噴油策略對(duì)直噴汽油機(jī)油耗和顆粒物排放的影響*

牛貝妮 段 偉 解方喜 洪 偉

（1-上海宏景智駕信息科技有限公司 上海 201807 2-菲亞特克萊斯勒動(dòng)力科技研發(fā)（上海）有限公司 3-吉林大學(xué)汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

引言

GB 18352.6-2016《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》[1]和GB 19578-2021《乘用車燃料消耗量限值》[2]要求對(duì)車輛在實(shí)際道路行駛過(guò)程中的污染物排放[3-4]進(jìn)行測(cè)量，使得內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)業(yè)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。目前，為了滿足日益嚴(yán)格的排放和油耗標(biāo)準(zhǔn)要求，輕型車用汽油機(jī)的主流技術(shù)是增壓缸內(nèi)直噴[5]耦合廢氣再循環(huán)（Exhaust Gas Recirculation，EGR）[6]配合汽油機(jī)顆粒捕集器（Gasoline Particulate Filter，GPF）[7-9]。與進(jìn)氣道多點(diǎn)噴射（Port Fuel Injection，PFI）汽油機(jī)相比，缸內(nèi)直噴（Gasoline Direct Injection，GDI）汽油機(jī)的顆粒物數(shù)量（Particle Number，PN）排放相對(duì)較高，特別是冷機(jī)工況，缸內(nèi)直噴汽油機(jī)大約貢獻(xiàn)50%～70%的PN 排放。隨著缸內(nèi)直噴汽油機(jī)強(qiáng)化指標(biāo)的不斷提高，汽油機(jī)在低速大負(fù)荷時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重爆震和早燃的幾率越來(lái)越高[10]。早燃發(fā)生時(shí)，缸內(nèi)壓力和溫度急劇升高，并伴有劇烈的壓力波動(dòng)和噪聲，對(duì)火花塞和活塞造成極大破壞，限制了汽油機(jī)性能進(jìn)一步改善[11-12]。為了實(shí)現(xiàn)直噴汽油機(jī)的高效清潔工作，必須通過(guò)合理優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵控制參數(shù)（噴油正時(shí)、噴油壓力、EGR 等）來(lái)有效改善排放性能、降低燃油消耗率[13]、減小早燃或者超級(jí)爆震的幾率[14]。本文以某小型直噴增壓汽油機(jī)為研究對(duì)象，研究發(fā)動(dòng)機(jī)冷機(jī)工況和暖機(jī)工況下噴油策略對(duì)汽油機(jī)性能的影響，通過(guò)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)噴油提前角和噴油壓力來(lái)達(dá)到降低油耗和顆粒物排放的目標(biāo)。

1 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在一臺(tái)直列3 缸缸內(nèi)直噴增壓汽油機(jī)上進(jìn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)/特性如表1 所示。

表1 汽油機(jī)技術(shù)參數(shù)/特性

試驗(yàn)通過(guò)AVL 測(cè)功機(jī)、油耗儀、燃燒分析儀、排放物和顆粒物分析儀等設(shè)備采集發(fā)動(dòng)機(jī)功率、燃油消耗量、缸內(nèi)燃燒壓力、HC 排放和顆粒數(shù)等數(shù)據(jù)，采用INCA 公司的592 通信采集設(shè)備連接發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元（Electronic Control Unit，ECU）調(diào)整噴油提前角和噴油壓力，并通過(guò)INCA 軟件采集發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)，應(yīng)用AVL 冷卻水管理系統(tǒng)控制發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度分別為40℃和90℃。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)邊界條件如表2 所示。

表2 試驗(yàn)邊界條件

試驗(yàn)時(shí)，首先控制發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度分別為40 ℃和90 ℃，本文將冷卻水溫度40 ℃稱為冷機(jī)工況，冷卻水溫度90℃稱為暖機(jī)工況。在每個(gè)工況下，主要優(yōu)化噴油提前角θSOI和噴油壓力pf，噴油提前角的參考點(diǎn)為發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮上止點(diǎn)，從參考點(diǎn)到噴油開(kāi)始的角度為噴油提前角θSOI。每個(gè)穩(wěn)態(tài)測(cè)試點(diǎn)用發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和相對(duì)進(jìn)氣量Qr來(lái)定義，其中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)試范圍為1 000～5 000 r/min，測(cè)試間隔為1 000 r/min；Qr的測(cè)試范圍為0.3～1.5，測(cè)試間隔為0.3。Qr的計(jì)算公式如下：

