噴油相位對PFI 增壓汽油機(jī)的影響研究

楊武森 牟一今 袁觀練

（上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西 柳州 545007）

引言

汽油機(jī)電控系統(tǒng)的標(biāo)定過程十分復(fù)雜，控制內(nèi)容涉及影響汽油機(jī)性能的各個(gè)方面，包括充氣、噴油、點(diǎn)火、怠速、爆震、進(jìn)氣增壓、故障診斷、蒸發(fā)排放等[1]，各功能模塊涉及到的變量很多。盡管涉及到的控制參數(shù)繁復(fù)多變，但重點(diǎn)是進(jìn)氣、噴油和點(diǎn)火的協(xié)調(diào)控制。因此，最終的控制參數(shù)歸結(jié)到進(jìn)氣、噴油、點(diǎn)火等核心控制參數(shù)上。其中，基本噴油是體現(xiàn)汽油機(jī)電控系統(tǒng)的核心思想之一。不同的噴油相位對發(fā)動機(jī)動力性、油耗、排放均有明顯的影響[2]，標(biāo)定過程中，要匹配最佳的噴油相位，必須綜合考慮動力性、經(jīng)濟(jì)性與排放之間相互制約的影響。

本文基于一臺1.5L 進(jìn)氣道噴射（PFI）增壓汽油機(jī)，在發(fā)動機(jī)臺架上進(jìn)行試驗(yàn)，對比研究不同噴油相位對發(fā)動機(jī)動力性、油耗、排放和燃燒狀況的影響。

1 噴油相位

進(jìn)氣道噴射是將燃油直接噴射到進(jìn)氣道內(nèi)，主要依靠進(jìn)氣道壁面及進(jìn)氣門加熱形成燃油蒸氣，然后與空氣充分混合后進(jìn)入氣缸[3]。噴油相位分為噴油開始位置SOI 和噴油結(jié)束位置EOI 2 種描述形式，目前國內(nèi)大多數(shù)電控汽油機(jī)采用EOI 控制方式[4]。噴油結(jié)束位置EOI 的噴油相位指的是噴油結(jié)束時(shí)的曲軸轉(zhuǎn)角到進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)的曲軸轉(zhuǎn)角，該值決定了噴油與進(jìn)氣門開關(guān)之間的時(shí)序。EOI 的噴油相位示意圖如圖1 所示。

圖1 噴油相位

實(shí)際過程中，盡可能要求進(jìn)氣門開啟之前噴油結(jié)束，避免進(jìn)氣門關(guān)閉前開始噴油。否則，還未與空氣充分混合的燃油將從進(jìn)氣道直接進(jìn)入氣缸，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)燃燒不充分，油耗增加，HC 排放升高。同時(shí)，要避免燃油長時(shí)間停留在進(jìn)氣道內(nèi)，以免導(dǎo)致燃油凝結(jié)在進(jìn)氣道壁面上，使得瞬態(tài)響應(yīng)延遲。

2 試驗(yàn)臺架與測量方法

2.1 試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)

本試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)為某PFI 增壓汽油機(jī)，其主要參數(shù)如表1 所示。

表1 發(fā)動機(jī)參數(shù)

2.2 臺架試驗(yàn)系統(tǒng)

臺架試驗(yàn)系統(tǒng)的主要設(shè)備有測功機(jī)、臺架控制系統(tǒng)、油耗儀、排放儀等，見表2。

表2 試驗(yàn)設(shè)備清單

2.3 噴油相位試驗(yàn)方法

噴油器的噴射周期、噴油脈寬、噴油特性已通過驗(yàn)證。噴油相位試驗(yàn)方法為：將發(fā)動機(jī)暖機(jī)到GB/T 18297-2001《汽車發(fā)動機(jī)性能試驗(yàn)方法》規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)工況條件，利用臺架設(shè)備將發(fā)動機(jī)某一轉(zhuǎn)速和負(fù)荷設(shè)定為目標(biāo)值，通過INCA 軟件中的“參數(shù)設(shè)置”從小到大依次調(diào)整噴油相位，待轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及排氣溫度穩(wěn)定后，采集不同噴油相位的轉(zhuǎn)矩、油耗、各排放指標(biāo)以及發(fā)動機(jī)燃燒狀況的數(shù)據(jù)。

每個(gè)工況的試驗(yàn)要求為：

1）調(diào)節(jié)空燃比。中低負(fù)荷、無爆震、無排氣溫度過高等工況，空燃比均等于14.7；中大負(fù)荷工況，當(dāng)排氣溫度高時(shí)，適當(dāng)加濃混合氣，使空燃比減小，確保排氣溫度不超過排溫限值；

2）調(diào)整點(diǎn)火提前角，使得AI50（發(fā)動機(jī)燃料燃燒50%對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角）保持在7～9°CA 或者爆震邊界（以防止爆震而減小的點(diǎn)火提前角大于3°CA 為限）。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 噴油相位對發(fā)動機(jī)動力性的影響

