李金印 凌青海 尚會(huì)超 段偉
摘 要:針對(duì)一款國(guó)Ⅵ排放直噴增壓汽油機(jī)電控系統(tǒng)的匹配,進(jìn)行了不同噴油器的選型測(cè)試,對(duì)比研究了不同噴油器噴霧特征和燃燒室形狀對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放及油耗的影響。在此基礎(chǔ)上,對(duì)比研究了噴油時(shí)刻、噴油比例以及噴油壓力等參數(shù)對(duì)碳煙排放的影響。結(jié)果表明:A型噴油器與平頂活塞的匹配組合最佳;不僅碳煙排放低,而且燃燒速率快,燃燒穩(wěn)定性好;當(dāng)采用多次噴油模式時(shí),隨著第一次噴油時(shí)刻的推遲,碳煙排放有減低趨勢(shì)。但隨著第二次和第三次噴油時(shí)刻的推遲,碳煙排放反而呈增大趨勢(shì);而當(dāng)增加第三次噴油比例時(shí),碳煙排放會(huì)明顯增加;部分負(fù)荷工況,采用更高的噴油壓力對(duì)碳煙排放并無(wú)明顯改善。而在外特性工況,采用更高的噴油壓力時(shí),碳煙排放改善效果明顯,同時(shí)THC也有一定程度降低。
關(guān)鍵詞:直噴增壓汽油機(jī);噴油器;碳煙排放;燃燒診斷;燃油消耗率
中圖分類(lèi)號(hào):TK411 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1005-2550(2018)03-0020-09
Research on Matching Experiment of Injector and Control Strategy for Turbocharged Gasoline Direct Injection Engine
LI Jin-yin, LIN Qing-hai, SHANG Huichao, DUAN Wei
(Chongqing Sokon Industry Group Stock Co.,Ltd Chongqing 400033)
Abstract: In order to match electric control system of one type turbocharged gasoline direct injection(GDI) engine for National Stage Ⅵ emissions, experiments with different injector were test. Here, the effects of different injector spray characteristics and combustion chamber on engine emission and fuel consumption were compared. And then the effects of fuel injection time, injection ratio and injection pressure on soot emission were investigated. The results show that the combination of injector A and flat piston is the best. It not only has lower soot emissions, but also increases the combustion rate. When the pattern of multiple injections is used, there is a tendency to reduce soot emissions as the first time of injection is delayed. But with the second and third time of injection delay, soot emissions will be increased. Especially, when the rate of third injection is increased, the soot emissions will increase significantly. At part load condition, a higher fuel injection pressure has no significant improvement in soot emissions. While at full load condition, a higher fuel injection pressure was better for soot emissions. And there is also a slight improvement in hydrocarbon emissions.
