應對實際行駛污染物排放工況的汽油機直噴系統的演變

【日】 S.SAITOH H.SHIBATA O.MASAHIRO M.SHIGENAGA

0 前言

隨著保護全球環境和應對能源危機意識的增強，開發新燃燒系統迫在眉睫。近年來，作為燃燒系統基礎的汽油缸內直噴技術持續發展，同時增壓小型化[1]、米勒循環、高壓縮比和稀薄燃燒[2]等新技術也得以發展。汽油機缸內直噴提高了燃油擴散和霧化的速度，不僅有利于控制進氣，還可以在壓縮行程中直接噴油，從而控制混合氣的形成。汽車行業的大趨勢雖然是電氣化，但其仍需要效率更高、排放更低的內燃機。隨著全球輕型車統一測試循環(WLTC)和實際行駛排放(RDE)測試循環的出現，要求發動機在更廣的運行工況下都具有良好的性能。另外，排放法規也日趨嚴格，特別是對顆粒物(PM)質量和顆粒數(PN)質量提出了更高的要求。為了滿足汽車市場日益增長的各類需求，燃燒系統要同時考慮實際駕駛性和不同燃油環境下的穩定性。為了實現上述目標，作為燃燒系統的一部分，噴油器的作用至關重要。下一代汽油直噴系統的優化方向為：(1)降低燃油噴霧帶來的濕壁；(2)提高油氣混合均勻性；(3)在所有可能的運行工況下讓油氣混合最優化[3-4]。

1 試驗設備和方法

利用DMS500顆粒物分析儀對顆粒物進行分析來評估排放水平。此分析儀由Cambustion公司生產，其主要功能是測量在1個駕駛循環內的顆粒物大小分布和顆粒物數量。文獻研究[5-6]表明，顆粒物直徑變大是濃混合氣燃燒時壁面聚結燃油所致。相反，燃燒室內濃混合氣燃燒形成較小直徑的顆粒物，這是由于未充分混合的氣體在整個燃燒室內擴散，并未在特定區域聚結所致[5-6]。對顆粒物大小和數量的研究至關重要，這些信息有利于找到排放的產生根源。

采用透明氣缸進行試驗，可以觀察到噴霧參數對燃燒特性的影響。利用金屬鹵化物光源照射，以圖片的形式記錄噴霧和燃燒特性。FASTCAM SA-X2由Photron公司生產，EEPS Model 3090由TSI公司生產，這些設備分別用來分析氣體排放物和測量顆粒物。研究利用發動機排放顆粒物大小光譜儀(EEPS)測量顆粒物大小分布。利用DANTEC DYNAMICS公司生產的相位多普勒測速儀(PDA)以圖片的形式記錄噴霧顆粒直徑，利用Photron公司生產的高速攝像機觀察和記錄噴霧形成過程。

2 試驗結果

2.1 研究動機

隨著排放法規日趨嚴格，實際駕駛循環法規的實施帶來了更大的挑戰，這意味著要降低冷起動過程中的顆粒物排放。試驗車輛規格參數和試驗條件見表1，其顆粒物排放試驗結果如圖1所示。圖1示出了在環境溫度-7 ℃下，WLTC循環時顆粒物直徑(Y軸)的分布，顏色分布代表整個駕駛循環的顆粒物數量。試驗車輛為1輛C級轎車，搭載了1款增壓小型化發動機。這輛車代表了目前歐盟在用汽車的發展趨勢。在冷起動催化器加熱和車輛加速階段，如在怠速起停或減速時，缸內溫度降低，可以看到排放有明顯增加。在這些運行工況下，顆粒物大小分布呈現大顆粒趨勢，可以判斷顆粒物是缸內濕壁形成的壁面油膜燃燒所致。

