電控活塞冷卻噴嘴對(duì)油耗及排放影響研究

夏朝輝 王曉麗 云 非 侯 麗 尹建東 王瑞平，2

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315336 2-浙江吉利動(dòng)力總成有限公司）

引言

隨著國(guó)家排放及油耗法規(guī)越來(lái)越嚴(yán)格，發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)也在不斷革新，催生了發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的電氣化及精確控制?；钊鋮s噴嘴也從之前的機(jī)械式噴嘴（柱塞式機(jī)械噴嘴或球閥式機(jī)械噴嘴）演變出來(lái)采用電控閥控制的電控噴嘴[1]。

本文從電控活塞冷卻噴嘴的節(jié)油和降排原理以及在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行的試驗(yàn)，來(lái)闡述其對(duì)油耗及排放影響。

1 電控活塞冷卻噴嘴節(jié)油原理

本節(jié)從一款典型的采用二級(jí)可變排量機(jī)油泵的汽油機(jī)來(lái)闡明電控活塞冷卻噴嘴相對(duì)于機(jī)械噴嘴的節(jié)油原理（圖1 上數(shù)值僅供示意用）。

圖1 節(jié)油原理圖

線a：發(fā)動(dòng)機(jī)外特性線

線b：變排量機(jī)油泵高低壓切換線&機(jī)械噴嘴開(kāi)啟關(guān)閉分界線

根據(jù)機(jī)械噴嘴的特性，低壓模式下，機(jī)械噴嘴關(guān)閉。高壓模式下，機(jī)械噴嘴開(kāi)啟。

線c：電控活塞冷卻噴嘴開(kāi)啟關(guān)閉分界線

曲線c 為根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)爆震邊界，標(biāo)定出來(lái)的最佳油耗時(shí)電控噴嘴開(kāi)啟/關(guān)閉邊界曲線（示意，具體數(shù)值根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)具體標(biāo)定）。曲線以下工況，關(guān)閉噴嘴油耗最低。曲線以上工況，開(kāi)啟噴嘴油耗最低。

從圖1 可以看出：①機(jī)械噴嘴同電控噴嘴在低速小負(fù)荷時(shí)都是關(guān)閉的特性，在高速大負(fù)荷時(shí)，都是開(kāi)啟的特性。②在低速中大負(fù)荷和高速小負(fù)荷時(shí)，機(jī)械噴嘴同電控噴嘴的控制是有差異的，這個(gè)區(qū)間就是電控噴嘴比機(jī)械噴嘴省油的工況。

2 電控活塞冷卻噴嘴減排原理

發(fā)動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)階段，為了縮短發(fā)動(dòng)機(jī)油壓建立時(shí)間，機(jī)油泵通常要運(yùn)行在高壓模式一段時(shí)間。這個(gè)時(shí)候如果采用機(jī)械活塞冷卻噴嘴的話，由于油壓高將會(huì)開(kāi)啟噴油，對(duì)活塞進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。而此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)本身還未充分熱機(jī)，活塞溫度也比較低，此時(shí)冷卻的話，將導(dǎo)致燃燒室溫度過(guò)低，燃燒不完全，HC 及CO 及碳顆粒增加。特別是在冬天，啟動(dòng)時(shí)機(jī)油溫度很低。此時(shí)，噴嘴噴油將加劇燃燒的惡化，使排放更差[2]。

采用電控活塞冷卻噴嘴，可在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)階段主動(dòng)關(guān)閉噴嘴，來(lái)降低對(duì)活塞的冷卻，保證活塞能夠更快地升溫，從而使燃燒室更快地達(dá)到正常工作溫度，降低HC、CO 及碳顆粒等排放物[3]。

3 活塞冷卻噴嘴開(kāi)關(guān)對(duì)比試驗(yàn)

為了實(shí)測(cè)電控活塞冷卻噴嘴對(duì)油耗及排放的影響，特在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 試驗(yàn)邊界條件

測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)如表1 所示。

表1 測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

3.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)油耗對(duì)比測(cè)試

分別測(cè)試不同工況點(diǎn)開(kāi)啟活塞噴嘴和關(guān)閉活塞冷卻噴嘴的最佳油耗（調(diào)整相應(yīng)點(diǎn)火角），并對(duì)油耗差異進(jìn)行對(duì)比，來(lái)研究噴嘴開(kāi)關(guān)對(duì)油耗的影響。

