噴油參數對GDI發動機性能的影響

曹春暉，李巖，李高堅，牟一今

(上汽通用五菱汽車股份有限公司,廣西柳州 545007)

0 引言

汽油機缸內直噴技術(Gasoline direct injection,GDI)因具有燃油經濟性高、動力性良好以及燃燒穩定性等優點得到了廣泛應用。

缸內直噴是噴油器在高壓力下將燃油直接噴射到氣缸內，由于汽油是在進氣結束時噴射到汽缸中，所以氣缸內的膨脹氣體被冷卻，體積效率提高，爆震傾向減小，GDI技術便于形成稀薄燃燒，降低部分負荷條件下的燃油消耗水平，還能改善發動機的瞬態運行和冷啟動時的排放[1]。

缸內直噴技術具有低油耗、高壓縮比、升功率大的優點。但GDI技術的應用也帶來的一些問題，如用車成本提高、顆粒排放增加、燃油系統噪聲較大等[2]。由于GDI發動機噴油過程是在氣缸內直接完成，噴射次數、噴射相位以及燃油噴射量等組合而成的噴射策略對缸內混合氣質量有巨大影響，最終對發動機的綜合性能產生重要影響。各生產廠家及研究機構對GDI發動機的噴油策略進行了不斷地探索和研究[3-6]。

本文作者基于一臺1.5 L GDI自然吸氣發動機，研究了噴油時刻和噴油壓力對缸內壓力、溫度、燃燒規律和排放的影響，對此參數進行了優化，為發動機實際運行控制提供依據和參考。

1 試驗設備與方法

1.1 試驗設備

試驗用發動機為三缸1.5 L自然吸氣直噴發動機。通過發動機電子控制單元(Electric control unit,ECU)調控相關試驗參數，如噴油壓力、噴油時刻等。發動機具體參數如表1所示。

表1 發動機主要參數

發動機臺架試驗使用的主要設備見表2。發動機運行由AVL電力測功機控制，通過AVL735S油耗儀測量試驗中的燃油消耗率，Horiba排放分析儀測量碳氫(THC)、氮氧化物(NOx)和一氧化碳(CO)等污染物的濃度，AVL489和AVL483分別測量尾氣中顆粒數量(Particle number，PN)和顆粒質量(Particle mass，PM)。在每缸安裝Kistler缸內壓力傳感器，用以測量各缸燃燒參數。

表2 主要試驗設備

試驗中主要加裝了以下傳感器：在各缸排氣歧管打孔安裝排氣歧管溫度；在排氣總管安裝溫度傳感器；三元催化器中心安裝溫度傳感器；三元催化器前打孔安裝排放分析儀及顆粒數量和質量采樣管。

試驗中控制環境溫度為(25±5)℃，進氣相對濕度(55±5)%，發動機出水溫度(88±5)℃，催化器前排氣溫度不高于870 ℃，催化器中心溫度不高于930 ℃。

1.2 噴油時刻和發動機負荷的定義

文中用系統開始噴油(Start of injection,SOI)對應的曲軸轉角作為噴油時刻。以壓縮上止點(Top dead center，TDC)作為參考零點，壓縮上止點前(Before top dead center，BTDC)為正值，之后(After top dead center，ATDC)為負值。由于GDI發動機是直接將燃油噴到缸內，噴油時刻對混合氣形成及后續燃燒具有非常重要的影響。一般SOI最大值要在排氣行程之后或快結束時，其最小值要保證噴油結束(End of injection，EOI)時刻位于壓縮行程前或中前期。

以缸內平均有效壓力(Brake Mean Effective Pressure，BMEP)作為發動機負荷的衡量指標。BMEP[7](MPa)通過計算公式為

(1)

式中:τ為發動機沖程數，τ=4；Ttq為發動機輸出扭矩，N·m；i為缸數，該試驗發動機缸數為4；V為發動機氣缸工作容積，m3。

1.3 試驗方法

試驗發動機的各工況均為均質燃燒模式，過量空氣系數控制為1。

(1)研究噴油壓力對發動機性能及排放的影響。選取1 600、2 800和4 000 r/min 3個轉速，BMEP調至0.9 MPa，改變噴油壓力進行試驗，噴油壓力分別為5、15、25和35 MPa。保持進氣量、點火角、VVT角度、噴油時刻等參數不變。

(2)在上述試驗優化噴油壓力的基礎上繼續優化噴油時刻。試驗工況如下：2 800 r/min時BMEP分別為0.2、0.6及0.9 MPa，以考查發動機在大中小3個負荷下的運行情況。固定噴油壓力、點火角、進氣量、VVT等參數，研究噴油時刻對發動機性能、排放的影響。

