曹春暉，李巖，李高堅(jiān)，牟一今

(上汽通用五菱汽車股份有限公司,廣西柳州 545007)

0 引言

汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)(Gasoline direct injection,GDI)因具有燃油經(jīng)濟(jì)性高、動(dòng)力性良好以及燃燒穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。

缸內(nèi)直噴是噴油器在高壓力下將燃油直接噴射到氣缸內(nèi)，由于汽油是在進(jìn)氣結(jié)束時(shí)噴射到汽缸中，所以氣缸內(nèi)的膨脹氣體被冷卻，體積效率提高，爆震傾向減小，GDI技術(shù)便于形成稀薄燃燒，降低部分負(fù)荷條件下的燃油消耗水平，還能改善發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)運(yùn)行和冷啟動(dòng)時(shí)的排放[1]。

缸內(nèi)直噴技術(shù)具有低油耗、高壓縮比、升功率大的優(yōu)點(diǎn)。但GDI技術(shù)的應(yīng)用也帶來的一些問題，如用車成本提高、顆粒排放增加、燃油系統(tǒng)噪聲較大等[2]。由于GDI發(fā)動(dòng)機(jī)噴油過程是在氣缸內(nèi)直接完成，噴射次數(shù)、噴射相位以及燃油噴射量等組合而成的噴射策略對缸內(nèi)混合氣質(zhì)量有巨大影響，最終對發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能產(chǎn)生重要影響。各生產(chǎn)廠家及研究機(jī)構(gòu)對GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油策略進(jìn)行了不斷地探索和研究[3-6]。

本文作者基于一臺1.5 L GDI自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，研究了噴油時(shí)刻和噴油壓力對缸內(nèi)壓力、溫度、燃燒規(guī)律和排放的影響，對此參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，為發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行控制提供依據(jù)和參考。

1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為三缸1.5 L自然吸氣直噴發(fā)動(dòng)機(jī)。通過發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元(Electric control unit,ECU)調(diào)控相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)，如噴油壓力、噴油時(shí)刻等。發(fā)動(dòng)機(jī)具體參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)臺架試驗(yàn)使用的主要設(shè)備見表2。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行由AVL電力測功機(jī)控制，通過AVL735S油耗儀測量試驗(yàn)中的燃油消耗率，Horiba排放分析儀測量碳?xì)?THC)、氮氧化物(NOx)和一氧化碳(CO)等污染物的濃度，AVL489和AVL483分別測量尾氣中顆粒數(shù)量(Particle number，PN)和顆粒質(zhì)量(Particle mass，PM)。在每缸安裝Kistler缸內(nèi)壓力傳感器，用以測量各缸燃燒參數(shù)。

表2 主要試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)中主要加裝了以下傳感器：在各缸排氣歧管打孔安裝排氣歧管溫度；在排氣總管安裝溫度傳感器；三元催化器中心安裝溫度傳感器；三元催化器前打孔安裝排放分析儀及顆粒數(shù)量和質(zhì)量采樣管。

試驗(yàn)中控制環(huán)境溫度為(25±5)℃，進(jìn)氣相對濕度(55±5)%，發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度(88±5)℃，催化器前排氣溫度不高于870 ℃，催化器中心溫度不高于930 ℃。

1.2 噴油時(shí)刻和發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的定義

文中用系統(tǒng)開始噴油(Start of injection,SOI)對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角作為噴油時(shí)刻。以壓縮上止點(diǎn)(Top dead center，TDC)作為參考零點(diǎn)，壓縮上止點(diǎn)前(Before top dead center，BTDC)為正值，之后(After top dead center，ATDC)為負(fù)值。由于GDI發(fā)動(dòng)機(jī)是直接將燃油噴到缸內(nèi)，噴油時(shí)刻對混合氣形成及后續(xù)燃燒具有非常重要的影響。一般SOI最大值要在排氣行程之后或快結(jié)束時(shí)，其最小值要保證噴油結(jié)束(End of injection，EOI)時(shí)刻位于壓縮行程前或中前期。

以缸內(nèi)平均有效壓力(Brake Mean Effective Pressure，BMEP)作為發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的衡量指標(biāo)。BMEP[7](MPa)通過計(jì)算公式為

(1)

式中:τ為發(fā)動(dòng)機(jī)沖程數(shù)，τ=4；Ttq為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩，N·m；i為缸數(shù)，該試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù)為4；V為發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸工作容積，m3。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的各工況均為均質(zhì)燃燒模式，過量空氣系數(shù)控制為1。