式中：Qa為實(shí)際進(jìn)氣量，m3/h；Qt為理論進(jìn)氣量，m3/h，可通過(guò)理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算得到。

試驗(yàn)的主要測(cè)試參數(shù)如表3 所示。在不同的噴油壓力下，采集不同噴油提前角θSOI（以對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)算）下發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工況后的參數(shù)，通過(guò)AVL_PUMA 系統(tǒng)記錄所有測(cè)試點(diǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)性能、排放、燃燒狀況等參數(shù)，記錄時(shí)間為20 s。

表3 試驗(yàn)主要測(cè)試參數(shù)

選擇4 個(gè)測(cè)試工況進(jìn)行重點(diǎn)分析，4 個(gè)測(cè)試工況對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和相對(duì)進(jìn)氣量Qr如表4 所示。

表4 4 個(gè)測(cè)試工況對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和相對(duì)進(jìn)氣量Qr

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 冷機(jī)工況

TEST-1 工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)不同噴油提前角θSOI和噴油壓力pf下的比油耗、PN 和HC 排放對(duì)比如圖1所示。

圖1 TEST-1 工況不同噴油策略下發(fā)動(dòng)機(jī)比油耗、PN 排放以及HC 排放對(duì)比

由圖1a 可得出：提高噴油壓力，能夠降低燃油消耗率。這是由于提高噴油壓力能夠減小燃油粒徑和提高油束貫穿度，油滴粒徑較小易于霧化，可形成較多的可燃混合氣，進(jìn)而降低油耗。由圖1a 和圖1c可知：隨著噴油提前角θSOI的減小，比油耗呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，這是因?yàn)橛蜌饣旌蠒r(shí)間較短，易形成混合氣過(guò)濃和過(guò)稀區(qū)域，加上在冷機(jī)狀態(tài)下，缸內(nèi)環(huán)境不利于燃油霧化，可燃混合氣較少，燃燒不充分，HC 排放較高，油耗較高；當(dāng)噴油提前角θSOI過(guò)大而接近排氣上止點(diǎn)時(shí)，燃油噴射撞擊到活塞表面的機(jī)會(huì)增加，易形成較多油膜，惡化了燃油霧化過(guò)程，不利于燃油和空氣充分混合，導(dǎo)致比油耗相對(duì)較高，HC 排放也較高，而且較大的油滴有可能順著缸壁流到油底殼，導(dǎo)致較高的機(jī)油稀釋率；當(dāng)噴油提前角θSOI為300 °CA BTDC 時(shí)，比油耗最低。由圖1b 和1c 可得出：隨著噴油壓力的增加，HC 和PN 排放降低。噴油提前角為280°CA BTDC 時(shí)，HC 和PN 排放均最低。噴油提前角過(guò)大或者過(guò)小，都有可能使HC 和PN 排放升高，過(guò)早的噴油，燃油會(huì)撞擊活塞頂部，易于形成大范圍油膜，燃燒過(guò)程出現(xiàn)池火現(xiàn)象；過(guò)晚的噴油，燃油與空氣混合時(shí)間較短，易形成不均勻的混合氣，混合氣過(guò)濃區(qū)域會(huì)產(chǎn)生較高的HC 和PN 排放。

2.2 暖機(jī)工況

TEST-2 工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)不同噴油提前角和噴油壓力下的比油耗、燃燒穩(wěn)定性、PN 和HC 排放對(duì)比如圖2 所示，圖中以平均有效壓力變動(dòng)系數(shù)（Coefficient of Variation，CoV）來(lái)評(píng)價(jià)燃燒穩(wěn)定性。

圖2 TEST-2 工況不同噴油策略下發(fā)動(dòng)機(jī)比油耗、平均有效壓力變動(dòng)系數(shù)、PN 排放以及HC 排放對(duì)比

