新型汽油機雙噴嘴系統噴霧概念的開發

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0 前言

近年來，汽油直噴系統開發進展的重點是增壓小型化和稀薄燃燒。與此同時，由于全球汽車保有量的日益增長，對適應各種燃料的燃燒系統進行開發也是發展方向，A、B級車搭載的結構簡化型發動機性能得到了提升[1-4]。

為了滿足未來小型發動機的要求，有必要開發一種多點噴射(MPI)系統來應對未來的顆粒物(PM)/顆粒數(PN)帶來的排放挑戰。開發了一種MPI雙噴嘴系統(指對著每個進氣門有獨立的噴嘴噴射燃油，即1個氣缸內有2個進氣門和2個噴嘴的MPI噴射系統)。可以模擬直噴系統的混合氣形成，憑借高進氣效率在缸內形成噴霧，同時保留了MPI系統的油氣均勻混合的優點。闡明了傳統MPI單噴嘴系統的混合氣形成，特別是在開閥噴射過程中均質混合氣的形成，并提出了MPI雙噴嘴系統概念。指出了在該系統中采用開閥噴射需要考慮進氣流動和良好的霧化。最后，本文提出了一種新MPI系統，其噴孔具有獨特的霧化結構，其噴霧形態也得以優化。

1 方法

1.1 MPI發動機PM排放特性分析

鑒于未來排放法規重點可能在PM上，因此研究人員進行了關于PM排放特性的發動機試驗和分析。試驗中使用了Cambustion DMS500 顆粒分析儀，可以提供基于時域的顆粒尺寸和數量分布。

有研究指出，由于燃油濕壁，混合氣長時間處于過濃燃燒狀態，則PM會不斷地聚集導致顆粒直徑變大。另一方面，已證實濃混合氣燃燒分布于整個燃燒室，而不是集中在某個特定的地方。因此，如果沒有聚集，PM直徑往往就很小。相關文獻研究了實際燃燒室中混合氣的形成，以及對PM排放顆粒直徑的影響。

1.2 實際噴霧分析

為了量化噴霧特性，采用了DANTEC PDA儀器用于噴霧粒徑分析，光散射法(激光片)測試噴霧分布，以及Photron 高速攝像機觀察噴霧發展歷程。

1.3 混合氣形成分析

應用計算流體動力學(CFD)方法分析驗證了實際發動機混合氣形成特性的模型精度。分析采用了Convergent Science 公司的CONVERGE 軟件。表1列出了本研究中的CFD條件。

表1 本研究中的CFD條件

噴霧模型精度一直被認為是CFD分析中的重要內容。由于本文提出的霧化結構是電裝獨有的技術，研究人員認為使用軟件中自帶的噴霧模型將導致其與試驗結果不匹配。因此，為了保證CFD分析中的噴霧精度，將噴霧特性的物理量(顆粒直徑、初始速度、分布、噴霧方向等)作為初始值。

圖1給出了3種不同噴霧形態的建模示例。通過與圖中紅線的測量值的比較，可以認為，在圖中藍線所示的噴霧特性計算值，包括貫穿距和噴霧角度的計算值具有足夠的精度。

圖1 噴霧形態建模

2 新MPI發動機概念的開發

2.1 MPI發動機PM排放特性

表2給出了2輛搭載有MPI發動機(自然吸氣和渦輪增壓)車輛的參數。車輛測試基于對排放要求更嚴格的全球統一輕型試驗循環(WLTC)。

表2 試驗發動機參數(量產型)

圖2展示了典型工況下顆粒排放的數量和粒徑分布隨時間變化的結果，包括：冷起動、冷機加速、熱機行駛和熱機高速大負荷。

圖2 WLTC試驗PM排放特性

對于增壓發動機，因為從低速狀態到中速霧化狀態，期間有足夠的時間，可以推斷較小直徑的PM源于燃油加濃控制，而不是由于噴霧效果差。由于氣道和缸壁燃油濕壁而造成燃油輸送延遲，于是發動機控制系統對混合氣進行加濃補償。自然吸氣和增壓這兩種發動機都表明，MPI系統燃油濕壁面臨著一系列技術挑戰，因此必須改善MPI系統中的濕壁控制狀態。