試驗(yàn)時(shí)，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速分別為1 600、2 000、2 400 r/min，相對進(jìn)氣量r1 分別為80%及140%。

圖2 為不同噴油相位對發(fā)動機(jī)動力性的影響。

圖2 噴油相位對發(fā)動機(jī)動力性的影響

從圖2a 可以看出，r1=80%時(shí)，各轉(zhuǎn)速下，隨著噴油相位的增大，轉(zhuǎn)矩先增加后減小，最大轉(zhuǎn)矩與最小轉(zhuǎn)矩相差約5 N·m，在噴油相位為120～240°CA 區(qū)間出現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩。從圖2b 可以看出，r1=140%時(shí)，各轉(zhuǎn)速下，隨著噴油相位的增大，轉(zhuǎn)矩有逐漸減小的趨勢，最大轉(zhuǎn)矩與最小轉(zhuǎn)矩相差約10 N·m，在噴油相位為60～180°CA 區(qū)間出現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩。

3.2 噴油相位對油耗的影響

圖3 為噴油相位對發(fā)動機(jī)油耗的影響。

圖3 噴油相位對發(fā)動機(jī)油耗的影響

從圖3a 可以看出，r1=80%時(shí)，各轉(zhuǎn)速下，隨著噴油相位的增大，油耗變化較為明顯，最低油耗出現(xiàn)在噴油相位為180～300°CA 區(qū)間。從圖3b 可以看出，r1=140%時(shí)，各轉(zhuǎn)速下，隨著噴油相位的增大，油耗變化較小，最低油耗率同樣出現(xiàn)在噴油相位為180～300°CA 區(qū)間。

圖2、圖3 表明，r1=80%時(shí)，各轉(zhuǎn)速下，發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性與動力性在噴油相位為180～240°CA 區(qū)間最佳。r1=140%時(shí)，各轉(zhuǎn)速下，發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性與動力性在噴油相位為180°CA 時(shí)最佳。

3.3 噴油相位對HC 排放的影響

如果在發(fā)動機(jī)性能匹配初期便將發(fā)動機(jī)的原始排放作為影響因素來考慮，可以有效減小排放后處理的壓力。圖4 為噴油相位對發(fā)動機(jī)HC 排放的影響。

圖4 噴油相位對HC 排放的影響

HC 主要由燃燒不充分形成。從圖4a 可以看出，r1=80%，轉(zhuǎn)速為1 600 r/min 時(shí)，隨著噴油相位的增大，HC 排放先升高后下降，最低排放出現(xiàn)在噴油相位為600°CA 時(shí)；噴油相位為180～240°CA、420～480°CA區(qū)間，HC 排放降低；轉(zhuǎn)速為2 000 r/min 時(shí)的HC 排放變化趨勢和轉(zhuǎn)速為2 400 r/min 時(shí)較為一致，均為先下降后逐漸升高，最低排放均出現(xiàn)在噴油相位為180°CA 時(shí)。從圖4b 可以看出，r1=140%時(shí)，各轉(zhuǎn)速下，隨著噴油相位的增大，HC 排放的變化趨勢大體一致，先下降后逐漸升高，最低排放均出現(xiàn)在噴油相位為180°CA 時(shí)。原因是在此噴油相位燃油與空氣混合較好，從而改善了燃燒過程，減少了未燃HC 排放量。

3.4 噴油相位對NOx 排放的影響

圖5 為噴油相位對NOx排放的影響。

圖5 噴油相位對NOx 排放的影響

從圖5 可以看出，在同一轉(zhuǎn)速下，不同噴油相位下的NOx排放變化很小。這是因?yàn)镹Ox生成的主要條件是高溫和富氧，噴油相位對該條件的影響很小，所以在同一轉(zhuǎn)速下NOx排放變化不大。從圖5a 可以看出，r1=80%時(shí)，各轉(zhuǎn)速下，空燃比不需要減小，混合氣不需要加濃。相同負(fù)荷下，高轉(zhuǎn)速時(shí)，排氣溫度高，所以NOx排放隨轉(zhuǎn)速升高而升高。從圖5b 可以看出，r1=140%時(shí)，各轉(zhuǎn)速下，排氣溫度均接近排溫限值；相同排氣溫度下，高轉(zhuǎn)速時(shí)，空燃比減小較多，混合氣加濃較多，氧氣相對不足，所以NOx排放隨轉(zhuǎn)速升高而下降。

3.5 噴油相位對顆粒物排放的影響

進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)顆粒物的生成主要來源于缸內(nèi)混合氣過濃燃燒及液態(tài)油膜燃燒的生成物。圖6為噴油相位對顆粒物PN 排放的影響。

