小排量直噴增壓汽油機(jī)噴水技術(shù)應(yīng)用研究

龔偉國，張弘，李相超

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804)

近年來，對(duì)汽油機(jī)縮小尺寸(downsize)的研究使得小排量發(fā)動(dòng)機(jī)獲得優(yōu)秀的動(dòng)力輸出和油耗水平，但升功率的提升必然引起發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行負(fù)荷增大，從而增加發(fā)動(dòng)機(jī)爆震和早燃傾向[1-3]。為減少爆震和早燃，常用的控制策略是推遲點(diǎn)火，但這將限制燃油經(jīng)濟(jì)性的改善，同時(shí)引起排氣溫度升高。在高速大負(fù)荷工況，為降低排氣溫度以保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)，小排量渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)大多采用燃油加濃策略，通過噴射多余燃油吸收缸內(nèi)燃燒熱量來降低排氣溫度，但這也會(huì)導(dǎo)致油耗上升及排放惡化。

汽油機(jī)噴水技術(shù)是通過向進(jìn)氣道或缸內(nèi)噴射水霧，利用水的汽化潛熱降低缸內(nèi)燃燒溫度。研究結(jié)果表明，噴水可以有效降低爆震傾向，降低油耗和排放[4-12]。本研究對(duì)噴水器噴霧特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，基于CFD仿真設(shè)計(jì)了氣道噴水布置方案，并開展了3 000 r/min@1.4 MPa和5 500 r/min WOT工況臺(tái)架試驗(yàn)研究，分析了噴水對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒、油耗和排放的影響。

1 噴水器噴霧特性研究

對(duì)于進(jìn)氣道噴水，水噴霧將不可避免地與進(jìn)氣門和氣道壁面碰撞。為達(dá)到更好的噴射效果，有必要對(duì)噴水器的噴霧特性，包括貫穿距、噴霧角和噴霧粒徑等[13-15]，進(jìn)行測(cè)試和分析。圖1示出某專用進(jìn)氣道噴水器，其內(nèi)部與水接觸面進(jìn)行過專門的防銹處理，噴孔數(shù)量為4孔，噴霧為單束噴霧。

圖1 專用噴水器

1.1 測(cè)試條件

噴水器噴霧特性測(cè)試在定容彈中開展，測(cè)試采用蒸餾水，水泵可調(diào)噴水壓力范圍0～1 MPa。采用CCD相機(jī)拍攝噴霧圖像，采用PDA(相位多普勒干涉儀)測(cè)試噴霧粒徑。測(cè)試條件見表1。

表1 噴霧測(cè)試條件

1.2 結(jié)果分析

不同噴水壓力下的噴霧圖像見圖2。隨著噴射壓力的增加，噴霧貫穿距和噴霧角明顯增加。這意味著進(jìn)氣道內(nèi)噴水壓力越高，水噴霧與氣道碰撞概率越大。

圖2 水噴霧圖像

噴嘴下方50 mm平面的粒徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖3。隨著噴射壓力增加，對(duì)應(yīng)的D32，DV50和DV90[15]均明顯下降，由此可知噴射壓力增加可有效改善霧化水平。

圖3 水噴霧粒徑測(cè)試結(jié)果

2 基于CFD的噴水布置設(shè)計(jì)

在某1.5 L中置直噴渦輪增壓4缸汽油機(jī)進(jìn)氣道上進(jìn)行噴水布置設(shè)計(jì)，并采用CFD計(jì)算優(yōu)化噴水器安裝位置和噴射方向。為提高仿真計(jì)算可靠性，采用第1節(jié)中的噴霧測(cè)試結(jié)果標(biāo)定了三維噴霧計(jì)算模型。

2.1 仿真模型標(biāo)定

由圖4和圖5可見，標(biāo)定后噴霧模型的噴霧形態(tài)和貫穿距均與測(cè)試值接近。仿真D32為71.6 μm，與測(cè)試值71.1 μm非常接近。水噴霧仿真模型的準(zhǔn)確性有效保證了缸內(nèi)三維計(jì)算的可靠性。

圖4 噴霧形態(tài)標(biāo)定

圖5 噴霧貫穿距標(biāo)定

2.2 噴水器布置設(shè)計(jì)

將噴水器布置在進(jìn)氣道下部，概念設(shè)計(jì)見圖6。

圖6 汽油機(jī)噴水的概念設(shè)計(jì)

根據(jù)氣道形狀和噴霧形態(tài)設(shè)計(jì)了3種布置方案(見圖7)，3種方案考慮了不同噴水器安裝位置和噴射方向:1)低位無傾角方案，噴水器更接近進(jìn)氣門；2)高位無傾角方案，遠(yuǎn)離進(jìn)氣門，水噴霧發(fā)展空間大；3)高位帶傾角方案，噴射方向朝進(jìn)氣門偏轉(zhuǎn)4°，噴射方向正對(duì)進(jìn)氣門閥背。

圖7 噴水器布置方案

3種方案噴水位置的評(píng)估主要考慮進(jìn)氣道、氣缸壁和活塞頂噴霧碰壁情況。以低位無傾角方案為參照，并將濕壁量轉(zhuǎn)化為無量綱常數(shù)進(jìn)行比較(見圖8)。由圖可見，低位無傾角方案氣缸壁濕壁量最小，但氣道濕壁量大于高位帶傾角方案?？紤]到氣缸壁濕壁危害更大，在此選擇低位無傾角方案改制噴水試驗(yàn)樣機(jī)并開展臺(tái)架試驗(yàn)。

圖8 3種布置方案評(píng)估

3 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)

