进气道喷射汽油发动机燃油二次喷射研究

杨凯酬，石则强，张继生，何雨声

（1.北京北内创意电控发动机有限责任公司，北京 100176；2.中公高远（北京）汽车检测技术有限公司，北京 101103）

0 前言

缸内直喷（GDI）汽油机因较传统的进气道喷射式发动机具有控制精确、响应迅速、燃油经济性好、二氧化碳排放低等优点而越来越得到各大主机厂的青睐[1]，但是其相应的缺点也在广泛的使用中逐渐暴露出来。GDI发动机在小负荷下的碳氢排放会明显增多，同时相较于进气道喷射发动机而言，其颗粒排放也更加严重[2]。颗粒物排放与缸内直喷汽油混合气形成密切相关，改变喷油策略会对混合气形成产生很大影响。因此，可以通过喷油策略控制形成合理混合气分布，减少颗粒物排放[3]。目前GDI发动机燃油二次喷射技术非常成熟，应用十分广泛。

尽管GDI发动机有着很多技术上的优点，但是进气道喷射（PFI）发动机相比GDI发动机仍存在十分明显的成本优势，目前商用车汽油机的市场中，PFI发动机占有大多数份额，故PFI发动机技术升级仍十分重要。

GDI发动机二次喷射模式中的第一次喷射使燃烧室内形成均匀的混合气体，通过第二次喷射，利用发动机的滚流性将油雾卷到火花塞附近，进行局部加浓以利于点火，减少油耗，降低排放[4-6]。国六法规的推行对发动机的排放性与经济性有了更高的要求，需要在控制技术上挖掘发动机潜力，以低成本方案实现节能减排，故本研究基于某PFI发动机台架试验数据来探究PFI发动机应用二次喷射技术实现节能减排的可行性。

1 试验方案

（1）首先需完成发动机扭矩预估模型，得到基础喷油量，并确保发动机燃烧控制处于较理想的状态。

（2）进行可变气门正时（VVT）扫点选点试验，基于性能、排放、经济性选择最佳VVT控制策略。

（3）完成单次喷射（Single Injection）喷油截止时刻（EOIT）测试试验，基于性能与排放选择最佳喷油截止时刻。

（4）开始二次喷射（Split Injection）测试试验，基于排放及经济性确定两次喷射的位置以及喷油量分配。

2 试验环境及试验设备

本试验中用到的实验设备包括：发动机测功机（含油耗仪）；恒温恒湿进气系统（25℃，50% RH）；气体及颗粒物排放采集装置；某型号PFI发动机（1.6L IVVT）；燃烧分析仪（评估燃烧波动率）；示波器。

3 试验原理及基础计算

相比单次喷射，二次喷射需要考虑两次喷射油量的分配以及第二次喷射的喷油截止时刻，首先需要通过计算确定相应的基础喷油截止时刻，内容如下：

3.1 BoundaryFraction计算

Fuel Boundary为当前循环燃油喷射截止点，当前气缸下一个循环的喷射基于此开始计算，Boundary一般定义在每缸进气门关闭或关闭附近位置。根据发动机厂提供的数据，本发动机在没有VVT做动的工况下，进气门早开角（BTDC）-8°CA（曲轴转角），进气门晚关角（ABDC）80°CA，Fuel Boundary计算起止点为固定37齿，本发动机计算的Boundary Fraction为：

3.2 Run EOIT计算

发动机正常运行工况的喷油截止时刻（Run EOIT），一般在进气门关闭前或进气门达到最大升程前完成喷油，计算方式为VVT不做动的情况下减去发动机的进气门早开角（BTDC）和排气门晚关角（ABDC），也可以考虑充分混合油气再适当提前。本发动机最终计算Run EOIT为：

如果是单次喷射，基于37参考齿开始计算Fuel Boundary，则最终的喷油截止时刻为158+468=626°CA。

在进行二次喷射试验前，会基于性能与排放（主要是排放）来进行EOIT扫点，分别将EOIT逐步前提和推迟，寻找最佳排放点，并设置到控制程序中，EMS（发动机管理系统）会根据实际VVT开度与设置好的EOIT自动计算实际喷油截止时刻。

3.3 Trim EOIT

Trim EOIT即为二次喷射中第二次喷油的截止时刻，二次喷射中第一次喷油截止时刻与第二次喷油截止时刻的间隔即为Trim EOIT-Run EOIT，一般考虑第二次喷射截止点要放在气门最大升程之前，有比较好的排放水平，另外在高转速时由于基础喷油脉宽较高，要避免二次喷射出现连喷的现象，故在高转速区域试验时，需要计算喷油脉宽以确保不会出现燃油连喷的情况。初始化的Trim EOIT一般设置为Run EOIT+（90～150）°CA，本发动机初始Trim EOIT为：

