增壓直噴汽油機的噴油器匹配試驗研究

成海元　楊　陳　范子柱　尹建東　沈　源　王瑞平,2

（1-寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司浙江寧波315000 2-浙江吉利羅佑發動機有限公司）

增壓直噴汽油機的噴油器匹配試驗研究

成海元1楊陳1范子柱1尹建東1沈源1王瑞平1,2

（1-寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司浙江寧波315000 2-浙江吉利羅佑發動機有限公司）

為了滿足乘用車和輕型卡車對燃油經濟性和溫室排放氣體越來越嚴格的要求，缸內直噴技術已經成為越來越多汽油發動機廠家的選擇。眾所周知，相比進氣道多點噴射汽油發動機，缸內直噴汽油發動機會產生更多的顆粒排放物（PN）。即將在2017年推行的歐Ⅵ排放法規對PN做了嚴格的限制，如何降低發動機原始PN排放已成為各大汽油發動機廠家研發人員的首要任務。而缸內直噴汽油機由于早燃產生的超級爆震對發動機的破壞之大也迫使開發人員不得不在噴油器選型時加以權衡，同時，缸內直噴汽油機的機油稀釋風險遠高于進氣道噴射汽油機。基于以上考慮，使用標定軟件，通過多次噴射、改變噴油時刻等，對不同的噴油器進行硬件匹配驗證試驗，最終選出一款排放最低、早燃和機油稀釋風險最低的噴油器。

缸內直噴歐Ⅵ法規PN排放早燃機油稀釋

引言

增壓發動機采用缸內直噴技術可有效提高燃燒效率，改善燃油經濟性和排放，并提升發動機瞬態響應性［1］。同時，直噴發動機采用渦輪增壓技術實現了發動機的小型化，在低轉速區能獲得更高的扭矩輸出［2］。目前，增壓直噴發動機已經成為國內外各大發動機廠家的研究開發重點。但是，增壓直噴技術同樣面臨著諸多技術難題，由于汽油噴入缸內，相比混合氣在缸外形成的進氣道噴射，油氣混合時間短，以及燃油濕壁等因素造成其排放顆粒物較多；而隨著進氣量的增加，缸內壓力和溫度不斷提升，在低速段過高的扭矩需求容易引發隨機早燃［3］；機油稀釋現象雖然是發動機常見的現象，但在增壓缸內直噴汽油機上表現尤為明顯［4］；因此，在增壓缸內直噴汽油發動機開發過程中需著重考察以上三個主要方面的問題。

本文在對一款小型化增壓缸內直噴汽油發動機進行噴油器匹配過程中，通過研究三種噴油器在冷怠速的排放、低速早燃和機油稀釋等方面的表現，最終選出一款排放最低、早燃和機油稀釋風險最低的噴油器。

1　試驗背景

1.1試驗臺架

試驗所需發動機性能試驗臺架如圖1所示。

圖1　性能試驗臺架

試驗發動機的主要參數見表1。

表1　試驗發動機主要參數

1.2試驗測量設備

試驗使用的主要測試設備見表2。

表2　主要試驗設備

2　冷怠速工況研究

2.1試驗工況

在確定一款車型的冷啟動轉速時，不僅需要考慮催化器起燃的快速性，也要兼顧怠速抖動，而且匹配CVT和MT等不同的變速器時所需的發動機負荷也不同。因此，本文選用較常用的冷怠速工況對不同的噴油器進行試驗研究，即轉速為1 200 r/min，平均指示壓力為0.3 MPa，水溫為30℃。

2.2試驗方法

試驗共使用3種噴油器作為備選方案，三種噴油器的靜態流量相同。其中一種為5孔噴油器，代號為G1-5，兩種為6孔噴油器，代號分別為G1-6和G11-6。三種噴油器均使用相同的點火角度和氣門正時，此處不對氣門正時的優化進行贅述。冷怠速工況由于缸套和活塞溫度較低，多次噴射可降低噴油的貫穿距，進而降低濕壁的可能性。因此本實驗中三種噴油器均使用三次噴射的噴油策略，且將三次噴射的比例均設置為第一次44%，第二次44%，第三次12%。先后對三次噴油時刻進行掃點測試，得到每種噴油器的最低顆粒排放值。