(1)研究噴油壓力對發(fā)動(dòng)機(jī)性能及排放的影響。選取1 600、2 800和4 000 r/min 3個(gè)轉(zhuǎn)速，BMEP調(diào)至0.9 MPa，改變噴油壓力進(jìn)行試驗(yàn)，噴油壓力分別為5、15、25和35 MPa。保持進(jìn)氣量、點(diǎn)火角、VVT角度、噴油時(shí)刻等參數(shù)不變。

(2)在上述試驗(yàn)優(yōu)化噴油壓力的基礎(chǔ)上繼續(xù)優(yōu)化噴油時(shí)刻。試驗(yàn)工況如下：2 800 r/min時(shí)BMEP分別為0.2、0.6及0.9 MPa，以考查發(fā)動(dòng)機(jī)在大中小3個(gè)負(fù)荷下的運(yùn)行情況。固定噴油壓力、點(diǎn)火角、進(jìn)氣量、VVT等參數(shù)，研究噴油時(shí)刻對發(fā)動(dòng)機(jī)性能、排放的影響。

2 結(jié)果及分析

2.1 噴油壓力的優(yōu)化

保持發(fā)動(dòng)機(jī)其他參數(shù)不變，在不同轉(zhuǎn)速(1 600、1 800和4 000 r/min)下改變噴油壓力進(jìn)行試驗(yàn)，測量發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)。

圖1—3為各轉(zhuǎn)速在不同噴油壓力時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)平均缸內(nèi)壓力和累計(jì)放熱率曲線。從圖中曲線可以看出，在各試驗(yàn)轉(zhuǎn)速下，缸內(nèi)壓力和放熱率峰值、放熱速率都隨著噴油壓力增大而提高，缸內(nèi)壓力及放熱率峰值點(diǎn)隨之提前，這是因?yàn)楦叩膰娪蛪毫δ芴岣呋旌蠚獾木鶆虺潭群突旌蠚鈹?shù)量[8-9]。一方面，提高噴油壓力使燃油油束的初始動(dòng)能增加，油束的索特平均直徑越小，有利于燃油的霧化；另一方面高的噴油壓力減少了噴油持續(xù)期，燃油有更多的混合氣，能夠提高均勻混合氣的比例。

圖1 轉(zhuǎn)速為1 600 r/min時(shí)噴油壓力對缸壓和放熱率的影響

圖2 轉(zhuǎn)速為2 800 r/min時(shí)噴油壓力對缸壓和放熱率的影響

圖3 轉(zhuǎn)速為4 000 r/min時(shí)噴油壓力對缸壓和放熱率的影響

各轉(zhuǎn)速時(shí)噴油壓力為35 MPa時(shí)，缸內(nèi)壓力峰值和放熱率峰值的提高較為明顯。隨轉(zhuǎn)速的提高，各噴油壓力下的平均缸內(nèi)壓力峰值和燃燒放熱率峰值之間差值愈加明顯。說明高轉(zhuǎn)速下更需要較大的噴油壓力。因?yàn)楦咿D(zhuǎn)速下各沖程持續(xù)時(shí)間較短，較高的噴油壓力能改善霧化、增加均勻混合氣，缸內(nèi)燃燒質(zhì)量的提升也就比較明顯。

噴油壓力對發(fā)動(dòng)機(jī)油耗率和排放的影響如圖4—7所示。圖4表明各轉(zhuǎn)速下噴油壓力的提升，燃油噴霧貫穿距離增大，燃料的霧化質(zhì)量提高，均質(zhì)混合氣比例增大，燃燒改善。所以發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性提高，油耗率降低。

圖4 油耗率隨噴油壓力變化趨勢

圖5和圖6分別是不同轉(zhuǎn)速下排放尾氣中THC和CO濃度隨噴油壓力的變化曲線?？梢奣HC和CO濃度的變化趨勢類似，表現(xiàn)為其濃度隨噴油壓力提高而先下降后升高。在噴油壓力為20 MPa時(shí)THC排放最低，壓力再提高后THC排放升高。使CO排放最優(yōu)的噴油壓力為20 MPa(1 600和4 000 r/min)及25 MPa(2 800 r/min)。主要原因是隨噴油壓力的升高，燃油的霧化質(zhì)量提高，更容易發(fā)生均質(zhì)燃燒，THC和CO的排放降低。但隨噴油壓力的進(jìn)一步提高，噴油的初始速度也會(huì)變大，油束噴壁的概率也隨之增大，油束竄入活塞和氣缸狹隙的數(shù)量會(huì)隨之上升，THC和CO排放因之提高。

