GDI發(fā)動(dòng)機(jī)二次噴射策略對(duì)油耗和排放影響的試驗(yàn)研究

張偉，何博，朱素偉，錢(qián)冬羽，付帥飛，高圓圓

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

1 前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)飛速發(fā)展，汽車工業(yè)技術(shù)也在日益提高，對(duì)汽車行業(yè)的研究也在日益深入。大氣污染日益成為全球關(guān)注話題，在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放生成的探索過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)采用二次噴射對(duì)其有著重要影響。GDI發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)二次噴射，部分負(fù)荷的燃燒穩(wěn)定性、燃油經(jīng)濟(jì)性及排放等都有顯著改善。

本文對(duì)某款GDI發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行二次噴射掃點(diǎn)試驗(yàn)，通過(guò)改變二次噴射比例和二次噴油時(shí)刻，觀察發(fā)動(dòng)機(jī)油耗率和排放的變化規(guī)律。

2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

樣機(jī)為自主開(kāi)發(fā)的某款直噴增壓汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，使用 AVL臺(tái)架設(shè)備。通過(guò)AVL缸壓傳感器和角標(biāo)儀采集缸壓信號(hào)和曲軸信號(hào)，使用INCA進(jìn)行參數(shù)控制及數(shù)據(jù)采集，通過(guò)Indicom分析燃燒數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)工況為2800rpm，BMEP=13.5bar。首先確定一次噴射的起始時(shí)刻為300°CA（一次、二次噴油時(shí)刻均為基于點(diǎn)火上止點(diǎn)前的角度），調(diào)節(jié)二次噴射燃油比例（10%、20%、30%、40%、50%）和二次噴油時(shí)刻（40、60、80、100、120、140°CA）。由于噴油控制有最小脈寬要求，二次噴射比例最好不超過(guò)一次噴射，所以二次噴射比例掃點(diǎn)范圍為10-50%。二次噴油時(shí)刻則基于最優(yōu)點(diǎn)附近掃點(diǎn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 二次噴射對(duì)油耗的影響

如圖1所示，隨著二次噴射對(duì)應(yīng)角度的增大，整體油耗率先下降再上升，在120°CA出現(xiàn)拐點(diǎn)。此時(shí)20%比例的油耗率最低，缸內(nèi)混合均勻，燃燒穩(wěn)定。

隨著二次噴射比例增大，在100°CA以前油耗率整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，在120°和140°CA時(shí)20%噴射比例的油耗率最低。次噴是在較短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行的油氣混合，燃油的霧化時(shí)間短，二次噴射比例越大，混合的越不充分，霧化效果較差，導(dǎo)致燃燒和燃油經(jīng)濟(jì)性變差。

圖1 二次噴射對(duì)油耗率的影響

3.2 二次噴射對(duì)煙度的影響

如圖 2所示，二次噴射比例在 10-50%范圍內(nèi)，噴射比例對(duì)煙度值的影響較小。隨著噴油時(shí)刻的減小，即活塞處于上行壓縮行程，由于噴射過(guò)晚會(huì)導(dǎo)致混合時(shí)間過(guò)短，燃油霧化、混合不充分，導(dǎo)致在二噴時(shí)刻40°CA時(shí)，煙度值明顯升高。二次噴射時(shí)刻越小，活塞濕壁風(fēng)險(xiǎn)越大，也會(huì)導(dǎo)致煙度值的大幅上升。

圖2 二次噴射對(duì)煙度的影響

3.3 二次噴射對(duì)NOx的影響

如圖三可以看出，隨著二噴比例的增大，NOx整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。隨著二噴的比例增大，噴油量增多，燃油蒸發(fā)降低燃燒室溫度，NOx值下降。

隨著噴油時(shí)刻的增大，活塞壓縮促進(jìn)混合氣形成，促進(jìn)良好的燃燒，燃燒溫度升高，NOx值上升。

圖3 二次噴射對(duì)NOx的影響

3.4 二次噴射對(duì)CO的影響

如圖4所示，隨著二次噴射比例增大，CO值增大。因?yàn)槎螄娚浔壤龃?，混合不均勻，燃燒不充分，易形成CO。隨著噴油時(shí)刻的增大，二次噴射的混合時(shí)間增加，混合更充分，CO整體降低。

圖4 二次噴射對(duì)CO的影響

3.5 二次噴射對(duì)HC的影響

如圖5所示，隨著二次噴射比例增大，HC值減小，在40%比例時(shí)候出現(xiàn)拐點(diǎn)，隨著比例繼續(xù)增大有上升趨勢(shì)。隨著噴油時(shí)刻增大，HC值呈上升趨勢(shì)，在120°CA后減緩。

圖5 二次噴射對(duì)THC的影響

圖6 二次噴射對(duì)渦前溫度的影響

進(jìn)氣滾流在缸內(nèi)作垂直方向旋轉(zhuǎn)，在適當(dāng)?shù)那S轉(zhuǎn)角進(jìn)行二次噴油，油滴經(jīng)過(guò)破碎、蒸發(fā)等過(guò)程，能量減弱后隨滾流運(yùn)動(dòng)，此時(shí)正值最佳點(diǎn)火時(shí)刻，燃燒穩(wěn)定迅速，熱能轉(zhuǎn)換效率提高。試驗(yàn)數(shù)據(jù)也表明，隨著二次噴射值增大，噴油提前，燃燒相對(duì)提前，燃燒更充分，排溫降低。說(shuō)明此時(shí)的二次噴射時(shí)刻有利于缸內(nèi)燃燒。但是與此同時(shí)，較低的排溫降低了對(duì)實(shí)際燃燒中殘留未燃燒HC的氧化能力，呈現(xiàn)出動(dòng)力、經(jīng)濟(jì)性的提升，HC排放卻惡化的反向規(guī)律。

4 結(jié)論

a）適當(dāng)?shù)亩螄娚洳呗杂欣谔嵘l(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性、降低油耗率，偏離最優(yōu)二次噴油時(shí)刻油耗率上升；

b）二次噴射的比例和噴油時(shí)刻影響混合氣的形成，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放影響較大；可燃混合氣形成的優(yōu)劣程度，直接影響燃燒和排放中炭煙生產(chǎn)，過(guò)晚易致燃油濕壁，炭煙排放激增；

c）二次噴射影響缸內(nèi)溫度，從而影響NOx的生成；

d）二次噴射影響缸內(nèi)混合氣的形成，影響燃燒過(guò)程，可通過(guò)優(yōu)化策略控制CO和HC排放。