減小噴油器孔徑對PFI發動機性能影響的研究

劉黎敏　張梓龍　董　喬　張　帥　王　偉（1-長城汽車股份有限公司技術中心　河北 保定　071000　2-河北省汽車工程技術研究中心）

減小噴油器孔徑對PFI發動機性能影響的研究

劉黎敏1，2張梓龍1，2董喬1，2張帥1，2王偉1，2
（1-長城汽車股份有限公司技術中心河北 保定0710002-河北省汽車工程技術研究中心）

在一款1.0 L氣道噴射增壓汽油機上進行負荷特性、冷起動排放及機油稀釋試驗，驗證減小噴油器孔徑對發動機性能的影響。研究結果表明：噴孔直徑減小，發動機外特性功率最大提升4.6%，扭矩最大提升4.5%，外特性油耗均有所降低，百公里油耗（計算）降低0.65%，冷起動前40 s內THC平均排放降低23.63%，CO平均排放降低1.12%，NOχ平均排放降低13.48%，機油稀釋試驗中機油含量及機油運動粘度變化率無明顯改善。

氣道噴射 增壓汽油機 噴孔直徑 負荷特性 冷起動排放 機油稀釋

引言

在全球氣候日益變暖的今天，節能減排已成為汽車行業長遠發展的必然趨勢與選擇，油耗及排放也將是發動機制造的核心競爭力。噴油器作為發動機的重要部件，接受ECU的噴油脈沖信號，將燃油精準地噴射入發動機，其特性參數直接影響著發動機的動力性、燃油經濟性以及排放等，其中噴油器孔徑決定燃油霧化，影響發動機燃燒性能。根據Ricardo經驗公式，分析影響發動機性能的因素可知，在保證噴油器流量特性、噴油壓力等其他特性參數不變的條件下，減小噴油器孔徑，相應SMD粒子直徑減小，繼而提高燃油的霧化性能，促進燃油蒸發與空氣的混合，從而使燃燒更加完全，發動機熱效率得到提高。式中：Dsmd—噴射燃油破碎后的粒子直徑，μm；

dc—噴油器噴孔直徑，μm；

△P—燃油噴射前后壓力差，Pa。

本文以一款1.0 L氣道噴射增壓汽油機為例，從發動機動力性、經濟性、冷起動排放及機油稀釋多方面分析減小噴油器孔徑對發動機性能影響。

1　理論分析

噴油器實際上是一個電磁閥，電子控制裝置（ECU）發出的指令信號可將噴油器頭部的針閥打開，將準確配劑的定量汽油霧化成細微的油滴提供燃燒。

PFI即氣道噴射發動機，噴油器提供燃油噴入發動機進氣道，與進氣歧管吸入的新鮮空氣形成混合氣后，進入燃燒室參與燃燒并輸出動力。

減小噴油器孔徑，噴射燃油碎裂后的粒子直徑減小，與周圍空氣接觸的蒸發表面積變大，加速從空氣中吸熱過程和油滴的汽化過程，以便與氣道內的新鮮空氣充分混合，從而使燃燒更加完全，動力性、經濟性明顯提升。

噴油器孔徑減小，同時保證噴油器流量特性、噴油壓力等參數不變，噴油器孔數必然增加，噴孔位置也將發生變化，繼而導致油束夾角相應會發生變化。因此重新校核試驗噴油器油束與發動機進氣道匹配情況，發現油束與進氣道上壁距離僅0.5 mm（見圖1）（要求＞3 mm）。

圖1　發動機油束與氣道匹配校核結果

解決油束與氣道匹配問題，可以從更改缸蓋進氣道和噴油器安裝孔位置兩方面著手進行。鑒于更改缸蓋氣道方案周期較長且成本投入較大，現通過調整噴油器安裝孔位置（見圖2），使油束與氣道達到最佳匹配。

圖2　噴油器調整方案

PFI發動機因其混合氣的形成方式，在前期試驗中發現，機油稀釋問題的發生較為普遍。所謂機油稀釋［1］，即燃燒不完全產物、機油氧化物及摩擦產生的不溶物等通過非正常渠道進入機油，使機油粘度非正?？焖傧陆?，導致摩擦副潤滑不足，機油壽命降低提前報廢的現象。噴油器孔徑減小后，燃油霧化效果提升，燃料得以充分燃燒，燃燒的不完全產物明顯減少，機油稀釋現象可以得到改善。

發動機的排放物主要為HC、CO、NOχ，其中HC為主要排放物［2］。研究發現［3］，汽油機冷起動的平均HC排放是熱怠速時的8～13倍，占到總測試循環HC排放的60%～80%。冷起動過程HC排放在整個NEDC運行工況的HC排放中占有很大比例（見圖3），該過程三元催化器還未發揮作用，且發動機冷起動過程中水溫較低。因此有效控制冷起動過程中HC排放，是改善發動機循環工況排放的關鍵所在。

