增壓直噴汽油機(jī)的噴油器匹配試驗(yàn)研究

成海元　楊　陳　范子柱　尹建東　沈　源　王瑞平,2

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司浙江寧波315000 2-浙江吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司）

增壓直噴汽油機(jī)的噴油器匹配試驗(yàn)研究

成海元1楊陳1范子柱1尹建東1沈源1王瑞平1,2

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司浙江寧波315000 2-浙江吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司）

為了滿足乘用車和輕型卡車對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性和溫室排放氣體越來(lái)越嚴(yán)格的要求，缸內(nèi)直噴技術(shù)已經(jīng)成為越來(lái)越多汽油發(fā)動(dòng)機(jī)廠家的選擇。眾所周知，相比進(jìn)氣道多點(diǎn)噴射汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，缸內(nèi)直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生更多的顆粒排放物（PN）。即將在2017年推行的歐Ⅵ排放法規(guī)對(duì)PN做了嚴(yán)格的限制，如何降低發(fā)動(dòng)機(jī)原始PN排放已成為各大汽油發(fā)動(dòng)機(jī)廠家研發(fā)人員的首要任務(wù)。而缸內(nèi)直噴汽油機(jī)由于早燃產(chǎn)生的超級(jí)爆震對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的破壞之大也迫使開發(fā)人員不得不在噴油器選型時(shí)加以權(quán)衡，同時(shí)，缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的機(jī)油稀釋風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)高于進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)。基于以上考慮，使用標(biāo)定軟件，通過(guò)多次噴射、改變噴油時(shí)刻等，對(duì)不同的噴油器進(jìn)行硬件匹配驗(yàn)證試驗(yàn)，最終選出一款排放最低、早燃和機(jī)油稀釋風(fēng)險(xiǎn)最低的噴油器。

缸內(nèi)直噴歐Ⅵ法規(guī)PN排放早燃機(jī)油稀釋

引言

增壓發(fā)動(dòng)機(jī)采用缸內(nèi)直噴技術(shù)可有效提高燃燒效率，改善燃油經(jīng)濟(jì)性和排放，并提升發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)性［1］。同時(shí)，直噴發(fā)動(dòng)機(jī)采用渦輪增壓技術(shù)實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)的小型化，在低轉(zhuǎn)速區(qū)能獲得更高的扭矩輸出［2］。目前，增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外各大發(fā)動(dòng)機(jī)廠家的研究開發(fā)重點(diǎn)。但是，增壓直噴技術(shù)同樣面臨著諸多技術(shù)難題，由于汽油噴入缸內(nèi)，相比混合氣在缸外形成的進(jìn)氣道噴射，油氣混合時(shí)間短，以及燃油濕壁等因素造成其排放顆粒物較多；而隨著進(jìn)氣量的增加，缸內(nèi)壓力和溫度不斷提升，在低速段過(guò)高的扭矩需求容易引發(fā)隨機(jī)早燃［3］；機(jī)油稀釋現(xiàn)象雖然是發(fā)動(dòng)機(jī)常見(jiàn)的現(xiàn)象，但在增壓缸內(nèi)直噴汽油機(jī)上表現(xiàn)尤為明顯［4］；因此，在增壓缸內(nèi)直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)過(guò)程中需著重考察以上三個(gè)主要方面的問(wèn)題。

本文在對(duì)一款小型化增壓缸內(nèi)直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行噴油器匹配過(guò)程中，通過(guò)研究三種噴油器在冷怠速的排放、低速早燃和機(jī)油稀釋等方面的表現(xiàn)，最終選出一款排放最低、早燃和機(jī)油稀釋風(fēng)險(xiǎn)最低的噴油器。

