噴油參數(shù)對直噴發(fā)動機性能影響的試驗研究*

陳緒平 顧維東 劉 斌

（長安汽車股份有限公司動力研究院 重慶 401120）

引言

缸內直噴汽油機燃油直接噴入缸內，單次噴射模式下，在中大負荷工況下噴射量較多的工況下如果燃油噴射時刻選擇不當，極易使未霧化的燃油直接打到氣缸壁上，造成燃油濕壁。采用二次噴射模式可以減低燃油濕壁的程度，但二次噴射比例及噴油時刻的選擇也對發(fā)動機性能有重要影響。本文針對一款搭載大型SUV整車的發(fā)動機，試驗研究中等負荷典型工況2 000 r/min，有效缸壓1 MPa下，不同噴射模式下各噴射參數(shù)對發(fā)動機性能的影響。本文中兩次噴射分別是指將一個工作循環(huán)內的噴油量分兩次噴射：第一次在進氣行程中進行，第二次在壓縮行程中進行。兩次噴射的參數(shù)包括：第一次噴射起始角度，第二次噴射比例，第二次噴射的起始角度。

1 試驗裝置及試驗方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置包括SCHENCK電渦流測功機、AVL733瞬態(tài)油耗儀、AVL-425煙度計、Horiba MEXA-584L排放分析儀、ETAS-ES630空燃比測量儀及一臺增壓直噴發(fā)動機及其電控系統(tǒng)，試驗系統(tǒng)示意圖如圖1所示。試驗用發(fā)動機的相關參數(shù)如表1所示。

圖1 試驗系統(tǒng)示意圖

表1 試驗發(fā)動機參數(shù)

1.2 試驗方法

單次噴射在進氣行程中完成，噴射起始角度從380°CA（以壓縮上止點為 720°CA）開始，以 10°CA 一個步長逐漸增大（推遲方向）至490°CA。此時發(fā)動機的進排氣VVT均固定在初始位置，此工況下的氣門升程曲線如圖2所示。點火角在確保不爆震的前提下選擇最大提前角。二次噴射模式下有兩種調節(jié)方式：其一是分別固定第一次噴射角度和第二次噴射角度，調節(jié)二次噴射比例；其二是固定第一次噴射角度和二次噴射比例，調節(jié)第二次噴射的角度。試驗結果分析如下。

2 試驗結果討論

2．1 單次噴射模式下噴射角度的影響

圖3為有效燃油消耗率與噴射起始角度，從圖3可以看出，隨著噴射起始角度的推遲，有效燃油消耗率隨之降低，在400°CA時油耗率最低，繼續(xù)推遲噴射角度至450°CA的區(qū)間，油耗率小幅上升，再繼續(xù)推遲噴射角度則油耗率快速升高。原因如下：其一，噴油越早，混合氣在缸內的混合時間越長，混合氣混合的均勻度越好，但太提前則缸內空間太小，噴射的油束沖撞活塞頂面和缸壁，反而導致混合氣均勻度變差，濕壁效應增強[1]，這可從碳煙排放大幅增加看出來，如圖4所示。其二，進氣門開啟過程中形成的滾流效應在400°CA（氣門升程約2 mm）時達到最佳[2]。其三，活塞下行速度在450°CA時達到最大，之后持續(xù)降低，影響缸內氣流速度下降。隨著噴油角度推遲至490°CA，由于混合時間過短，混合氣的均勻度下降，局部混合氣濃度過濃，導致混合氣出現(xiàn)爆震，因此點火角不得不適當推遲，如圖5所示。這進一步導致油耗率增加，HC排放增加，如圖6所示。