3.1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)排放對(duì)比測(cè)試

分別測(cè)試WLTC 循環(huán)下開(kāi)啟活塞噴嘴和關(guān)閉活塞冷卻噴嘴的排放數(shù)值，并對(duì)排放結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，來(lái)研究噴嘴開(kāi)關(guān)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 油耗影響分析

圖2 所示為發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)開(kāi)發(fā)工況點(diǎn)的油耗對(duì)比分析：發(fā)動(dòng)機(jī)在低速小負(fù)荷工況下，關(guān)閉活塞冷卻噴嘴將帶來(lái)約1 g/（kW·h）的油耗收益，在中高速大負(fù)荷工況下，開(kāi)啟活塞冷卻噴嘴將帶來(lái)約1.5 g/（kW·h）的油耗收益。

圖2 熱力學(xué)開(kāi)發(fā)工況點(diǎn)油耗對(duì)比

圖3 所示為1 500 r/min-無(wú)EGR 工況點(diǎn)油耗對(duì)比分析：發(fā)動(dòng)機(jī)在1 500 r/min 小負(fù)荷工況下（BMEP 0.6 MPa 以下），開(kāi)啟或關(guān)閉活塞冷卻噴嘴對(duì)油耗影響不大。在BMEP 0.6 MPa 以后，隨著負(fù)荷的增加，開(kāi)啟活塞冷卻噴嘴帶來(lái)的油耗收益將逐漸增加，在1.2 MPa 時(shí)達(dá)到了17.2 g/（kW·h）的油耗收益。

圖3 1 500 r/min-無(wú)EGR 工況點(diǎn)油耗對(duì)比

圖4 所示為2 000 r/min-無(wú)EGR 工況點(diǎn)油耗對(duì)比分析：發(fā)動(dòng)機(jī)在2 000 r/min 小負(fù)荷工況下（BMEP 0.9 MPa 以下），開(kāi)啟或關(guān)閉活塞冷卻噴嘴對(duì)油耗影響不大。在BMEP 0.9 MPa 以后，隨著負(fù)荷的增加，開(kāi)啟活塞冷卻噴嘴帶來(lái)的油耗收益將逐漸增加，在1.5 MPa 時(shí)達(dá)到了25 g/（kW·h）的油耗收益。

圖4 2 000 r/min-無(wú)EGR 工況點(diǎn)油耗對(duì)比

圖5 所示為2 500 r/min-無(wú)EGR 工況點(diǎn)油耗對(duì)比分析：發(fā)動(dòng)機(jī)在2 500 r/min 小負(fù)荷工況下（BMEP 0.9 MPa 以下），開(kāi)啟或關(guān)閉活塞冷卻噴嘴對(duì)油耗影響不大。在BMEP 0.9 MPa 以后，隨著負(fù)荷的增加，開(kāi)啟活塞冷卻噴嘴帶來(lái)的油耗收益將逐漸增加，在1.8 MPa 時(shí)達(dá)到了10.8 g/（kW·h）的油耗收益。

圖5 2 500 r/min-無(wú)EGR 工況點(diǎn)油耗對(duì)比

3.2.2 排放影響分析

如圖6～圖8 所示，展示了WLTC 循環(huán)排放測(cè)試中，THC,CO 和PC 碳顆粒排放的瞬時(shí)值及累積值?？梢钥闯鲫P(guān)閉噴嘴比開(kāi)啟噴嘴排放值低，其累積值主要差異在前120 s 形成（發(fā)動(dòng)機(jī)冷機(jī)階段），其最終差異在25%左右。

圖6 WLTC 循環(huán)THC 測(cè)試結(jié)果

圖7 WLTC 循環(huán)CO 測(cè)試結(jié)果

圖8 WLTC 循環(huán)PC 碳顆粒測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

1）在低速中大負(fù)荷和高速小負(fù)荷時(shí)，電控噴嘴比機(jī)械噴嘴省油。

2）采用電控活塞冷卻噴嘴，可在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)階段，降低HC、CO 及碳顆粒等排放物。

3）從臺(tái)架油耗測(cè)試結(jié)果可以看出開(kāi)啟噴嘴和關(guān)閉噴嘴在各個(gè)工況下的油耗差異值，從而可以間接反映出電控噴嘴和機(jī)械噴嘴在差異控制工況下油耗改善。

4）從臺(tái)架排放測(cè)試結(jié)果可以看出關(guān)閉噴嘴比開(kāi)啟噴嘴排放值低，其累積值主要差異在前120 s 形成（發(fā)動(dòng)機(jī)冷機(jī)階段）。