1　試驗(yàn)背景

1.1試驗(yàn)臺(tái)架

試驗(yàn)所需發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)臺(tái)架如圖1所示。

圖1　性能試驗(yàn)臺(tái)架

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

1.2試驗(yàn)測(cè)量設(shè)備

試驗(yàn)使用的主要測(cè)試設(shè)備見(jiàn)表2。

表2　主要試驗(yàn)設(shè)備

2　冷怠速工況研究

2.1試驗(yàn)工況

在確定一款車型的冷啟動(dòng)轉(zhuǎn)速時(shí)，不僅需要考慮催化器起燃的快速性，也要兼顧怠速抖動(dòng)，而且匹配CVT和MT等不同的變速器時(shí)所需的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷也不同。因此，本文選用較常用的冷怠速工況對(duì)不同的噴油器進(jìn)行試驗(yàn)研究，即轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，平均指示壓力為0.3 MPa，水溫為30℃。

2.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)共使用3種噴油器作為備選方案，三種噴油器的靜態(tài)流量相同。其中一種為5孔噴油器，代號(hào)為G1-5，兩種為6孔噴油器，代號(hào)分別為G1-6和G11-6。三種噴油器均使用相同的點(diǎn)火角度和氣門正時(shí)，此處不對(duì)氣門正時(shí)的優(yōu)化進(jìn)行贅述。冷怠速工況由于缸套和活塞溫度較低，多次噴射可降低噴油的貫穿距，進(jìn)而降低濕壁的可能性。因此本實(shí)驗(yàn)中三種噴油器均使用三次噴射的噴油策略，且將三次噴射的比例均設(shè)置為第一次44%，第二次44%，第三次12%。先后對(duì)三次噴油時(shí)刻進(jìn)行掃點(diǎn)測(cè)試，得到每種噴油器的最低顆粒排放值。

2.3試驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)第一次噴油時(shí)刻進(jìn)行掃點(diǎn)測(cè)試，如圖2所示，從整體趨勢(shì)來(lái)看，三種噴油器在越靠近上止點(diǎn)的位置噴油，PN排放越高，主要是由于噴油器在活塞接近上止點(diǎn)附近噴油，容易將油霧直接噴射在溫度較低的活塞上表面，燃燒不完全進(jìn)而導(dǎo)致顆粒物排放增加。如果在壓縮上止點(diǎn)后480°CA噴油，由于第一次噴油結(jié)束與第二次噴油開始時(shí)間相距僅20°CA（4 ms），進(jìn)入該噴油器的非線性區(qū)域（名義值≥3ms），導(dǎo)致噴霧效果變差，從而使PN排放升高；還有，噴油較遲會(huì)導(dǎo)致油氣混合不充分，顆粒物排放升高?；诖私Y(jié)果，可將三組噴油器的第一次噴油時(shí)刻設(shè)置為470°CA ATDC。五孔噴油器G1-5的PN排放最低。

圖2　掃描第一次噴油開始時(shí)刻

對(duì)第二次噴油結(jié)束時(shí)刻進(jìn)行掃描，如圖3所示，第二次噴射時(shí)間越晚，則PN排放越高，主要原因?yàn)閲娪蜁r(shí)刻太滯后則油氣混合的時(shí)間縮短，混合不充分導(dǎo)致炭煙顆粒物產(chǎn)生。試驗(yàn)結(jié)果表明，五孔噴油器G1-5和六孔噴油器G1-6的顆粒物排放幾乎處于同一水平，在500°CAATDC時(shí)兩者的顆粒物排放均最低?？蓪OI2（第二次噴油結(jié)束時(shí)間）定在500°C A ATDC附近。另一六孔噴油器G11-6顆粒物排放較高。

圖3　掃描第二次噴油結(jié)束時(shí)刻

對(duì)第三次噴油結(jié)束時(shí)刻進(jìn)行掃描，如圖4所示，試驗(yàn)的大致趨勢(shì)表明，越滯后的噴油越容易導(dǎo)致油氣混合不佳，從而產(chǎn)生更多的顆粒物排放。在520° CA ATDC時(shí)，三者的顆粒物排放均較低，其中五孔噴油器G1-5的顆粒物排放最低為6.6×105個(gè)?？蓪⒌谌螄娪徒Y(jié)束時(shí)刻定在520°CA ATDC。

