直喷增压汽油机喷油器匹配及控制策略研究

李金印　凌青海　尚会超　段伟

摘 要：针对一款国Ⅵ排放直喷增压汽油机电控系统的匹配，进行了不同喷油器的选型测试，对比研究了不同喷油器喷雾特征和燃烧室形状对发动机排放及油耗的影响。在此基础上，对比研究了喷油时刻、喷油比例以及喷油压力等参数对碳烟排放的影响。结果表明：A型喷油器与平顶活塞的匹配组合最佳；不仅碳烟排放低，而且燃烧速率快，燃烧稳定性好；当采用多次喷油模式时，随着第一次喷油时刻的推迟，碳烟排放有减低趋势。但随着第二次和第三次喷油时刻的推迟，碳烟排放反而呈增大趋势；而当增加第三次喷油比例时，碳烟排放会明显增加；部分负荷工况，采用更高的喷油压力对碳烟排放并无明显改善。而在外特性工况，采用更高的喷油压力时，碳烟排放改善效果明显，同时THC也有一定程度降低。

关键词：直喷增压汽油机；喷油器；碳烟排放；燃烧诊断；燃油消耗率

中图分类号：TK411 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2018）03-0020-09

Research on Matching Experiment of Injector and Control Strategy for Turbocharged Gasoline Direct Injection Engine

LI Jin-yin， LIN Qing-hai， SHANG Huichao， DUAN Wei

（Chongqing Sokon Industry Group Stock Co.，Ltd Chongqing 400033）

Abstract： In order to match electric control system of one type turbocharged gasoline direct injection（GDI） engine for National Stage Ⅵ emissions， experiments with different injector were test. Here， the effects of different injector spray characteristics and combustion chamber on engine emission and fuel consumption were compared. And then the effects of fuel injection time， injection ratio and injection pressure on soot emission were investigated. The results show that the combination of injector A and flat piston is the best. It not only has lower soot emissions， but also increases the combustion rate. When the pattern of multiple injections is used， there is a tendency to reduce soot emissions as the first time of injection is delayed. But with the second and third time of injection delay， soot emissions will be increased. Especially， when the rate of third injection is increased， the soot emissions will increase significantly. At part load condition， a higher fuel injection pressure has no significant improvement in soot emissions. While at full load condition， a higher fuel injection pressure was better for soot emissions. And there is also a slight improvement in hydrocarbon emissions.

Key Word： Turbocharged gasoline direct injection engine； Injector； Soot emission； Combustion diagnosis； BSFC

前 言

近年來，随着能源与环境问题的日益严峻，各国在汽车节能减排方面都制定了严格的限制性法律法规，给各大车企带来了巨大压力。在当前新型能源汽车，如电动汽车、燃料电池汽车等技术成熟之前，传统内燃机仍将作为主要动力装置存在，必须对其进行相应的技术改进，以满足严苛的法规要求。其中，直喷增压技术汽油机以高升功率、低油耗、低排放等优势得以大量应用，较传统汽油机，具有非常大的节能减排潜力[1-5]。

而随着直喷增压汽油机在市场上占有率的不断上升，在表现出优秀的动力性、经济性与较低CO2排放的同时，也存在一些技术性问题，如颗粒物排放。由于传统气道喷射汽油机在点火时刻可以形成很均匀的混合气，而直喷汽油机将燃油直接喷入缸内，这种模式缩短了混合气形成时间，并大大增加了燃油碰壁的可能性，由此完成燃油喷雾的蒸发和油气混合就成为一件极具挑战性的任务。特别是在高负荷工况，由于需要喷入更多的燃油，在缸内形成过浓区和燃油碰壁的可能性会增大，导致颗粒物排放更加严重。因而，颗粒物排放已成为当前限制直喷汽油机发展的关键问题[6-8]。同时，越来越严苛的针对颗粒物数量排放的法规的实施，也给直喷增压汽油机的开发提出了更大挑战。由此，如何有效抑制直喷汽油机的颗粒物排放，已成为国内外的研究热点之一[9-12]。

其中，喷油器的喷雾特性对直喷汽油机的油气混合具有重要影响，在直喷汽油机的开发过程中，喷油器的匹配对颗粒物排放具有至关重要的作用。鉴于此，本文针对基于国Ⅵ排放的直喷增压汽油机电控系统的匹配，建立了相应的试验测试平台，首先进行了不同喷油器的选型测试，研究了不同喷油器喷雾特征对碳烟排放、燃烧特性和油耗的影响。在此基础上，对比研究了喷油时刻、喷油比例等参数对碳烟排放的影响规律，并对基于提高喷油压力以抑制碳烟排放的作用进行了测试研究。