其次PM是在高速/高負荷運行工況下產生的，此工況下形成的PM直徑較小。通常認為加濃的原因是為了避免爆燃和減少排氣系統熱負荷。然而，對控制邏輯進行了檢查，發現沒有進行加濃控制。因此，由于大量非均質混合氣在氣缸內燃燒，即使在高轉速時氣缸氣流運動促進油氣混合，也可能產生PM排放。此外，由于在增壓發動機上負荷更高，則需要更長的噴油持續期，并且由于燃油濕壁和濃混合燃燒現象的存在，從而導致了PM排放量顯著增加。

2.2 MPI系統中混合氣形成問題

混合氣形成特性的CFD分析結果見圖3，基于實際發動機，對該PM排放結果進行了驗證。對比說明了高速工況下開閥噴射與閉閥噴射氣道噴射噴霧形成的差異，該工況在實際車輛測試中會導致PM排放量較高。

圖3 單次噴射噴霧特性

對于閉閥噴射，雖然按照設計噴霧可以擴散到整個氣道，但是在進氣門開啟前，噴霧會附著在進氣門和氣道壁面上，也就是說越好的霧化效果要求噴霧破碎長度越短。因此，噴嘴安裝位置的選擇需要考慮到噴霧破碎長度以減少濕壁。

對于開閥噴射，當噴霧到達進氣閥時，開啟進氣門，對此進行了CFD分析。在初始噴射階段，噴霧可以擴散至整個進氣道。然而，隨著進氣流速的增加，噴霧進入氣缸后發生漂移。這是因為對于單次噴射，油束外側需橫向穿過氣流。同樣，即使在主要采用閉閥噴射的控制系統中，在高負荷情況下也會發生缸內噴霧漂移，這是因為噴油持續期較長的緣故，噴油持續期從進氣門關閉一直到進氣門開啟。這表明在強進氣氣流下混合氣的形成要求噴霧具備很好的穩定性(噴霧貫穿距離)，以及噴霧形態設計需與進氣氣流或噴嘴安裝位置相匹配，以防止噴霧穿過氣流。

此外，關于缸內的燃油特性，觀察到開閥噴射會使噴霧直接被吸入燃燒室內，而進氣氣流會加速這一現象，并使其沖擊到排氣側的氣缸壁。結果顯示，為了保證良好霧化和減少缸內濕壁，伴隨均勻進氣的噴霧擴散是必不可少的。

2.3 雙噴射概念

在分析了發動機PM排放特性試驗后，確定未來MPI系統開發的重要要素包括：減少濕壁，以防止燃油輸送延遲；進氣門開閥噴射時采用直接、均勻的噴霧。同時，對進氣道和氣缸內的CFD分析揭示了以下因素的重要性：強氣流下的噴射位置和噴霧靶點；對于均勻氣流混合效果最優的噴霧靶點和大噴霧角；進一步進行噴霧優化以防止氣缸濕壁現象出現。

在此基礎上，研究人員提出了一種“MPI多點氣道噴射雙噴嘴系統”， 該系統作為面向全球市場新MPI系統，并且可以解決當前的問題。

在這個系統中，可以通過在每個進氣道上安裝噴嘴來實現以下目的：通過將噴射點靠近進氣氣流中心來防止噴霧穿過氣流，從而實現噴霧均勻流的效果；噴孔數越多、噴孔直徑越小，霧化越好；相同的噴孔尺寸，以較高的噴射速率(縮短噴射持續時間)確保混合氣形成和蒸發所需時間。

通過CFD分析，檢驗了該MPI雙噴嘴系統。單噴嘴與雙噴嘴的噴霧形態、缸內噴霧特性和進氣門開啟區域燃油分布的比較分別見圖4、圖5和圖6。這些對比基于開閥噴射，研究了進氣氣流穩定性對噴霧形成的影響。考慮到進氣道的截面形狀，憑借MPI雙噴嘴系統的高度靈活噴霧設計可實現圓形和橢圓形噴霧。