表1 試驗車輛參數和試驗條件

圖1 在WLTC循環下生成的顆粒物情況

圖2示出了在不同環境溫度和WLTC循環下對冷起動和暖機后累計顆粒物數量的對比。在暖機后，環境溫度降低對顆粒物數量的影響可以忽略。在暖機階段，隨著環境溫度降低，顆粒物數量大幅增加。為了滿足實際駕駛排放法規，必須改善燃油噴霧以降低在低溫工況下的燃油濕壁，并最大程度提高霧化和混合氣的均勻性。

圖2 在WLTC循環下，環境溫度對暖機階段 和暖機后顆粒物數量的影響

隨著歐洲汽車市場混動化率的提高，混動傳動系統對行駛循環排放的影響也必須予以考慮。在起動工況時，使用驅動電機降低了排放。然而，由于發動機不同的運行特性，其對排放的影響仍需考慮。在冷起動時，由于采用電機驅動，此時發動機未開始工作，基本上顆粒物數量不會太高。而后續起動是電輔助起動，即驅動電機和發動機共同工作，對于該起動工況，有兩方面原因導致顆粒物排放變差。第一，暖機時間長，發動機冷卻液溫度比較低，這是因為電驅動增加了發動機不工作的時間，因此在較低溫度下發動機起動次數會增加；第二，相較于非混動車型，起動時的負荷和轉速較高，電機輔助起動的顆粒物排放增加；第三，在冷起動時的濃混合氣降低了催化器的催化效率。

電驅動利用率由電池的荷電狀態(SOC)決定。在低荷電狀態時，純電行駛里程減少，整個駕駛循環的顆粒物排放軌跡反映了傳統發動機的軌跡。在1臺4缸1.4 L插電混合動力汽車上進行了WLTC循環顆粒物排放測試。在第1個車速峰值時，荷電狀態對排放的影響如圖3所示。Y軸代表顆粒物直徑，色帶分布代表了顆粒物數量。對噴油器設計和更高噴射壓力的未來發展研究同樣適用于混合動力的動力總成研發。

圖3 在WLTC循環第1個車速峰值時電池荷電 狀態對顆粒物排放的影響

2.2 噴射系統的開發

表2總結了噴油霧化的典型機理[7]。與進氣道噴射噴油器類似，缸內直噴噴油器的噴嘴也會有在等大氣壓力環境下噴射的情況。在該工況下，不會產生對空氣的剪切力，不利于噴霧的破碎。與柴油機的噴油器噴嘴設計不同，汽油機噴嘴在設計時要提高初始噴霧破碎。壓力能量是增強霧化的首要因素，需要通過優化噴嘴設計從而有效利用壓力能量來增強噴霧破碎。

表2 噴油霧化技術

表3列出了采用中置噴油器的透明發動機來分析噴霧和燃燒特性的發動機技術參數。為了光學可見，在發動機后端將第4缸去掉，用玻璃氣缸代替。點火時刻和噴射起始角相同，噴射壓力不同。噴嘴有12個直噴孔，噴霧目標根據燃燒室形狀進行優化。這種設計可以持續形成油氣混合氣和快速燃燒，在壓縮行程也能達到這種效果。

表3 試驗發動機參數

圖4分別示出了噴射時噴油器的噴霧特性、燃燒過程中的火焰傳播和主燃燒后的火焰特性。噴射壓力范圍為35～120 MPa。噴油開始時刻(SOI)設定為60 °CA BTDC，噴油結束時刻(EOI)設定為47 °CA BTDC。在所有噴油壓力下，噴霧都碰撞到活塞頂。然而，在碰壁后的噴霧特性無法確定。一方面，在碰撞后產生噴霧散點；另一方面，活塞頂高溫導致了燃油蒸發。點燃后的初始火焰傳播速度隨著噴射壓力提高而加快。主燃燒后的發光火焰特性隨著噴射壓力不同產生變化。當噴射壓力在35 MPa時，發光火焰從活塞頂部就可以觀察到，這是由于噴霧發生了撞壁。隨著噴射壓力的提高，盡管活塞頂部出現噴霧撞壁，但觀察不到發光火焰。高噴射壓力改善了噴霧特性，減少了濕壁和發光火焰的產生。為了量化高噴射壓力帶來的燃燒改善效果，在同一臺發動機上對進氣行程噴射的燃燒特性進行了評估，通過改變油溫和冷卻液溫度對實際駕駛工況進行了仿真，同時對低溫和暖機后的單次噴射和多次噴射的效果進行了對比。值得注意的是，采用進氣行程燃油噴射是為了抑制噴霧形成的湍流對燃燒的影響。