1 试验装置及测试方案

1.1 试验设备

图1所示为所搭建的试验测试系统平台。试验发动机为一台1.5L直喷增压汽油机，主要结构参数如下：缸径75 mm，冲程84.8 mm，压缩比10。该发动机最大功率为130 kW，最大扭矩为250 N·m，燃油喷射压力200 bar。测功机采用D2T电力测功机，最大功率为300 kW，最大扭矩700 Nm，最高转速为10000 r/min。油耗测量系统为AVL 735S/753C型瞬态油耗测量系统。排放检测设备为Horiba Mexa 7100 EGR尾气排放仪和AVL 415S烟度测试计。

同时，外接燃烧诊断系统，采用Kistler 6052B石英压力传感器采集缸内压力信号，通过5011B电荷放大器将压电传感器输出的电荷信号转化为电压信号，利用Kistler 2613B曲轴转角信号发生器采集转角信号，按爆震识别要求将采样分辨率设为0.1。CA，由DEWE-2010燃烧分析仪进行数据采集分析。此外，连接INCA标定软件，实现在线调整发动机运行控制参数，如点火角、空燃比等。

1.2 试验设备

试验选择两种不同型号的喷油器进行喷油器匹配测试研究，两种喷油器的喷射靶点分布如图2所示。这里分别将其定义为A型喷油器和B型喷油器。同时，为确定最佳喷油器匹配组合，分别选用了平顶结构活塞和碗顶结构活塞，如图3所示。分别针对两种喷油器和两种活塞的组合进行试验。

这里分别设计了部分负荷和全负荷工况，进行燃油喷射器的选型匹配研究。其中，针对部分负荷工况，设计了6个工况点进行测试分析，分别为：1600r/min@3.5bar、1600r/min@6.5bar，2000r/min@3.5bar、2000r/min@6.5bar，2400 r/min@2.5bar、2400r/min@7.5bar。而对于全负荷工况，设计的测试工况点分别是3000 r/min、4000 r/min和6000 r/min。试验过程中，分别对发动机的碳烟排放、燃油消耗率和燃烧特性进行测试分析，并由此匹配出最佳喷油器。

2 喷油器匹配测试研究

2.1 排放测试数据对比

图4所示为在部分负荷工况下，不同喷油器和活塞匹配组合时，排放特性测试结果的对比。从图中可以看出，不同喷油器与活塞组合时，其对THC、NOx和CO的影响并不大，基本上处于相同的水平，但对碳烟排放的影响却相对较大。图中，当采用A型喷油器时，碳烟排放较低。如使用平顶活塞，A型喷油器时，部分負荷6个工况点的碳烟排放均值仅为0.25 mg/m3。而采用B型喷油器时，其碳烟排放均值则上升为1.24 mg/m3。使用碗顶活塞时，也有类似的变化趋势。这主要是由于B型喷油器较A型喷油器，其喷雾油束更接近活塞方向，导致燃油与活塞接触增多，碳烟排放增加。另外，需要注意的是，采用平顶活塞时，其NOx排放较采用碗顶活塞时稍高。这主要与采用平顶活塞时缸内燃烧速率较快，缸内燃烧温度较高有关。

2.2 燃烧测试数据对比

图5所示为部分负荷工况下，不同喷油器和活塞匹配组合时，缸内燃烧特性测试结果的对比。从图中可以看出，在活塞相同的情况下，使用不同喷油器时，发动机的燃烧特性和IMEP循环变动率几乎没有发生变化。而采用不同的活塞时，缸内燃烧特性却发生了明显变化。

其中，采用平顶活塞时，相较碗顶活塞，其燃烧迟滞角缩短，燃烧速率加快，IMEP循环变动率降低。例如，使用A型喷油器，当采用平顶活塞时，相较碗顶活塞，其燃烧迟滞角缩短0.8 °CA，AI50提前1.3 °CA，燃烧持续期缩短2.6 °CA；同时，IMEP循环变动率由2.6 %降为2.3 %。可见，采用平顶活塞时，有利于缸内燃烧特性的改善。

2.3 燃油经济性数据对比

表1所示为在部分负荷工况下，不同喷油器和活塞匹配组合时，燃油消耗率测试结果的对比。从表中可以看出，当采用A型喷油器与平顶活塞时，燃油消耗率最低。这主要是因为采用平顶活塞时，改善了缸内燃烧特性，从而提高了热效率，使发动机油耗降低。

