小排量直噴式汽油機(jī)的潛力

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圖1 供試驗(yàn)的氣缸蓋方案

0 引言

內(nèi)燃機(jī)研究和開發(fā)的重點(diǎn)是通過對(duì)原材料的長(zhǎng)期開發(fā)，以及廢氣排放法規(guī)的制定來推動(dòng)燃油耗降低和有害物排放，特別是應(yīng)用發(fā)動(dòng)機(jī)小型化方案來降低燃油耗。缸內(nèi)汽油直噴與渦輪增壓相結(jié)合的方案能夠在保持發(fā)動(dòng)機(jī)功率不變的條件下減小發(fā)動(dòng)機(jī)排量，但是隨著氣缸尺寸的減小，汽油機(jī)缸內(nèi)直噴會(huì)增大產(chǎn)生燃油油膜的可能性，從而導(dǎo)致顆粒物排放增多和潤(rùn)滑機(jī)油稀釋。因此提出了挑戰(zhàn)，即如何解決減小氣缸直徑且不會(huì)出現(xiàn)因燃油潤(rùn)濕壁面所帶來的弊病。

1 試驗(yàn)載體和試驗(yàn)裝置

在預(yù)研究時(shí)，借助于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)軟件選擇合適的氣缸蓋，并用GT-Power軟件進(jìn)行1D模擬并予以評(píng)價(jià)。圖1示出了供試驗(yàn)的氣缸蓋方案。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可選擇下列方案：(1)噴油器側(cè)向直立布置的三氣門方案；(2)噴油器側(cè)向臥式布置的四氣門方案。

選擇了60 mm氣缸直徑和71 mm活塞行程，相當(dāng)于約0.2 L排量，壓縮比ε=10。

提出的這兩種氣缸蓋方案借助于單缸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了熱力學(xué)和光學(xué)測(cè)量。這種試驗(yàn)載體需要具有高壓和低壓示功器，以及其他用于熱力學(xué)評(píng)價(jià)所必需的傳感器。在采用標(biāo)準(zhǔn)的廢氣測(cè)量技術(shù)采集氣態(tài)廢氣排放期間，測(cè)量煙度和顆粒數(shù)濃度以評(píng)價(jià)顆粒物排放。

Robert Bosch公司為這兩種氣缸蓋方案各提供了兩種HDEV5型多孔噴油器。三氣門方案的噴油器具有6個(gè)噴孔，但這兩種噴油器的流量和噴霧形狀是不同的。噴油器1的流量較小，而噴油器2的噴束布置相對(duì)于噴油器1稍有調(diào)整，并具有這種噴束特有的流量。用于四氣門方案的噴油器3具有7個(gè)噴孔，而噴油器4具有6個(gè)噴孔。因此噴油器3的單個(gè)噴束的動(dòng)量較小，而噴油器4的噴束沿活塞方向有較大傾斜。

2 熱力學(xué)試驗(yàn)研究

在進(jìn)行試驗(yàn)研究時(shí)對(duì)不同工況點(diǎn)的噴油器控制始點(diǎn)(ASB)、噴射模式、噴油壓力，以及充量運(yùn)動(dòng)閥板(LBK)位置進(jìn)行對(duì)比研究，所考察的運(yùn)行工況點(diǎn)(BP)及效率優(yōu)化的燃燒重心位置示于表1。高負(fù)荷運(yùn)行工況點(diǎn)以發(fā)生爆燃為限。

表1 試驗(yàn)運(yùn)行工況點(diǎn)