選擇3 000 r/min@1.4 MPa和5 500 r/min WOT兩個(gè)工況開展臺(tái)架試驗(yàn)研究。3 000 r/min@1.4 MPa工況為當(dāng)量比燃燒，燃燒穩(wěn)定且燃油消耗率較低，主要研究噴水對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程的影響。5 500 r/min WOT工況為最大功率點(diǎn)，原機(jī)通過燃油加濃降低排氣溫度，該工況主要研究噴水在降低排氣溫度方面的效果。

3.1 試驗(yàn)設(shè)置

噴水發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)布置見圖9。單片機(jī)噴水控制器根據(jù)曲軸和凸輪軸信號(hào)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)相位，并根據(jù)上位機(jī)輸入的起噴角和噴射脈寬控制噴水器完成噴水過程。試驗(yàn)過程中噴水壓力為1.0 MPa，噴水相位為-360°BTDC，噴水壓力和噴水相位研究在本文中不作展開。

圖9 噴水發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)布置

3.2 臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.13 000 r/min@1.4 MPa工況

由于噴水對(duì)爆震有抑制作用，在噴水情況下可適當(dāng)加大點(diǎn)火提前角，因此將該工況噴水試驗(yàn)分為點(diǎn)火角不變和點(diǎn)火角提前兩種情況。第一種情況：點(diǎn)火角由發(fā)動(dòng)機(jī)ECU Map控制(NAI，non advance ignition)，研究噴水對(duì)燃燒的影響；第二種情況：通過INCA調(diào)節(jié)點(diǎn)火角至爆震極限(KLSA，knock limited spark angle)，研究噴水對(duì)油耗的改善情況。

由圖10和圖11可見，在NAI情況下，點(diǎn)火角基本不變，隨著噴水比例增加，50%累計(jì)放熱量對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角(θCA50)逐步推后，缸內(nèi)峰值壓力(pmax)明顯降低，有效燃油消耗率(be)逐步增加。這是由于噴水在氣缸內(nèi)蒸發(fā)吸熱，降低缸內(nèi)溫度和火焰?zhèn)鞑ニ俣?，燃燒持續(xù)期變長。在KLSA情況下，隨著噴水比例從0增加至100%，由于噴水對(duì)爆震的抑制作用，點(diǎn)火角由8.5°提前至21°，使得θCA50明顯提前，缸內(nèi)峰值壓力增加，有效燃油消耗率也得到改善。但隨著噴水比例增加，單位質(zhì)量的水帶來的油耗收益也逐漸減小，噴水比例超過30%后繼續(xù)增大噴水比例節(jié)油效果有限。

圖10 不同噴水比例下的點(diǎn)火角和pmax

圖11 不同噴水比例下的有效燃油消耗率和θCA50

由圖12可見，NAI情況下，隨著噴水比例增加，燃燒持續(xù)期增加，導(dǎo)致排氣溫度升高。KLSA情況，燃燒持續(xù)期變短，排氣溫度顯著降低。但兩種情況下的CO排放趨勢(shì)一致，均隨著噴水比例增加而略有降低。

圖12 不同噴水比例下的排氣溫度和CO排放

由圖13可見，NAI和KLSA兩種情況下的HC和NOx排放表現(xiàn)出同一變化趨勢(shì)，即隨著噴水比例增加， HC排放增加，NOx排放降低。

圖13 不同噴水比例下的HC和NOx排放

3.2.25 500 r/min WOT工況

為保護(hù)排氣系統(tǒng)不被高溫氣體損壞，試驗(yàn)過程中保持原機(jī)排氣溫度不變。通過逐步增大噴水比例和調(diào)整點(diǎn)火角來降低排氣溫度，并逐步增大空燃比(調(diào)整后排氣溫度升高至原機(jī)排氣溫度)，最終實(shí)現(xiàn)當(dāng)量比燃燒。由圖14可見，隨著噴水比例增加，點(diǎn)火角和θCA50均明顯提前。水油比為70%時(shí)，點(diǎn)火提前角由10°增加至25°，θCA50也大幅提前至12°。

圖14 不同噴水比例下的點(diǎn)火角和θCA50

由圖15可見，該工況在70%水油比時(shí)可取消燃油加濃，實(shí)現(xiàn)當(dāng)量比燃燒，be由原來的330 g/(kW·h)大幅降低至245 g/(kW·h)，改善25.7%。由于噴水在氣道內(nèi)蒸發(fā)使得進(jìn)氣量減小，此時(shí)扭矩比原機(jī)降低約2%，若適當(dāng)增大增壓器壓氣機(jī)出口壓力并將噴水比例增加至80%，可達(dá)到原機(jī)扭矩。

該工況下主要排放物隨噴水比例的變化趨勢(shì)見圖16和圖17。隨著噴水比例增加，混合氣濃度逐漸減稀，未充分燃燒的燃油減少，使得HC和CO排放呈下降趨勢(shì)。但由于空燃比增加，混合氣中氧氣占比增大，導(dǎo)致NOx排放逐漸增加。

圖15 不同噴水比例下的過量空氣系數(shù)和be

圖16 不同噴水比例下的CO和NOx排放

圖17 不同噴水比例下的HC排放

4 結(jié)論

a) 增加噴射壓力可明顯改善噴水霧化效果，但噴霧貫穿距和噴霧角也相應(yīng)增加；

b) 在3 000 r/min@1.4 MPa工況，噴水可有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)爆震傾向，配合提前點(diǎn)火角可降低燃油消耗(約4%)，并改善CO和NOx排放；

c) 在5 500 r/min WOT工況，噴水可取代燃油加濃策略來降低排氣溫度，噴水70%可實(shí)現(xiàn)當(dāng)量比燃燒，be降低約25%。