陳緒平 顧維東 劉 斌

（長安汽車股份有限公司動力研究院 重慶 401120）

引言

缸內(nèi)直噴汽油機(jī)燃油直接噴入缸內(nèi)，單次噴射模式下，在中大負(fù)荷工況下噴射量較多的工況下如果燃油噴射時刻選擇不當(dāng)，極易使未霧化的燃油直接打到氣缸壁上，造成燃油濕壁。采用二次噴射模式可以減低燃油濕壁的程度，但二次噴射比例及噴油時刻的選擇也對發(fā)動機(jī)性能有重要影響。本文針對一款搭載大型SUV整車的發(fā)動機(jī)，試驗研究中等負(fù)荷典型工況2 000 r/min，有效缸壓1 MPa下，不同噴射模式下各噴射參數(shù)對發(fā)動機(jī)性能的影響。本文中兩次噴射分別是指將一個工作循環(huán)內(nèi)的噴油量分兩次噴射：第一次在進(jìn)氣行程中進(jìn)行，第二次在壓縮行程中進(jìn)行。兩次噴射的參數(shù)包括：第一次噴射起始角度，第二次噴射比例，第二次噴射的起始角度。

1 試驗裝置及試驗方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置包括SCHENCK電渦流測功機(jī)、AVL733瞬態(tài)油耗儀、AVL-425煙度計、Horiba MEXA-584L排放分析儀、ETAS-ES630空燃比測量儀及一臺增壓直噴發(fā)動機(jī)及其電控系統(tǒng)，試驗系統(tǒng)示意圖如圖1所示。試驗用發(fā)動機(jī)的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

圖1 試驗系統(tǒng)示意圖

表1 試驗發(fā)動機(jī)參數(shù)

1.2 試驗方法

單次噴射在進(jìn)氣行程中完成，噴射起始角度從380°CA（以壓縮上止點(diǎn)為 720°CA）開始，以 10°CA 一個步長逐漸增大（推遲方向）至490°CA。此時發(fā)動機(jī)的進(jìn)排氣VVT均固定在初始位置，此工況下的氣門升程曲線如圖2所示。點(diǎn)火角在確保不爆震的前提下選擇最大提前角。二次噴射模式下有兩種調(diào)節(jié)方式：其一是分別固定第一次噴射角度和第二次噴射角度，調(diào)節(jié)二次噴射比例；其二是固定第一次噴射角度和二次噴射比例，調(diào)節(jié)第二次噴射的角度。試驗結(jié)果分析如下。

2 試驗結(jié)果討論

2．1 單次噴射模式下噴射角度的影響

圖3為有效燃油消耗率與噴射起始角度，從圖3可以看出，隨著噴射起始角度的推遲，有效燃油消耗率隨之降低，在400°CA時油耗率最低，繼續(xù)推遲噴射角度至450°CA的區(qū)間，油耗率小幅上升，再繼續(xù)推遲噴射角度則油耗率快速升高。原因如下：其一，噴油越早，混合氣在缸內(nèi)的混合時間越長，混合氣混合的均勻度越好，但太提前則缸內(nèi)空間太小，噴射的油束沖撞活塞頂面和缸壁，反而導(dǎo)致混合氣均勻度變差，濕壁效應(yīng)增強(qiáng)[1]，這可從碳煙排放大幅增加看出來，如圖4所示。其二，進(jìn)氣門開啟過程中形成的滾流效應(yīng)在400°CA（氣門升程約2 mm）時達(dá)到最佳[2]。其三，活塞下行速度在450°CA時達(dá)到最大，之后持續(xù)降低，影響缸內(nèi)氣流速度下降。隨著噴油角度推遲至490°CA，由于混合時間過短，混合氣的均勻度下降，局部混合氣濃度過濃，導(dǎo)致混合氣出現(xiàn)爆震，因此點(diǎn)火角不得不適當(dāng)推遲，如圖5所示。這進(jìn)一步導(dǎo)致油耗率增加，HC排放增加，如圖6所示。