圖2 標(biāo)定值、運(yùn)行值和排放值的比較

得出的試驗(yàn)結(jié)果是在顆粒物排放優(yōu)化標(biāo)定情況下的各個(gè)方案的參數(shù)。圖2示出了標(biāo)定值、運(yùn)行值和排放值的比較。原則上，會(huì)在高噴油壓力條件下達(dá)到較小的顆粒物排放。在三氣門方案情況下LBK關(guān)閉起到了顯著的效果，而在四氣門方案情況下這種效果則并不明顯。三氣門方案使用噴油器1時(shí)會(huì)潤(rùn)濕進(jìn)氣門，以致于在運(yùn)行工況點(diǎn)1～5時(shí)顆粒物排放最佳的ASB為點(diǎn)火上止點(diǎn)前190°CA，較少的壁面油膜可充分地補(bǔ)償混合氣均勻度惡化所造成的不良后果。使用噴油器2時(shí)，因其噴束布置稍有調(diào)整，燃油噴束與進(jìn)氣門之間的相互作用較小，因此可以有效降低顆粒物排放的ASB要比使用噴油器1時(shí)早些。在運(yùn)行工況點(diǎn)1～3時(shí)進(jìn)行雙噴射對(duì)降低顆粒物排放是有利的。在四氣門方案情況下，因噴油器的安裝位置，使得早噴射的ASB大大受到潤(rùn)濕活塞頂面的限制。因?yàn)槿加蛧婌F與進(jìn)氣門之間不會(huì)直接發(fā)生相互作用，即使在最大氣門升程情況下也能按最佳顆粒物排放的要求進(jìn)行噴射。

對(duì)參與試驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油耗水平進(jìn)行了比較。采用的噴油器2的三氣門方案可達(dá)到最低的燃油耗。對(duì)比較低的CO排放可推斷其原因是混合氣均質(zhì)化程度得以改善及較高的燃燒品質(zhì)，而運(yùn)行工況點(diǎn)5較高的CO排放是較低的噴油壓力(15MPa)所造成的。在上止點(diǎn)前310°CA較早的ASB情況下，這樣較低的噴油壓力因減少了對(duì)活塞的潤(rùn)濕而降低了顆粒物排放，但是卻對(duì)混合氣均質(zhì)化產(chǎn)生了不良的影響。原則上，隨著負(fù)荷的增大，CO排放也隨之降低，而在高轉(zhuǎn)速工況下特別是標(biāo)定功率點(diǎn)時(shí)，縮短的混合氣形成時(shí)間導(dǎo)致廢氣排放大大增加。使用噴油器1時(shí)，較高的CO排放是由于ASB設(shè)定較晚而使混合氣惡化。四氣門方案采用兩種噴油器，在運(yùn)行工況點(diǎn)3～5時(shí)的碳?xì)浠衔?HC)排放都要比三氣門方案時(shí)低。因?yàn)镠C排放主要是由壁面油膜所引起的，因而可推斷在四氣門方案情況下這種現(xiàn)象不太明顯。在全負(fù)荷運(yùn)行工況點(diǎn)時(shí)，由于燃燒溫度和零件溫度都較高，HC排放就較少。

就顆粒物排放而言，三氣門方案特別是使用噴油器2時(shí)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，在運(yùn)行工況點(diǎn)3時(shí)其顆粒物排放比使用噴油器1時(shí)明顯更高，但在運(yùn)行工況點(diǎn)4和5時(shí)使用噴油器1的顆粒數(shù)(PN)濃度要明顯高得多，這可歸結(jié)于燃油較多和均質(zhì)化程度惡化而導(dǎo)致較多的壁面潤(rùn)濕。而與三氣門方案相比，四氣門方案在運(yùn)行工況點(diǎn)1～6時(shí)的顆粒物排放都較高。

特別是在全負(fù)荷運(yùn)行工況點(diǎn)時(shí)，呈現(xiàn)出煙度與PN濃度之間的差異。運(yùn)行工況點(diǎn)6時(shí)的煙度明顯提高，而在額定功率點(diǎn)時(shí)的煙度又有所降低。但是PN濃度卻與此相反，估計(jì)是受顆粒物形成差異和氧化效應(yīng)后的影響。然而，在額定功率點(diǎn)三氣門方案的PN濃度比四氣門方案高，其對(duì)應(yīng)煙度也一致。這可歸因于噴油器的安裝位置，因?yàn)樗璧妮^長(zhǎng)噴油持續(xù)時(shí)間不可避免地會(huì)使進(jìn)氣門潤(rùn)滑潮濕。