Key Word: Turbocharged gasoline direct injection engine; Injector; Soot emission; Combustion diagnosis; BSFC
前 言
近年來(lái),隨著能源與環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)峻,各國(guó)在汽車(chē)節(jié)能減排方面都制定了嚴(yán)格的限制性法律法規(guī),給各大車(chē)企帶來(lái)了巨大壓力。在當(dāng)前新型能源汽車(chē),如電動(dòng)汽車(chē)、燃料電池汽車(chē)等技術(shù)成熟之前,傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)仍將作為主要?jiǎng)恿ρb置存在,必須對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)改進(jìn),以滿足嚴(yán)苛的法規(guī)要求。其中,直噴增壓技術(shù)汽油機(jī)以高升功率、低油耗、低排放等優(yōu)勢(shì)得以大量應(yīng)用,較傳統(tǒng)汽油機(jī),具有非常大的節(jié)能減排潛力[1-5]。
而隨著直噴增壓汽油機(jī)在市場(chǎng)上占有率的不斷上升,在表現(xiàn)出優(yōu)秀的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性與較低CO2排放的同時(shí),也存在一些技術(shù)性問(wèn)題,如顆粒物排放。由于傳統(tǒng)氣道噴射汽油機(jī)在點(diǎn)火時(shí)刻可以形成很均勻的混合氣,而直噴汽油機(jī)將燃油直接噴入缸內(nèi),這種模式縮短了混合氣形成時(shí)間,并大大增加了燃油碰壁的可能性,由此完成燃油噴霧的蒸發(fā)和油氣混合就成為一件極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。特別是在高負(fù)荷工況,由于需要噴入更多的燃油,在缸內(nèi)形成過(guò)濃區(qū)和燃油碰壁的可能性會(huì)增大,導(dǎo)致顆粒物排放更加嚴(yán)重。因而,顆粒物排放已成為當(dāng)前限制直噴汽油機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題[6-8]。同時(shí),越來(lái)越嚴(yán)苛的針對(duì)顆粒物數(shù)量排放的法規(guī)的實(shí)施,也給直噴增壓汽油機(jī)的開(kāi)發(fā)提出了更大挑戰(zhàn)。由此,如何有效抑制直噴汽油機(jī)的顆粒物排放,已成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)之一[9-12]。
其中,噴油器的噴霧特性對(duì)直噴汽油機(jī)的油氣混合具有重要影響,在直噴汽油機(jī)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中,噴油器的匹配對(duì)顆粒物排放具有至關(guān)重要的作用。鑒于此,本文針對(duì)基于國(guó)Ⅵ排放的直噴增壓汽油機(jī)電控系統(tǒng)的匹配,建立了相應(yīng)的試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái),首先進(jìn)行了不同噴油器的選型測(cè)試,研究了不同噴油器噴霧特征對(duì)碳煙排放、燃燒特性和油耗的影響。在此基礎(chǔ)上,對(duì)比研究了噴油時(shí)刻、噴油比例等參數(shù)對(duì)碳煙排放的影響規(guī)律,并對(duì)基于提高噴油壓力以抑制碳煙排放的作用進(jìn)行了測(cè)試研究。
1 試驗(yàn)裝置及測(cè)試方案
1.1 試驗(yàn)設(shè)備
圖1所示為所搭建的試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)。試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)為一臺(tái)1.5L直噴增壓汽油機(jī),主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如下:缸徑75 mm,沖程84.8 mm,壓縮比10。該發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率為130 kW,最大扭矩為250 N·m,燃油噴射壓力200 bar。測(cè)功機(jī)采用D2T電力測(cè)功機(jī),最大功率為300 kW,最大扭矩700 Nm,最高轉(zhuǎn)速為10000 r/min。油耗測(cè)量系統(tǒng)為AVL 735S/753C型瞬態(tài)油耗測(cè)量系統(tǒng)。排放檢測(cè)設(shè)備為Horiba Mexa 7100 EGR尾氣排放儀和AVL 415S煙度測(cè)試計(jì)。
