喷射策略对缸内直喷汽油机油耗和颗粒排放的影响

段伟，牛贝妮，解方喜，洪伟

1.菲亚特克莱斯勒动力科技研发(上海)有限公司，上海 201807； 2.上海宏景智驾信息科技有限公司，上海 201804； 3.吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室，吉林 长春 130025

0 引言

随着轻型汽车污染物排放和油耗限值标准的实施[1-2]，内燃机产业面临严峻挑战，行驶中的车辆也要进行污染物排放检测[3-5]。为了满足日益严格的排放和油耗要求，目前轻型车用汽油机主要通过增压直喷[6]、废气再循环(exhaust gas recirculation, EGR)[7]等机内净化技术配合汽油机颗粒捕集器(gasoline particulate filter, GPF)[8-10]后处理系统。与进气道多点喷射(port fuel injection, PFI)汽油机相比，缸内直喷(gasoline direct injection, GDI)汽油机排放的粒子数量(particle number, PN)相对较多，冷机工况的PN排放约为车辆Ι型试验(国六)PN排放的50%～70%。随着GDI汽油机强化指标的不断提高，汽油机低速大负荷时出现爆震和早燃的概率越来越高[11]。早燃发生时，缸内压力和温度急剧升高，并伴有剧烈的压力波动和噪声，早燃对火花塞和活塞造成极大破坏，限制了汽油机性能改善[12-13]。为了实现GDI汽油机的高效清洁工作，必须合理优化和匹配发动机关键控制参数(燃油喷射正时、喷射压力、EGR率等),改善排放性能、降低燃油消耗[14]、减小早燃和超级爆震的概率[15]。

本文中以某小型GDI增压汽油机为研究对象，研究发动机常用工况下喷射策略对汽油机性能的影响，通过优化发动机喷油相位、喷油比例和喷油压力达到降低油耗和排放的目标。

1 试验设备与试验方法

试验在一台直列3缸GDI增压汽油机上进行，汽油机技术参数如表1所示。

表1 汽油机技术参数

试验通过AVL测功机、油耗仪、燃烧分析仪、排放物和颗粒物分析仪等设备采集发动机功率、燃油消耗量、缸内燃烧压力、排放物和颗粒数等数据，选用INCA公司的592通信采集设备连接发动机电控单元(electronic control unit, ECU)调整喷油相位和喷射压力，并通过INCA软件采集发动机关键运行参数，应用AVL冷却水管理系统控制发动机冷却水温度为90 ℃。试验边界条件如表2所示。

表2 边界条件

以发动机压缩上止点作为参考基准点，定义基准点对应的曲轴转角为0°，定义基准点前喷油开始时刻与基准点之间的曲轴转角为喷油起始相位θSOI,定义基准点前喷油结束时刻与基准点之间的曲轴转角为喷油结束相位θEOI，定义喷射比例为主喷油量(第一次喷油量)与后喷油量(第二次喷油量)之比。对于单次喷射策略，试验主要优化喷油起始相位θSOI和喷射压力pf；对于二次喷射策略，在单次喷射策略优化的基础上，优化第二次喷油结束相位θEOI和两次燃油喷射比例γf，稳态测试点测试发动机转速和相对进气量Qr，转速测试范围为1000～5000 r/min，测试间隔为1000 r/min；Qr为0.3～1.5，间隔为0.3。Qr计算如下：

Qr=Qa/Qt

式中：Qa为实际进气量,L；Qt为理论进气量,L，可通过理想空气状态方程计算。

试验主控制参数如表3所示。

表3 试验主要控制参数

在不同的喷射压力下，采集不同喷油起始相位θSOI(以对应的曲轴转角计算)时发动机进入稳态工况后的参数，通过AVL_PUMA系统记录所有测试点的发动机性能、排放、燃烧等参数，记录时间为20 s。选择6个测试工况点(分别记作TEST-1、TEST-2、TEST-3、TEST-4、TEST-5、TEST-6)进行重点分析，测试工况点的发动机转速和Qr如表4所示。

表4 测试工况点的发动机转速和Qr

2 试验结果及分析

2.1 单次喷射策略

TEST-1工况发动机不同单次喷射策略(喷油起始相位和喷射压力)下比油耗、燃烧稳定性、PN和HC排放如图1所示，图中以平均有效压力变动系数(coefficient of variation, CoV)评价燃烧稳定性，平均有效压力变动系数为缸内平均有效压力的标准差与缸内平均有效压力之比。

图1 TEST-1工况不同单次喷射策略时发动机比油耗、平均有效压力和排放对比

由图1可知：θSOI过小或过大均不利于降低比油耗，θSOI过小，油气混合时间较短，易形成过浓和过稀区域，可燃混合气较少，燃烧不充分，比油耗较高；θSOI过大接近排气上止点时，燃油喷射撞击到活塞表面的机会增加，形成较多油膜，不利于燃油和空气充分混合形成较多的可燃气体，造成比油耗偏高，θSOI适当增加(θSOI=300°～320°)时比油耗较低；比油耗对pf敏感度较低，θSOI增加可以改善燃烧稳定性，燃烧稳定性的变化规律与pf有一定的相关性，但影响较小；提高pf可降低PN和HC排放，θSOI=280°～300°时PN排放最低，θSOI过小或过大都有可能增加HC和PN排放，但对HC排放的影响相对较弱，这是由于水温及缸内温度较高，易于燃油蒸发形成较多均质混合气，降低HC排放。