圖3 燃燒重心位置與FEV分布帶的比較

原則上，四氣門方案對(duì)于ASB的變化影響并不大，而在三氣門方案情況下ASB的變化卻會(huì)對(duì)其顆粒物排放產(chǎn)生較大影響，因?yàn)槿加蛧婌F與進(jìn)氣門之間的相互作用會(huì)明顯增加顆粒物排放。當(dāng)然，上述比較也表明，與噴油器側(cè)置的四氣門相比，三氣門方案采用直立式布置的噴油器位置具有更大的改善潛力。

為了對(duì)不同發(fā)動(dòng)機(jī)方案進(jìn)行進(jìn)一步評(píng)價(jià)，考察全負(fù)荷工況點(diǎn)的運(yùn)行性能。圖3示出了燃燒重心位置與FEV分布帶的比較，圖4示出了其他運(yùn)行值。發(fā)動(dòng)機(jī)呈現(xiàn)出非常小的爆燃傾向，因此這些方案中工況點(diǎn)6的燃燒重心位置處于FEV分布帶的下部區(qū)域，而在額定功率點(diǎn)的燃燒重心位置則處于FEV分布帶的上部區(qū)域。早期的燃燒重心位置導(dǎo)致了較低的燃油耗，特別是在運(yùn)行工況點(diǎn)6的廢氣溫度較低，這就使得發(fā)動(dòng)機(jī)在全負(fù)荷工況點(diǎn)能以化學(xué)計(jì)量比的混合氣狀態(tài)運(yùn)行，其中三氣門方案呈現(xiàn)出最大的優(yōu)勢(shì)，但是因燃燒持續(xù)時(shí)間較短而使壓力升高率和峰值壓力較高。

圖5 運(yùn)行工況點(diǎn)2下采用噴油器1(噴油壓力15 MPa， LBK打開狀態(tài)下)的運(yùn)行值與排放值

為了解釋上述狀況并識(shí)別廢氣排放的原因，將示出3種ASB光學(xué)試驗(yàn)和數(shù)值研究的結(jié)果，圖5中用紅色標(biāo)注。

3 光學(xué)試驗(yàn)

為了供試驗(yàn)研究用的光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)上記錄下噴油和燃燒的工況，使用了高速攝影技術(shù)，并基于米氏理論實(shí)現(xiàn)了噴油的可視化過程。每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)顯示10個(gè)連續(xù)的工作循環(huán)，通過平均化處理來消除循環(huán)波動(dòng)。牽引壓力根據(jù)熱力學(xué)測(cè)量進(jìn)行調(diào)整，因?yàn)楣鈱W(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比較低，這就需要提高進(jìn)氣管壓力。試驗(yàn)時(shí)采用異辛烷作為燃油。

圖6示出的是在點(diǎn)火上止點(diǎn)前306～280°CA之間的早期噴油工況(可與圖5相比較)的可視化過程。從這些影像中可得知燃油噴霧與活塞之間存在強(qiáng)烈的相互作用。部分液體燃油進(jìn)入了活塞與氣缸壁面之間的擠壓縫隙，這些燃油全部或部分沒有參與燃燒，因而可能是HC和顆粒物排放高的原因。

圖6 點(diǎn)火上止點(diǎn)前360～280°CA之間的早噴油狀況 (噴油壓力為15 MPa，ASB=310°，LBK打開)

圖7 ASB為點(diǎn)火上止點(diǎn)前270°CA時(shí)的噴油狀況(噴油 壓力為15 MPa、ASB=270°CA，LBK打開)

圖7示出的是ASB為點(diǎn)火上止點(diǎn)前270°CA時(shí)的噴油狀況，從圖中可以看到氣門潤(rùn)濕和燃油噴束偏離氣門的情況。因此燃油噴霧與進(jìn)氣門之間的相互作用可能就是ASB跨度中某個(gè)范圍內(nèi)HC和顆粒物排放的來源。

圖8示出的是晚期噴射的一組影像。雖然液態(tài)燃油也抵達(dá)了氣缸壁面附近，但是采用該噴油定時(shí)卻能實(shí)現(xiàn)最低的顆粒物和HC排放目標(biāo)。