圖4 不同噴射壓力下噴霧撞壁和燃燒特性

圖5示出了噴射壓力對燃燒持續期和顆粒物數量的影響。試驗時考慮了不同的冷卻液溫度和噴射次數。從圖5可以看出，同樣的噴射次數，冷卻液溫度越高，燃燒持續期越短。多次噴射可以縮短燃燒持續期，冷卻液溫度低時也是如此。隨著噴射壓力的提高，所有工況下的燃燒持續期都縮短了。噴射壓力的提高導致燃燒持續期短，這是由于噴油霧化效果好，以及高擴散帶來的低濕壁收益。另一方面，高溫時噴射壓力不影響顆粒物數量。然而，在低溫時，當噴射壓力提高到60 MPa，顆粒物水平明顯降低到與相同噴射壓力下高溫時的水平。同時，可以看出，在噴射壓力較低時，多次噴射對顆粒物改善明顯，但是在噴射壓力60 MPa時則無明顯效果。

圖5 在不同噴射壓力下燃燒特性和顆粒物排放的差異

結果表明，即使在低溫工況下活塞頂部出現噴霧撞壁，提高噴射壓力就可以減少濕壁現象的出現。文獻[4]的研究表明，在實際行駛模式下低溫活塞頂部噴霧撞壁可以通過增強霧化和降低貫穿距得以改善。另外，研究還發現，高擴散帶來的濕壁減少，以及提高蒸發和擴散能力也要予以考慮。

2.3 減少濕壁的噴霧方案

試驗結果表明，高噴射壓力提高了噴霧特性，改善了燃燒特性，降低了排放。為了最大化利用噴霧特性改善帶來的好處，提出了新的噴霧方案，從而在相同的噴射壓力下達到更好的效果，并通過提高噴射壓力進一步改善了噴霧效果。

圖6示出了減少噴油濕壁的噴霧方案。這種噴霧方案旨在通過促進噴霧破碎來增強“伴隨空氣流動”。“伴隨空氣流動”指噴射的燃油和空氣動能在交換后產生的空氣流動。伴隨空氣流動增強，提高了空氣卷吸燃油噴霧和噴霧擴散的能力。增強的空氣卷吸和噴霧擴散縮短了噴霧破碎長度，從而減少了噴霧撞壁帶來的濕壁。另外，在噴射后燃油隨著伴隨空氣流動一起運動，其沿著壁面流動，讓壁面上的燃油變薄。壁面燃油迅速蒸發形成了更薄的油膜，從而減少了濕壁。

圖6 新噴霧方案的噴霧撞壁示意圖

圖7示出了高擴散噴霧的噴嘴設計方案。為了增強伴隨空氣流動，有必要提高初始噴霧能量和通過提高動量交換有效地將能量傳遞給空氣。首先，可以實現的是提高噴射壓力；其次是通過調整噴嘴結構，采用小孔徑和高擴散噴嘴，增強空氣動量。

圖7 提高噴霧擴散的噴嘴設計方案

為了確認方案的有效性，研究改變噴射壓力以觀察噴霧撞壁現象。研究用于中置直噴的6孔噴油器向毛玻璃噴霧的試驗。將噴油器的噴射壓力提高到60 MPa，用高速攝像機記錄噴霧前端抵達玻璃表面時的噴霧特性。同時，利用紅外線激光器照射玻璃表面的油膜，通過透射光的衰減率計算油膜厚度。依據噴嘴前端到缸孔壁的實際距離，將噴嘴噴孔到玻璃的距離設定為80 mm。