圖3　車速、水溫與HC排放的對應關系

2　試驗設備

現策劃在一臺PFI發動機上，使用兩款不同孔徑噴油器進行試驗，驗證減小噴油器孔徑對發動機動力性、經濟性、冷起動原始排放和機油稀釋的改善效果。

2.1發動機

試驗發動機工作狀態良好，能精確計算進氣量、噴油量，試驗提供滿足發動機需求的燃油壓力。發動機參數如表1所示。

表1　試驗發動機主要參數

2.2噴油器

原機采用6孔噴油器，噴孔直徑為265.2 um（見圖4）。為改善燃油霧化效果，提升排放水平，并保證噴油器流量特性、噴油壓力等其他特性參數不變，將噴孔直徑減小為210 um，噴孔數量增加為10個（見圖5），為確保噴霧錐角及噴油落點不變，其噴孔位置均位于孔板兩側。

圖46　孔噴油器

圖5　10孔噴油器

3　試驗內容及評價方法

3.1試驗內容

在保證臺架、ECU數據均一致的前提下，使用同一臺發動機分別進行6孔和10孔噴油器驗證，采集試驗數據并進行負荷特性、冷起動原始排放及機油稀釋試驗對比。

3.2冷起動試驗評價方法

發動機冷起動工況下的原始排放測試在發動機臺架上進行，試驗裝置如圖6所示。試驗裝置主要包括發動機、測功機、發動機測控系統Puma1.4、排放分析儀。排放分析儀型號為HORIBA MEXA-7100EGR。

圖6　試驗裝置示意圖

發動機冷起動排放試驗方法及結果按照如下標準進行評價：發動機在冷機狀態下起動，以怠速工況運行，采集排氣管內的原始排放，以冷起動中HC、CO、NOχ的排放峰值及前40 s的累積積分（從發動機轉速＞0開始算起）大小進行衡量。

3.3機油稀釋試驗評價方法

發動機更換全新機油，在發動機需評價的工況點運行2 h后，機油壓力穩定不變，此時可認為機油稀釋量和汽油的揮發量達到平衡，停機對機油進行收集并檢測。國際知名石油公司對于機油稀釋的評價標準各有不同，一般均以運動粘度變化率（試驗后機油與全新機油的運動粘度之比）及機油稀釋率（汽油含量）為評價準則。當兩項參數超過表2的限值后，就可認定出現機油稀釋問題。

表2　機油稀釋評價標準

4　試驗結果及分析

4.1功率、扭矩及油耗

取發動機負荷特性中若干轉速點的外特性功率、扭矩進行對比（見圖7），可以看出10孔噴油器較6孔噴油器：功率最大提升4.6%，扭矩最大提升4.5%。

圖7　外特性功率、扭矩對比

取2 000 r/min、3 200 r/min外特性油耗進行對比（見圖7），可以看出該轉速下10孔噴油器油耗較6孔噴油器均有所降低：2 000 r/min除平均有效壓力1 MPa、16 MPa、19 MPa外（見圖8），3 200 r/min除平均有效壓力0.2 MPa外（見圖9），其余工況點10孔噴油器均優于6孔噴油器（圖8、圖9為10孔與6孔油耗的差值）。

圖8　2 000 r/min負荷特性油耗

圖9　3 200 r/min負荷特性油耗

鑒于10孔噴油器在外特性油耗中體現的明顯優勢，采集發動機萬有特性數據并導入CAE Cruise模型，模擬發動機搭載整車進行NEDC循環，計算百公里油耗結果（見圖10），10孔噴油器較6孔噴油器油耗降低0.65%。

結果分析：

圖10　百公里油耗對比

噴油器流量特性、噴油壓力等特性參數均不改變，噴孔數量由6孔增加為10孔，單孔孔徑減小，SMD粒子直徑減小，與周圍空氣充分接觸，吸熱和汽化過程加速，以便與氣道內新鮮空氣充分混合，從而使燃燒更加完全，動力性、經濟性明顯提升。

4.2冷起動排放結果

發動機起動前40 sTHC排放積分（見圖11），10孔噴油器較6孔噴油器平均降低12.78%，起動THC排放峰值（見圖12），10孔噴油器較6孔噴油器平均降低23.63%，發動機前40 sTHC排放曲線見圖13。

圖11　THC前40 s排放積分對比

圖12　THC排放峰值對比

圖13　前40 sTHC排放曲線對比

發動機起動前40 sCO排放積分（見圖14）：10孔噴油器較6孔噴油器平均降低16.44%，起動CO排放峰值（見圖15），10孔噴油器較6孔噴油器平均降低1.12%，前40 sCO排放曲線見圖16。