2 結果及分析

2.1 噴油壓力的優化

保持發動機其他參數不變，在不同轉速(1 600、1 800和4 000 r/min)下改變噴油壓力進行試驗，測量發動機的各項參數。

圖1—3為各轉速在不同噴油壓力時的發動機平均缸內壓力和累計放熱率曲線。從圖中曲線可以看出，在各試驗轉速下，缸內壓力和放熱率峰值、放熱速率都隨著噴油壓力增大而提高，缸內壓力及放熱率峰值點隨之提前，這是因為高的噴油壓力能提高混合氣的均勻程度和混合氣數量[8-9]。一方面，提高噴油壓力使燃油油束的初始動能增加，油束的索特平均直徑越小，有利于燃油的霧化；另一方面高的噴油壓力減少了噴油持續期，燃油有更多的混合氣，能夠提高均勻混合氣的比例。

圖1 轉速為1 600 r/min時噴油壓力對缸壓和放熱率的影響

圖2 轉速為2 800 r/min時噴油壓力對缸壓和放熱率的影響

圖3 轉速為4 000 r/min時噴油壓力對缸壓和放熱率的影響

各轉速時噴油壓力為35 MPa時，缸內壓力峰值和放熱率峰值的提高較為明顯。隨轉速的提高，各噴油壓力下的平均缸內壓力峰值和燃燒放熱率峰值之間差值愈加明顯。說明高轉速下更需要較大的噴油壓力。因為高轉速下各沖程持續時間較短，較高的噴油壓力能改善霧化、增加均勻混合氣，缸內燃燒質量的提升也就比較明顯。

噴油壓力對發動機油耗率和排放的影響如圖4—7所示。圖4表明各轉速下噴油壓力的提升，燃油噴霧貫穿距離增大，燃料的霧化質量提高，均質混合氣比例增大，燃燒改善。所以發動機動力性提高，油耗率降低。

圖4 油耗率隨噴油壓力變化趨勢

圖5和圖6分別是不同轉速下排放尾氣中THC和CO濃度隨噴油壓力的變化曲線。可見THC和CO濃度的變化趨勢類似，表現為其濃度隨噴油壓力提高而先下降后升高。在噴油壓力為20 MPa時THC排放最低，壓力再提高后THC排放升高。使CO排放最優的噴油壓力為20 MPa(1 600和4 000 r/min)及25 MPa(2 800 r/min)。主要原因是隨噴油壓力的升高，燃油的霧化質量提高，更容易發生均質燃燒，THC和CO的排放降低。但隨噴油壓力的進一步提高，噴油的初始速度也會變大，油束噴壁的概率也隨之增大，油束竄入活塞和氣缸狹隙的數量會隨之上升，THC和CO排放因之提高。

圖5 THC排放隨噴油壓力變化趨勢

圖6 CO排放隨噴油壓力變化趨勢

圖7為不同噴油壓力下排放中PN的變化曲線。各轉速噴油壓力為5 MPa時PN數值最大，隨噴油壓力提高而降低。PN排放對噴油壓力較為敏感，5 MPa和35 MPa噴油壓力下PN數值對比發現，采用高壓力噴油后，1 600 r/min及4 000 r/min是PN數值降低了90%以上，2 800 r/min時降低了70%以上。說明提高燃油噴射壓力使其霧化程度增加，燃油粒子破碎程度提高，撞擊氣缸壁形成小液滴概率減小[10]。高的噴油壓力能夠改善噴霧，提高燃燒質量。

圖7 PN排放隨噴油壓力變化趨勢

2.2 噴油時刻的優化

根據噴油壓力優化的結果，將后續試驗的噴油壓力設定為35 MPa。保持發動機其他參數不變，在2 800 r/min大中小3個負荷(BMEP為0.2、0.6和0.9 MPa)下改變噴油參數進行試驗。噴油時刻SOI分別設為350、340、320、300、280、260及240 ℃A。

選取轉速為2 800 r/min、BMEP為0.9 MPa的工況，研究SOI對GDI發動機燃燒的影響。圖8顯示了開始噴油時刻對平均缸內壓力和瞬時放熱率的影響。當SOI為280 ℃A時，缸內壓力峰值和瞬時放熱率峰值最高，隨SOI的提前或滯后，缸內壓力峰值和放熱率峰值都有所降低;當SOI為240 ℃A時，這兩項參數的降低最為明顯。這是因為過早噴油時(如SOI為320 ℃A)，活塞處于進氣行程初期，活塞離噴油嘴的距離較近。而燃油油束具有一定貫穿距離，此時油束更容易撞擊到活塞表面導致一部分燃油流到活塞不能充分霧化，不能形成質量良好的混合氣，使得燃燒效率降低。如果此時氣門重疊角較大，還會導致一部分燃油被掃入排氣道中。

圖8 噴油時刻對缸壓和放熱率的影響

當噴油時刻(如SOI為240 ℃A)過晚時，噴入缸內的燃油來不及充分霧化便開始壓縮點火，使得燃燒速率下降，缸內壓力和燃燒放熱率降低。

選擇合適的時刻噴油，可以利用缸內較強的氣流運動使燃油和氣體充分混合。混合氣的形成會吸收熱量，有利于降低缸內溫度，提高新鮮空氣的充氣效率。這些因素產生了較高的缸內壓力和瞬時燃燒放熱率。

