陶火烽 李健開 進彬 顧潔 王立新

摘 要：缸內(nèi)直噴系統(tǒng)的原理介紹，缸內(nèi)直噴系統(tǒng)在汽油機上的布置結(jié)構(gòu)分類及對比介紹，不同的噴霧設(shè)計對汽油發(fā)動機排放的影響。

關(guān)鍵詞：缸內(nèi)直噴系統(tǒng)；噴油器；汽油機；排放

1 引言

在《中國第六階段排放法規(guī)》中規(guī)定新售乘用車排放在第五階段的基礎(chǔ)上下降50%，并增加顆粒物數(shù)量的排放要求。在提高排放要求的同時，也要求整車平均油耗在2020年下降到5L/lOOKm，這就要求發(fā)動機使用更多的先進技術(shù)來提高效率降低油耗，而增壓直噴是汽油機提升燃油經(jīng)濟性的有效措施之一。缸內(nèi)直噴系統(tǒng)是將燃油直接噴入到燃燒室中和空氣混合，和傳統(tǒng)的歧管噴射發(fā)動機相比燃油蒸發(fā)和混合時間縮短，導致缸內(nèi)混合不均勻，混合氣濃的區(qū)域由于缺少氧氣燃油不能完全燃燒，碳化成為小顆粒排出。同時在發(fā)動機冷態(tài)的時候，燃油直接噴入到燃燒室內(nèi)，部分燃油會直接粘附在冰冷的缸套和活塞上而無法蒸發(fā)，在點火燃燒時受熱蒸發(fā)，形成稀氧的擴散燃燒，會產(chǎn)生大量顆粒排放，這是很多直噴發(fā)動機冷起動冒黑煙的緣故。

為了減少顆粒物的排放，優(yōu)化噴油器噴霧設(shè)計是重要的手段之一。噴油器噴霧優(yōu)化對于改善缸內(nèi)混合均勻性，減少缸套、氣門以及活塞的濕壁，降低顆粒物排放有重要意義，從而成為各大高校和發(fā)動機設(shè)計開發(fā)單位的研究課題。本課題介紹不同噴油器的噴霧設(shè)計對顆粒物排放的影響。

2 缸內(nèi)直噴燃油系統(tǒng)的介紹

2.1 直噴燃油系統(tǒng)工作原理

直噴燃油系統(tǒng)主要部件包括高壓油泵，高壓油管和高壓油軌總成，其中高壓油軌總成包括噴油器和油壓傳感器。高壓油泵將低壓燃油加壓到目標壓力后，通過高壓油管輸送到油軌中，燃油通過噴油器噴入到燃燒室中。油壓傳感器的測量信號會作為油泵泵油壓力的反饋控制以及噴油脈寬的計算。如圖1所示。

其原理為：

（l）驅(qū)動凸輪安裝在凸輪軸上隨發(fā)動機轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，當柱塞下行時，進油閥打開，燃油充入到柱塞腔中；當柱塞上行時，柱塞腔內(nèi)的多余燃油會被擠回到低壓管路中，當上行到某一位置時，發(fā)動機控制模塊給出信號關(guān)閉進油閥，柱塞腔內(nèi)剩余燃油被柱塞加壓，當柱塞腔內(nèi)的壓力大于油軌壓力，出油閥打開，燃油被泵入到油軌中。

（2）高壓油管將高壓油泵加壓后的燃油輸送到油軌內(nèi)，同時衰減油泵周期性泵油對于油軌內(nèi)壓力波動的影響。

（3）油軌作為容器來存儲燃油并抑制油泵周期泵油以及噴油器周期性噴油導致的油軌內(nèi)油壓的波動。噴油器將高壓燃油以微米級的顆粒直接噴入到燃燒室內(nèi)參與混合燃燒，油壓傳感器信號是噴油脈寬計算和燃油壓力反饋控制的重要輸入。

2.2 噴油器噴霧的技術(shù)參數(shù)

噴油器主要分為漩渦式、多孔式以及壓電式三種，其中多孔式是主流應(yīng)用，本課題研究多孔式噴油器噴霧設(shè)計對于排放的影響。

多孔式噴油器噴霧的技術(shù)參數(shù)包括：正向噴霧角度（ OL+OR）、正向偏轉(zhuǎn)角度（OB）、貫穿距（ PZ），見圖2；側(cè)向噴霧角度（ OL-OR）、側(cè)向偏轉(zhuǎn)角度（e。）、貫穿距（PZ），見圖3；油束角度以及落點、油束流量、噴霧平均粒徑（ SMD）、DV90等。

噴油器噴霧形狀是根據(jù)燃燒室的設(shè)計來定義的，噴霧設(shè)計需要輸入燃燒室數(shù)模，見圖4。

除提供燃燒室數(shù)模外還需提供氣門升程，活塞沖程等用于噴油器噴霧設(shè)計。

噴霧設(shè)計主要考慮如下方面：

一缸內(nèi)混合均勻性；

一碳氫和顆粒排放；

一機油稀釋；

—燃燒穩(wěn)定性。

3 缸內(nèi)直噴噴油器布置

3.1 側(cè)置噴射

側(cè)置噴射是將噴油器布置在發(fā)動機進氣道下方，如圖5，少部分OEM比如三菱是將噴油器布置在進氣道上方。側(cè)置噴射一般用于氣流引導和活塞壁面引導的燃燒室設(shè)計，隨著排放法規(guī)的加嚴，氣流引導成為主流。