圖8示出了噴霧截面和靠近玻璃(上部)的噴霧油滴角度，以及噴霧碰壁(下部)時的噴霧油滴特性。噴霧截面積隨著噴射壓力的提高呈線性加大趨勢。研究結果表明，通過提高噴射壓力可以提高噴霧擴散，截面積越大，伴隨空氣流動也隨之增強。另外，在玻璃表面，噴霧油滴沿著玻璃流動，這是由于提高了噴射壓力，增強了伴隨空氣流動的緣故。

圖8 噴霧撞壁時的噴霧油滴特性

圖9示出了試驗過程中玻璃上顯示的油膜特性。考慮到壁面油膜的蒸發時間，試驗主要研究厚油膜區域。在薄油膜區域，燃油在燃燒前就蒸發了，對發光火焰的影響較小。在厚油膜區域，當火焰抵達厚油膜處時，液體燃油會造成發光火焰。當噴射壓力達到30 MPa時，總濕壁面積雖然增加了，但薄油膜區域減少了。可以認為，較高的噴射壓力提高了噴霧擴散。另一方面，噴霧速度加快導致噴霧破碎長度增加，從而讓一部分燃油抵達玻璃表面。當噴射壓力達到60 MPa時，不僅厚油膜面積大幅降低，總油膜面積也大幅降低。由于燃油破碎噴霧大幅提高，伴隨空氣流動增強，濕壁現象大幅減少。研究結果表明，提高擴散和增強伴隨空氣流動二者結合是減少氣缸濕壁的關鍵所在。

圖9 不同噴射壓力下噴霧撞壁時油膜面積和厚度

2.4 噴霧破碎特性

提高噴射壓力會對整個系統產生影響，包括需要加強高壓油泵驅動系統和增加相關損失。因此，當噴油器提高噴射壓力時，為了有效實現整個系統的優勢，需要提供高效的噴霧過程。為了識別最優的噴嘴設計和噴射壓力，達到最優的均勻混合和低顆粒物排放，有必要量化噴射壓力提高后的噴霧特性。

噴射壓力對噴霧顆粒直徑的影響，即索特平均直徑(SMD)和90%直徑累積頻率分布(DV90)，以及噴射壓力對噴霧速度和噴霧截面積的影響如圖10所示。為了確定噴霧速度，測量了距離噴嘴前端80 mm處的油霧速度。此速度綜合考慮了噴霧后0.1 ms內的平均速度、噴霧破碎時間和典型的發動機缸孔直徑，以及噴霧截面積(即距離噴嘴前端80 mm處的最大噴霧面積)。需要注意的是，破碎長度和噴霧破碎時間是通過噴霧長度的歷史數據對數尺度上的拐點進行計算得出的[8]。此階段沒有將減小噴嘴直徑和提高噴射壓力共同作用的效果考慮在內。

圖10 高噴射壓力的噴霧特性

隨著噴射壓力的提高，噴霧顆粒直徑減小了，且噴霧速度呈持續增大的趨勢，這表明顆粒直徑最終會達到飽和點。噴霧截面積可以作為評判噴霧擴散的指標之一。噴射壓力在35 MPa時，噴霧截面積約為現有噴射壓力20 MPa時的1.3倍。圖11示出了在不同噴射壓力下的噴霧破碎時間和長度。隨著噴射壓力的提高，噴霧破碎時間縮短，而噴霧破碎長度增加。這現象可能是由于噴霧速度增大而引起的。

圖11 高噴射壓力的噴霧破裂特性

圖12示出了燃油噴射后的噴霧形態，這是提高噴射壓力和減小噴孔直徑相互作用的結果。從圖12可以看出,提高噴射壓力提高了噴霧貫穿距和擴散，但不改變噴孔直徑。與燃油噴射壓力20 MPa相比，噴霧率得到提高。相較于噴射壓力20 MPa的情況，噴霧的均勻性得到提高。然而，當較高的噴射壓力和小噴孔直徑相結合達到高噴射壓力時的噴霧率時，噴霧貫穿距的提高幅度受限，噴霧擴散速度進一步提高。綜上所述，這有利于進一步提高燃油噴霧的均勻性。

