喷油参数对直喷发动机性能影响的试验研究*

陈绪平 顾维东 刘 斌

（长安汽车股份有限公司动力研究院 重庆 401120）

引言

缸内直喷汽油机燃油直接喷入缸内，单次喷射模式下，在中大负荷工况下喷射量较多的工况下如果燃油喷射时刻选择不当，极易使未雾化的燃油直接打到气缸壁上，造成燃油湿壁。采用二次喷射模式可以减低燃油湿壁的程度，但二次喷射比例及喷油时刻的选择也对发动机性能有重要影响。本文针对一款搭载大型SUV整车的发动机，试验研究中等负荷典型工况2 000 r/min，有效缸压1 MPa下，不同喷射模式下各喷射参数对发动机性能的影响。本文中两次喷射分别是指将一个工作循环内的喷油量分两次喷射：第一次在进气行程中进行，第二次在压缩行程中进行。两次喷射的参数包括：第一次喷射起始角度，第二次喷射比例，第二次喷射的起始角度。

1 试验装置及试验方法

1.1 试验装置

试验装置包括SCHENCK电涡流测功机、AVL733瞬态油耗仪、AVL-425烟度计、Horiba MEXA-584L排放分析仪、ETAS-ES630空燃比测量仪及一台增压直喷发动机及其电控系统，试验系统示意图如图1所示。试验用发动机的相关参数如表1所示。

图1 试验系统示意图

表1 试验发动机参数

1.2 试验方法

单次喷射在进气行程中完成，喷射起始角度从380°CA（以压缩上止点为 720°CA）开始，以 10°CA 一个步长逐渐增大（推迟方向）至490°CA。此时发动机的进排气VVT均固定在初始位置，此工况下的气门升程曲线如图2所示。点火角在确保不爆震的前提下选择最大提前角。二次喷射模式下有两种调节方式：其一是分别固定第一次喷射角度和第二次喷射角度，调节二次喷射比例；其二是固定第一次喷射角度和二次喷射比例，调节第二次喷射的角度。试验结果分析如下。

2 试验结果讨论

2．1 单次喷射模式下喷射角度的影响

图3为有效燃油消耗率与喷射起始角度，从图3可以看出，随着喷射起始角度的推迟，有效燃油消耗率随之降低，在400°CA时油耗率最低，继续推迟喷射角度至450°CA的区间，油耗率小幅上升，再继续推迟喷射角度则油耗率快速升高。原因如下：其一，喷油越早，混合气在缸内的混合时间越长，混合气混合的均匀度越好，但太提前则缸内空间太小，喷射的油束冲撞活塞顶面和缸壁，反而导致混合气均匀度变差，湿壁效应增强[1]，这可从碳烟排放大幅增加看出来，如图4所示。其二，进气门开启过程中形成的滚流效应在400°CA（气门升程约2 mm）时达到最佳[2]。其三，活塞下行速度在450°CA时达到最大，之后持续降低，影响缸内气流速度下降。随着喷油角度推迟至490°CA，由于混合时间过短，混合气的均匀度下降，局部混合气浓度过浓，导致混合气出现爆震，因此点火角不得不适当推迟，如图5所示。这进一步导致油耗率增加，HC排放增加，如图6所示。

图3 有效燃油消耗率与喷射起始角度

图4 烟度与喷射起始角度

图5 AI50/点火角与喷射起始角

图6 NOx-HC排放与喷射起始角度

燃烧室内的液态燃油湿壁是产生碳烟的主导因素[3-4]，碳烟产生的条件是高温、缺氧，此外，燃烧后期高温含氧可一定程度降低碳烟排放[5]。如上所述，因混合气碰壁，点火时刻的混合气过浓，在380°CA起喷时燃烧前期温度高，燃烧后期温度低，如图7所示，导致碳烟排放最大；随着起喷角的推迟，湿壁量下降、混合气均匀度上升，燃烧前期温度逐渐减低而后期温度逐渐升高，因而碳烟排放急剧下降，在起喷为400°CA时降至正常水平，之后基本维持不变。

影响HC排放主要是罅隙效应和是否会产生HC的后氧反应[6]（缸内燃烧后期的氧化反应）。如图6所示，HC排放在喷射角度为400°～450°CA之间处于低水平排放状态。在400°CA之前因喷射太早导致罅隙效应加大而使得排放增加，在450°CA之后因混合时间短，混合气不均匀度增加而导致HC排放逐步增加。影响NOx排放的三方面影响因素[5]：高温、富氧及高温持续时间，如图7所示，这三方面的综合影响使得NOx排放在450°CA度时处于最低。

2．2 第二次喷射比例的影响

在进行二次喷射比例变化的试验中，固定第一次喷射的起始角为420°CA，在压缩冲程中的第二次喷射结束角固定为喷射600°CA，选取第二次喷射比例从10%开始以10%为步长逐渐增加至90%。