如前所述，傳統的MPI單噴嘴系統由于進氣氣流強度的改變而難以產生均勻的氣流，并使其進入氣缸。因此，噴霧通常以聚集的方式到達排氣側的氣缸壁。在MPI雙噴嘴系統中，噴霧水平漂移現象得以消除，于是可以產生均勻的氣流；噴霧在到達排氣側的氣缸壁之前，噴霧處于均勻分布狀態。然而，需要避免噴霧的垂直漂移，這是因為燃油是從氣道頂部進行噴射的。這表明，由于MPI雙噴嘴系統應用橢圓形噴霧，增強了垂直流的穩定性，能以更均勻的狀態流入，并且有助于增加直接進入氣缸的燃油。

圖4 MPI雙噴系統噴霧形態

圖5 混合氣形成特點比較

圖6 燃油質量分布

2.4 新設計噴油嘴優化

下文將介紹一種能夠確保噴孔數量和橢圓形噴霧效果的噴嘴開發。優化霧化效果的常用方法為加快噴射速度(恒定供油壓力下減少壓力損失)，以及增大燃油和空氣之間的接觸面積。在霧化技術中，研究人員開發了錐形噴孔，可通過膨脹流加速噴霧破碎。霧化設計和錐形噴孔特征見圖7和表3，其效果如圖8所示。

錐形噴孔具有良好的霧化效果和防止氣流干擾噴霧的穩定性(貫穿距穩定)。對于MPI雙噴嘴系統和開閥噴射，錐形噴孔可形成有效的噴霧。

圖9展示了一種全新的噴嘴設計理念，即運用錐形噴孔設計實現橢圓形噴射形態。隨著孔數的增加，由于噴嘴入口壓力損失增大，燃料流速度減小，減小孔徑可以增大燃油和空氣接觸面積。

圖7 錐形噴孔設計

表3 錐形噴孔優點

+++：最優；++：優異；+：優良；0：一般。

圖8 錐形噴孔噴霧特性

減小噴孔長度/噴孔直徑比(長徑比)，以盡量減少由摩擦造成的壓力損失。此外，噴霧穿透性也可借助每個油束之間的相互作用而增強，這樣有利于削弱氣道氣流的影響。如同橢圓型噴霧，噴孔數越少，則噴嘴進口處的壓力損失小，流速就會增加。因此，錐形孔的長徑比較大，可以加速噴霧擴張，降低油膜厚度。增大長徑比，噴霧的方向性將有所增強，使噴霧形態更寬。

圖10顯示了上述兩種設計概念下不同孔數對霧化的影響。如圖10所示，隨著孔數的增加，噴霧油束內部的燃料密度變大，并且噴霧的貫穿距可改善氣流的穩定性，這一點可從噴霧長度方面得以顯示。即使孔數少，新設計的噴嘴通過優化壓力損失達到了與多孔小直徑噴嘴相同水平的霧化性能。

圖9 錐形噴孔設計比較

圖10 噴嘴優化對橢圓形噴霧的影響

2.5 在發動機上驗證新設計噴嘴

圖11給出了采用新設計(MPI雙噴+霧化噴嘴)噴射系統，并在發動機上驗證了混合氣形成的優化結果。

試驗結果證實了采用MPI雙噴系統能夠減少燃油濕壁并可實現均勻氣流，從而在實際駕駛狀態下大大減少了PM排放量。此外，燃燒持續期的縮短提高了抗爆燃性能。

圖11 MPI雙噴嘴發動機的收益

3 結論

對環境友好的MPI系統(應用開閥噴射)的研究有助于MPI發動機在全球市場的發展，并獲得了以下研究結論：

(1)在強氣流條件下需要進行實現均勻直接進氣流和更好霧化的噴霧形態設計；

(2)應用MPI雙噴系統可以同時滿足均勻的直接進氣流和更好的霧化效果；

(3)采用錐形噴孔設計可進一步減小油膜厚度并加速霧化。

(4)MPI雙噴系統的發動機試驗表明，噴霧直接流入氣缸不影響均質混合氣的形成，而且可以提高抗爆性能，以及減少PM排放。