同時(shí),外接燃燒診斷系統(tǒng),采用Kistler 6052B石英壓力傳感器采集缸內(nèi)壓力信號(hào),通過(guò)5011B電荷放大器將壓電傳感器輸出的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào),利用Kistler 2613B曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)發(fā)生器采集轉(zhuǎn)角信號(hào),按爆震識(shí)別要求將采樣分辨率設(shè)為0.1。CA,由DEWE-2010燃燒分析儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析。此外,連接INCA標(biāo)定軟件,實(shí)現(xiàn)在線調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行控制參數(shù),如點(diǎn)火角、空燃比等。
1.2 試驗(yàn)設(shè)備
試驗(yàn)選擇兩種不同型號(hào)的噴油器進(jìn)行噴油器匹配測(cè)試研究,兩種噴油器的噴射靶點(diǎn)分布如圖2所示。這里分別將其定義為A型噴油器和B型噴油器。同時(shí),為確定最佳噴油器匹配組合,分別選用了平頂結(jié)構(gòu)活塞和碗頂結(jié)構(gòu)活塞,如圖3所示。分別針對(duì)兩種噴油器和兩種活塞的組合進(jìn)行試驗(yàn)。
這里分別設(shè)計(jì)了部分負(fù)荷和全負(fù)荷工況,進(jìn)行燃油噴射器的選型匹配研究。其中,針對(duì)部分負(fù)荷工況,設(shè)計(jì)了6個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試分析,分別為:1600r/min@3.5bar、1600r/min@6.5bar,2000r/min@3.5bar、2000r/min@6.5bar,2400 r/min@2.5bar、2400r/min@7.5bar。而對(duì)于全負(fù)荷工況,設(shè)計(jì)的測(cè)試工況點(diǎn)分別是3000 r/min、4000 r/min和6000 r/min。試驗(yàn)過(guò)程中,分別對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的碳煙排放、燃油消耗率和燃燒特性進(jìn)行測(cè)試分析,并由此匹配出最佳噴油器。
2 噴油器匹配測(cè)試研究
2.1 排放測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比
圖4所示為在部分負(fù)荷工況下,不同噴油器和活塞匹配組合時(shí),排放特性測(cè)試結(jié)果的對(duì)比。從圖中可以看出,不同噴油器與活塞組合時(shí),其對(duì)THC、NOx和CO的影響并不大,基本上處于相同的水平,但對(duì)碳煙排放的影響卻相對(duì)較大。圖中,當(dāng)采用A型噴油器時(shí),碳煙排放較低。如使用平頂活塞,A型噴油器時(shí),部分負(fù)荷6個(gè)工況點(diǎn)的碳煙排放均值僅為0.25 mg/m3。而采用B型噴油器時(shí),其碳煙排放均值則上升為1.24 mg/m3。使用碗頂活塞時(shí),也有類(lèi)似的變化趨勢(shì)。這主要是由于B型噴油器較A型噴油器,其噴霧油束更接近活塞方向,導(dǎo)致燃油與活塞接觸增多,碳煙排放增加。另外,需要注意的是,采用平頂活塞時(shí),其N(xiāo)Ox排放較采用碗頂活塞時(shí)稍高。這主要與采用平頂活塞時(shí)缸內(nèi)燃燒速率較快,缸內(nèi)燃燒溫度較高有關(guān)。
2.2 燃燒測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比
圖5所示為部分負(fù)荷工況下,不同噴油器和活塞匹配組合時(shí),缸內(nèi)燃燒特性測(cè)試結(jié)果的對(duì)比。從圖中可以看出,在活塞相同的情況下,使用不同噴油器時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性和IMEP循環(huán)變動(dòng)率幾乎沒(méi)有發(fā)生變化。而采用不同的活塞時(shí),缸內(nèi)燃燒特性卻發(fā)生了明顯變化。
其中,采用平頂活塞時(shí),相較碗頂活塞,其燃燒遲滯角縮短,燃燒速率加快,IMEP循環(huán)變動(dòng)率降低。例如,使用A型噴油器,當(dāng)采用平頂活塞時(shí),相較碗頂活塞,其燃燒遲滯角縮短0.8 °CA,AI50提前1.3 °CA,燃燒持續(xù)期縮短2.6 °CA;同時(shí),IMEP循環(huán)變動(dòng)率由2.6 %降為2.3 %??梢?jiàn),采用平頂活塞時(shí),有利于缸內(nèi)燃燒特性的改善。