圖3 有效燃油消耗率與噴射起始角度

圖4 煙度與噴射起始角度

圖5 AI50/點火角與噴射起始角

圖6 NOx-HC排放與噴射起始角度

燃燒室內的液態(tài)燃油濕壁是產(chǎn)生碳煙的主導因素[3-4]，碳煙產(chǎn)生的條件是高溫、缺氧，此外，燃燒后期高溫含氧可一定程度降低碳煙排放[5]。如上所述，因混合氣碰壁，點火時刻的混合氣過濃，在380°CA起噴時燃燒前期溫度高，燃燒后期溫度低，如圖7所示，導致碳煙排放最大；隨著起噴角的推遲，濕壁量下降、混合氣均勻度上升，燃燒前期溫度逐漸減低而后期溫度逐漸升高，因而碳煙排放急劇下降，在起噴為400°CA時降至正常水平，之后基本維持不變。

影響HC排放主要是罅隙效應和是否會產(chǎn)生HC的后氧反應[6]（缸內燃燒后期的氧化反應）。如圖6所示，HC排放在噴射角度為400°～450°CA之間處于低水平排放狀態(tài)。在400°CA之前因噴射太早導致罅隙效應加大而使得排放增加，在450°CA之后因混合時間短，混合氣不均勻度增加而導致HC排放逐步增加。影響NOx排放的三方面影響因素[5]：高溫、富氧及高溫持續(xù)時間，如圖7所示，這三方面的綜合影響使得NOx排放在450°CA度時處于最低。

2．2 第二次噴射比例的影響

在進行二次噴射比例變化的試驗中，固定第一次噴射的起始角為420°CA，在壓縮沖程中的第二次噴射結束角固定為噴射600°CA，選取第二次噴射比例從10%開始以10%為步長逐漸增加至90%。

第一次噴射是在進氣行程噴射，噴射時刻的缸內氣體背景壓力和溫度要低，但離點火時刻時間要長，因而第一次噴射出來的油束貫穿距變大，濕壁幾率增加，但油氣混合的時間要長，混合氣均勻度高；而第二次噴射是在壓縮沖程進行，噴射時刻的背景壓力和溫度要高，因而第二次噴射出來油束貫穿距小[7]，但油氣混合的時間要短，混合氣的均勻度要差。隨著二次噴射比例（以下簡稱frks）的降低，第一次噴射油量增加，參與長時間混合的油量增加，混合氣均勻度增加；但隨著第一次噴油增加到一定程度，濕壁的幾率增加，混合氣混合均勻度又會變差。從圖8可以看出，上述兩方面的綜合影響導致frks為0.5時，燃油效率最高，且二次噴射比例過高導致混合氣均勻度變差的影響要大于一次噴射中濕壁導致混合氣均勻度變差的影響。這種影響可從圖11中看出，frks高比例時爆震趨勢增強不得不推遲點火角。

圖8 有效燃油消耗率與二次噴射比例

從圖9看，隨著二次噴射比例的增加，碳煙剛開始表現(xiàn)較為穩(wěn)定，但二次噴射比例增加到0.7時，二次噴射導致混合氣均勻度變差影響加大，燃燒后期溫度大幅降低，如圖13所示，煙度急劇增加。

從圖10看，HC/NOx排放隨著二次噴射比例的增加，呈現(xiàn)先降低后增加的變化趨勢，二者均在比例為0.4時出現(xiàn)最低峰值。隨著第二次噴射比例的增加，第一次的噴射量降低，貫穿距降低，濕壁的燃油量降低，濕壁導致的HC排放量相應減少，但隨著第二次比例的繼續(xù)增加，燃燒效率下降，膨脹期缸內溫度也下降，能降低未燃HC的后氧反應比例大幅增加[6]。這兩種效應的疊加就表現(xiàn)為HC排放隨著二次噴射的比例增加呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢。如圖13所示，隨著二次噴射比例的增加，缸內最高燃燒溫度逐漸降低，且二次噴射比例為0.4時，最高溫度最低，而高溫（高于1 800 K）的持續(xù)時間最短，因而NOx排放最低。

