃燒過(guò)程測(cè)試裝置

測(cè)試用噴油器經(jīng)過(guò)優(yōu)化，匹配該全新的燃燒系統(tǒng)后，定制了BOSCH HDEV6系列35 MPa和50 MPa高壓噴油器，本研究分別稱(chēng)之為HDEV6.35和HDEV6.50，其中HDEV6.50為最新的樣件狀態(tài)。兩種噴油器設(shè)計(jì)有完全相同的噴孔數(shù)、噴霧角和目標(biāo)靶點(diǎn)，其中HDEV6.50適當(dāng)減小了設(shè)計(jì)流量(噴射孔徑)以保持穩(wěn)定的噴油持續(xù)時(shí)間，這對(duì)改善極小噴油脈寬以及多次噴油策略下的流量穩(wěn)定性具有一定的幫助。高壓燃油供給系統(tǒng)則由外接的AVL HPFU系列60 MPa高壓燃油泵進(jìn)行獨(dú)立供油。燃燒過(guò)程由AVL INDICOM系列燃燒分析儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，氣體排放由AVL DiTEST系列尾氣分析儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，而顆粒物則通過(guò)高速攝影技術(shù)直接捕捉光學(xué)單缸機(jī)透明燃燒室內(nèi)特定波長(zhǎng)的炭煙(Soot)輻射光來(lái)測(cè)定，這種測(cè)定方法較傳統(tǒng)的煙度計(jì)和顆粒采樣儀具有無(wú)可比擬的響應(yīng)速度、直觀性以及更高的可信度。光學(xué)單缸機(jī)和高壓燃油噴射系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 光學(xué)單缸機(jī)和高壓燃油噴射系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

試驗(yàn)選取1 200 r/min@0.15 MPa(文中所有負(fù)荷均為指示平均有效壓力Indicated Mean Effective Pressure,IMEP)暖機(jī)工況點(diǎn)、2 000 r/min@0.27 MPa特征工況點(diǎn)、2 000 r/min@0.57 MPa部分負(fù)荷工況點(diǎn)和2 000 r/min@1.27 MPa中高負(fù)荷工況點(diǎn)進(jìn)行35 MPa噴射壓力和50 MPa噴射壓力下的對(duì)比研究。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 噴霧特性

2.1.1 流量穩(wěn)定性

圖2示出HDEV6.35和HDEV6.50兩種噴油器在20 ℃，100 kPa背壓，不同噴射壓力下用稱(chēng)重法測(cè)得的流量曲線(燃油為正庚烷)。在噴油脈寬大于1 ms的穩(wěn)定狀態(tài)下，兩種噴油器在10 MPa，35 MPa和50 MPa下噴油量均隨時(shí)間線性增長(zhǎng)，其斜率即為噴油器穩(wěn)態(tài)流量?？梢钥闯?，同樣在35 MPa噴射壓力下，HDEV6.50噴油器的穩(wěn)態(tài)流量比HDEV6.35略小，與設(shè)計(jì)情況一致。小噴油脈寬下的流量穩(wěn)定性是高壓直噴汽油噴油器一個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)，在10 MPa噴射壓力下，兩種噴油器均可實(shí)現(xiàn)約0.2 ms的最小穩(wěn)定噴油脈寬；當(dāng)噴射壓力提升至35 MPa時(shí)，0.25～0.3 ms噴射脈寬下的流量穩(wěn)定性仍能接受；而達(dá)到50 MPa時(shí)，HDEV6.50噴油器在極小噴油脈寬時(shí)的穩(wěn)定性明顯變差，小于0.3 ms的噴油脈寬已不推薦使用。因此，應(yīng)用50 MPa汽油噴射系統(tǒng)時(shí)，需要注意最小噴油脈寬的匹配，優(yōu)化噴油策略，也可適當(dāng)減小設(shè)計(jì)流量和低負(fù)荷時(shí)的實(shí)際噴射壓力。

圖2 噴油器動(dòng)態(tài)流量

2.1.2 噴霧形態(tài)

圖3示出HDEV6.35和HDEV6.50兩種噴油器分別在35 MPa和50 MPa噴射壓力下，通過(guò)定容彈觀測(cè)窗口拍攝的典型單次噴霧宏觀形態(tài)，測(cè)試條件與流量測(cè)試相同，圖中給出了關(guān)鍵噴霧特性參數(shù)的定義，噴霧特性參數(shù)按SAE J2715標(biāo)準(zhǔn)定義。從宏觀形態(tài)上看，50 MPa噴射壓力下貫穿距和噴霧角明顯增大，這是因?yàn)楦叩膰娚鋲毫κ挂簯B(tài)燃油破碎成更細(xì)小的顆粒并增加了運(yùn)動(dòng)速度和距離，強(qiáng)化了與空氣的交互作用，從而快速霧化、蒸發(fā)，實(shí)現(xiàn)更好的油氣混合效果。

