GDI發動機二次噴射策略對油耗和排放影響的試驗研究

張偉，何博，朱素偉，錢冬羽，付帥飛，高圓圓

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

1 前言

隨著我國經濟建設飛速發展，汽車工業技術也在日益提高，對汽車行業的研究也在日益深入。大氣污染日益成為全球關注話題，在對發動機排放生成的探索過程中，發現采用二次噴射對其有著重要影響。GDI發動機通過二次噴射，部分負荷的燃燒穩定性、燃油經濟性及排放等都有顯著改善。

本文對某款GDI發動機進行二次噴射掃點試驗，通過改變二次噴射比例和二次噴油時刻，觀察發動機油耗率和排放的變化規律。

2 試驗設備及方法

樣機為自主開發的某款直噴增壓汽油發動機，使用 AVL臺架設備。通過AVL缸壓傳感器和角標儀采集缸壓信號和曲軸信號，使用INCA進行參數控制及數據采集，通過Indicom分析燃燒數據。

試驗工況為2800rpm，BMEP=13.5bar。首先確定一次噴射的起始時刻為300°CA（一次、二次噴油時刻均為基于點火上止點前的角度），調節二次噴射燃油比例（10%、20%、30%、40%、50%）和二次噴油時刻（40、60、80、100、120、140°CA）。由于噴油控制有最小脈寬要求，二次噴射比例最好不超過一次噴射，所以二次噴射比例掃點范圍為10-50%。二次噴油時刻則基于最優點附近掃點。

3 試驗結果及分析

3.1 二次噴射對油耗的影響

如圖1所示，隨著二次噴射對應角度的增大，整體油耗率先下降再上升，在120°CA出現拐點。此時20%比例的油耗率最低，缸內混合均勻，燃燒穩定。

隨著二次噴射比例增大，在100°CA以前油耗率整體呈現上升趨勢，在120°和140°CA時20%噴射比例的油耗率最低。次噴是在較短時間內進行的油氣混合，燃油的霧化時間短，二次噴射比例越大，混合的越不充分，霧化效果較差，導致燃燒和燃油經濟性變差。

圖1 二次噴射對油耗率的影響

3.2 二次噴射對煙度的影響

如圖 2所示，二次噴射比例在 10-50%范圍內，噴射比例對煙度值的影響較小。隨著噴油時刻的減小，即活塞處于上行壓縮行程，由于噴射過晚會導致混合時間過短，燃油霧化、混合不充分，導致在二噴時刻40°CA時，煙度值明顯升高。二次噴射時刻越小，活塞濕壁風險越大，也會導致煙度值的大幅上升。

圖2 二次噴射對煙度的影響

3.3 二次噴射對NOx的影響

如圖三可以看出，隨著二噴比例的增大，NOx整體呈現下降趨勢。隨著二噴的比例增大，噴油量增多，燃油蒸發降低燃燒室溫度，NOx值下降。

隨著噴油時刻的增大，活塞壓縮促進混合氣形成，促進良好的燃燒，燃燒溫度升高，NOx值上升。

圖3 二次噴射對NOx的影響

3.4 二次噴射對CO的影響

如圖4所示，隨著二次噴射比例增大，CO值增大。因為二次噴射比例增大，混合不均勻，燃燒不充分，易形成CO。隨著噴油時刻的增大，二次噴射的混合時間增加，混合更充分，CO整體降低。

圖4 二次噴射對CO的影響

3.5 二次噴射對HC的影響

如圖5所示，隨著二次噴射比例增大，HC值減小，在40%比例時候出現拐點，隨著比例繼續增大有上升趨勢。隨著噴油時刻增大，HC值呈上升趨勢，在120°CA后減緩。

圖5 二次噴射對THC的影響

圖6 二次噴射對渦前溫度的影響

進氣滾流在缸內作垂直方向旋轉，在適當的曲軸轉角進行二次噴油，油滴經過破碎、蒸發等過程，能量減弱后隨滾流運動，此時正值最佳點火時刻，燃燒穩定迅速，熱能轉換效率提高。試驗數據也表明，隨著二次噴射值增大，噴油提前，燃燒相對提前，燃燒更充分，排溫降低。說明此時的二次噴射時刻有利于缸內燃燒。但是與此同時，較低的排溫降低了對實際燃燒中殘留未燃燒HC的氧化能力，呈現出動力、經濟性的提升，HC排放卻惡化的反向規律。

4 結論

a）適當的二次噴射策略有利于提升發動機經濟性、降低油耗率，偏離最優二次噴油時刻油耗率上升；

b）二次噴射的比例和噴油時刻影響混合氣的形成，對發動機排放影響較大；可燃混合氣形成的優劣程度，直接影響燃燒和排放中炭煙生產，過晚易致燃油濕壁，炭煙排放激增；

c）二次噴射影響缸內溫度，從而影響NOx的生成；

d）二次噴射影響缸內混合氣的形成，影響燃燒過程，可通過優化策略控制CO和HC排放。