某型渦輪增壓直噴汽油發動機燃油噴射系統布置分析與測試

李經道

（一汽海馬動力有限公司，海南海口570216）

某型渦輪增壓直噴汽油發動機燃油噴射系統布置分析與測試

李經道

（一汽海馬動力有限公司，海南海口570216）

闡述某型1.8 L增壓直噴汽油發動機燃油噴射系統布置的分析與測試的過程與結果。為了優化布置方案，測試了不同布置方案對整機各項性能的影響，特別是排放指標。

渦輪增壓直噴汽油發動機；燃油噴射；布置；排放

0 前言

為了配合與響應國家節能減排的長期發展戰略，各個主機廠都已將最先進的節能減排技術應用到新開發的發動機上。缸內直噴技術 （Gasoline Direct?Injection，GDI）是各個主機廠的主流技術方案，它能夠提高發動機的動力輸出、降低燃油消耗、減少尾氣排放。燃燒噴射系統是直噴發動機的核心部件，優化其布置能夠最大限度發揮直噴發動機的潛能，并滿足日益苛刻的環保法規要求。

1 燃油噴射的布置

車用燃油經整車燃油泵加壓后泵送到發動機的高壓燃油泵，經二次加壓達到燃油系統要求的工作壓力，再經油管與油軌輸送到燃油噴射系統的末端噴油器進行噴射。噴油器是燃油噴射的主要部件，通常直噴系統的噴油器布置有頂置、側置兩種方式，各自有不同的優缺點。根據不同的邊界條件、燃燒室結構形式來選擇合適的布置方式。

噴油器的選用與裝配參數基于優化后的噴油器油束布置，并與缸蓋的進排氣道匹配后確認最終設計方案，以獲得最佳的燃燒效果。直噴發動機燃燒室的整體布置設計涉及油束布置、高滾流比進氣道、活塞頂部形狀、氣門的位置與直徑、火花塞的位置與點火高度等，各種方案的組合都會影響到發動機的性能。典型的燃燒室布置簡圖見圖1。

噴油器的油束布置所涉及的參數包括：油束數量；角度；流量；噴油點以下一定距離的各個油束中心坐標。還要關注噴射油束的滲透距離、霧化直徑等指標。這些參數指標都是評估均質混合、濕壁、紊流、與活塞頂端凹坑的匹配、燃油稀釋的關注項。

圖2為典型的側置式5孔噴油器油束布置簡圖，可以看出在有限的空間內對各個參數進行設計與均衡是相當困難的。不能距燃燒室頂部太近，以避免負面效應，避免與進氣閥干涉。

根據油束布置的數學模型確定距離噴油器末端一定距離下的油束中心點坐標系。建立坐標系是為了使評估測試噴油器樣件實物與理論設計有統一的評價基準。油束布置要配合整個燃燒室的設計，油束的設計會最終影響到油氣的混合、碳氫化合物、顆粒物、燃油稀釋率與燃燒特性等指標。油束坐標系示意圖見圖3。

2 燃油噴射布置的測試

2.1 噴油器油束布置的測試

測試的目的是驗證燃油噴射的角度以及油氣的混合度、貫穿度，通過高清高速攝像系統采集噴射箱體內燃油噴射過程的圖形。

測試設備包括噴油器、噴射箱、噴油器安裝工裝、數字攝像機、數字視頻圖像處理系統，如圖4所示。采用符合規范要求的測試油液在標準噴射壓力下進行噴射，通過設定好的拍攝時間周期自動拍攝采集圖像數據。

以下的3個參數可以通過圖像采集獲取：

噴射油束的貫穿度 （見圖5）；

噴射油束的擴張角度 （見圖6）；

噴油油束的傾斜角度 （見圖6）。

在基準坐標系下對比油束理論設計與實測數據參數，評估設計目標達成度，同時可以衡量零件的特征參數的生產一致性。

2.2 油束布置對發動機性能影響的測試

測試的目的是驗證不同燃油噴射布置方案對整機性能與排放的影響，包括功率扭矩、比油耗、點火角、燃燒率與排放等指標。

測試在發動機整機上進行，測試設備包括發動機臺架、燃燒分析儀、各類信號采集傳感器、排放柜、配套的供水供油系統等。

歐6排放法規中加嚴了對于點燃式汽油直噴發動機的顆粒物個數與質量 （NP、mP）控制，直噴發動機 （DI）相對于傳統的氣道燃油噴射 （PFI）發動機 （從進氣歧管或缸蓋進氣管噴射燃料進入到燃燒室）顆粒物的排放是非常高的。為了在設計方案中選擇最優的噴油器，測試比較了3種 （方案一為7孔噴油器，方案二為小擴張角度噴油束6孔噴油器、方案三為大擴張角度噴油束6孔噴油器）不同設計的噴油器在全負荷及怠速下的各項參數指標。