2.3 燃油經(jīng)濟(jì)性數(shù)據(jù)對(duì)比
表1所示為在部分負(fù)荷工況下,不同噴油器和活塞匹配組合時(shí),燃油消耗率測(cè)試結(jié)果的對(duì)比。從表中可以看出,當(dāng)采用A型噴油器與平頂活塞時(shí),燃油消耗率最低。這主要是因?yàn)椴捎闷巾敾钊麜r(shí),改善了缸內(nèi)燃燒特性,從而提高了熱效率,使發(fā)動(dòng)機(jī)油耗降低。
表2所示為上述部分負(fù)荷工況測(cè)試結(jié)果平均值的對(duì)比。從表中可以看出,在部分負(fù)荷工況下,A型噴油器相較B型噴油器,其碳煙排放更低;同時(shí),當(dāng)采用平頂活塞時(shí),燃燒遲滯角縮短,燃燒速率加快,IMEP循環(huán)變動(dòng)率降低,油耗也呈下降趨勢(shì)。
除此之外,針對(duì)全負(fù)荷工況也進(jìn)行了測(cè)試研究,結(jié)果顯示其具有相同的變化特征,即A型噴油器與平頂活塞的組合最佳。其不但利于碳煙排放的降低,而且使燃燒速率加快,燃燒穩(wěn)定性提高,油耗降低。
表2 部分負(fù)荷工況測(cè)試結(jié)果的對(duì)比
(6個(gè)工況點(diǎn)平均值)
3 噴油控制策略研究
由于直噴增壓汽油機(jī)在低速大負(fù)荷工況區(qū)域,會(huì)發(fā)生早燃及爆震嚴(yán)重的非正常燃燒現(xiàn)象。故在此區(qū)域常采用多次噴油的控制模式,如圖6所示。
然而,當(dāng)采用多次噴油模式時(shí),若控制參數(shù)匹配不合理,將產(chǎn)生偏濃和偏稀區(qū)域,使混合氣分布不均,產(chǎn)生不均勻燃燒,進(jìn)而對(duì)碳煙排放產(chǎn)生不利影響。為降低直噴增壓汽油機(jī)顆粒物排放,這里分別對(duì)噴油時(shí)刻、噴油比例以及噴油壓力等控制參數(shù)對(duì)碳煙排放的影響進(jìn)行研究。
3.1 噴油時(shí)刻影響規(guī)律研究
圖7所示為全負(fù)荷轉(zhuǎn)速1500 r/min、噴油壓力200 bar時(shí),不同噴油時(shí)刻變化對(duì)碳煙排放的影響。其中,圖7a為碳煙排放隨第一次噴油時(shí)刻(SOI1)的變化規(guī)律。這里將SOI2和SOI3分別固定為120 °CA BTDC和90 °CA BTDC。從圖中可以看出,隨著第一次噴油時(shí)刻的推遲,碳煙排放逐漸降低。例如,當(dāng)SOI1從300 °CA BTDC推遲到240 °CA BTDC時(shí),其碳煙排放從1.99 mg/m3下降到0.63 mg/m3。這主要是由于推遲第一次噴油時(shí)刻,減少了燃油與活塞的碰觸,從而使碳煙排放降低。
圖7b為碳煙排放隨第二次噴油時(shí)刻(SOI2)的變化規(guī)律。這里將SOI1和SOI3分別固定為240 °CA BTDC和90 °CA BTDC。從圖中可以看出,隨著第二次噴油時(shí)刻的推遲,碳煙排放有升高趨勢(shì)。例如,當(dāng)SOI2推遲到120 °CA BTDC時(shí),其碳煙排放增加到0.43 mg/m3。而在SOI2為160 °CA BTDC時(shí),碳煙排放最低。這主要是由于第二次噴油時(shí)刻越推遲,則油氣混合時(shí)間越短,混合越不均勻,導(dǎo)致燃燒不充分,碳煙排放升高。
值得注意的是,當(dāng)SOI2進(jìn)一步提前,達(dá)到180 °CA BTDC時(shí),其碳煙排放反而有升高的趨勢(shì)。這主要是由于此時(shí)缸內(nèi)氣流速度較小,平均湍動(dòng)能較其他時(shí)刻減弱,導(dǎo)致燃油蒸發(fā)速度變慢,進(jìn)而容易在缸內(nèi)形成壁面油膜,使碳煙排放增加。
圖7c為碳煙排放隨第三次噴油時(shí)刻(SOI3)的變化規(guī)律。這里將SOI1和SOI2分別固定為240 °CA BTDC和180 °CA BTDC。從圖中可以看出,隨著第三次噴油時(shí)刻的推遲,碳煙排放逐漸升高。例如,當(dāng)SOI3從140 °CA BTDC推遲到90 °CA BTDC時(shí),其碳煙排放從0.07 mg/m3增加到0.33 mg/m3。這主要是由于噴油時(shí)刻越推遲,則燃油混合越不充分,進(jìn)而導(dǎo)致碳煙排放升高。
3.2 噴油比例影響規(guī)律研究
圖8所示分別為在全負(fù)荷轉(zhuǎn)速1500 r/min和2000 r/min時(shí),不同噴油比例對(duì)碳煙排放的影響。其中,在轉(zhuǎn)速1500 r/min時(shí),設(shè)定的SOI1、SOI2和SOI3分別為240 °CA BTDC、130 °CA BTDC和90 °CA BTDC;在轉(zhuǎn)速2000 r/min時(shí),設(shè)定的SOI1、SOI2和SOI3分別為260 °CA BTDC、200 °CA BTDC和110 °CA BTDC。噴油壓力固定為200 bar。
