缸內直噴汽油機噴霧設計對于顆粒排放的影響

陶火烽 李健開 進彬 顧潔 王立新

摘 要：缸內直噴系統的原理介紹，缸內直噴系統在汽油機上的布置結構分類及對比介紹，不同的噴霧設計對汽油發動機排放的影響。

關鍵詞：缸內直噴系統；噴油器；汽油機；排放

1 引言

在《中國第六階段排放法規》中規定新售乘用車排放在第五階段的基礎上下降50%，并增加顆粒物數量的排放要求。在提高排放要求的同時，也要求整車平均油耗在2020年下降到5L/lOOKm，這就要求發動機使用更多的先進技術來提高效率降低油耗，而增壓直噴是汽油機提升燃油經濟性的有效措施之一。缸內直噴系統是將燃油直接噴入到燃燒室中和空氣混合，和傳統的歧管噴射發動機相比燃油蒸發和混合時間縮短，導致缸內混合不均勻，混合氣濃的區域由于缺少氧氣燃油不能完全燃燒，碳化成為小顆粒排出。同時在發動機冷態的時候，燃油直接噴入到燃燒室內，部分燃油會直接粘附在冰冷的缸套和活塞上而無法蒸發，在點火燃燒時受熱蒸發，形成稀氧的擴散燃燒，會產生大量顆粒排放，這是很多直噴發動機冷起動冒黑煙的緣故。

為了減少顆粒物的排放，優化噴油器噴霧設計是重要的手段之一。噴油器噴霧優化對于改善缸內混合均勻性，減少缸套、氣門以及活塞的濕壁，降低顆粒物排放有重要意義，從而成為各大高校和發動機設計開發單位的研究課題。本課題介紹不同噴油器的噴霧設計對顆粒物排放的影響。

2 缸內直噴燃油系統的介紹

2.1 直噴燃油系統工作原理

直噴燃油系統主要部件包括高壓油泵，高壓油管和高壓油軌總成，其中高壓油軌總成包括噴油器和油壓傳感器。高壓油泵將低壓燃油加壓到目標壓力后，通過高壓油管輸送到油軌中，燃油通過噴油器噴入到燃燒室中。油壓傳感器的測量信號會作為油泵泵油壓力的反饋控制以及噴油脈寬的計算。如圖1所示。

其原理為：

（l）驅動凸輪安裝在凸輪軸上隨發動機轉動而轉動，當柱塞下行時，進油閥打開，燃油充入到柱塞腔中；當柱塞上行時，柱塞腔內的多余燃油會被擠回到低壓管路中，當上行到某一位置時，發動機控制模塊給出信號關閉進油閥，柱塞腔內剩余燃油被柱塞加壓，當柱塞腔內的壓力大于油軌壓力，出油閥打開，燃油被泵入到油軌中。

（2）高壓油管將高壓油泵加壓后的燃油輸送到油軌內，同時衰減油泵周期性泵油對于油軌內壓力波動的影響。

（3）油軌作為容器來存儲燃油并抑制油泵周期泵油以及噴油器周期性噴油導致的油軌內油壓的波動。噴油器將高壓燃油以微米級的顆粒直接噴入到燃燒室內參與混合燃燒，油壓傳感器信號是噴油脈寬計算和燃油壓力反饋控制的重要輸入。

2.2 噴油器噴霧的技術參數

噴油器主要分為漩渦式、多孔式以及壓電式三種，其中多孔式是主流應用，本課題研究多孔式噴油器噴霧設計對于排放的影響。

多孔式噴油器噴霧的技術參數包括：正向噴霧角度（ OL+OR）、正向偏轉角度（OB）、貫穿距（ PZ），見圖2；側向噴霧角度（ OL-OR）、側向偏轉角度（e。）、貫穿距（PZ），見圖3；油束角度以及落點、油束流量、噴霧平均粒徑（ SMD）、DV90等。

噴油器噴霧形狀是根據燃燒室的設計來定義的，噴霧設計需要輸入燃燒室數模，見圖4。

除提供燃燒室數模外還需提供氣門升程，活塞沖程等用于噴油器噴霧設計。

噴霧設計主要考慮如下方面：

一缸內混合均勻性；

一碳氫和顆粒排放；

一機油稀釋；

—燃燒穩定性。

3 缸內直噴噴油器布置

3.1 側置噴射

側置噴射是將噴油器布置在發動機進氣道下方，如圖5，少部分OEM比如三菱是將噴油器布置在進氣道上方。側置噴射一般用于氣流引導和活塞壁面引導的燃燒室設計，隨著排放法規的加嚴，氣流引導成為主流。

