80 MPa汽油高压喷射用于不同燃烧过程的试验研究

1 初始状况

近年来，已对直喷式汽油机在均质和分层燃烧运行中所产生的颗粒物(PM)排放开展了许多试验研究工作。随着全新行驶循环的实施和废气排放限值的日趋严格，以及新增的颗粒数(PN)排放限值要求，实现低PM排放燃烧的举措愈加紧迫。提高喷油压力以改善混合气准备过程是其中的1项关键技术。虽然已针对喷油压力提高到50 MPa的目标进行了许多试验研究工作[1-10]，但是其中仅有为数不多的研究工作对超高喷油压力的(50～100 MPa)汽油喷射进行过相关试验研究。本试验研究项目也对该目标作出了相关贡献，并指出了其与燃烧过程无关且能进一步提高喷油压力的潜力。

2 试验设备配置

常规汽油高压喷油器的喷油嘴针阀直接由电磁线圈操纵，因此在喷油器控制方面如不进行大幅调整是无法采用超高喷油压力的，而且由于其结构型式比柴油机喷油器更为紧凑，使其机械强度受到限制。而在柴油机喷油器中并非直接由电磁线圈而是通过液力转换来控制总针阀开启，电磁力仅用于打开通往控制室的入口，而控制室将燃油压力施加在针阀上，在开启时较高的燃油压力也对针阀起到推动作用。在本试验研究项目中应用了Bosch公司的CRI2型柴油机喷油器。

这种喷油器配备了专门开发的喷油嘴，其根据喷束雾化和混合特性的计算流体力学(3D-CFD)模拟研究设计而成，适用于均质燃烧过程和喷束导向型分层燃烧过程。设计时遵循均质燃烧过程基于下止点时的壁面润湿和混合气均质化过程，喷束导向型分层燃烧过程则是通过上止点时的壁面润湿和混合气的分层(易燃性)而得以实现。

针对其燃烧过程分别进行过2次优化的喷油嘴(第1代)设计了1种适用于2类燃烧过程的折中方案(第2代)，同样也对原有的第1代喷油嘴进行了制造和试验研究，但是喷油嘴喷孔的几何形状和尺寸尚未得以完全优化(表1)。

表1 高压喷油器及其喷油嘴特性数据

借助于激光打孔技术在喷油嘴坯料上打出第2代喷油嘴的喷孔几何形状和尺寸。在正常的柴油喷射应用情况下，由于喷油嘴坯料的壁面较厚，因而如不作进一步的修改，喷油嘴喷孔的长度与直径之比(L/d)对喷束雾化会造成负面影响，因此用硬质合金刀具切削以减小坯料的壁厚并附带加工出台阶孔，这种台阶孔可有效减小喷孔长度，从而降低喷孔的L/d。在加工过程终了时，采取液力侵蚀孔口倒圆工艺来提高流量，以便减小穴蚀倾向，从而降低喷油嘴损坏的风险。图1(a)中示出了减小喷孔L/d的措施，并在图1(b)中示出了喷射油束图形。喷射油束图形包含有2个靠近火花塞的喷束(深色喷束)，在分层充气的情况下，将混合气输送到火花塞附近，而其余喷束(浅色喷束)则通过燃油填充剩余的燃烧室空间。表1中归纳了所采用的喷油器的技术数据。

图1 具有台阶孔和减小壁厚的喷油嘴剖面图和研究喷射油束侧视图

所应用的单缸试验发动机的技术数据汇总于表2，其活塞和燃烧室的几何形状以量产轿车发动机为基础，其排量为0.463 L，配备了特制的气缸盖，能将高压喷油器集成在2个排气门的中间位置。

表2 单缸试验发动机技术数据

图2示出了试验台布置示意图。燃油系统可分为低压循环回路和高压循环回路，常规的前置输油泵将燃油通过滤清器和流量计输送到高压燃油泵进口，高压燃油泵再将燃油增压，压力调节器在燃油共轨前将其调节到所期望的喷油压力，这样就能使喷油压力高达80 MPa。

图2 试验台布置示意图

3 均质运行试验结果

对新开发的配备第2代喷油嘴的高压(HP)喷油系统的试验结果和第1代喷油嘴(喷油压力80 MPa)与传统喷油系统的试验结果进行比较。传统喷油系统由喷油压力高达20 MPa的量产汽油喷油器组成，其喷射图形与第2代喷油嘴相比具有较好的特性。3种喷油系统采用的喷油始点都已通过前期试验而针对PM排放进行过优化，高压喷油器为470°CA，传统喷油器为430°CA。传统喷油系统较早的喷油始点是由于喷油压力较低而使喷油持续期延长所引起的。