圖3 有效燃油消耗率與噴射起始角度

圖4 煙度與噴射起始角度

圖5 AI50/點(diǎn)火角與噴射起始角

圖6 NOx-HC排放與噴射起始角度

燃燒室內(nèi)的液態(tài)燃油濕壁是產(chǎn)生碳煙的主導(dǎo)因素[3-4]，碳煙產(chǎn)生的條件是高溫、缺氧，此外，燃燒后期高溫含氧可一定程度降低碳煙排放[5]。如上所述，因混合氣碰壁，點(diǎn)火時刻的混合氣過濃，在380°CA起噴時燃燒前期溫度高，燃燒后期溫度低，如圖7所示，導(dǎo)致碳煙排放最大；隨著起噴角的推遲，濕壁量下降、混合氣均勻度上升，燃燒前期溫度逐漸減低而后期溫度逐漸升高，因而碳煙排放急劇下降，在起噴為400°CA時降至正常水平，之后基本維持不變。

影響HC排放主要是罅隙效應(yīng)和是否會產(chǎn)生HC的后氧反應(yīng)[6]（缸內(nèi)燃燒后期的氧化反應(yīng)）。如圖6所示，HC排放在噴射角度為400°～450°CA之間處于低水平排放狀態(tài)。在400°CA之前因噴射太早導(dǎo)致罅隙效應(yīng)加大而使得排放增加，在450°CA之后因混合時間短，混合氣不均勻度增加而導(dǎo)致HC排放逐步增加。影響NOx排放的三方面影響因素[5]：高溫、富氧及高溫持續(xù)時間，如圖7所示，這三方面的綜合影響使得NOx排放在450°CA度時處于最低。

2．2 第二次噴射比例的影響

在進(jìn)行二次噴射比例變化的試驗中，固定第一次噴射的起始角為420°CA，在壓縮沖程中的第二次噴射結(jié)束角固定為噴射600°CA，選取第二次噴射比例從10%開始以10%為步長逐漸增加至90%。

第一次噴射是在進(jìn)氣行程噴射，噴射時刻的缸內(nèi)氣體背景壓力和溫度要低，但離點(diǎn)火時刻時間要長，因而第一次噴射出來的油束貫穿距變大，濕壁幾率增加，但油氣混合的時間要長，混合氣均勻度高；而第二次噴射是在壓縮沖程進(jìn)行，噴射時刻的背景壓力和溫度要高，因而第二次噴射出來油束貫穿距小[7]，但油氣混合的時間要短，混合氣的均勻度要差。隨著二次噴射比例（以下簡稱frks）的降低，第一次噴射油量增加，參與長時間混合的油量增加，混合氣均勻度增加；但隨著第一次噴油增加到一定程度，濕壁的幾率增加，混合氣混合均勻度又會變差。從圖8可以看出，上述兩方面的綜合影響導(dǎo)致frks為0.5時，燃油效率最高，且二次噴射比例過高導(dǎo)致混合氣均勻度變差的影響要大于一次噴射中濕壁導(dǎo)致混合氣均勻度變差的影響。這種影響可從圖11中看出，frks高比例時爆震趨勢增強(qiáng)不得不推遲點(diǎn)火角。

圖8 有效燃油消耗率與二次噴射比例

從圖9看，隨著二次噴射比例的增加，碳煙剛開始表現(xiàn)較為穩(wěn)定，但二次噴射比例增加到0.7時，二次噴射導(dǎo)致混合氣均勻度變差影響加大，燃燒后期溫度大幅降低，如圖13所示，煙度急劇增加。

從圖10看，HC/NOx排放隨著二次噴射比例的增加，呈現(xiàn)先降低后增加的變化趨勢，二者均在比例為0.4時出現(xiàn)最低峰值。隨著第二次噴射比例的增加，第一次的噴射量降低，貫穿距降低，濕壁的燃油量降低，濕壁導(dǎo)致的HC排放量相應(yīng)減少，但隨著第二次比例的繼續(xù)增加，燃燒效率下降，膨脹期缸內(nèi)溫度也下降，能降低未燃HC的后氧反應(yīng)比例大幅增加[6]。這兩種效應(yīng)的疊加就表現(xiàn)為HC排放隨著二次噴射的比例增加呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢。如圖13所示，隨著二次噴射比例的增加，缸內(nèi)最高燃燒溫度逐漸降低，且二次噴射比例為0.4時，最高溫度最低，而高溫（高于1 800 K）的持續(xù)時間最短，因而NOx排放最低。