圖3 噴油器噴霧形態(tài)示意

對(duì)大量單次噴霧形態(tài)圖像進(jìn)行數(shù)字化處理和統(tǒng)計(jì)分析，得到的不同噴射壓力下貫穿距L和噴霧角θ隨噴射時(shí)間的變化關(guān)系見(jiàn)圖4。相同負(fù)荷下應(yīng)用不同噴油器、不同噴射壓力其噴油量是一定的，圖4a示出的貫穿距均在噴油量為11.5 mg的條件下測(cè)得。對(duì)于同一噴油器HDEV6.50，貫穿距隨噴射壓力的升高而明顯增加，在出油后(After Start of Fuel，ASOF)1.5 ms時(shí)刻，50 MPa噴射壓力下的貫穿距比當(dāng)前主流的20 MPa噴射壓力和正在推廣的35 MPa噴射壓力分別提高了28.7%和12.0%。而相同噴射壓力(35 MPa)下流量稍大的HDEV6.35噴油器貫穿距更大些。流量對(duì)噴霧特性的影響更多體現(xiàn)在噴霧角上，ASOF從0.5 ms到1.5 ms無(wú)論是x視角還是y視角均是流量稍大的HDEV6.35的噴霧角均值明顯更大(見(jiàn)圖4b)?？傮w上噴霧角在低噴射壓力下擴(kuò)張更明顯，特別是x視角方向，50 MPa高壓噴射有利于油束保持設(shè)計(jì)狀態(tài)。

圖4 不同噴射壓力下的貫穿距與噴霧角

2.1.3 噴霧粒徑

圖5示出利用平面激光誘導(dǎo)熒光法(Planner Laser Induced Fluorescence，PLIF)測(cè)得的z=30 mm平面內(nèi)的油束情況。對(duì)于HDEV6.50噴油器，隨噴射壓力升高，空間上最為接近的1號(hào)油束和6號(hào)油束逐漸粘連在一起(深色代表高濃度的液態(tài)區(qū)域)，至50 MPa時(shí)2號(hào)油束也和1號(hào)油束粘連在一起，油束之間的干涉和相互作用變強(qiáng)，可能導(dǎo)致破碎的油粒相互碰撞成更小的顆粒，也可能聚合成更大的顆粒。用PDPA法在噴油量為11.5 mg的條件下測(cè)得各噴射壓力下的噴霧粒徑分布情況(見(jiàn)圖6)。從結(jié)果看，無(wú)論是SMD，還是體積分?jǐn)?shù)分別占50%和90%粒子的粒徑DV50和DV90，噴射壓力從35 MPa提升到50 MPa的效果，幾乎與當(dāng)前主流的噴射壓力從20 MPa提升到35 MPa方案相當(dāng)。以HDEV6.50噴油器的SMD為例，噴射壓力從20 MPa提升到35 MPa，再?gòu)?5 MPa提升到50 MPa后，SMD分別減小了17.8%和12.5%。與此同時(shí)，相同噴射壓力(35 MPa)下，流量稍小的HDEV6.50噴油器粒徑也有所減小，有利于均勻混合氣的形成。

圖5 不同噴射壓力下的油束擴(kuò)散情況

圖6 不同噴射壓力下的噴霧粒徑分布

2.2 對(duì)燃燒過(guò)程和排放的影響

試驗(yàn)工況點(diǎn)見(jiàn)表2。選取暖機(jī)工況點(diǎn)1 200 r/min@0.15 MPa、低負(fù)荷特征工況點(diǎn)2 000 r/min@0.27 MPa、部分負(fù)荷工況點(diǎn)2 000 r/min@0.57 MPa和中高負(fù)荷工況點(diǎn)2 000 r/min@1.27 MPa來(lái)全面評(píng)估高壓燃油噴射系統(tǒng)從35 MPa提升至50 MPa帶來(lái)的影響，盡可能地反映多缸發(fā)動(dòng)機(jī)的真實(shí)運(yùn)行情況。對(duì)于當(dāng)前最高35 MPa缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，暖機(jī)和低負(fù)荷工況點(diǎn)通常需要平衡油耗的影響，并不以最高壓力噴射運(yùn)行，本試驗(yàn)根據(jù)仿真優(yōu)化結(jié)果分別固定噴射壓力為30 MPa和25 MPa。

表2 高壓噴射對(duì)比試驗(yàn)工況點(diǎn)

