噴射策略對缸內直噴汽油機油耗和顆粒排放的影響

段偉，牛貝妮，解方喜，洪偉

1.菲亞特克萊斯勒動力科技研發(上海)有限公司，上海 201807； 2.上海宏景智駕信息科技有限公司，上海 201804； 3.吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室，吉林 長春 130025

0 引言

隨著輕型汽車污染物排放和油耗限值標準的實施[1-2]，內燃機產業面臨嚴峻挑戰，行駛中的車輛也要進行污染物排放檢測[3-5]。為了滿足日益嚴格的排放和油耗要求，目前輕型車用汽油機主要通過增壓直噴[6]、廢氣再循環(exhaust gas recirculation, EGR)[7]等機內凈化技術配合汽油機顆粒捕集器(gasoline particulate filter, GPF)[8-10]后處理系統。與進氣道多點噴射(port fuel injection, PFI)汽油機相比，缸內直噴(gasoline direct injection, GDI)汽油機排放的粒子數量(particle number, PN)相對較多，冷機工況的PN排放約為車輛Ι型試驗(國六)PN排放的50%～70%。隨著GDI汽油機強化指標的不斷提高，汽油機低速大負荷時出現爆震和早燃的概率越來越高[11]。早燃發生時，缸內壓力和溫度急劇升高，并伴有劇烈的壓力波動和噪聲，早燃對火花塞和活塞造成極大破壞，限制了汽油機性能改善[12-13]。為了實現GDI汽油機的高效清潔工作，必須合理優化和匹配發動機關鍵控制參數(燃油噴射正時、噴射壓力、EGR率等),改善排放性能、降低燃油消耗[14]、減小早燃和超級爆震的概率[15]。

本文中以某小型GDI增壓汽油機為研究對象，研究發動機常用工況下噴射策略對汽油機性能的影響，通過優化發動機噴油相位、噴油比例和噴油壓力達到降低油耗和排放的目標。

1 試驗設備與試驗方法

試驗在一臺直列3缸GDI增壓汽油機上進行，汽油機技術參數如表1所示。

表1 汽油機技術參數

試驗通過AVL測功機、油耗儀、燃燒分析儀、排放物和顆粒物分析儀等設備采集發動機功率、燃油消耗量、缸內燃燒壓力、排放物和顆粒數等數據，選用INCA公司的592通信采集設備連接發動機電控單元(electronic control unit, ECU)調整噴油相位和噴射壓力，并通過INCA軟件采集發動機關鍵運行參數，應用AVL冷卻水管理系統控制發動機冷卻水溫度為90 ℃。試驗邊界條件如表2所示。

表2 邊界條件

以發動機壓縮上止點作為參考基準點，定義基準點對應的曲軸轉角為0°，定義基準點前噴油開始時刻與基準點之間的曲軸轉角為噴油起始相位θSOI,定義基準點前噴油結束時刻與基準點之間的曲軸轉角為噴油結束相位θEOI，定義噴射比例為主噴油量(第一次噴油量)與后噴油量(第二次噴油量)之比。對于單次噴射策略，試驗主要優化噴油起始相位θSOI和噴射壓力pf；對于二次噴射策略，在單次噴射策略優化的基礎上，優化第二次噴油結束相位θEOI和兩次燃油噴射比例γf，穩態測試點測試發動機轉速和相對進氣量Qr，轉速測試范圍為1000～5000 r/min，測試間隔為1000 r/min；Qr為0.3～1.5，間隔為0.3。Qr計算如下：

Qr=Qa/Qt

式中：Qa為實際進氣量,L；Qt為理論進氣量,L，可通過理想空氣狀態方程計算。

試驗主控制參數如表3所示。

表3 試驗主要控制參數

在不同的噴射壓力下，采集不同噴油起始相位θSOI(以對應的曲軸轉角計算)時發動機進入穩態工況后的參數，通過AVL_PUMA系統記錄所有測試點的發動機性能、排放、燃燒等參數，記錄時間為20 s。選擇6個測試工況點(分別記作TEST-1、TEST-2、TEST-3、TEST-4、TEST-5、TEST-6)進行重點分析，測試工況點的發動機轉速和Qr如表4所示。

表4 測試工況點的發動機轉速和Qr

2 試驗結果及分析

2.1 單次噴射策略

TEST-1工況發動機不同單次噴射策略(噴油起始相位和噴射壓力)下比油耗、燃燒穩定性、PN和HC排放如圖1所示，圖中以平均有效壓力變動系數(coefficient of variation, CoV)評價燃燒穩定性，平均有效壓力變動系數為缸內平均有效壓力的標準差與缸內平均有效壓力之比。

圖1 TEST-1工況不同單次噴射策略時發動機比油耗、平均有效壓力和排放對比

由圖1可知：θSOI過小或過大均不利于降低比油耗，θSOI過小，油氣混合時間較短，易形成過濃和過稀區域，可燃混合氣較少，燃燒不充分，比油耗較高；θSOI過大接近排氣上止點時，燃油噴射撞擊到活塞表面的機會增加，形成較多油膜，不利于燃油和空氣充分混合形成較多的可燃氣體，造成比油耗偏高，θSOI適當增加(θSOI=300°～320°)時比油耗較低；比油耗對pf敏感度較低，θSOI增加可以改善燃燒穩定性，燃燒穩定性的變化規律與pf有一定的相關性，但影響較小；提高pf可降低PN和HC排放，θSOI=280°～300°時PN排放最低，θSOI過小或過大都有可能增加HC和PN排放，但對HC排放的影響相對較弱，這是由于水溫及缸內溫度較高，易于燃油蒸發形成較多均質混合氣，降低HC排放。

