电控活塞冷却喷嘴对油耗及排放影响研究

2022-10-13夏朝辉王晓丽尹建东王瑞平

小型内燃机与车辆技术 2022年4期

关键词：电控油耗活塞

夏朝辉王晓丽云非侯丽尹建东王瑞平，2

（1-宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司浙江宁波 315336 2-浙江吉利动力总成有限公司）

引言

随着国家排放及油耗法规越来越严格，发动机技术也在不断革新，催生了发动机零部件的电气化及精确控制。活塞冷却喷嘴也从之前的机械式喷嘴（柱塞式机械喷嘴或球阀式机械喷嘴）演变出来采用电控阀控制的电控喷嘴[1]。

本文从电控活塞冷却喷嘴的节油和降排原理以及在发动机试验台架上进行的试验，来阐述其对油耗及排放影响。

1 电控活塞冷却喷嘴节油原理

本节从一款典型的采用二级可变排量机油泵的汽油机来阐明电控活塞冷却喷嘴相对于机械喷嘴的节油原理（图1 上数值仅供示意用）。

图1 节油原理图

线a：发动机外特性线

线b：变排量机油泵高低压切换线&机械喷嘴开启关闭分界线

根据机械喷嘴的特性，低压模式下，机械喷嘴关闭。高压模式下，机械喷嘴开启。

线c：电控活塞冷却喷嘴开启关闭分界线

曲线c 为根据发动机爆震边界，标定出来的最佳油耗时电控喷嘴开启/关闭边界曲线（示意，具体数值根据发动机具体标定）。曲线以下工况，关闭喷嘴油耗最低。曲线以上工况，开启喷嘴油耗最低。

从图1 可以看出：①机械喷嘴同电控喷嘴在低速小负荷时都是关闭的特性，在高速大负荷时，都是开启的特性。②在低速中大负荷和高速小负荷时，机械喷嘴同电控喷嘴的控制是有差异的，这个区间就是电控喷嘴比机械喷嘴省油的工况。

2 电控活塞冷却喷嘴减排原理

发动机在启动阶段，为了缩短发动机油压建立时间，机油泵通常要运行在高压模式一段时间。这个时候如果采用机械活塞冷却喷嘴的话，由于油压高将会开启喷油，对活塞进行强制冷却。而此时，发动机本身还未充分热机，活塞温度也比较低，此时冷却的话，将导致燃烧室温度过低，燃烧不完全，HC 及CO 及碳颗粒增加。特别是在冬天，启动时机油温度很低。此时，喷嘴喷油将加剧燃烧的恶化，使排放更差[2]。

采用电控活塞冷却喷嘴，可在发动机启动阶段主动关闭喷嘴，来降低对活塞的冷却，保证活塞能够更快地升温，从而使燃烧室更快地达到正常工作温度，降低HC、CO 及碳颗粒等排放物[3]。

3 活塞冷却喷嘴开关对比试验

为了实测电控活塞冷却喷嘴对油耗及排放的影响，特在发动机台架上进行了相关试验验证。

3.1 试验边界条件

测试发动机基本参数如表1 所示。

表1 测试发动机基本参数

3.1.1 发动机油耗对比测试

分别测试不同工况点开启活塞喷嘴和关闭活塞冷却喷嘴的最佳油耗（调整相应点火角），并对油耗差异进行对比，来研究喷嘴开关对油耗的影响。

3.1.2 发动机排放对比测试

分别测试WLTC 循环下开启活塞喷嘴和关闭活塞冷却喷嘴的排放数值，并对排放结果进行对比，来研究喷嘴开关对发动机排放的影响。

3.2 试验结果分析

3.2.1 油耗影响分析

图2 所示为发动机热力学开发工况点的油耗对比分析：发动机在低速小负荷工况下，关闭活塞冷却喷嘴将带来约1 g/（kW·h）的油耗收益，在中高速大负荷工况下，开启活塞冷却喷嘴将带来约1.5 g/（kW·h）的油耗收益。

图2 热力学开发工况点油耗对比

图3 所示为1 500 r/min-无EGR 工况点油耗对比分析：发动机在1 500 r/min 小负荷工况下（BMEP 0.6 MPa 以下），开启或关闭活塞冷却喷嘴对油耗影响不大。在BMEP 0.6 MPa 以后，随着负荷的增加，开启活塞冷却喷嘴带来的油耗收益将逐渐增加，在1.2 MPa 时达到了17.2 g/（kW·h）的油耗收益。

图3 1 500 r/min-无EGR 工况点油耗对比

图4 所示为2 000 r/min-无EGR 工况点油耗对比分析：发动机在2 000 r/min 小负荷工况下（BMEP 0.9 MPa 以下），开启或关闭活塞冷却喷嘴对油耗影响不大。在BMEP 0.9 MPa 以后，随着负荷的增加，开启活塞冷却喷嘴带来的油耗收益将逐渐增加，在1.5 MPa 时达到了25 g/（kW·h）的油耗收益。

图4 2 000 r/min-无EGR 工况点油耗对比

图5 所示为2 500 r/min-无EGR 工况点油耗对比分析：发动机在2 500 r/min 小负荷工况下（BMEP 0.9 MPa 以下），开启或关闭活塞冷却喷嘴对油耗影响不大。在BMEP 0.9 MPa 以后，随着负荷的增加，开启活塞冷却喷嘴带来的油耗收益将逐渐增加，在1.8 MPa 时达到了10.8 g/（kW·h）的油耗收益。