轉速為2 800 r/min、BMEP為0.9 MPa時缸內溫度、壓力升高率隨曲軸轉角變化曲線如圖9和圖10所示。從結果中可知，SOI為280 ℃A時，平均缸內溫度最高，且溫度峰值出現的位置最靠近壓縮上止點，同時該工況下壓力升高率最高。將SOI推遲或提前，平均缸內溫度隨之降低，溫度峰值對應的位置離上止點較遠，壓力升高率也出現降低的趨勢。

圖9 平均缸內溫度隨SOI變化曲線

圖10 缸內壓力變動率隨SOI變化曲線

如前所述，優化噴油時刻可以增加缸內新鮮空氣的充量，改善霧化。燃燒等容度和燃料利用率也隨之提高，從而產生了較高的燃燒溫度和壓力升高率。此外，參數優化后的壓力升高率峰值出現的位置雖有所提前，但都位于壓縮上止點之后，有助于提高發動機的動力性。

在轉速為2 800 r/min時BMEP分別為0.2、0.6和0.9 MPa工況下研究噴油時刻對發動機排放的影響，噴油時刻SOI分別設定在350、340、320、300、280、260及240 ℃A。圖11—13是噴油時刻對排放中THC、CO濃度和PN的影響變化曲線。

圖11 THC排放隨SOI變化曲線

從圖11的THC隨噴油時刻的變化曲線可以看出，隨著噴油時刻(SOI從240～350 ℃A)的提前，排放中THC濃度呈現出先降低后升高的趨勢，在SOI為300 ℃A時，THC濃度最低。圖12所顯示的CO濃度的變化趨勢與碳氫相同，使CO排放最佳的SOI也為300 ℃A。

圖12 CO排放隨SOI變化曲線

汽油機尾氣中CO的生成多發生在低溫缺氧條件下，因為此時燃料燃燒產生的中間產物不能進一步與氧氣發生氧化反應。而廢氣中THC的生成多是由壁面淬熄、或者局部混合氣過濃、狹縫效應、壁面積碳、燃燒室內沉淀物的影響等因素造成[11]。

當噴油時刻(如SOI為350 ℃A)過早時，此時處于進氣行程早期，容易發生油束撞擊活塞頂部的現象。導致局部混合氣過濃以及未燃碳氫竄入活塞及狹縫，形成了較高的THC及CO排放。

隨著噴油時刻(如SOI為300 ℃A)的推遲，首先降低了燃油直接噴在活塞頂部的概率，其次由于活塞下行及氣門開度增大，進氣湍流運動加強，有利于燃油和新鮮空氣的充分混合。兩個原因的共同作用降低了碳氫和一氧化碳排放的濃度。

噴射時刻(如SOI為240 ℃A)過晚時，CO 和 THC 濃度逐漸升高。因為此時湍流運動已經減弱，而且由于噴油時刻更接近壓縮及點火時刻，燃料和空氣混合時間不足。形成的混合氣不均勻，存在局部過濃。導致THC和CO排放升高。

相較于PFI發動機，GDI發動機的PN排放更高。主要原因是GDI發動機是將沒有經過霧化的燃油直接噴入氣缸內，導致其霧化不佳。此外部分燃油沖擊聚集在活塞和缸壁，這些燃油液滴燃燒易產生顆粒物[12]。

圖13為排放中PN隨噴油時刻的變化曲線。在SOI為240～300 ℃A時，PN的值較小且隨SOI的變化不大。SOI提前以后，PN的數值開始上升，特別是當SOI大于320 ℃A后，PN數值大幅提高。這是因為過早噴油時(SOI≥320 ℃A)，發動機處于進氣行程早期，燃油油束會沖擊活塞面形成油膜，產生了大量的顆粒物。

圖13 PN隨SOI變化曲線

3 結論

在一臺1.5 L GDI自然吸氣發動機，研究了噴油時刻和噴油壓力對缸內壓力、溫度、燃燒規律和排放的影響，得出了以下結論：

(1)試驗工況下，噴油壓力越大，發動機缸內壓力和放熱率峰值、放熱速率都隨著噴油壓力增大而提高。與燃燒改善相對應，發動機油耗率也隨噴油壓力提升得到改善。

(2)噴油壓力對發動機CO和THC的影響趨勢相同，即合適的噴油壓力有利于降低CO和THC排放，噴油壓力過高和過低時CO和THC排放升高。噴油壓力對于PN的產生顯著影響，提高噴油壓力能大幅降低排放中PN。

(3)過早或過晚的噴油時刻都會降低發動機動力性、經濟性，惡化發動機排放性能。在研究工況下，SOI為300 ℃A是最佳的噴油時刻。