圖7為各個轉速下全負荷 （WOT）的3種噴油器設計方案的功率、點火角、燃燒率 （θA＿150，定義為燃燒50%燃油質量的曲軸轉角）的對比，可以看出3種方案結果差異性很小。

圖8為各個轉速下全負荷 （WOT）的3種噴油器設計方案的比油耗 （BSFC）、每立方厘米顆粒物個數 （NP）、氮氧化物（mNOx）的對比，可以看出：在1 000～5 000 r／min內，3個噴油器的方案結果差異性不大，只是在5 000 r／min以上方案一的顆粒物排放比較高，但是都在開發目標限值之內。

綜合圖7與圖8：在全速全負荷的對比測試中，3種噴油器在1 000～5 000 r／min內差異不大，只是在5 000 r／min以上第1種噴油器的顆粒物排放稍高，但高轉速下的排放基本對歐6排放法規測試循環模式下的結果沒有影響。

圖9—13為怠速各個不同點火角下的各項排放指標，包括燃油消耗 （mFC）、 每立方厘米顆粒物個數 （NP）、 煙度（SM）、總碳氫化合物 （wTHC）、一氧化碳 （wCO）、 氮氧化物（wNOx）。

從圖9、圖10可以清楚看出：3種噴油器方案中，怠速各個不同點火角下的煙度、顆粒物質量對比結果，第1種噴油器最好，第3種噴油器次之，第2種噴油器相對最高；但燃油消耗量基本相當。

圖11—13顯示：怠速各個不同點火角下的3種噴油器方案氮氧化物值相當；第1種噴油器一氧化碳與總碳氫化合物的排放相對最低，第3種噴油器次之，第2種噴油器相對最差。

圖14是怠速各個不同點火角下的有效平均指示壓力變化率，此指標代表著怠速下的燃燒穩定性，變化率越小其穩定性越好，通常要求其變化率在20%以下。結果顯示：第1種設計方案的噴油器變化率較低且維持在穩定的水平，第2、3種噴油器在點火角較大時穩定性較差，已經在設計要求的臨界點左右。

為了綜合評估顆粒物、總碳氫化合物、一氧化碳、氮氧化物、燃燒穩定性與煙度各項指標，利用塔式圖的方法進行對比，如圖15所示：第1種噴油器的綜合指標最好，第3種噴油器次之，第2種相對最差。

3 結論

（1）在缸內直噴式汽油機燃油噴射系統設計過程中，CAD模擬設計與樣件實物噴射測試都是關鍵的設計驗證措施，缺一不可；

（2）缸內直噴式汽油機燃油噴射系統布置對于燃燒效果的影響很大，包括顆粒物、總碳氫化合物、一氧化碳、氮氧化物、燃燒穩定性與煙度等指標，特別是顆粒物數量與質量；

（3）缸內直噴式汽油機燃油噴射系統布置需匹配燃燒室的整體設計，并同時考慮進排氣的設計。

【1】胡軍軍，黃震，周龍保，等.缸內直噴式汽油機燃燒特性分析［J］.汽車工程，2003，25（6）：550－552.

【2】胡軍軍.采用兩種燃燒模式的缸內直噴式汽油機的排放和性能研究［D］.西安：西安交通大學，2001.

【3】周龍保.內燃機學［M］.北京：機械工業出版社，1999.

Testing and Layout Analysis for a Gasoline Turbo Charge Direct Injection Engine

LIJingdao
（FAW?Haima Ltd.，Haikou Hainan 570216，China）

To evaluate the fuel injection performance of a 1.8 L gasoline turbo charge direct injection engine，the fuel injection layout a?nalysis and the testing procedure and resultswere elaborated.In order to select the optimal solution，the engine performance and emission tests were conducted.

Gasoline turbo charge direct injection engine；Fuel injection；Layout；Emission

2015－04－19

李經道，學士，工程師，研究方向為發動機性能計算模擬、電噴系統開發等。E?mail：Jingdao.Li＠aliyun.com。