圖9 煙度與二次噴射比例

圖10 NOx/HC與二次噴射比例

圖11 AI50/點火角與二次噴射比例

圖12 燃燒持續(xù)期與二次噴射比例

圖13 不同噴射比例的缸內溫度曲線

2．3 第二次噴射的起始角

在進行二次噴射起始角度變化的試驗中，固定第一次噴射的起始角為420°CA，固定第二次噴射比例為0.5，在壓縮沖程中的第二次噴射起始角從540°CA開始以20°CA為步長逐漸延遲至660°CA。

二次噴射在壓縮行程中噴射，隨著噴射開始角度的推遲至在600°CA之前，油耗、碳煙排放基本維持在較低水平不變。這是因為：隨著噴射角的推遲，一方面二次噴射燃油用于混合的時間變短，油束濕壁的比例增加；另一方面隨著活塞加速度的增加，缸內氣體滾流增加，缸內壓力上升，油束貫穿距降低。這兩方面作用的結果，使得在活塞運行到中間行程前，燃油效率、碳煙排放基本維持不變如圖14，圖15所示。但隨著二次噴油繼續(xù)推遲，混合時間更短，活塞離噴嘴更近，油束濕壁可能性大增而且活塞加速度開始降低，缸內滾流不再增加，混合氣不均勻度增加，如圖17所示，燃燒溫度、速度開始逐漸降低，從圖18可以看出爆震趨勢增加。因此油耗率大幅下降，碳煙排放大幅增加，而NOx和HC排放隨著噴射推遲，逐漸降低。

圖14 be與第二次噴射起始角度

圖15 煙度與第二次噴射起始角度

圖16 NOx/HC與第二次噴射結束角度

圖17 不同二次噴射起始角下的缸內溫度曲線

圖18 不同二次噴射起始角下的點火角和AI50

3 結論

針對固定的VVT設置，在2 000 r/min、1 MPa工況點：

1）單次噴射模式下，與進氣門實際開啟角度相配合的噴油角度400°CA能取得最佳的燃油效率和最低的碳煙排放。NOx及HC排放在450°CA時最低。

2）二次噴射模式下，隨著比例的增加，有效燃油消耗率先略增后略降，在二次噴射比例為0.5時達到最低，隨著比例繼續(xù)增加，燃油消耗率開始快速惡化；在比例小于0.7之前，碳煙排放維持在較低水平，隨著比例繼續(xù)增加則碳煙排放大幅增加。HC及NOx排放隨著二次噴射比例的增加，呈現(xiàn)先降低后增加的變化趨勢，且均在比例為0.4時出現(xiàn)最低值。

3）二次噴射模式下，隨著第二次噴射開始角度的推遲，在600°CA之前，油耗、碳煙排放基本維持在較低不變；再繼續(xù)推遲，油耗、碳煙排放均大幅增加。HC及NOx排放隨著第二次噴射角度的推遲而持續(xù)降低。

1 李相超，張玉銀，許敏，等.直噴汽油機缸內噴霧濕壁問題研究[J].內燃機工程，2012，33（5）：17-23

2 信曦，丁寧，張小矛，等.多次噴射對增壓直噴汽油機濕壁及碳煙排放影響的數(shù)值研究[J].上海汽車，2015（3）：6-13

3 周鵬.直噴汽油機微粒生成過程及其影響因素的模擬研究[D].天津：天津大學，2012

4 K?pple,F.,Jochmann,P.,Kufferath,A.,et al.Investigation of the parameters influencing the spray-wall interaction in a GDI engine-prerequisite for the prediction of particulate emissions by numerical simulation[J].SAE Paper 2013-01-1089

5 R.巴斯懷森.汽油機直噴技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012

6 周龍保.內燃機學[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010

7 黃雅卿，王志，王建昕.二次噴射對直噴增壓小排量汽油機影響的數(shù)值模擬[J].汽車工程，2014，36（10）：1180-1188