圖4　掃描第三次噴油結(jié)束時(shí)刻

綜上所述，冷怠速工況產(chǎn)生顆粒物排放較少的噴油器為G1-5和G1-6。由于整車?yán)錂C(jī)啟動(dòng)階段和冷怠速階段是PN排放的主要來(lái)源，而歐Ⅵ試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)又進(jìn)一步加強(qiáng)了對(duì)PN的限制。因此，基于G11-6在冷怠速PN排放上的不足，可據(jù)此否決G11-6方案。

3　低速早燃研究

3.1試驗(yàn)邊界條件

低速早燃是增壓直噴汽油機(jī)上常見(jiàn)的一種不正常燃燒，一般發(fā)生在發(fā)動(dòng)機(jī)低速大負(fù)荷工況。低速早燃發(fā)生時(shí)，缸內(nèi)易引發(fā)超級(jí)爆震，缸內(nèi)最高燃燒壓力驟升，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)損壞，早燃發(fā)生時(shí)的缸壓情況如圖5所示。

實(shí)驗(yàn)控制邊界條件：過(guò)量空氣系數(shù)為1.0，水溫為90±2℃，進(jìn)氣溫度為25±2℃，中冷器出口溫度為30±2℃，燃油溫度為25±2℃。

3.2試驗(yàn)方法

分別使用三種不同的噴油器，正式實(shí)驗(yàn)開始前在轉(zhuǎn)速為3 000r/min，平均有效壓力為1 MPa的工況下運(yùn)行30 min，清除缸內(nèi)積碳。在低速最大扭矩點(diǎn)即轉(zhuǎn)速1 500 r/min全負(fù)荷工況，連續(xù)運(yùn)行4小時(shí)。

發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室經(jīng)改造以安裝缸內(nèi)壓力傳感器。用Kistler 6125B型缸內(nèi)壓力傳感器測(cè)量各缸壓力，用AVL662型燃燒分析儀記錄缸內(nèi)瞬態(tài)壓力并計(jì)算燃燒相位。試驗(yàn)中設(shè)置缸壓限值為12 MPa，當(dāng)監(jiān)測(cè)到缸內(nèi)壓力超過(guò)12 MPa時(shí)，燃燒分析儀觸發(fā)早燃事件，自動(dòng)記錄下該循環(huán)缸壓的瞬態(tài)波動(dòng)情況及前30個(gè)循環(huán)和后50個(gè)循環(huán)的缸壓數(shù)據(jù)。統(tǒng)計(jì)燃燒分析儀記錄的早燃次數(shù)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。

3.3試驗(yàn)結(jié)果及分析

三種噴油器在同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)上，相同循環(huán)工況下早燃累計(jì)發(fā)生的次數(shù)表明，三種噴油器的早燃傾向均比較低（少于1次/h），其中五孔噴油器G1-5的早燃傾向最低，可作為優(yōu)先選用該五孔噴油器的因素之一。

表3　三種噴油器早燃循環(huán)累計(jì)次數(shù)統(tǒng)計(jì)

4　機(jī)油稀釋研究

所謂機(jī)油稀釋，即燃油、不完全燃燒產(chǎn)物、機(jī)油氧化物及摩擦產(chǎn)生的不溶物等混入機(jī)油，造成機(jī)油粘度非正常下降，導(dǎo)致機(jī)油早期報(bào)廢的現(xiàn)象［5］。國(guó)際知名石油公司對(duì)于機(jī)油稀釋的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)各有不同，總體來(lái)說(shuō)，一般以運(yùn)動(dòng)粘度變化率（使用后機(jī)油與全新機(jī)油的運(yùn)動(dòng)粘度之比）及機(jī)油稀釋率（汽油含量）作為評(píng)價(jià)準(zhǔn)則［6］，如表4所示。

表4　機(jī)油稀釋檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

4.1試驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

發(fā)動(dòng)機(jī)選取轉(zhuǎn)速2 500 r/min，全負(fù)荷工況，在水溫50℃下運(yùn)行1 h，且分別使用三種不同的噴油器在三種過(guò)量空氣系數(shù)0.8/0.9/1.0下進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。研究開發(fā)目標(biāo)為機(jī)油稀釋≤5%。