圖5 THC排放隨噴油壓力變化趨勢

圖6 CO排放隨噴油壓力變化趨勢

圖7為不同噴油壓力下排放中PN的變化曲線。各轉(zhuǎn)速噴油壓力為5 MPa時(shí)PN數(shù)值最大，隨噴油壓力提高而降低。PN排放對噴油壓力較為敏感，5 MPa和35 MPa噴油壓力下PN數(shù)值對比發(fā)現(xiàn)，采用高壓力噴油后，1 600 r/min及4 000 r/min是PN數(shù)值降低了90%以上，2 800 r/min時(shí)降低了70%以上。說明提高燃油噴射壓力使其霧化程度增加，燃油粒子破碎程度提高，撞擊氣缸壁形成小液滴概率減小[10]。高的噴油壓力能夠改善噴霧，提高燃燒質(zhì)量。

圖7 PN排放隨噴油壓力變化趨勢

2.2 噴油時(shí)刻的優(yōu)化

根據(jù)噴油壓力優(yōu)化的結(jié)果，將后續(xù)試驗(yàn)的噴油壓力設(shè)定為35 MPa。保持發(fā)動(dòng)機(jī)其他參數(shù)不變，在2 800 r/min大中小3個(gè)負(fù)荷(BMEP為0.2、0.6和0.9 MPa)下改變噴油參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。噴油時(shí)刻SOI分別設(shè)為350、340、320、300、280、260及240 ℃A。

選取轉(zhuǎn)速為2 800 r/min、BMEP為0.9 MPa的工況，研究SOI對GDI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的影響。圖8顯示了開始噴油時(shí)刻對平均缸內(nèi)壓力和瞬時(shí)放熱率的影響。當(dāng)SOI為280 ℃A時(shí)，缸內(nèi)壓力峰值和瞬時(shí)放熱率峰值最高，隨SOI的提前或滯后，缸內(nèi)壓力峰值和放熱率峰值都有所降低;當(dāng)SOI為240 ℃A時(shí)，這兩項(xiàng)參數(shù)的降低最為明顯。這是因?yàn)檫^早噴油時(shí)(如SOI為320 ℃A)，活塞處于進(jìn)氣行程初期，活塞離噴油嘴的距離較近。而燃油油束具有一定貫穿距離，此時(shí)油束更容易撞擊到活塞表面導(dǎo)致一部分燃油流到活塞不能充分霧化，不能形成質(zhì)量良好的混合氣，使得燃燒效率降低。如果此時(shí)氣門重疊角較大，還會(huì)導(dǎo)致一部分燃油被掃入排氣道中。

圖8 噴油時(shí)刻對缸壓和放熱率的影響

當(dāng)噴油時(shí)刻(如SOI為240 ℃A)過晚時(shí)，噴入缸內(nèi)的燃油來不及充分霧化便開始壓縮點(diǎn)火，使得燃燒速率下降，缸內(nèi)壓力和燃燒放熱率降低。

選擇合適的時(shí)刻噴油，可以利用缸內(nèi)較強(qiáng)的氣流運(yùn)動(dòng)使燃油和氣體充分混合?；旌蠚獾男纬蓵?huì)吸收熱量，有利于降低缸內(nèi)溫度，提高新鮮空氣的充氣效率。這些因素產(chǎn)生了較高的缸內(nèi)壓力和瞬時(shí)燃燒放熱率。

轉(zhuǎn)速為2 800 r/min、BMEP為0.9 MPa時(shí)缸內(nèi)溫度、壓力升高率隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線如圖9和圖10所示。從結(jié)果中可知，SOI為280 ℃A時(shí)，平均缸內(nèi)溫度最高，且溫度峰值出現(xiàn)的位置最靠近壓縮上止點(diǎn)，同時(shí)該工況下壓力升高率最高。將SOI推遲或提前，平均缸內(nèi)溫度隨之降低，溫度峰值對應(yīng)的位置離上止點(diǎn)較遠(yuǎn)，壓力升高率也出現(xiàn)降低的趨勢。

圖9 平均缸內(nèi)溫度隨SOI變化曲線

圖10 缸內(nèi)壓力變動(dòng)率隨SOI變化曲線

如前所述，優(yōu)化噴油時(shí)刻可以增加缸內(nèi)新鮮空氣的充量，改善霧化。燃燒等容度和燃料利用率也隨之提高，從而產(chǎn)生了較高的燃燒溫度和壓力升高率。此外，參數(shù)優(yōu)化后的壓力升高率峰值出現(xiàn)的位置雖有所提前，但都位于壓縮上止點(diǎn)之后，有助于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性。

