李經(jīng)道

（一汽海馬動力有限公司，海南?？?70216）

某型渦輪增壓直噴汽油發(fā)動機(jī)燃油噴射系統(tǒng)布置分析與測試

李經(jīng)道

（一汽海馬動力有限公司，海南?？?70216）

闡述某型1.8 L增壓直噴汽油發(fā)動機(jī)燃油噴射系統(tǒng)布置的分析與測試的過程與結(jié)果。為了優(yōu)化布置方案，測試了不同布置方案對整機(jī)各項性能的影響，特別是排放指標(biāo)。

渦輪增壓直噴汽油發(fā)動機(jī)；燃油噴射；布置；排放

0 前言

為了配合與響應(yīng)國家節(jié)能減排的長期發(fā)展戰(zhàn)略，各個主機(jī)廠都已將最先進(jìn)的節(jié)能減排技術(shù)應(yīng)用到新開發(fā)的發(fā)動機(jī)上。缸內(nèi)直噴技術(shù) （Gasoline Direct?Injection，GDI）是各個主機(jī)廠的主流技術(shù)方案，它能夠提高發(fā)動機(jī)的動力輸出、降低燃油消耗、減少尾氣排放。燃燒噴射系統(tǒng)是直噴發(fā)動機(jī)的核心部件，優(yōu)化其布置能夠最大限度發(fā)揮直噴發(fā)動機(jī)的潛能，并滿足日益苛刻的環(huán)保法規(guī)要求。

1 燃油噴射的布置

車用燃油經(jīng)整車燃油泵加壓后泵送到發(fā)動機(jī)的高壓燃油泵，經(jīng)二次加壓達(dá)到燃油系統(tǒng)要求的工作壓力，再經(jīng)油管與油軌輸送到燃油噴射系統(tǒng)的末端噴油器進(jìn)行噴射。噴油器是燃油噴射的主要部件，通常直噴系統(tǒng)的噴油器布置有頂置、側(cè)置兩種方式，各自有不同的優(yōu)缺點。根據(jù)不同的邊界條件、燃燒室結(jié)構(gòu)形式來選擇合適的布置方式。

噴油器的選用與裝配參數(shù)基于優(yōu)化后的噴油器油束布置，并與缸蓋的進(jìn)排氣道匹配后確認(rèn)最終設(shè)計方案，以獲得最佳的燃燒效果。直噴發(fā)動機(jī)燃燒室的整體布置設(shè)計涉及油束布置、高滾流比進(jìn)氣道、活塞頂部形狀、氣門的位置與直徑、火花塞的位置與點火高度等，各種方案的組合都會影響到發(fā)動機(jī)的性能。典型的燃燒室布置簡圖見圖1。

噴油器的油束布置所涉及的參數(shù)包括：油束數(shù)量；角度；流量；噴油點以下一定距離的各個油束中心坐標(biāo)。還要關(guān)注噴射油束的滲透距離、霧化直徑等指標(biāo)。這些參數(shù)指標(biāo)都是評估均質(zhì)混合、濕壁、紊流、與活塞頂端凹坑的匹配、燃油稀釋的關(guān)注項。

圖2為典型的側(cè)置式5孔噴油器油束布置簡圖，可以看出在有限的空間內(nèi)對各個參數(shù)進(jìn)行設(shè)計與均衡是相當(dāng)困難的。不能距燃燒室頂部太近，以避免負(fù)面效應(yīng)，避免與進(jìn)氣閥干涉。

根據(jù)油束布置的數(shù)學(xué)模型確定距離噴油器末端一定距離下的油束中心點坐標(biāo)系。建立坐標(biāo)系是為了使評估測試噴油器樣件實物與理論設(shè)計有統(tǒng)一的評價基準(zhǔn)。油束布置要配合整個燃燒室的設(shè)計，油束的設(shè)計會最終影響到油氣的混合、碳?xì)浠衔?、顆粒物、燃油稀釋率與燃燒特性等指標(biāo)。油束坐標(biāo)系示意圖見圖3。

2 燃油噴射布置的測試

2.1 噴油器油束布置的測試

測試的目的是驗證燃油噴射的角度以及油氣的混合度、貫穿度，通過高清高速攝像系統(tǒng)采集噴射箱體內(nèi)燃油噴射過程的圖形。

測試設(shè)備包括噴油器、噴射箱、噴油器安裝工裝、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、數(shù)字視頻圖像處理系統(tǒng)，如圖4所示。采用符合規(guī)范要求的測試油液在標(biāo)準(zhǔn)噴射壓力下進(jìn)行噴射，通過設(shè)定好的拍攝時間周期自動拍攝采集圖像數(shù)據(jù)。

以下的3個參數(shù)可以通過圖像采集獲?。?/p>

噴射油束的貫穿度 （見圖5）；

噴射油束的擴(kuò)張角度 （見圖6）；

噴油油束的傾斜角度 （見圖6）。

在基準(zhǔn)坐標(biāo)系下對比油束理論設(shè)計與實測數(shù)據(jù)參數(shù)，評估設(shè)計目標(biāo)達(dá)成度，同時可以衡量零件的特征參數(shù)的生產(chǎn)一致性。

2.2 油束布置對發(fā)動機(jī)性能影響的測試

測試的目的是驗證不同燃油噴射布置方案對整機(jī)性能與排放的影響，包括功率扭矩、比油耗、點火角、燃燒率與排放等指標(biāo)。

測試在發(fā)動機(jī)整機(jī)上進(jìn)行，測試設(shè)備包括發(fā)動機(jī)臺架、燃燒分析儀、各類信號采集傳感器、排放柜、配套的供水供油系統(tǒng)等。