图3示出了3种喷油系统在2 000 r/min的恒定转速时基于发动机负荷变化的试验结果，值得注意的是，所有的喷油系统从0.3 MPa的平均指示压力(pmi)起都达到了稳定的发动机运行状态(燃烧稳定性σ(pmi)<3%)，仅第1代喷油嘴高压喷油系统在pmi为0.2 MPa时明显超出了这一标准，这种喷油器因其稳态流量较大(表1)而无法实现重复喷射较小的喷油量。

就碳氢(HC)排放和指示燃油耗(bi)而言，使用第2代喷油嘴高压喷油系统具有明显的优势。改善喷束雾化与优化喷射油束图形相结合能有效减少壁面润湿，因此能使更多燃油参与燃烧，这也从较长的燃烧持续期中得以体现。

图3 使用传统喷油器(20 MPa)和2种不同喷油嘴高压喷油器(80 MPa)均质运行时在2 000 r/min转速下发动机负荷变化的比较

由于测量误差，传统喷油系统的氮氧化物(NOx)原始排放数据难以令人信服，因而无法直接进行比较。在使用高压喷油系统时，由于燃烧过程得以强化，而热NOx的形成会相应增多。在比较2种高压喷油系统时，观察到使用第2代喷油嘴会导致NOx排放降低，预计第2代喷油嘴的喷射油束图形会加强滚流充量运动，因此气缸峰值温度将会有所降低并阻碍NOx的形成。

4 分层运行试验结果

图4示出了3种喷油系统在分层混合气工况下运行时于2 000 r/min的恒定转速下负荷变化的试验结果比较。在pmi为0.2 MPa的最小负荷时，尚无某种喷油系统能使发动机达到稳定运行(即图中燃烧稳定性σ(pmi)>3%)的状态，其原因是由于喷油量较小，使得燃烧过程总体上过于稀薄。无论是喷油量还是喷束动量都过小，无法在火花塞附近准备好足够浓的混合气，因而无法获得稳定的可燃性。与传统的喷油系统相比，高压喷油器即使在pmi为0.3 MPa的负荷工况下也无法确保稳定的燃烧过程。在这种高压喷射的情况下，改善喷束雾化的效果难以补偿混合气形成时间过短造成的影响。

图4 使用传统喷油器(20 MPa)和2种不同喷油嘴高压喷油器(80 MPa)分层运行时2 000 r/min转速下发动机负荷变化的比较

与燃烧稳定性不同，使用第2代喷油嘴高压喷油系统时废气排放和燃油耗的状况都得到了相应改善。在所有的发动机试验负荷时会有更多燃油参与燃烧，这体现在燃油耗的改善方面。喷油嘴几何形状和尺寸的修改与提高喷油压力相结合使得燃油能更快地实现气化，从而在火花塞周围获得了浓度较高的混合气。若将高压喷油系统的2种喷油嘴直接进行比较的话，则喷油嘴喷孔L/d减小可使HC排放降低。在没有优化的第一代喷油嘴下可观察到喷束雾化不充分，导致喷束贯穿深度增大，其结果是活塞润湿的风险增大，导致HC排放增加，这种不良后果可通过使用第2代喷油嘴进行优化。

第2代喷油嘴高压喷油系统表现出最佳的NOx排放值。提高喷油压力与改善喷束雾化相互配合就能在火花塞周围获得最合理的混合气分层，从而降低了气缸温度，并缓解了NOx的形成。

在分层运行时，通过使用这种高压喷油系统同样能改善PN排放。虽然从原理上来讲其为扩散燃烧，PN排放总体水平始终相对较高，可在较高负荷时降低PN排放。

5 结论

介绍了1种由柴油机喷油器和新开发的喷油嘴组成的汽油高压喷射系统，这种喷油嘴的喷油压力高达80 MPa，并借助于3D-CFD模拟对这种喷油嘴的喷射油束图形进行了优化，从而在混合气分层与减少壁面润湿之间获得了最佳的折中，此外这种喷油嘴喷孔L/d被调整到汽油喷油器的常规值，从而确保了喷束的快速雾化。

高压喷油系统在单缸试验发动机上对均质和分层燃烧2类运行方式都进行了相关试验研究。试验结果证实，提高喷油压力能明显地改善PN排放而不会使其他气态排放值得以恶化。与具有相同喷射油束图形的传统汽油喷油器相比，高压喷油系统对于这2类燃烧过程在降低原始排放和燃油耗方面具有一定的技术潜力。试验结果表明，喷油嘴几何形状和尺寸的优化对于提高喷油压力具有决定性的意义。