2.3試驗結果及分析

對第一次噴油時刻進行掃點測試，如圖2所示，從整體趨勢來看，三種噴油器在越靠近上止點的位置噴油，PN排放越高，主要是由于噴油器在活塞接近上止點附近噴油，容易將油霧直接噴射在溫度較低的活塞上表面，燃燒不完全進而導致顆粒物排放增加。如果在壓縮上止點后480°CA噴油，由于第一次噴油結束與第二次噴油開始時間相距僅20°CA（4 ms），進入該噴油器的非線性區域（名義值≥3ms），導致噴霧效果變差，從而使PN排放升高；還有，噴油較遲會導致油氣混合不充分，顆粒物排放升高。基于此結果，可將三組噴油器的第一次噴油時刻設置為470°CA ATDC。五孔噴油器G1-5的PN排放最低。

圖2　掃描第一次噴油開始時刻

對第二次噴油結束時刻進行掃描，如圖3所示，第二次噴射時間越晚，則PN排放越高，主要原因為噴油時刻太滯后則油氣混合的時間縮短，混合不充分導致炭煙顆粒物產生。試驗結果表明，五孔噴油器G1-5和六孔噴油器G1-6的顆粒物排放幾乎處于同一水平，在500°CAATDC時兩者的顆粒物排放均最低。可將EOI2（第二次噴油結束時間）定在500°C A ATDC附近。另一六孔噴油器G11-6顆粒物排放較高。

圖3　掃描第二次噴油結束時刻

對第三次噴油結束時刻進行掃描，如圖4所示，試驗的大致趨勢表明，越滯后的噴油越容易導致油氣混合不佳，從而產生更多的顆粒物排放。在520° CA ATDC時，三者的顆粒物排放均較低，其中五孔噴油器G1-5的顆粒物排放最低為6.6×105個。可將第三次噴油結束時刻定在520°CA ATDC。

圖4　掃描第三次噴油結束時刻

綜上所述，冷怠速工況產生顆粒物排放較少的噴油器為G1-5和G1-6。由于整車冷機啟動階段和冷怠速階段是PN排放的主要來源，而歐Ⅵ試驗標準又進一步加強了對PN的限制。因此，基于G11-6在冷怠速PN排放上的不足，可據此否決G11-6方案。

3　低速早燃研究

3.1試驗邊界條件

低速早燃是增壓直噴汽油機上常見的一種不正常燃燒，一般發生在發動機低速大負荷工況。低速早燃發生時，缸內易引發超級爆震，缸內最高燃燒壓力驟升，嚴重時會造成發動機損壞，早燃發生時的缸壓情況如圖5所示。

實驗控制邊界條件：過量空氣系數為1.0，水溫為90±2℃，進氣溫度為25±2℃，中冷器出口溫度為30±2℃，燃油溫度為25±2℃。

3.2試驗方法

分別使用三種不同的噴油器，正式實驗開始前在轉速為3 000r/min，平均有效壓力為1 MPa的工況下運行30 min，清除缸內積碳。在低速最大扭矩點即轉速1 500 r/min全負荷工況，連續運行4小時。

發動機燃燒室經改造以安裝缸內壓力傳感器。用Kistler 6125B型缸內壓力傳感器測量各缸壓力，用AVL662型燃燒分析儀記錄缸內瞬態壓力并計算燃燒相位。試驗中設置缸壓限值為12 MPa，當監測到缸內壓力超過12 MPa時，燃燒分析儀觸發早燃事件，自動記錄下該循環缸壓的瞬態波動情況及前30個循環和后50個循環的缸壓數據。統計燃燒分析儀記錄的早燃次數，對試驗結果進行評估。

3.3試驗結果及分析

三種噴油器在同一臺發動機上，相同循環工況下早燃累計發生的次數表明，三種噴油器的早燃傾向均比較低（少于1次/h），其中五孔噴油器G1-5的早燃傾向最低，可作為優先選用該五孔噴油器的因素之一。