圖6 噴油相位對顆粒物排放的影響

從圖6a 可以看出，r1=80%時(shí)，各轉(zhuǎn)速下，隨著噴油相位的增大，顆粒物排放變化趨勢較為一致，先升高，在噴油相位為120 °CA 時(shí)，顆粒物排放達(dá)到峰值，隨后下降至較低值。原因是在噴油相位為120°CA 時(shí)，油氣混合不均勻，致使顆粒物濃度增加。r1=140%時(shí)，由于負(fù)荷增大，排氣溫度接近排溫限值，空燃比減小，混合氣濃度較大。從圖6b 可以看出，各轉(zhuǎn)速下，r1=140%時(shí)的顆粒物排放整體大幅升高，比r1=80%時(shí)高很多，隨著噴油相位的增大，顆粒物排放呈先下降后升高的趨勢，顆粒物排放最低值出現(xiàn)在噴油相位為180～240°CA區(qū)間。從圖6 還可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機(jī)負(fù)荷越大，PN 排放越高；而相同負(fù)荷下，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速對PN 排放的影響不是十分明顯。主要原因是發(fā)動機(jī)負(fù)荷越大，每循環(huán)的進(jìn)氣量越大，為了控制空燃比，噴油量越大，因此會有更多燃油不能完全蒸發(fā)，最終參與燃燒，導(dǎo)致PN 排放升高。

3.6 噴油相位對燃燒狀況的影響

燃油噴射時(shí)刻關(guān)系到氣缸內(nèi)油氣混合的效果，進(jìn)而影響發(fā)動機(jī)的燃燒狀況。

發(fā)動機(jī)單缸循環(huán)工作均勻性主要由指示平均有效壓力（Indicated Mean Effective Pressure，IMEP）的變化系數(shù)COV（Coefficient of Variation）值來描述。COV的計(jì)算公式如下：

式中：IMEP 為指示平均有效壓力，MPa；σ（IMEP）為指示平均有效壓力的標(biāo)準(zhǔn)偏差；IMEPπ為指示平均有效壓力平均值，MPa。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，保證COV 在3%以下是必要的。圖7為COV 隨噴油相位的變化情況。

從圖7 可以看出，COV 符合3%以下的要求。但r1=80%和r1=140%時(shí)，各轉(zhuǎn)速下，COV 隨著噴油相位的變化趨勢較復(fù)雜，各轉(zhuǎn)速下都有多個(gè)燃燒壓力穩(wěn)定性較好的噴油相位?？傮w來看，噴油相位為180～240°CA 區(qū)間，燃燒穩(wěn)定性較好。r1=80%，轉(zhuǎn)速分別為2 000、2 400 r/min，噴油相位為540°CA 時(shí)，燃燒狀況明顯較差。

圖7 COV 隨噴油相位的變化情況

燃料燃燒過程中，氣缸壓力與燃料燃燒放熱率具有一特定的關(guān)系，這是燃燒放熱分析的基礎(chǔ)。燃燒過程可以進(jìn)行如下簡單量化：燃料燃燒0～10%為燃燒起始，放熱率為10%～75%為主要燃燒期，燃料燃燒90%對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為燃燒結(jié)束。而燃料燃燒50%對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角AI50 是評價(jià)發(fā)動機(jī)燃燒狀況的重要指標(biāo)，理論上，該值在8°CA 左右時(shí)，燃油的燃燒效率最高。圖8 為不同噴油相位的AI50。

從圖8 可以看出，各工況已經(jīng)接近爆震邊緣，AI50 均大于理論燃燒效率最高的8°CA。AI50 隨噴油相位的變化與COV 較一致，r1=80%和r1=140%時(shí)，各轉(zhuǎn)速都有多個(gè)燃燒效率好的噴油相位?？傮w來看，噴油相位為180～240°CA 區(qū)間，燃燒穩(wěn)定性較好。r1=80%，轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，噴油相位為540°CA時(shí)，燃燒效率明顯較低。

圖8 不同噴油相位的AI50

綜上數(shù)據(jù)分析，總體上，r1=80% 時(shí)，噴油相位為180～240°CA 區(qū)間以及r1=140%時(shí)，噴油相位為150～200°CA 區(qū)間，動力性、經(jīng)濟(jì)性以及排放性能均最佳。實(shí)際上，每個(gè)工況的具體情況不同，可以按實(shí)際情況選擇此區(qū)間的某個(gè)噴油相位作為該工況的ECU 控制參數(shù)。

4 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明，噴油相位對發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性有較大影響，對HC、顆粒物排放有很大影響，而對NOx排放影響較小。每個(gè)工況的最佳噴油相位區(qū)間不完全相同，標(biāo)定過程中，需仔細(xì)測量每個(gè)工況下發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩、油耗、HC 排放、顆粒物排放、燃燒狀況隨噴油相位變化的相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，綜合考慮動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性能，選出最佳的噴油相位進(jìn)行匹配。