4.2試驗(yàn)結(jié)果及分析

表5為三種噴油器在三種不同過(guò)量空氣系數(shù)下的試驗(yàn)結(jié)果。

表5　三種噴油器機(jī)油稀釋水平%

試驗(yàn)結(jié)果表明，越小的過(guò)量空氣系數(shù)將導(dǎo)致越嚴(yán)重的機(jī)油稀釋。與預(yù)想的結(jié)果所不同的是，由于三種噴油器的靜態(tài)流量一致，因此五孔噴油器G1-5的貫穿距比六孔噴油器長(zhǎng)，從濕壁方面和油氣混合方面考慮，5孔噴油器的機(jī)油稀釋風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)高于六孔噴油器。但試驗(yàn)結(jié)果顯示五孔噴油器的機(jī)油稀釋水平更好。

5　結(jié)論

本文對(duì)一款小型化增壓缸內(nèi)直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行噴油器匹配，通過(guò)對(duì)冷啟動(dòng)顆粒物排放、低速早燃和機(jī)油稀釋的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，G1-5和G1-6兩種噴油器在冷怠速工況下的顆粒物排放水平較好；三種噴油器的早燃傾向在同一水平，其中G1-5噴油器的早燃傾向最低；三種噴油器的機(jī)油稀釋均滿足機(jī)油稀釋≤5%的目標(biāo)，其中G1-5噴油器機(jī)油稀釋水平最優(yōu)?；谝陨辖Y(jié)果，將五孔G1-5噴油器定為該發(fā)動(dòng)機(jī)的最終噴油器。

1Bandel W，F(xiàn)raidl GK，Kapus P E，et al.The turbocharged GDI engine：boosted synergies for high fuel economy plus ultralow emission［C］.SAE Paper 2006-01-1266

2Welling O，Moss J，Williams J，et al.Measuring the impact of engine oils and fuels on low-speed pre-ignition in downsized engines［C］.SAE Paper 2014-01-1219

3楊友文，周舟，劉紅美，等.發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油對(duì)增壓直噴汽油機(jī)低速隨機(jī)早燃的影響［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2015（4）：58-61

4賈殿臣，王凱，劉佳慶，等.探究增壓直噴機(jī)型機(jī)油稀釋的影響因素及解決方法［J］.小型內(nèi)燃機(jī)與車輛技術(shù)，2014，43（4）：24-28

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6Md.Ehsan，Md.Mahmudur Rahman，Hasan Saadi.Effect of fuel adulteration on engine crankcase dilution［J］.Mechanical Engineering，2010，41（2）：114-120

Injector Optimization of Turbocharged Gasoline Direct Injection Engine

Cheng Haiyuan1，Yang Chen1，F(xiàn)an Zizhu1，Yin Jiandong1，Shen Yuan1，Wang Ruiping1，2
1-Ningbo Geely Royal Engine Components Co.，Ltd.（Ningbo，Zhejiang，315000，China）2-Zhejiang Geely Royal Engine Co.，Ltd.

GDI engines have become an attractive option for light-duty vehicles to satisfy requests for fuel efficiency improvement and green house gas emission reduction.While compared to port fuel injection（PFI）engines，GDI engines are known to emit much more particle emissions.The coming Euro 6 standard required strict PN emission has become a Top1 task for auto maker.Because of the destructive power caused by pre-ignition in TGDI engine，we have to pay more attention to it.At the same time，oil dilution problem should also be taken into consideration.This paper investigated the engine control parameter and compared injector alternatives to get minimum PN emission，which also guarantee low pre-ignition tendency and low oil dilution performance.

Direct injection，High pressure supply，EU6 legislation，Particle number，Pre-ignition，Oil dilution

TK413.8+.4

A

2095-8234（2016）03-0025-04

成海元（1988—），男，助理工程師，大學(xué)本科，主要研究方向?yàn)槿紵到y(tǒng)開發(fā)。

2016-04-19）