圖8 晚噴射影像(噴油壓力為15 MPa， ASB=190°CA，LBK打開)

可以確定，試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在潤(rùn)濕活塞和氣門方面，與大型發(fā)動(dòng)機(jī)的情況完全一樣，并會(huì)產(chǎn)生較大的顆粒物排放。但是氣缸套壁面附近的液態(tài)燃油與顆粒物排放之間的相互關(guān)系卻無法確定。

4 數(shù)值研究

為了加深對(duì)燃燒室內(nèi)工作過程的認(rèn)識(shí)，開展混合氣形成的三維計(jì)算流體力學(xué)(3D-CFD)研究。在計(jì)算時(shí)應(yīng)用了“粘附壁面”模型，它將所有與壁面相互作用的燃油都作為油膜來處理，而形成油膜則是燃燒最壞的一種情況。

圖9示出了圖5所示的3種ASB的滾流數(shù)(TCFD)和擾動(dòng)動(dòng)能(TKE)曲線。早期噴射和中期噴射有助于滾流運(yùn)動(dòng)，而晚期噴射則效果較小，所能達(dá)到的最大值則按ASB順序排列。由于充量運(yùn)動(dòng)發(fā)生了蛻變，隨著充量運(yùn)動(dòng)變?nèi)酰瑪_動(dòng)水平隨之變小。

圖9中還示出了液態(tài)壁面油膜的質(zhì)量和均質(zhì)化程度。均質(zhì)化程度是基于燃油霧化過程得出的，其平均體積質(zhì)量的平均絕對(duì)偏差與其平均值之比。隨著ASB推遲就會(huì)縮短混合氣形成時(shí)間，對(duì)混合氣均質(zhì)化產(chǎn)生不利的影響。在點(diǎn)火上止點(diǎn)前270°CA時(shí)噴射的情況下，燃油噴入進(jìn)氣流的最佳時(shí)刻出現(xiàn)在最大進(jìn)氣門升程時(shí)，因而其均質(zhì)化程度達(dá)到了早期噴射的水平。所測(cè)得的CO排放和平均指示壓力協(xié)方差，與均質(zhì)化程度和TKE的趨勢(shì)是一致的，而顆粒數(shù)濃度的趨勢(shì)則相反。

為了尋找顆粒物排放的來源，考察壁面油膜的質(zhì)量。早期噴射時(shí)大部分燃油在活塞上形成油膜，直至點(diǎn)火時(shí)刻不會(huì)完全蒸發(fā)，而在上止點(diǎn)前270°CA開始噴油情況下會(huì)直接潤(rùn)濕進(jìn)氣門。這種油膜在模型中實(shí)際上不會(huì)完全蒸發(fā)，因?yàn)樗鼈儍H有很小的蒸發(fā)表面。這些油膜可能就是顆粒物排放的來源。在晚噴射情況下不會(huì)出現(xiàn)燃油潤(rùn)濕壁面，因而在這種情況下顆粒物排放就歸因于混合氣形成。

圖9 3種ASB的TCFD和TKE曲線

5 結(jié)論

通過熱力學(xué)、光學(xué)及具體數(shù)值的試驗(yàn)研究能揭示所考察的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)方案的潛力。就運(yùn)行值而言，在氣缸直徑較小的情況下，燃油潤(rùn)濕壁面顯然就像大缸徑發(fā)動(dòng)機(jī)的情況。因而較小的氣缸容積能夠?qū)崿F(xiàn)汽油缸內(nèi)直接噴射，汽油機(jī)可進(jìn)一步小型化。但是因燃油潤(rùn)濕壁面而引起的潤(rùn)滑機(jī)油的稀釋可能會(huì)對(duì)氣缸直徑縮小造成限制。

比較考察表明，直立式噴油器方案為降低顆粒物排放而提供了最大的潛力，但是對(duì)標(biāo)定參數(shù)(例如噴油始點(diǎn))較為敏感。因此在僅有非常小的爆燃傾向的條件下，采用非中央布置的火花塞能同樣能達(dá)到良好的結(jié)果。