表2所示为上述部分负荷工况测试结果平均值的对比。从表中可以看出，在部分负荷工况下，A型喷油器相较B型喷油器，其碳烟排放更低；同时，当采用平顶活塞时，燃烧迟滞角缩短，燃烧速率加快，IMEP循环变动率降低，油耗也呈下降趋势。

除此之外，针对全负荷工况也进行了测试研究，结果显示其具有相同的变化特征，即A型喷油器与平顶活塞的组合最佳。其不但利于碳烟排放的降低，而且使燃烧速率加快，燃烧稳定性提高，油耗降低。

表2 部分负荷工况测试结果的对比

（6个工况点平均值）

3 喷油控制策略研究

由于直喷增压汽油机在低速大负荷工况区域，会发生早燃及爆震严重的非正常燃烧现象。故在此区域常采用多次喷油的控制模式，如图6所示。

然而，当采用多次喷油模式时，若控制参数匹配不合理，将产生偏浓和偏稀区域，使混合气分布不均，产生不均匀燃烧，进而对碳烟排放产生不利影响。为降低直喷增压汽油机颗粒物排放，这里分别对喷油时刻、喷油比例以及喷油压力等控制参数对碳烟排放的影响进行研究。

3.1 喷油时刻影响规律研究

图7所示为全负荷转速1500 r/min、喷油压力200 bar时，不同喷油时刻变化对碳烟排放的影响。其中，图7a为碳烟排放随第一次喷油时刻（SOI1）的变化规律。这里将SOI2和SOI3分别固定为120 °CA BTDC和90 °CA BTDC。从图中可以看出，随着第一次喷油时刻的推迟，碳烟排放逐渐降低。例如，当SOI1从300 °CA BTDC推迟到240 °CA BTDC时，其碳烟排放从1.99 mg/m3下降到0.63 mg/m3。这主要是由于推迟第一次喷油时刻，减少了燃油与活塞的碰触，从而使碳烟排放降低。

图7b为碳烟排放随第二次喷油时刻（SOI2）的变化规律。这里将SOI1和SOI3分别固定为240 °CA BTDC和90 °CA BTDC。从图中可以看出，随着第二次喷油时刻的推迟，碳烟排放有升高趋势。例如，当SOI2推迟到120 °CA BTDC时，其碳烟排放增加到0.43 mg/m3。而在SOI2为160 °CA BTDC时，碳烟排放最低。这主要是由于第二次喷油时刻越推迟，则油气混合时间越短，混合越不均匀，导致燃烧不充分，碳烟排放升高。

值得注意的是，当SOI2进一步提前，达到180 °CA BTDC时，其碳烟排放反而有升高的趋势。这主要是由于此时缸内气流速度较小，平均湍动能较其他时刻减弱，导致燃油蒸发速度变慢，进而容易在缸内形成壁面油膜，使碳烟排放增加。

图7c为碳烟排放随第三次喷油时刻（SOI3）的变化规律。这里将SOI1和SOI2分别固定为240 °CA BTDC和180 °CA BTDC。从图中可以看出，随着第三次喷油时刻的推迟，碳烟排放逐渐升高。例如，当SOI3从140 °CA BTDC推迟到90 °CA BTDC时，其碳烟排放从0.07 mg/m3增加到0.33 mg/m3。这主要是由于喷油时刻越推迟，则燃油混合越不充分，进而导致碳烟排放升高。

3.2 喷油比例影响规律研究

图8所示分别为在全负荷转速1500 r/min和2000 r/min时，不同喷油比例对碳烟排放的影响。其中，在转速1500 r/min时，设定的SOI1、SOI2和SOI3分别为240 °CA BTDC、130 °CA BTDC和90 °CA BTDC；在转速2000 r/min时，设定的SOI1、SOI2和SOI3分别为260 °CA BTDC、200 °CA BTDC和110 °CA BTDC。喷油压力固定为200 bar。

从图中可以看出，两种转速工况下，增加第三次喷油比例时，均会导致碳烟排放升高。而在保持第三次喷油比例不变的情况下，增加第一次喷油比例，降低第二次喷油比例，却导致碳烟排放出现不同的变化趋势。例如，在转速1500 r/min时，增加第一次喷油比例，降低第二次喷油比例，碳烟排放降低，而在转速2000 r/min时，碳烟排放却有升高趋势。这主要是因为1500 r/min时，第二次喷油时刻较晚，降低第二次喷油比例后，减弱了由于燃油混合时间过短而导致的碳烟排放升高的倾向。而在2000 r/min时，增加第一次喷油比例后，因第一次喷射燃油量增大，加剧了燃油与活塞的碰触量，使碳烟排放升高。