在轉(zhuǎn)速為2 800 r/min時(shí)BMEP分別為0.2、0.6和0.9 MPa工況下研究噴油時(shí)刻對發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響，噴油時(shí)刻SOI分別設(shè)定在350、340、320、300、280、260及240 ℃A。圖11—13是噴油時(shí)刻對排放中THC、CO濃度和PN的影響變化曲線。

圖11 THC排放隨SOI變化曲線

從圖11的THC隨噴油時(shí)刻的變化曲線可以看出，隨著噴油時(shí)刻(SOI從240～350 ℃A)的提前，排放中THC濃度呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢，在SOI為300 ℃A時(shí)，THC濃度最低。圖12所顯示的CO濃度的變化趨勢與碳?xì)湎嗤笴O排放最佳的SOI也為300 ℃A。

圖12 CO排放隨SOI變化曲線

汽油機(jī)尾氣中CO的生成多發(fā)生在低溫缺氧條件下，因?yàn)榇藭r(shí)燃料燃燒產(chǎn)生的中間產(chǎn)物不能進(jìn)一步與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)。而廢氣中THC的生成多是由壁面淬熄、或者局部混合氣過濃、狹縫效應(yīng)、壁面積碳、燃燒室內(nèi)沉淀物的影響等因素造成[11]。

當(dāng)噴油時(shí)刻(如SOI為350 ℃A)過早時(shí)，此時(shí)處于進(jìn)氣行程早期，容易發(fā)生油束撞擊活塞頂部的現(xiàn)象。導(dǎo)致局部混合氣過濃以及未燃碳?xì)涓Z入活塞及狹縫，形成了較高的THC及CO排放。

隨著噴油時(shí)刻(如SOI為300 ℃A)的推遲，首先降低了燃油直接噴在活塞頂部的概率，其次由于活塞下行及氣門開度增大，進(jìn)氣湍流運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，有利于燃油和新鮮空氣的充分混合。兩個(gè)原因的共同作用降低了碳?xì)浜鸵谎趸寂欧诺臐舛取?/p>

噴射時(shí)刻(如SOI為240 ℃A)過晚時(shí)，CO 和 THC 濃度逐漸升高。因?yàn)榇藭r(shí)湍流運(yùn)動(dòng)已經(jīng)減弱，而且由于噴油時(shí)刻更接近壓縮及點(diǎn)火時(shí)刻，燃料和空氣混合時(shí)間不足。形成的混合氣不均勻，存在局部過濃。導(dǎo)致THC和CO排放升高。

相較于PFI發(fā)動(dòng)機(jī)，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的PN排放更高。主要原因是GDI發(fā)動(dòng)機(jī)是將沒有經(jīng)過霧化的燃油直接噴入氣缸內(nèi)，導(dǎo)致其霧化不佳。此外部分燃油沖擊聚集在活塞和缸壁，這些燃油液滴燃燒易產(chǎn)生顆粒物[12]。

圖13為排放中PN隨噴油時(shí)刻的變化曲線。在SOI為240～300 ℃A時(shí)，PN的值較小且隨SOI的變化不大。SOI提前以后，PN的數(shù)值開始上升，特別是當(dāng)SOI大于320 ℃A后，PN數(shù)值大幅提高。這是因?yàn)檫^早噴油時(shí)(SOI≥320 ℃A)，發(fā)動(dòng)機(jī)處于進(jìn)氣行程早期，燃油油束會(huì)沖擊活塞面形成油膜，產(chǎn)生了大量的顆粒物。

圖13 PN隨SOI變化曲線

3 結(jié)論

在一臺1.5 L GDI自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，研究了噴油時(shí)刻和噴油壓力對缸內(nèi)壓力、溫度、燃燒規(guī)律和排放的影響，得出了以下結(jié)論：

(1)試驗(yàn)工況下，噴油壓力越大，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力和放熱率峰值、放熱速率都隨著噴油壓力增大而提高。與燃燒改善相對應(yīng)，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗率也隨噴油壓力提升得到改善。

(2)噴油壓力對發(fā)動(dòng)機(jī)CO和THC的影響趨勢相同，即合適的噴油壓力有利于降低CO和THC排放，噴油壓力過高和過低時(shí)CO和THC排放升高。噴油壓力對于PN的產(chǎn)生顯著影響，提高噴油壓力能大幅降低排放中PN。

(3)過早或過晚的噴油時(shí)刻都會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性，惡化發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能。在研究工況下，SOI為300 ℃A是最佳的噴油時(shí)刻。