中、高轉速和中、大負荷(TEST-2、TEST-3)工況不同單次噴油策略下比油耗和PN排放對比如圖2、3所示。

由圖2、3可知，pf提高能夠降低比油耗，θSOI=320°時比油耗最低；θSOI<320°時，提高pf可以降低PN排放，θSOI=300°～320°時PN排放最低。和圖1運行工況相似，θSOI過小或過大，都有可能增加PN排放。θSOI增加，對PN排放的影響較弱，但pf較高(15～20 MPa)時，增加θSOI，可能導致PN排放惡化。

圖2 TEST-2工況不同單次噴射策略時比油耗和PN排放對比

依據比油耗、HC和PN排放以及獲得的最小平均有效壓力變動系數(原則上應小于5%)優化θSOI和pf，以達到最佳的燃油消耗、較低的排放和較好的燃燒穩定性。在提高pf時，最小噴油脈寬(minimum fuel pulse width, MFPW)應大于400 μs，且不應進入非線性區域，不同轉速和Qr對應的優化θSOI和pf如表5、6所示。

圖3 TEST-3工況不同單次噴射策略時比油耗和PN排放對比

表5 不同轉速和Qr對應的優化θSOI °Qr發動機轉速/(r·min-1)100020003000400050000.3300300～320300300～320300～3200.6280～300300300300～320300～3200.9280280～300300300～3203201.2280280～300300300～3203201.5280280～300300320320表6 不同轉速和Qr對應的優化pfMPaQr發動機轉速/(r·min-1)100020003000400050000.31010～1510～1515150.6151515～2015～20200.920202020201.220202020201.52020202020

2.2 二次噴射策略

在單次噴油策略優化的基礎上，調整第二次噴油結束相位θEOI和噴射比例γf，試驗控制參數如表7所示。

表7 試驗控制參數

TEST-4工況，發動機θSOI=300°、pf=15 MPa時，不同θEOI和γf下比油耗、燃燒穩定性、HC和PN排放的對比如圖4所示。由圖4a)可知：適當增加θEOI可以降低比油耗，但θEOI過小或過大都不利于比油耗改善，這是因為隨著θEOI的減小，油氣混合時間較短，易形成不均勻混合氣，且噴霧有可能撞擊活塞，形成油膜，不利于油氣充分混合；隨著θEOI不斷增加，后噴油量有可能干擾主噴油量，造成噴油器頻繁動作，噴油量不準確，不利形成當量空燃比混合氣；θEOI=120°～140°時，比油耗較低。由圖4a)、4b)可知：θEOI對燃燒穩定性和比油耗的影響有一定的相關性，隨著γf的提高，可以降低比油耗，γf=0.8時，比油耗相對較低。由圖4c)、4d)可知：減小θEOI，可以降低HC排放，但對PN排放影響不大，過大的θEOI，有可能增加HC排放，θEOI減小或增加，對PN排放的影響相對較小。

圖4 TEST-4工況不同二次噴射策略下比油耗、平均有效壓力和排放對比

TEST-5和TEST-6工況，θSOI=290°、pf=20 MPa下，不同θEOI和γf對發動機比油耗、燃燒穩定性、HC和PN排放的影響如圖5、6所示。

圖5 TEST-5工況不同二次噴射策略下比油耗、平均有效壓力和排放對比

圖6 TEST-6工況不同二次噴射策略下比油耗、平均有效壓力和排放對比

相對于低負荷，中高負荷時θEOI對比油耗影響較低，γf影響較大。在θEOI=80°～100°和γf=0.8時，比油耗最低。當γf降低時，可改善PN和HC排放，隨著θEOI的減小，PN排放可能增加，HC有可能降低，當增加θEOI，HC排放略增加，PN排放略降低，但整體上，θEOI對PN排放影響相對較低。隨著發動機負荷的增加，θEOI向減小方向移動，可以獲得較好的經濟性和排放性。

與單次噴油策略優化原則相同，在獲得最佳噴射比例時，不應該使第二次噴油的最小噴油脈寬進入非線性區域。

不同轉速和Qr對應的優化噴油結束相位θEOI和噴油比例γf如表8、9所示。

表8 不同轉速和Qr對應的優化θEOI °Qr發動機轉速/(r·min-1)1000200030000.31601401200.61401201000.91201001001.210080801.5808080 表9 不同轉速和Qr對應的優化γf %Qr發動機轉速/(r·min-1)1000200030000.30.70.80.80.60.70.80.80.90.70.80.81.20.70.80.81.50.70.80.8

3 結論

1)適當提高噴射壓力可以有效降低PN排放。

2)對于單次噴射策略，適當增加噴油起始相位并耦合較高噴射壓力，可以降低油耗、改善PN和HC排放。

3)對于二次噴射策略，合適的第二次噴油結束相位和噴射比例，可以改善經濟性和排放性；隨著發動機轉速和負荷的增加，減小第二次噴油結束相位和提高噴射比例，可以獲得較好的經濟性和排放性。