3.3 喷油压力影响规律研究

图9所示为在部分负荷工况下，分别采用200bar和350bar喷油压力时，发动机排放特性的变化规律。从图中可以看出，当采用350bar喷油压力时，排放特征的变化并不显著。碳烟虽有一定程度的降低，但效果并不理想，大部分工况仍处于相同的水平。这主要是由于部分负荷时，所需燃料较少，喷射时间较短，燃油雾化充分。可见，在部分负荷工况下，采用更高的喷油压力对排放的降低效果并不明显，碳烟排放并无显著改善。

图10所示为在全负荷工况下，分别采用200bar和350bar喷油压力时，发动机排放特性的变化规律。从图中可以看出，当采用350bar喷油压力时，NOx和CO并无明显变化，基本上处于相同水平。但碳烟排放的改善效果却非常明显，THC排放也有一定程度降低。可见，在外特性工况下，采用更高的喷油压力有利于碳烟排放的降低。

4 结论

随着国Ⅵ排放法规的颁布，其对颗粒物质量排放和数量排放进行了严格的限制，要達到相应排放标准，将给主机厂带来巨大挑战。为此，本文针对基于国Ⅵ排放的一款直喷增压汽油机电控系统的匹配进行研究。

根据测试目标，搭建了相应的试验测试平台，除完成发动机性能测试之外，还实现了缸内燃烧诊断；同时，利用INCA标定软件实现了对发动机控制参数的调节；并通过排放检测设备完成发动机排放的测试。

喷油器测试结果表明：A型喷油器与平顶活塞的匹配组合最佳，其不但有利于碳烟排放降低，而且使燃烧速率加快，燃烧稳定性提高。此外，相较碗顶活塞，采用平顶活塞时，燃烧速率更快，燃烧稳定性更高，油耗也更低。

当采用多次喷油模式时，随着第一次喷油时刻的推迟，碳烟排放有降低趋势。这主要是由于推迟第一次喷油时刻，减少了燃油与活塞的接触；而随着第二次和第三次喷油时刻的推迟，碳烟排放却有增大倾向。这主要是由于燃油混合时间缩短导致油气混合不均匀所致。尤其是当增加第三次喷油比例时，碳烟排放量明显增加。

喷油压力测试结果表明：部分负荷工况，由于所需燃料较少，燃油雾化时间相对充足，采用更高的喷油压力对碳烟排放并无明显改善。而在全负荷工况，采用更高的喷油压力时，碳烟排放改善效果较明显，且THC也有一定程度降低。

参考文献：

[1]杨嘉林. 车用汽油发动机燃烧系统的开发[M]. 北京： 机械工业出版社， 2008.

[2]Wang-Hansen C， Ericsson P， Lundberg B， et al. Characterization of particulate matter from direct injected gasoline engines. Top Catal， 2013， 56： 446-451.

[3]裴毅强，张建业，秦静，等. 增压直喷汽油机起动怠速及混合气浓度对微粒排放的影响. 天津大学学报（自然科学与工程技术版），2014，47： 892-897.

[4]付海超，李昕晏，王建海，等. GDI 与PFI 汽油车微粒排放特性的试验研究. 汽车工程，2014，36： 1163–1170.

[5]魏传芳，董伟，于秀敏，等. 点火提前角对直喷汽油机微粒排放特性的影响. 车用发动机，2014，（3）： 25-28.

[6]朱小慧，钱勇，吕兴才. 直喷式汽油机微粒排放规律与控制策略的研究进展[J]. 科学通报， 2016， 61（1）： 102-112.

[7]Bandel W， Fraidl G， Kapus P， et al. The turbocharged GDI engine：Boosted synergies for high fuel economy plus ultra-low emission [C]. SAE Paper. Detroit， MI， USA，2006，2006-01-1266.

[8]王建昕，王志. 高效清洁车用汽油机燃烧的研究进展[J]. 汽车安全与节能学报，2010，1（3）：167-178.

[9]苏建业. 增压直喷汽油机爆震和颗粒物排放特性与控制策略研究[D].上海： 上海交通大学，2014.

[10]董伟，于秀敏，杨松，等. 空燃比对直喷汽油机微粒排放特性的影响[J]. 汽车技术，2013，（10）： 1-3.

[11]钟兵，洪伟，苏岩，等. 控制参数对增压缸内直喷汽油机部分负荷下微粒排放特性的影响[J]. 西安交通大学学报，2016，50（5）： 95-100.

[12]夏晨. 缸内直喷汽油发动机排放颗粒物的研究[D].上海： 上海交通大学，2015.