圖9 煙度與二次噴射比例

圖10 NOx/HC與二次噴射比例

圖11 AI50/點(diǎn)火角與二次噴射比例

圖12 燃燒持續(xù)期與二次噴射比例

圖13 不同噴射比例的缸內(nèi)溫度曲線

2．3 第二次噴射的起始角

在進(jìn)行二次噴射起始角度變化的試驗中，固定第一次噴射的起始角為420°CA，固定第二次噴射比例為0.5，在壓縮沖程中的第二次噴射起始角從540°CA開始以20°CA為步長逐漸延遲至660°CA。

二次噴射在壓縮行程中噴射，隨著噴射開始角度的推遲至在600°CA之前，油耗、碳煙排放基本維持在較低水平不變。這是因為：隨著噴射角的推遲，一方面二次噴射燃油用于混合的時間變短，油束濕壁的比例增加；另一方面隨著活塞加速度的增加，缸內(nèi)氣體滾流增加，缸內(nèi)壓力上升，油束貫穿距降低。這兩方面作用的結(jié)果，使得在活塞運(yùn)行到中間行程前，燃油效率、碳煙排放基本維持不變?nèi)鐖D14，圖15所示。但隨著二次噴油繼續(xù)推遲，混合時間更短，活塞離噴嘴更近，油束濕壁可能性大增而且活塞加速度開始降低，缸內(nèi)滾流不再增加，混合氣不均勻度增加，如圖17所示，燃燒溫度、速度開始逐漸降低，從圖18可以看出爆震趨勢增加。因此油耗率大幅下降，碳煙排放大幅增加，而NOx和HC排放隨著噴射推遲，逐漸降低。

圖14 be與第二次噴射起始角度

圖15 煙度與第二次噴射起始角度

圖16 NOx/HC與第二次噴射結(jié)束角度

圖17 不同二次噴射起始角下的缸內(nèi)溫度曲線

圖18 不同二次噴射起始角下的點(diǎn)火角和AI50

3 結(jié)論

針對固定的VVT設(shè)置，在2 000 r/min、1 MPa工況點(diǎn)：

1）單次噴射模式下，與進(jìn)氣門實(shí)際開啟角度相配合的噴油角度400°CA能取得最佳的燃油效率和最低的碳煙排放。NOx及HC排放在450°CA時最低。

2）二次噴射模式下，隨著比例的增加，有效燃油消耗率先略增后略降，在二次噴射比例為0.5時達(dá)到最低，隨著比例繼續(xù)增加，燃油消耗率開始快速惡化；在比例小于0.7之前，碳煙排放維持在較低水平，隨著比例繼續(xù)增加則碳煙排放大幅增加。HC及NOx排放隨著二次噴射比例的增加，呈現(xiàn)先降低后增加的變化趨勢，且均在比例為0.4時出現(xiàn)最低值。

3）二次噴射模式下，隨著第二次噴射開始角度的推遲，在600°CA之前，油耗、碳煙排放基本維持在較低不變；再繼續(xù)推遲，油耗、碳煙排放均大幅增加。HC及NOx排放隨著第二次噴射角度的推遲而持續(xù)降低。

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3 周鵬.直噴汽油機(jī)微粒生成過程及其影響因素的模擬研究[D].天津：天津大學(xué)，2012

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5 R.巴斯懷森.汽油機(jī)直噴技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012

6 周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010

7 黃雅卿，王志，王建昕.二次噴射對直噴增壓小排量汽油機(jī)影響的數(shù)值模擬[J].汽車工程，2014，36（10）：1180-1188