3.2中置噴射

中置噴射是將噴油器布置在燃燒室頂部，如下圖6，中置噴射一般用于噴射引導的燃燒室設(shè)計，噴射引導可以將燃油噴射到火花塞附近，靈活控制火花塞附近的混合氣濃度，提高燃燒的穩(wěn)定性，從而實現(xiàn)分層稀薄等燃燒。

3.3其他

直噴噴油器將燃油直接噴到燃燒室內(nèi)，會接觸燃燒室內(nèi)的高溫和高壓氣體，為了密封住高溫和高壓氣體，選擇PTFE作為燃燒室密封圈的基材，這種材料耐高溫，并且高溫時結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好。噴油器在燃燒室的伸入量在設(shè)計時也需要控制，主流有縮進、齊平、突出三種布置方式，不同發(fā)動機需要根據(jù)設(shè)計情況選擇合適的布置方式。

4 不同噴霧設(shè)計對顆粒排放影響

4.1 試驗選取的發(fā)動機信息及對噴霧設(shè)計

試驗研究選用的是一臺增壓直噴汽油機，發(fā)動機采用側(cè)置噴油和噴油器齊平布置設(shè)計，布置見圖5。噴油器選用線圈驅(qū)動的多孔式設(shè)計，當控制模塊給出控制信號后，噴油器線圈和靜鐵芯被磁化，克服彈簧和燃油壓力將和針閥連接在一起的動鐵芯吸起，從而開始噴油，當控制模塊切斷控制信號后，噴油器針閥在彈簧作用下關(guān)閉，噴油結(jié)束，噴油器結(jié)構(gòu)見圖7。

直噴噴油器噴霧設(shè)計和燃燒室的設(shè)計息息相關(guān)，在燃燒室初步設(shè)計完成后，即可開展噴霧模型的開發(fā)。模擬工程師基于燃燒室和噴霧設(shè)計輸入可開展缸內(nèi)混合和燃燒模擬，而基于分析結(jié)果可進一步優(yōu)化燃燒室和噴霧的設(shè)計。本測試是基于圖8的燃燒室設(shè)計和圖9和10的噴霧設(shè)計展開：

4.2 試驗工況

試驗工況的選擇要考慮發(fā)動機在排放測試循環(huán)下占比較大的工況點，同時也要考慮發(fā)動機在苛刻條件下的排放水平，為此選擇如下測試點評價噴油器的性能，見表1。

測試時，需要記錄排放數(shù)據(jù)、油耗數(shù)據(jù)、噴油相位、噴油壓力等用于噴油器的評價。

4.3 噴油器測試結(jié)果

噴油器測試時會調(diào)節(jié)噴油壓力、噴油相位、噴射次數(shù)等參數(shù)，讓發(fā)動機工作在最佳狀態(tài)。

下面以1200轉(zhuǎn)lbar的工況為例說明噴油參數(shù)調(diào)節(jié)對于顆粒排放的影響，該工況下噴油分成三次噴射完成，首先調(diào)節(jié)第一次噴油相位，從圖11可知，隨著噴油相位提前，顆粒排放急劇增加，原因是大量燃油噴射到活塞表面所致。

選定第一次噴油相位后，進行第二次噴油相位調(diào)節(jié)，從圖12可知，當噴油相位提前到250度時顆粒排放會大幅增加，原因是和第一次噴油發(fā)生干涉，導致混合不良。

完成前兩次噴油相位的選擇后，進行第三次噴油相位的測試，從圖13可知，隨著噴油的提前，顆粒排放逐漸下降，原因是噴到活塞表面上的燃油大幅減少。

完成噴油相位的選擇后，開始噴油壓力的測試。從圖14可知，隨著噴油壓力的上升，顆粒排放先緩慢上升，后大幅下降，原因是隨著壓力的上升，噴到缸套和活塞上的燃油增加，導致顆粒排放增加，而壓力的進一步上升，噴油霧化的改善降低了附著在燃燒室壁面上的燃油量，顆粒排放下降。

依照上面的控制參數(shù)調(diào)節(jié)的方法，對三種噴油器的控制進行優(yōu)化，選取最佳噴油相位和壓力進行顆粒排放的測試，列出各工況下的測試結(jié)果，見圖16，圖17，圖18：

通過以上顆粒測試結(jié)果可知，噴油器的噴霧設(shè)計對于發(fā)動機排放影響較大，尤其在國六階段引入顆粒數(shù)量的要求后，對噴霧的設(shè)計提出更高的要求。

5 直噴燃油系統(tǒng)在汽油發(fā)動機上的應(yīng)用

直噴燃油系統(tǒng)在汽油發(fā)動機上早已廣泛應(yīng)用，可以有效地降低發(fā)動機的油耗和冷起動階段的排放，提高發(fā)動機扭矩輸出和瞬態(tài)響應(yīng)，但是隨著排放法規(guī)的加嚴，尤其是顆粒數(shù)量要求的提出，極大的增加了直噴發(fā)動機的開發(fā)難度，雖然可以在整車后處理上采用顆粒捕集器，但是會導致整車成本增加較多，并且由于捕集器需要實時監(jiān)控和再生，增加系統(tǒng)開發(fā)的難度和工作量，所以優(yōu)化噴射的設(shè)計是降低發(fā)動機顆粒排放的首選手段。