2.2.1 暖機(jī)和低負(fù)荷工況

暖機(jī)和低負(fù)荷工況噴油器實(shí)際并不以最高工作壓力噴油，對(duì)燃燒和排放的影響多取決于噴油器自身油束方案和噴油、點(diǎn)火策略的優(yōu)化程度，包括噴油次數(shù)、噴油時(shí)刻(Start of Injection, SOI)、點(diǎn)火提前角等。

圖7示出1 200 r/min@0.15 MPa暖機(jī)工況第二次噴油時(shí)刻SOI2的掃點(diǎn)優(yōu)化示例。HDEV6.35噴油器采用兩次噴油策略，第一次噴油時(shí)刻已優(yōu)化(SOI1=-270°)，點(diǎn)火提前角固定為-20°。暖機(jī)工況在排放測(cè)試循環(huán)中有著重要影響，常采用多次噴油策略改善油氣混合并降低濕壁-機(jī)油稀釋風(fēng)險(xiǎn)。從試驗(yàn)結(jié)果看，SOI2變化對(duì)NOx和CO排放整體影響并不大，而當(dāng)SOI2往壓縮上止點(diǎn)方向靠近時(shí)，第二次噴射的燃油霧化、蒸發(fā)的時(shí)間不足，燃油分布不均勻，燃燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)從5%到90%的燃燒持續(xù)期(MFB5%～90%)快速縮短，伴隨著缸內(nèi)最高燃燒壓力的循環(huán)變動(dòng)量(COVpmax)快速增大，HC排放和Soot火焰急劇增長(zhǎng)，-140°～-120°是SOI2的最佳區(qū)間。

圖7 SOI2對(duì)燃燒和排放的影響

暖機(jī)時(shí)單個(gè)循環(huán)噴油量相對(duì)較小，采用多次噴射后單次噴油脈寬極小，此時(shí)噴霧貫穿距的大小直接由噴油量決定，采用的噴射壓力越高,貫穿距越小,越不容易濕壁，時(shí)間短、粒徑小理論上霧化也更好，但卻接近噴油器穩(wěn)定工作的噴油脈寬下限，也可能導(dǎo)致燃燒的循環(huán)變動(dòng)增加。

圖8示出暖機(jī)工況當(dāng)量比燃燒條件下用PLIF和高速攝影測(cè)得的壓縮上止點(diǎn)前45°的缸內(nèi)氣態(tài)燃油分布情況。對(duì)于單次噴油(SOI1=-270°)，噴射壓力從35 MPa提升至50 MPa后點(diǎn)火前缸內(nèi)油氣混合氣的分布均勻程度幾乎無(wú)差別；相較于單次噴油，兩次噴油(SOI1=-270°，SOI2=-120°，噴油比例為2∶1)于壓縮終了前在燃燒室中部形成局部濃混合氣，50 MPa噴射壓力下相對(duì)均勻些；三次噴油(SOI1=-270°，SOI2=-210°，SOI3=-100°，噴油比例為1.5∶1∶1)則由于SOI3相對(duì)靠近壓縮上止點(diǎn)，霧化時(shí)間不足，整體上偏向進(jìn)氣側(cè)(右側(cè))，局部混合氣更濃，50 MPa更高噴射壓力下同樣分布得更均勻些。

圖8 缸內(nèi)燃油濃度場(chǎng)

圖9示出暖機(jī)及低負(fù)荷工況下，兩種噴油器在相同噴射壓力下采用單次噴油、其他參數(shù)優(yōu)化后的缸壓和排放對(duì)比情況。此時(shí)噴油脈寬較小但均在噴油器穩(wěn)定工作區(qū)域，且有足夠的時(shí)間進(jìn)行油氣混合，噴油、點(diǎn)火參數(shù)優(yōu)化后貫穿距等噴霧形態(tài)差異的影響可以忽略不計(jì)，相同噴射壓力下缸壓和排放變化僅由噴油器流量差異引起，整體上50 MPa噴油器HDEV6.50的燃燒穩(wěn)定性和排放情況稍好，主要是因?yàn)橄嗤瑖娚鋲毫ο铝髁可孕〉腍DEV6.50噴油器SMD更小些，油氣混合更充分。

圖9 暖機(jī)和低負(fù)荷工況燃燒和排放對(duì)比

2.2.2 部分負(fù)荷工況

同暖機(jī)和低負(fù)荷工況點(diǎn)一樣，部分負(fù)荷工況點(diǎn)噴油策略經(jīng)掃點(diǎn)優(yōu)化、按噴油器最高噴射壓力噴油后的部分燃燒和排放參數(shù)見(jiàn)圖10。由圖10可見(jiàn)，采用50 MPa噴射壓力后噴油脈寬和噴霧粒徑均減小，缸內(nèi)油氣混合狀況更好，適當(dāng)增大點(diǎn)火提前角使對(duì)比組具有相同的燃燒重心(MFB50%)，因此以COVpmax和MFB5%～90%為代表的燃燒穩(wěn)定性和燃燒速率基本不變，在此條件下測(cè)得的各排放值代表各自優(yōu)化后的較優(yōu)水平。