歐6排放法規(guī)中加嚴(yán)了對于點燃式汽油直噴發(fā)動機(jī)的顆粒物個數(shù)與質(zhì)量 （NP、mP）控制，直噴發(fā)動機(jī) （DI）相對于傳統(tǒng)的氣道燃油噴射 （PFI）發(fā)動機(jī) （從進(jìn)氣歧管或缸蓋進(jìn)氣管噴射燃料進(jìn)入到燃燒室）顆粒物的排放是非常高的。為了在設(shè)計方案中選擇最優(yōu)的噴油器，測試比較了3種 （方案一為7孔噴油器，方案二為小擴(kuò)張角度噴油束6孔噴油器、方案三為大擴(kuò)張角度噴油束6孔噴油器）不同設(shè)計的噴油器在全負(fù)荷及怠速下的各項參數(shù)指標(biāo)。

圖7為各個轉(zhuǎn)速下全負(fù)荷 （WOT）的3種噴油器設(shè)計方案的功率、點火角、燃燒率 （θA＿150，定義為燃燒50%燃油質(zhì)量的曲軸轉(zhuǎn)角）的對比，可以看出3種方案結(jié)果差異性很小。

圖8為各個轉(zhuǎn)速下全負(fù)荷 （WOT）的3種噴油器設(shè)計方案的比油耗 （BSFC）、每立方厘米顆粒物個數(shù) （NP）、氮氧化物（mNOx）的對比，可以看出：在1 000～5 000 r／min內(nèi)，3個噴油器的方案結(jié)果差異性不大，只是在5 000 r／min以上方案一的顆粒物排放比較高，但是都在開發(fā)目標(biāo)限值之內(nèi)。

綜合圖7與圖8：在全速全負(fù)荷的對比測試中，3種噴油器在1 000～5 000 r／min內(nèi)差異不大，只是在5 000 r／min以上第1種噴油器的顆粒物排放稍高，但高轉(zhuǎn)速下的排放基本對歐6排放法規(guī)測試循環(huán)模式下的結(jié)果沒有影響。

圖9—13為怠速各個不同點火角下的各項排放指標(biāo)，包括燃油消耗 （mFC）、 每立方厘米顆粒物個數(shù) （NP）、 煙度（SM）、總碳?xì)浠衔?（wTHC）、一氧化碳 （wCO）、 氮氧化物（wNOx）。

從圖9、圖10可以清楚看出：3種噴油器方案中，怠速各個不同點火角下的煙度、顆粒物質(zhì)量對比結(jié)果，第1種噴油器最好，第3種噴油器次之，第2種噴油器相對最高；但燃油消耗量基本相當(dāng)。

圖11—13顯示：怠速各個不同點火角下的3種噴油器方案氮氧化物值相當(dāng)；第1種噴油器一氧化碳與總碳?xì)浠衔锏呐欧畔鄬ψ畹?，?種噴油器次之，第2種噴油器相對最差。

圖14是怠速各個不同點火角下的有效平均指示壓力變化率，此指標(biāo)代表著怠速下的燃燒穩(wěn)定性，變化率越小其穩(wěn)定性越好，通常要求其變化率在20%以下。結(jié)果顯示：第1種設(shè)計方案的噴油器變化率較低且維持在穩(wěn)定的水平，第2、3種噴油器在點火角較大時穩(wěn)定性較差，已經(jīng)在設(shè)計要求的臨界點左右。

為了綜合評估顆粒物、總碳?xì)浠衔?、一氧化碳、氮氧化物、燃燒穩(wěn)定性與煙度各項指標(biāo)，利用塔式圖的方法進(jìn)行對比，如圖15所示：第1種噴油器的綜合指標(biāo)最好，第3種噴油器次之，第2種相對最差。

3 結(jié)論

（1）在缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)設(shè)計過程中，CAD模擬設(shè)計與樣件實物噴射測試都是關(guān)鍵的設(shè)計驗證措施，缺一不可；

（2）缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)布置對于燃燒效果的影響很大，包括顆粒物、總碳?xì)浠衔?、一氧化碳、氮氧化物、燃燒穩(wěn)定性與煙度等指標(biāo)，特別是顆粒物數(shù)量與質(zhì)量；

（3）缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)布置需匹配燃燒室的整體設(shè)計，并同時考慮進(jìn)排氣的設(shè)計。

【1】胡軍軍，黃震，周龍保，等.缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)燃燒特性分析［J］.汽車工程，2003，25（6）：550－552.

【2】胡軍軍.采用兩種燃燒模式的缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)的排放和性能研究［D］.西安：西安交通大學(xué)，2001.

【3】周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

Testing and Layout Analysis for a Gasoline Turbo Charge Direct Injection Engine

LIJingdao
（FAW?Haima Ltd.，Haikou Hainan 570216，China）

To evaluate the fuel injection performance of a 1.8 L gasoline turbo charge direct injection engine，the fuel injection layout a?nalysis and the testing procedure and resultswere elaborated.In order to select the optimal solution，the engine performance and emission tests were conducted.

Gasoline turbo charge direct injection engine；Fuel injection；Layout；Emission

2015－04－19

李經(jīng)道，學(xué)士，工程師，研究方向為發(fā)動機(jī)性能計算模擬、電噴系統(tǒng)開發(fā)等。E?mail：Jingdao.Li＠aliyun.com。