由圖2a 可知：和冷機(jī)工況相比，比油耗對(duì)噴油壓力敏感度較低；噴油提前角適當(dāng)加大，可以降低比油耗，噴油提前角過(guò)大或過(guò)小都有可能使比油耗升高，噴油提前角為300～320°CA BTDC 時(shí)，比油耗較低。由圖2b 可知：燃燒穩(wěn)定性的變化與噴油壓力有一定的相關(guān)性，但噴油壓力對(duì)燃燒穩(wěn)定性影響較小；噴油提前角加大，能夠改善燃燒穩(wěn)定性。由圖2c 和2d 可知：提高噴油壓力，可以降低PN 和HC 排放；噴油提前角為280～300°CA BTDC 時(shí)，PN 排放最低；和冷機(jī)工況相類似，噴油提前角過(guò)大或過(guò)小都有可能使PN 和HC 排放升高，但和冷機(jī)工況相比，HC 排放的升高程度相對(duì)較弱，這是由于較高的冷卻水溫度可以提高缸內(nèi)溫度，易于燃油蒸發(fā)形成較多的可燃混合氣，降低了HC 排放。

中高轉(zhuǎn)速中大負(fù)荷TEST-3 工況、TEST-4 工況，不同噴油策略下比油耗和PN 排放對(duì)比分別如圖3、4 所示。

圖3 TEST-3 工況不同噴油策略下比油耗和PN 排放對(duì)比

由圖3a 和圖4a 可知，噴油壓力提高能夠降低比油耗；噴油提前角為320°CA BTDC 時(shí)，比油耗最低。由圖3b 和圖4b 可知，提高噴油壓力可以降低PN 排放，噴油提前角為300～320°CA BTDC 時(shí)，PN排放最低。和圖2 所示的TEST-2 工況相似，噴油提前角過(guò)大或過(guò)小，都有可能使PN 排放升高。噴油提前角加大對(duì)PN 排放的影響較弱，但在較高的噴油壓力（15～20 MPa）下，噴油提前角加大，可能使PN 排放有較大幅度的升高。

圖4 TEST-4 工況不同噴油策略下比油耗和PN 排放對(duì)比

依據(jù)比油耗、PN 和HC 排放以及可獲得的最小平均有效壓力變動(dòng)系數(shù)（原則上應(yīng)該小于5%）來(lái)優(yōu)化噴油提前角和噴油壓力，達(dá)到最低的燃油消耗率、較低的排放和較好的燃燒穩(wěn)定性。在提高噴油壓力時(shí)，最小噴油脈寬（Minimum Fuel Pulse Width，MFPW）應(yīng)大于400 μs，且不應(yīng)進(jìn)入非線性區(qū)域。優(yōu)化的冷機(jī)工況噴油提前角、暖機(jī)工況噴油提前角、噴油壓力分別如表5、表6、表7 所示。

表5 冷機(jī)工況噴油提前角θSOI 優(yōu)化MAP °CA BTDC

表6 暖機(jī)工況噴油提前角θSOI 優(yōu)化MAP °CA BTDC

表7 噴油壓力pf 優(yōu)化MAP MPa

從表5 和表6 可知，在相同測(cè)試點(diǎn)下，冷機(jī)工況噴油提前角較暖機(jī)工況減小約20°CA，這是因?yàn)槔錂C(jī)工況的重點(diǎn)是降低PN 排放，適當(dāng)減小噴油提前角可以降低PN 排放。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比冷機(jī)和暖機(jī)工況，可以得出如下結(jié)論：1）適當(dāng)提高噴油壓力可以有效降低PN 排放。2）通過(guò)優(yōu)化噴油提前角耦合較高的噴油壓力，可以降低比油耗、PN 和HC 排放。

3）在冷機(jī)工況下，噴油壓力和噴油提前角對(duì)PN排放和比油耗的影響趨勢(shì)一致，冷機(jī)工況噴油提前角比暖機(jī)工況減小約20°CA。適當(dāng)減小噴油提前角，可以降低PN 排放。

4）在冷機(jī)工況下，優(yōu)化噴油策略的重點(diǎn)應(yīng)是降低PN 排放。