圖12 小孔徑高噴射壓力的噴霧形態

圖13示出了在不同噴孔直徑下噴霧破損時間和噴霧截面積的對比。噴孔直徑越小，噴霧破損時間和距離越短，噴霧截面積越大。結果驗證了提高噴射壓力和采用小孔徑噴孔方案相互作用后提高了噴霧擴散速度，并縮短了噴霧貫穿距，從而減少濕壁的效果。

圖13 小孔徑噴霧破裂特性

2.5 利用壓力能量進行噴霧擴散

通過提高噴射壓力和采用小孔徑噴孔有利于噴油霧化和增強擴散。然而，增加噴霧破碎長度導致缸內產生不均勻的油氣混合氣，在噴霧破碎前，噴霧到達壁面的能量變大，對氣缸濕壁產生不利影響。為了有效利用噴射壓力能量，增強初始破碎，不僅要降低噴孔直徑，同時要優化噴嘴結構。

如圖14所示，為了形成有霧化、低貫穿距和高擴散的噴霧，提出了一種新的噴嘴方案[3-4，9]。采用新的錐形噴孔噴嘴，錐形噴孔的前端變寬，燃油沿著壁面流動形成了薄油膜。錐形壁面產生了薄油膜，同時增大了流量，這有利于縮短噴霧破碎時間。高速能量擴散降低了噴霧流動，擴大了空氣接觸面，從而在較低的噴射壓力下也可以提高噴霧擴散速度(圖15)。圖14中示出了噴霧產生的液體油膜。噴嘴中的氣液為黑色，多相不透光，液體油膜為白色透光。Fraser等人列出計算方程[9]為

(1)

式中：E為實驗常數，h為油膜厚度，V為噴霧速度，r為噴嘴噴孔直徑，σ為表面張力，ρL為液體燃油密度，ρa為環境空氣密度。

圖14 高擴散噴嘴方案

圖15 高擴散噴嘴的噴霧特性

2.6 噴油時刻差異的敏感度

高擴散噴嘴方案(錐形孔)與之前的直孔方案相比，在顆粒物排放方面有明顯改善。這些結果在文獻[10]中有相關研究。如圖16所示，錐形孔的顆粒物排放對噴油時刻的敏感度明顯降低，尤其是在提高噴射壓力的情況下。試驗數據來源于4缸2.0 L汽油機，噴射壓力為分別為20 MPa和35 MPa，考慮到顆粒物排放，將噴油時刻設定在最佳工況點。為了明確薄壁面油膜帶來的好處，在整車狀態下的型式排放評估正在進行中。

圖16 錐形孔的顆粒物排放優勢

3 結論

基于實際行駛工況，本文對提高噴射壓力的燃油噴霧帶來的濕壁效果進行了評估，分析結果如下：

(1)提高噴射壓力不僅有利于噴油霧化，同時空氣卷吸帶來的擴散可以有效減少濕壁(低溫時產生顆粒物排放)；

(2)小孔徑和高噴射壓力相結合縮短了噴霧破碎時間和長度，增大了噴霧截面積；

(3)提高噴射壓力增加了噴霧破碎長度，導致缸內混合氣不均勻或噴油霧化破碎前的濕壁，然而，優化噴嘴設計后噴霧均勻性提高，其與高噴射壓力相互作用，加速了噴霧破碎，降低了壁面液體油膜的形成；

(4)錐形孔噴嘴產生薄油膜，增大了噴霧流量，即使在低的噴射壓力下也有利于提高噴霧擴散速度，提高空氣卷吸能力帶來的結果。

陳 佳 譯自 SAE Paper 2019-01-0265

虞 展 編輯

(收稿日期：2020-03-09)