燃油二次喷射的试验过程为，首先基于排放确定不同工况下Trim EOIT（第二次喷油的截止时刻），然后固化Trim EOIT控制数据；之后基于排放进行Run EOIT（第一次喷射喷油截止时刻）的扫点试验，确定最佳选点后固化控制程序；最后不同的Split Ratio（二次喷射分配比例）对排放也有一定的影响，需要通过扫点确定各个工况的最佳二次喷射分配比。

图1 发动机相位图Fig.1 Engine phase diagram

4 试验数据分析及标定

4.1 Trim EOIT标定

基于发动机相位图，我们计算了初步的第一次喷射的喷油截止时刻，首先固化第一次喷射的截止时刻以及分配比（50%-50%），通过调整第二次喷射，采集发动机排放数据来确定最佳的第二次喷射截止时刻，即Trim EOIT。

图中最上方为58X曲轴位置参考齿（EMS系统的曲轴角度参考）信号，中间信号为一缸喷油器工作信号，最下方为一缸点火线圈工作信号，从图中可以看出二次喷射的分配比完全相同，第一次喷射的截止时刻完全相同，第二次喷射的截止时刻有所差异。基于点火线圈工作信号可以大致判定，图3中第二次喷射的截止时刻大约在一缸进气行程结束的附近，图2的二次喷射位置更加推迟，已经是进气门关闭的状态，图4中二次喷射时，进气门尚未达到最大升程。三图工况对应的排放如下：

图2 Trim EOIT做动示意图(738°CA）Fig.2 Trim EOIT actuation diagram (738°CA）

图3 Trim EOIT做动示意图(648°CA）Fig.3 Trim EOIT actuation diagram (648°CA）

图4 Trim EOIT做动示意图(528°CA）Fig.4 Trim EOIT actuation diagram (528°CA）

表1 Trim EOIT排放对比Tab.1 Trim EOIT emission comparison

通过三组排放污染物的数据对比发现，图3状态下气态排放物与颗粒排放物水平均高于图2和图4的状态，特别是颗粒物排放水平显著提高。从燃烧原理上分析，图2状态中第二次喷射截止时刻位于进气门关闭附近，此时喷油有着最短的油气混合时间，故燃油颗粒很可能未经充分雾化混合便直接进入气缸，导致颗粒物排放水平升高，试验数据也基本符合物理分析结果。图2中第二次喷射时，进气门完全关闭，相当于第二次喷射时喷出的燃油在下一个进气行程中才进到气缸内，未造成性能与排放的明显变化。图4将第二次喷射截止时刻大幅前移，同样未有性能与排放上的明显变化。

上述数据对比可以确定，第二次喷射截止时刻必须避开当前缸进气升程结束的附近位置，通过不同转速与负荷的对比试验，排放数据皆可得出同样的结论。考虑高转速大负荷工况时较大的喷油脉宽，为避免二次喷射出现连喷的现象（连喷时喷嘴电磁阀连续开启关闭不利于排放控制），Trim EOIT应当设定为 Run EOIT+120～150°CA，最佳 Trim EOIT 标定完成。

4.2 Split Run EOIT 标定

最佳Trim EOIT标定完成后，开始进行二次喷射中第一次喷射的喷油截止时刻即Run EOIT标定，基于上文提到的标定方法，固化Trim EOIT以及二次喷射分配比，将基础Run EOIT以30°CA为步长，逐步前移120°CA以及推迟120°CA（高转速与高负荷区推迟到两次喷射连喷则试验可停止）进行数据扫点，基于各个工况点的扭矩以及气态排放物、颗粒排放物的排放水平来确定二次喷射时最佳Split Run EOIT（即为二次喷射中第一次喷射的最佳截止时刻）。下面结合部分工况排放数据分析不同Run EOIT对气态排放与颗粒物排放的影响：