表3　三種噴油器早燃循環累計次數統計

4　機油稀釋研究

所謂機油稀釋，即燃油、不完全燃燒產物、機油氧化物及摩擦產生的不溶物等混入機油，造成機油粘度非正常下降，導致機油早期報廢的現象［5］。國際知名石油公司對于機油稀釋的評價標準各有不同，總體來說，一般以運動粘度變化率（使用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）作為評價準則［6］，如表4所示。

表4　機油稀釋檢測標準

4.1試驗方法和評價標準

發動機選取轉速2 500 r/min，全負荷工況，在水溫50℃下運行1 h，且分別使用三種不同的噴油器在三種過量空氣系數0.8/0.9/1.0下進行試驗驗證。研究開發目標為機油稀釋≤5%。

4.2試驗結果及分析

表5為三種噴油器在三種不同過量空氣系數下的試驗結果。

表5　三種噴油器機油稀釋水平%

試驗結果表明，越小的過量空氣系數將導致越嚴重的機油稀釋。與預想的結果所不同的是，由于三種噴油器的靜態流量一致，因此五孔噴油器G1-5的貫穿距比六孔噴油器長，從濕壁方面和油氣混合方面考慮，5孔噴油器的機油稀釋風險應高于六孔噴油器。但試驗結果顯示五孔噴油器的機油稀釋水平更好。

5　結論

本文對一款小型化增壓缸內直噴汽油發動機進行噴油器匹配，通過對冷啟動顆粒物排放、低速早燃和機油稀釋的試驗研究發現，G1-5和G1-6兩種噴油器在冷怠速工況下的顆粒物排放水平較好；三種噴油器的早燃傾向在同一水平，其中G1-5噴油器的早燃傾向最低；三種噴油器的機油稀釋均滿足機油稀釋≤5%的目標，其中G1-5噴油器機油稀釋水平最優。基于以上結果，將五孔G1-5噴油器定為該發動機的最終噴油器。

1Bandel W，Fraidl GK，Kapus P E，et al.The turbocharged GDI engine：boosted synergies for high fuel economy plus ultralow emission［C］.SAE Paper 2006-01-1266

2Welling O，Moss J，Williams J，et al.Measuring the impact of engine oils and fuels on low-speed pre-ignition in downsized engines［C］.SAE Paper 2014-01-1219

3楊友文，周舟，劉紅美，等.發動機機油對增壓直噴汽油機低速隨機早燃的影響［J］.內燃機工程，2015（4）：58-61

4賈殿臣，王凱，劉佳慶，等.探究增壓直噴機型機油稀釋的影響因素及解決方法［J］.小型內燃機與車輛技術，2014，43（4）：24-28

5吳清泉，馬巖，劉軍，等.內燃機車的機油稀釋問題［J］.內燃機車，1999（2）：8-12

6Md.Ehsan，Md.Mahmudur Rahman，Hasan Saadi.Effect of fuel adulteration on engine crankcase dilution［J］.Mechanical Engineering，2010，41（2）：114-120

Injector Optimization of Turbocharged Gasoline Direct Injection Engine

Cheng Haiyuan1，Yang Chen1，Fan Zizhu1，Yin Jiandong1，Shen Yuan1，Wang Ruiping1，2
1-Ningbo Geely Royal Engine Components Co.，Ltd.（Ningbo，Zhejiang，315000，China）2-Zhejiang Geely Royal Engine Co.，Ltd.

GDI engines have become an attractive option for light-duty vehicles to satisfy requests for fuel efficiency improvement and green house gas emission reduction.While compared to port fuel injection（PFI）engines，GDI engines are known to emit much more particle emissions.The coming Euro 6 standard required strict PN emission has become a Top1 task for auto maker.Because of the destructive power caused by pre-ignition in TGDI engine，we have to pay more attention to it.At the same time，oil dilution problem should also be taken into consideration.This paper investigated the engine control parameter and compared injector alternatives to get minimum PN emission，which also guarantee low pre-ignition tendency and low oil dilution performance.

Direct injection，High pressure supply，EU6 legislation，Particle number，Pre-ignition，Oil dilution

TK413.8+.4

A

2095-8234（2016）03-0025-04

成海元（1988—），男，助理工程師，大學本科，主要研究方向為燃燒系統開發。

2016-04-19）