中、高转速和中、大负荷(TEST-2、TEST-3)工况不同单次喷油策略下比油耗和PN排放对比如图2、3所示。

由图2、3可知，pf提高能够降低比油耗，θSOI=320°时比油耗最低；θSOI<320°时，提高pf可以降低PN排放，θSOI=300°～320°时PN排放最低。和图1运行工况相似，θSOI过小或过大，都有可能增加PN排放。θSOI增加，对PN排放的影响较弱，但pf较高(15～20 MPa)时，增加θSOI，可能导致PN排放恶化。

图2 TEST-2工况不同单次喷射策略时比油耗和PN排放对比

依据比油耗、HC和PN排放以及获得的最小平均有效压力变动系数(原则上应小于5%)优化θSOI和pf，以达到最佳的燃油消耗、较低的排放和较好的燃烧稳定性。在提高pf时，最小喷油脉宽(minimum fuel pulse width, MFPW)应大于400 μs，且不应进入非线性区域，不同转速和Qr对应的优化θSOI和pf如表5、6所示。

图3 TEST-3工况不同单次喷射策略时比油耗和PN排放对比

表5 不同转速和Qr对应的优化θSOI °Qr发动机转速/(r·min-1)100020003000400050000.3300300～320300300～320300～3200.6280～300300300300～320300～3200.9280280～300300300～3203201.2280280～300300300～3203201.5280280～300300320320表6 不同转速和Qr对应的优化pfMPaQr发动机转速/(r·min-1)100020003000400050000.31010～1510～1515150.6151515～2015～20200.920202020201.220202020201.52020202020

2.2 二次喷射策略

在单次喷油策略优化的基础上，调整第二次喷油结束相位θEOI和喷射比例γf，试验控制参数如表7所示。

表7 试验控制参数

TEST-4工况，发动机θSOI=300°、pf=15 MPa时，不同θEOI和γf下比油耗、燃烧稳定性、HC和PN排放的对比如图4所示。由图4a)可知：适当增加θEOI可以降低比油耗，但θEOI过小或过大都不利于比油耗改善，这是因为随着θEOI的减小，油气混合时间较短，易形成不均匀混合气，且喷雾有可能撞击活塞，形成油膜，不利于油气充分混合；随着θEOI不断增加，后喷油量有可能干扰主喷油量，造成喷油器频繁动作，喷油量不准确，不利形成当量空燃比混合气；θEOI=120°～140°时，比油耗较低。由图4a)、4b)可知：θEOI对燃烧稳定性和比油耗的影响有一定的相关性，随着γf的提高，可以降低比油耗，γf=0.8时，比油耗相对较低。由图4c)、4d)可知：减小θEOI，可以降低HC排放，但对PN排放影响不大，过大的θEOI，有可能增加HC排放，θEOI减小或增加，对PN排放的影响相对较小。

图4 TEST-4工况不同二次喷射策略下比油耗、平均有效压力和排放对比

TEST-5和TEST-6工况，θSOI=290°、pf=20 MPa下，不同θEOI和γf对发动机比油耗、燃烧稳定性、HC和PN排放的影响如图5、6所示。

图5 TEST-5工况不同二次喷射策略下比油耗、平均有效压力和排放对比

图6 TEST-6工况不同二次喷射策略下比油耗、平均有效压力和排放对比

相对于低负荷，中高负荷时θEOI对比油耗影响较低，γf影响较大。在θEOI=80°～100°和γf=0.8时，比油耗最低。当γf降低时，可改善PN和HC排放，随着θEOI的减小，PN排放可能增加，HC有可能降低，当增加θEOI，HC排放略增加，PN排放略降低，但整体上，θEOI对PN排放影响相对较低。随着发动机负荷的增加，θEOI向减小方向移动，可以获得较好的经济性和排放性。

与单次喷油策略优化原则相同，在获得最佳喷射比例时，不应该使第二次喷油的最小喷油脉宽进入非线性区域。

不同转速和Qr对应的优化喷油结束相位θEOI和喷油比例γf如表8、9所示。

表8 不同转速和Qr对应的优化θEOI °Qr发动机转速/(r·min-1)1000200030000.31601401200.61401201000.91201001001.210080801.5808080 表9 不同转速和Qr对应的优化γf %Qr发动机转速/(r·min-1)1000200030000.30.70.80.80.60.70.80.80.90.70.80.81.20.70.80.81.50.70.80.8

3 结论

1)适当提高喷射压力可以有效降低PN排放。

2)对于单次喷射策略，适当增加喷油起始相位并耦合较高喷射压力，可以降低油耗、改善PN和HC排放。

3)对于二次喷射策略，合适的第二次喷油结束相位和喷射比例，可以改善经济性和排放性；随着发动机转速和负荷的增加，减小第二次喷油结束相位和提高喷射比例，可以获得较好的经济性和排放性。