第一次喷射是在进气行程喷射，喷射时刻的缸内气体背景压力和温度要低，但离点火时刻时间要长，因而第一次喷射出来的油束贯穿距变大，湿壁几率增加，但油气混合的时间要长，混合气均匀度高；而第二次喷射是在压缩冲程进行，喷射时刻的背景压力和温度要高，因而第二次喷射出来油束贯穿距小[7]，但油气混合的时间要短，混合气的均匀度要差。随着二次喷射比例（以下简称frks）的降低，第一次喷射油量增加，参与长时间混合的油量增加，混合气均匀度增加；但随着第一次喷油增加到一定程度，湿壁的几率增加，混合气混合均匀度又会变差。从图8可以看出，上述两方面的综合影响导致frks为0.5时，燃油效率最高，且二次喷射比例过高导致混合气均匀度变差的影响要大于一次喷射中湿壁导致混合气均匀度变差的影响。这种影响可从图11中看出，frks高比例时爆震趋势增强不得不推迟点火角。

图8 有效燃油消耗率与二次喷射比例

从图9看，随着二次喷射比例的增加，碳烟刚开始表现较为稳定，但二次喷射比例增加到0.7时，二次喷射导致混合气均匀度变差影响加大，燃烧后期温度大幅降低，如图13所示，烟度急剧增加。

从图10看，HC/NOx排放随着二次喷射比例的增加，呈现先降低后增加的变化趋势，二者均在比例为0.4时出现最低峰值。随着第二次喷射比例的增加，第一次的喷射量降低，贯穿距降低，湿壁的燃油量降低，湿壁导致的HC排放量相应减少，但随着第二次比例的继续增加，燃烧效率下降，膨胀期缸内温度也下降，能降低未燃HC的后氧反应比例大幅增加[6]。这两种效应的叠加就表现为HC排放随着二次喷射的比例增加呈现出先降低后增加的趋势。如图13所示，随着二次喷射比例的增加，缸内最高燃烧温度逐渐降低，且二次喷射比例为0.4时，最高温度最低，而高温（高于1 800 K）的持续时间最短，因而NOx排放最低。

图9 烟度与二次喷射比例

图10 NOx/HC与二次喷射比例

图11 AI50/点火角与二次喷射比例

图12 燃烧持续期与二次喷射比例

图13 不同喷射比例的缸内温度曲线

2．3 第二次喷射的起始角

在进行二次喷射起始角度变化的试验中，固定第一次喷射的起始角为420°CA，固定第二次喷射比例为0.5，在压缩冲程中的第二次喷射起始角从540°CA开始以20°CA为步长逐渐延迟至660°CA。

二次喷射在压缩行程中喷射，随着喷射开始角度的推迟至在600°CA之前，油耗、碳烟排放基本维持在较低水平不变。这是因为：随着喷射角的推迟，一方面二次喷射燃油用于混合的时间变短，油束湿壁的比例增加；另一方面随着活塞加速度的增加，缸内气体滚流增加，缸内压力上升，油束贯穿距降低。这两方面作用的结果，使得在活塞运行到中间行程前，燃油效率、碳烟排放基本维持不变如图14，图15所示。但随着二次喷油继续推迟，混合时间更短，活塞离喷嘴更近，油束湿壁可能性大增而且活塞加速度开始降低，缸内滚流不再增加，混合气不均匀度增加，如图17所示，燃烧温度、速度开始逐渐降低，从图18可以看出爆震趋势增加。因此油耗率大幅下降，碳烟排放大幅增加，而NOx和HC排放随着喷射推迟，逐渐降低。

图14 be与第二次喷射起始角度

图15 烟度与第二次喷射起始角度

图16 NOx/HC与第二次喷射结束角度

图17 不同二次喷射起始角下的缸内温度曲线

图18 不同二次喷射起始角下的点火角和AI50

3 结论

针对固定的VVT设置，在2 000 r/min、1 MPa工况点：

1）单次喷射模式下，与进气门实际开启角度相配合的喷油角度400°CA能取得最佳的燃油效率和最低的碳烟排放。NOx及HC排放在450°CA时最低。

2）二次喷射模式下，随着比例的增加，有效燃油消耗率先略增后略降，在二次喷射比例为0.5时达到最低，随着比例继续增加，燃油消耗率开始快速恶化；在比例小于0.7之前，碳烟排放维持在较低水平，随着比例继续增加则碳烟排放大幅增加。HC及NOx排放随着二次喷射比例的增加，呈现先降低后增加的变化趋势，且均在比例为0.4时出现最低值。

3）二次喷射模式下，随着第二次喷射开始角度的推迟，在600°CA之前，油耗、碳烟排放基本维持在较低不变；再继续推迟，油耗、碳烟排放均大幅增加。HC及NOx排放随着第二次喷射角度的推迟而持续降低。

1 李相超，张玉银，许敏，等.直喷汽油机缸内喷雾湿壁问题研究[J].内燃机工程，2012，33（5）：17-23

2 信曦，丁宁，张小矛，等.多次喷射对增压直喷汽油机湿壁及碳烟排放影响的数值研究[J].上海汽车，2015（3）：6-13

3 周鹏.直喷汽油机微粒生成过程及其影响因素的模拟研究[D].天津：天津大学，2012

4 Köpple,F.,Jochmann,P.,Kufferath,A.,et al.Investigation of the parameters influencing the spray-wall interaction in a GDI engine-prerequisite for the prediction of particulate emissions by numerical simulation[J].SAE Paper 2013-01-1089

5 R.巴斯怀森.汽油机直喷技术[M].北京：机械工业出版社，2012

6 周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，2010

7 黄雅卿，王志，王建昕.二次喷射对直喷增压小排量汽油机影响的数值模拟[J].汽车工程，2014，36（10）：1180-1188