圖10 部分負(fù)荷工況燃燒和排放對(duì)比

采用50 MPa噴射壓力后，以炭煙輻射(Soot)為表征的顆粒物排放與HC，CO排放之間存在著一定的關(guān)聯(lián)性，變化趨勢(shì)大致相同，更高噴射壓力下油氣混合更充分，燃燒更完全，以上排放均有所降低；而NOx排放則略有增加，主要是因?yàn)?0 MPa噴射壓力下缸內(nèi)壓力升高率和燃燒速率有所加快，燃燒溫度有所升高。

此外，HC排放在2 000 r/min@0.27 MPa和2 000 r/min@0.57 MPa的中低負(fù)荷下改善明顯，分別減少了15.6%和28.8%，而Soot排放則在中高負(fù)荷2 000 r/min@1.27 MPa下改善明顯，降低了21.3%。其中，Soot排放降低明顯，一方面是因?yàn)楦邷亍⒏邏喝紵h(huán)境的中高負(fù)荷至外特性區(qū)域本身即是顆粒物排放最集中的區(qū)域，另一方面對(duì)于缸內(nèi)直噴并由氣流引導(dǎo)混合氣形成的均質(zhì)燃燒系統(tǒng)，在中高負(fù)荷時(shí)液態(tài)油束受強(qiáng)進(jìn)氣擾動(dòng)影響較大，特別是高滾流比設(shè)計(jì)的氣道，容易造成燃油濕壁，導(dǎo)致顆粒物排放大增。

圖11a示出中高負(fù)荷時(shí)35 MPa和50 MPa兩種燃油噴射壓力下，在噴油結(jié)束時(shí)刻x視角方向的缸內(nèi)液態(tài)燃油散射圖像?？梢钥吹剑?0 MPa噴射壓力下液態(tài)油束更接近設(shè)計(jì)形態(tài)，而35 MPa噴射壓力下則被強(qiáng)氣流吹散過(guò)度，x方向的噴霧角擴(kuò)張明顯，容易導(dǎo)致燃油濕壁，且負(fù)荷越高(進(jìn)氣壓力越大)這種趨勢(shì)越明顯。圖11b示出對(duì)應(yīng)的燃燒過(guò)程高速攝影圖像。可以看出，液態(tài)油束被進(jìn)氣流嚴(yán)重?cái)_動(dòng)的工況在噴嘴附近產(chǎn)生了明顯的Soot火焰，同工況下50 MPa噴射壓力的Soot火焰明顯少于35 MPa下。圖11c示出燃燒后缸蓋燃燒室頂噴嘴附近凹坑區(qū)域的積炭情況，進(jìn)一步佐證了高進(jìn)氣壓力下液態(tài)油束受氣流影響偏離設(shè)計(jì)靶點(diǎn)，造成了燃油濕壁。這也是大負(fù)荷工況點(diǎn)采用50 MPa噴射壓力明顯改善顆粒物排放的一個(gè)重要原因。

圖11 進(jìn)氣流動(dòng)對(duì)油束和Soot排放的影響

3 結(jié)論

a)相同噴油量下50 MPa汽油噴射系統(tǒng)相較于35 MPa噴射系統(tǒng)，噴霧角更容易保持設(shè)計(jì)狀態(tài)，而貫穿距則明顯增加，小流量設(shè)計(jì)能改善50 MPa高壓噴射系統(tǒng)的濕壁風(fēng)險(xiǎn)；

b)50 MPa噴射壓力下SMD明顯減小，霧化、蒸發(fā)過(guò)程加快，特別是多次噴油策略及小噴油脈寬條件下的油氣混合過(guò)程能得到有效改善；

c)暖機(jī)及低負(fù)荷工況需平衡油耗的影響，在非最高噴射壓力噴油的情況下，整體燃燒和排放差異不大，小流量設(shè)計(jì)的噴油器因SMD小而略有優(yōu)勢(shì)；

d)由氣流引導(dǎo)混合的均質(zhì)燃燒系統(tǒng)，采用50 MPa噴射壓力能在高負(fù)荷區(qū)進(jìn)一步降低Soot排放，中低負(fù)荷區(qū)域進(jìn)一步降低HC排放；

e)大負(fù)荷時(shí)采用50 MPa噴射壓力能保持噴霧設(shè)計(jì)形態(tài)，受氣流擾動(dòng)較小不易濕壁，有效降低顆粒物排放。