圖14　CO前40 s排放積分對比

圖15　CO排放峰值對比

圖16　前40sCO排放曲線對比

發動機起動前40 sNOχ排放積分（見圖17），10孔噴油器較6孔噴油器平均降低1.21%，起動NOχ排放峰值（見圖18），10孔噴油器較6孔噴油器平均降低13.48%，前40 sNOχ排放曲線見圖19。

圖17　NOχ前40 s排放積分對比

圖18　NOχ排放峰值對比

圖19　前40 sNOχ排放曲線對比

結果分析：

從冷起動階段排放曲線（見圖13、圖16、圖19）可以看出，HC、CO、NOχ排放峰值均出現在前40s之內，其中HC、CO為主要排放物。冷起動開始階段混合氣低溫反應能量較小，反應物化學鍵難以斷裂，缸內燃燒非常不穩定，同時發動機水溫較低，且噴油器噴射壓力低，使得燃油蒸發霧化效果差［4］。噴油器孔徑減小后SMD粒子直徑減小，吸熱汽化過程加速，霧化效果明顯增強，油氣的充分均勻混合保證燃料最佳的燃燒效果，從而減少HC、CO、NOχ排放［5-6］。

4.3機油稀釋結果

在試驗發動機上分別使用6孔和10孔噴油器進行機油稀釋驗證試驗，在機油含量及機油運動粘度變化率方面，兩款噴油器機油稀釋現象無明顯差別（見圖19）。

圖20　噴油器機油稀釋效果對比

結果分析：

由于機油稀釋的根本原因為燃油進入到機油導致機油粘度下降，因此可以斷定，當發生機油稀釋問題時，并非所有燃油都參與燃燒，必定會有部分未參與燃燒的燃油通過各部渠道最終進入到機油中。由兩款噴油器機油稀釋結果可知，雖然10孔噴油器較6孔噴油器在燃油霧化方面明顯改善，但對機油稀釋問題并未做出任何貢獻。

在發動機負荷特性、冷起動原始排放和機油稀釋試驗驗證中，10孔噴油器較6孔噴油器：

1）發動機外特性功率最大提升4.6%，扭矩最大提升4.5%；

2）2000r/min、3 200 r/min外特性油耗均有所降低；

3）百公里油耗（模擬計算）降低0.65%；

4）冷起動前40sTHC排放積分平均降低12.78%，排放峰值平均降低23.63%；

5）發動機起動前 40sCO排放積分平均降低16.44%，排放峰值平均降低1.12%；

6）發動機起動前40sNOχ排放積分平均降低1.21%，排放峰值平均降低13.48%；

7）機油稀釋試驗中機油含量及機油運動粘度變化率無明顯差別。

4　結論

減小噴油器孔徑，改善了燃油霧化效果，使形成的混合氣更均勻并得以充分燃燒，發動機功率、扭矩得到提升，外特性油耗及百公里油耗有明顯降低，同時使冷起動時燃油蒸發效果得到改善，排放水平明顯提升，但燃油霧化效果的提升對機油稀釋現象并未有任何改善。

1吳清泉，馬巖，劉軍.內燃機車的機油稀釋問題［J］.內燃機車，1999（2）：8-12

2張梓龍，李克俊，李輝，等.降低乘用車增壓汽油機HC排放的研究［J］.內燃機工程，2014（5）：6-11

3周龍保.內燃機學［M］.北京：機械工業出版社，2005

4Alkidas A C.Combustion advancements in gasoline engines ［J］.Energy Conversion and Management，2007，48:2751-2761

5吳建華.汽車發動機原理［M］.北京：機械工業出版社，2009

6張錫朝，楊濱.汽油機冷起動過程的HC排放［J］.山東內燃機，2003（4）：9-31

Research on the Influence of Reducing the Injection Inner Diameter on Performance of PFI Engine

Liu Limin1，2，Zhang Zilong1，2，Dong Qiao1，2，Zhang Shuai1，2，Wang Wei1，2
1-Technical Center，Great Wall Motor Co.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）
2-Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center

The load characteristics，cold start emissions and engine oil dilution test were carried out for an 1.0 L PFI turbocharged gasoline engine，via which the injector aperture's influence on engine performance was verified.Research results show that，while the injector aperture decreases，engine power increased maximumly by 4.6%，torque maximumly increased by 4.5%，fuel consumption are reduced during external characteristic.At the same time，the fuel consumption per 100 kilometers（calculated）decreased by 0.65%. THC emissions decreased by 23.63%，CO emission decreased by 1.12%，and NOχemission decreased by 13.48%at the first 40s during the cold start.The oil content and oil viscosity change rate have no improvement obviously during the oil dilution test.

PFI，Turbocharged gasoline engine，Spout diameter，Load characteristics，Cold start emissions，Oil dilution

TK411+.24

A

2095-8234（2016）01-0010-06

劉黎敏（1987-），女，學士，主要從事發動機性能的提升與優化工作。

2015-10-06）