從圖中可以看出,兩種轉(zhuǎn)速工況下,增加第三次噴油比例時(shí),均會(huì)導(dǎo)致碳煙排放升高。而在保持第三次噴油比例不變的情況下,增加第一次噴油比例,降低第二次噴油比例,卻導(dǎo)致碳煙排放出現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)。例如,在轉(zhuǎn)速1500 r/min時(shí),增加第一次噴油比例,降低第二次噴油比例,碳煙排放降低,而在轉(zhuǎn)速2000 r/min時(shí),碳煙排放卻有升高趨勢(shì)。這主要是因?yàn)?500 r/min時(shí),第二次噴油時(shí)刻較晚,降低第二次噴油比例后,減弱了由于燃油混合時(shí)間過(guò)短而導(dǎo)致的碳煙排放升高的傾向。而在2000 r/min時(shí),增加第一次噴油比例后,因第一次噴射燃油量增大,加劇了燃油與活塞的碰觸量,使碳煙排放升高。
3.3 噴油壓力影響規(guī)律研究
圖9所示為在部分負(fù)荷工況下,分別采用200bar和350bar噴油壓力時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)排放特性的變化規(guī)律。從圖中可以看出,當(dāng)采用350bar噴油壓力時(shí),排放特征的變化并不顯著。碳煙雖有一定程度的降低,但效果并不理想,大部分工況仍處于相同的水平。這主要是由于部分負(fù)荷時(shí),所需燃料較少,噴射時(shí)間較短,燃油霧化充分。可見(jiàn),在部分負(fù)荷工況下,采用更高的噴油壓力對(duì)排放的降低效果并不明顯,碳煙排放并無(wú)顯著改善。
圖10所示為在全負(fù)荷工況下,分別采用200bar和350bar噴油壓力時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)排放特性的變化規(guī)律。從圖中可以看出,當(dāng)采用350bar噴油壓力時(shí),NOx和CO并無(wú)明顯變化,基本上處于相同水平。但碳煙排放的改善效果卻非常明顯,THC排放也有一定程度降低。可見(jiàn),在外特性工況下,采用更高的噴油壓力有利于碳煙排放的降低。
4 結(jié)論
隨著國(guó)Ⅵ排放法規(guī)的頒布,其對(duì)顆粒物質(zhì)量排放和數(shù)量排放進(jìn)行了嚴(yán)格的限制,要達(dá)到相應(yīng)排放標(biāo)準(zhǔn),將給主機(jī)廠帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。為此,本文針對(duì)基于國(guó)Ⅵ排放的一款直噴增壓汽油機(jī)電控系統(tǒng)的匹配進(jìn)行研究。
根據(jù)測(cè)試目標(biāo),搭建了相應(yīng)的試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái),除完成發(fā)動(dòng)機(jī)性能測(cè)試之外,還實(shí)現(xiàn)了缸內(nèi)燃燒診斷;同時(shí),利用INCA標(biāo)定軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)控制參數(shù)的調(diào)節(jié);并通過(guò)排放檢測(cè)設(shè)備完成發(fā)動(dòng)機(jī)排放的測(cè)試。
噴油器測(cè)試結(jié)果表明:A型噴油器與平頂活塞的匹配組合最佳,其不但有利于碳煙排放降低,而且使燃燒速率加快,燃燒穩(wěn)定性提高。此外,相較碗頂活塞,采用平頂活塞時(shí),燃燒速率更快,燃燒穩(wěn)定性更高,油耗也更低。
當(dāng)采用多次噴油模式時(shí),隨著第一次噴油時(shí)刻的推遲,碳煙排放有降低趨勢(shì)。這主要是由于推遲第一次噴油時(shí)刻,減少了燃油與活塞的接觸;而隨著第二次和第三次噴油時(shí)刻的推遲,碳煙排放卻有增大傾向。這主要是由于燃油混合時(shí)間縮短導(dǎo)致油氣混合不均勻所致。尤其是當(dāng)增加第三次噴油比例時(shí),碳煙排放量明顯增加。
噴油壓力測(cè)試結(jié)果表明:部分負(fù)荷工況,由于所需燃料較少,燃油霧化時(shí)間相對(duì)充足,采用更高的噴油壓力對(duì)碳煙排放并無(wú)明顯改善。而在全負(fù)荷工況,采用更高的噴油壓力時(shí),碳煙排放改善效果較明顯,且THC也有一定程度降低。
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