图5 CO排放数据对比Fig.5 CO emission data comparison

图6 HC排放数据对比Fig.6 HC emission data comparison

图7 NOx排放数据对比Fig.7 NOx emission data comparison

图8 PN排放数据对比Fig.8 PN emission data comparison

从图中数据可以看出，1600RPM的试验数据在600°CA附近有明显的排放变化，检查数据发现1600RPM最佳Trim EOIT为718°CA，即进气门完全关闭后，Run EOIT有充足的调整测试范围。根据相位图可以计算出，在VVT不工作的情况下，进气门完全关闭角度为735°CA，进气门最大升程角度为588°CA，从排放数据可以看出Run EOIT在600°CA附近排放明显恶化，故相关排放数据也能够充分论证之前的理论，即无论是Run EOIT还是Trim EOIT，两次喷射均不能在进气门最大升程附近，否则很可能造成排放恶化，务必避开此区域选择喷射时机。

Run EOIT可参考上述原则继续进行标定，选择排放最佳点，同时参考测功机扭矩以及燃烧分析仪的燃烧波动率，以确定最终的标定控制参数。

4.3 Split Ratio二次喷射分配比标定

Run EOIT标定完成后，基于选定的最佳Trim EOIT与Run EOIT，开始进行Split Ratio二次喷射分配比扫点，测试方案为50%-50%、60%-40%、70%-30%、40%-60%、30%-70%，测试不同分配比的性能、排放及油耗数据，下面列举3200RPM高负荷的数据以作分析：

图9 不同二次喷射分配比排放对比Fig.9 Emission comparison of different secondary injection distribution ratios

图10 不同二次喷射分配比排放及油耗对比Fig.10 Comparison of emission and fuel consumption of different secondary injection distribution ratios

从图中可以看出不同的二次喷射分配比下，气态排放物变化很小，油耗率基本没有变化，个别工况的PN会有小幅度变化，在分配比标定设置时，避开排放恶化的比例即可。多个工况的数据证明二次喷射分配比对于排放的影响比较小。

4.4 二次喷射排放数据同单次喷射对比

选定最佳二次喷射的喷油截止时刻以及最佳分配比后，再用已选定的控制参数同未开启二次喷射功能时的排放数据进行对比，以确定二次喷射功能的做动区域；除了动力性、经济性、排放的考量，发动机的燃烧状态也要作为参考因素，燃烧分析仪计算的燃烧波动率一般作为参考标准，其超过3%的工况点认为此工况燃烧状态不佳，不予采用；同时要考虑大负荷特别是动力加浓工况下，喷油量大幅增加，颗粒物排放明显上升的情况下，二次喷射功能能够有多大应用范围。

5 结语

二次喷射相关试验完成，基于得到的试验数以及同一次喷射的对比数据，结合相关的理论分析，可以得到如下结论：

（1）对于目前版本的EMS系统，可以正确实现燃油二次喷射的相关功能，相关控制参数能按照软件控制意图正常工作。试验设备工作正常，数据精度能够满足分析需要。

（2）二次喷射试验前，务必要精准地进行VVT选点试验以及单次喷射喷油截止时刻试验，基于性能、经济性、排放选择最佳点。

（3）二次喷射的试验顺序为第二次喷射截止时刻（Trim EOIT）、第一次喷射截止时刻（Run EOIT）、二次喷射燃油分配比（Split Ratio），从得到的试验数据以及理论分析来看，这个试验方法较为合理，可以作为此类试验的标准试验流程。

（4）基于相位计算以及实际的排放数据，可以得出结论，无论是一次喷射还是二次喷射，都要尽量避免在进气行程最大点之后到进气门完全关闭的位置喷油，目前数据认为在这个位置喷射燃油会造成排放明显恶化。

（5）二次喷射分配比对发动机性能、排放、经济性的影响较轻微，相比两次喷射的喷油截止时刻，影响较低。

（6）目前的试验数据中，全负荷工况下，开启二次喷射功能对颗粒物排放有较为明显的抑制作用，可以根据工况需要开启。中低负荷工况相比单次喷射，没有大幅度性能及排放增益，暂不考虑开启相关功能。中高负荷在部分工况收益尚可，待发动机装车后进一步进行试验论证

上述试验结论基于本发动机台架试验数据，不同进气相位相关的配置可能存在数据上的偏差；另考虑发动机台架以稳态试验为主，发动机装车后的瞬态排放水平尚需进一步论证；二次喷射的开启必然会增加喷油器电磁阀的工作频率，是否会对喷油器的工作寿命造成显著影响尚需试验论证。

总体上说，燃油二次喷射功能对于PFI发动机存在一定的排放收益，需要精准地计算发动机的相位并设计合理的试验方案来确定最佳喷油截止时刻，二次喷射作为GDI发动机上普及的技术，可以有效地应用到PFI发动机上，为其节能减排做出贡献。