3.2中置噴射

中置噴射是將噴油器布置在燃燒室頂部，如下圖6，中置噴射一般用于噴射引導的燃燒室設計，噴射引導可以將燃油噴射到火花塞附近，靈活控制火花塞附近的混合氣濃度，提高燃燒的穩定性，從而實現分層稀薄等燃燒。

3.3其他

直噴噴油器將燃油直接噴到燃燒室內，會接觸燃燒室內的高溫和高壓氣體，為了密封住高溫和高壓氣體，選擇PTFE作為燃燒室密封圈的基材，這種材料耐高溫，并且高溫時結構穩定性好。噴油器在燃燒室的伸入量在設計時也需要控制，主流有縮進、齊平、突出三種布置方式，不同發動機需要根據設計情況選擇合適的布置方式。

4 不同噴霧設計對顆粒排放影響

4.1 試驗選取的發動機信息及對噴霧設計

試驗研究選用的是一臺增壓直噴汽油機，發動機采用側置噴油和噴油器齊平布置設計，布置見圖5。噴油器選用線圈驅動的多孔式設計，當控制模塊給出控制信號后，噴油器線圈和靜鐵芯被磁化，克服彈簧和燃油壓力將和針閥連接在一起的動鐵芯吸起，從而開始噴油，當控制模塊切斷控制信號后，噴油器針閥在彈簧作用下關閉，噴油結束，噴油器結構見圖7。

直噴噴油器噴霧設計和燃燒室的設計息息相關，在燃燒室初步設計完成后，即可開展噴霧模型的開發。模擬工程師基于燃燒室和噴霧設計輸入可開展缸內混合和燃燒模擬，而基于分析結果可進一步優化燃燒室和噴霧的設計。本測試是基于圖8的燃燒室設計和圖9和10的噴霧設計展開：

4.2 試驗工況

試驗工況的選擇要考慮發動機在排放測試循環下占比較大的工況點，同時也要考慮發動機在苛刻條件下的排放水平，為此選擇如下測試點評價噴油器的性能，見表1。

測試時，需要記錄排放數據、油耗數據、噴油相位、噴油壓力等用于噴油器的評價。

4.3 噴油器測試結果

噴油器測試時會調節噴油壓力、噴油相位、噴射次數等參數，讓發動機工作在最佳狀態。

下面以1200轉lbar的工況為例說明噴油參數調節對于顆粒排放的影響，該工況下噴油分成三次噴射完成，首先調節第一次噴油相位，從圖11可知，隨著噴油相位提前，顆粒排放急劇增加，原因是大量燃油噴射到活塞表面所致。

選定第一次噴油相位后，進行第二次噴油相位調節，從圖12可知，當噴油相位提前到250度時顆粒排放會大幅增加，原因是和第一次噴油發生干涉，導致混合不良。

完成前兩次噴油相位的選擇后，進行第三次噴油相位的測試，從圖13可知，隨著噴油的提前，顆粒排放逐漸下降，原因是噴到活塞表面上的燃油大幅減少。

完成噴油相位的選擇后，開始噴油壓力的測試。從圖14可知，隨著噴油壓力的上升，顆粒排放先緩慢上升，后大幅下降，原因是隨著壓力的上升，噴到缸套和活塞上的燃油增加，導致顆粒排放增加，而壓力的進一步上升，噴油霧化的改善降低了附著在燃燒室壁面上的燃油量，顆粒排放下降。

依照上面的控制參數調節的方法，對三種噴油器的控制進行優化，選取最佳噴油相位和壓力進行顆粒排放的測試，列出各工況下的測試結果，見圖16，圖17，圖18：

通過以上顆粒測試結果可知，噴油器的噴霧設計對于發動機排放影響較大，尤其在國六階段引入顆粒數量的要求后，對噴霧的設計提出更高的要求。

5 直噴燃油系統在汽油發動機上的應用

直噴燃油系統在汽油發動機上早已廣泛應用，可以有效地降低發動機的油耗和冷起動階段的排放，提高發動機扭矩輸出和瞬態響應，但是隨著排放法規的加嚴，尤其是顆粒數量要求的提出，極大的增加了直噴發動機的開發難度，雖然可以在整車后處理上采用顆粒捕集器，但是會導致整車成本增加較多，并且由于捕集器需要實時監控和再生，增加系統開發的難度和工作量，所以優化噴射的設計是降低發動機顆粒排放的首選手段。