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摘 要：針對一款國Ⅵ排放直噴增壓汽油機電控系統(tǒng)的匹配，進行了不同噴油器的選型測試，對比研究了不同噴油器噴霧特征和燃燒室形狀對發(fā)動機排放及油耗的影響。在此基礎上，對比研究了噴油時刻、噴油比例以及噴油壓力等參數(shù)對碳煙排放的影響。結果表明：A型噴油器與平頂活塞的匹配組合最佳；不僅碳煙排放低，而且燃燒速率快，燃燒穩(wěn)定性好；當采用多次噴油模式時，隨著第一次噴油時刻的推遲，碳煙排放有減低趨勢。但隨著第二次和第三次噴油時刻的推遲，碳煙排放反而呈增大趨勢；而當增加第三次噴油比例時，碳煙排放會明顯增加；部分負荷工況，采用更高的噴油壓力對碳煙排放并無明顯改善。而在外特性工況，采用更高的噴油壓力時，碳煙排放改善效果明顯，同時THC也有一定程度降低。

關鍵詞：直噴增壓汽油機；噴油器；碳煙排放；燃燒診斷；燃油消耗率

中圖分類號：TK411 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2018）03-0020-09

Research on Matching Experiment of Injector and Control Strategy for Turbocharged Gasoline Direct Injection Engine

LI Jin-yin， LIN Qing-hai， SHANG Huichao， DUAN Wei

（Chongqing Sokon Industry Group Stock Co.，Ltd Chongqing 400033）

Abstract： In order to match electric control system of one type turbocharged gasoline direct injection（GDI） engine for National Stage Ⅵ emissions， experiments with different injector were test. Here， the effects of different injector spray characteristics and combustion chamber on engine emission and fuel consumption were compared. And then the effects of fuel injection time， injection ratio and injection pressure on soot emission were investigated. The results show that the combination of injector A and flat piston is the best. It not only has lower soot emissions， but also increases the combustion rate. When the pattern of multiple injections is used， there is a tendency to reduce soot emissions as the first time of injection is delayed. But with the second and third time of injection delay， soot emissions will be increased. Especially， when the rate of third injection is increased， the soot emissions will increase significantly. At part load condition， a higher fuel injection pressure has no significant improvement in soot emissions. While at full load condition， a higher fuel injection pressure was better for soot emissions. And there is also a slight improvement in hydrocarbon emissions.

Key Word： Turbocharged gasoline direct injection engine； Injector； Soot emission； Combustion diagnosis； BSFC

前 言

近年來，隨著能源與環(huán)境問題的日益嚴峻，各國在汽車節(jié)能減排方面都制定了嚴格的限制性法律法規(guī)，給各大車企帶來了巨大壓力。在當前新型能源汽車，如電動汽車、燃料電池汽車等技術成熟之前，傳統(tǒng)內燃機仍將作為主要動力裝置存在，必須對其進行相應的技術改進，以滿足嚴苛的法規(guī)要求。其中，直噴增壓技術汽油機以高升功率、低油耗、低排放等優(yōu)勢得以大量應用，較傳統(tǒng)汽油機，具有非常大的節(jié)能減排潛力[1-5]。

而隨著直噴增壓汽油機在市場上占有率的不斷上升，在表現(xiàn)出優(yōu)秀的動力性、經(jīng)濟性與較低CO2排放的同時，也存在一些技術性問題，如顆粒物排放。由于傳統(tǒng)氣道噴射汽油機在點火時刻可以形成很均勻的混合氣，而直噴汽油機將燃油直接噴入缸內，這種模式縮短了混合氣形成時間，并大大增加了燃油碰壁的可能性，由此完成燃油噴霧的蒸發(fā)和油氣混合就成為一件極具挑戰(zhàn)性的任務。特別是在高負荷工況，由于需要噴入更多的燃油，在缸內形成過濃區(qū)和燃油碰壁的可能性會增大，導致顆粒物排放更加嚴重。因而，顆粒物排放已成為當前限制直噴汽油機發(fā)展的關鍵問題[6-8]。同時，越來越嚴苛的針對顆粒物數(shù)量排放的法規(guī)的實施，也給直噴增壓汽油機的開發(fā)提出了更大挑戰(zhàn)。由此，如何有效抑制直噴汽油機的顆粒物排放，已成為國內外的研究熱點之一[9-12]。

其中，噴油器的噴霧特性對直噴汽油機的油氣混合具有重要影響，在直噴汽油機的開發(fā)過程中，噴油器的匹配對顆粒物排放具有至關重要的作用。鑒于此，本文針對基于國Ⅵ排放的直噴增壓汽油機電控系統(tǒng)的匹配，建立了相應的試驗測試平臺，首先進行了不同噴油器的選型測試，研究了不同噴油器噴霧特征對碳煙排放、燃燒特性和油耗的影響。在此基礎上，對比研究了噴油時刻、噴油比例等參數(shù)對碳煙排放的影響規(guī)律，并對基于提高噴油壓力以抑制碳煙排放的作用進行了測試研究。

1 試驗裝置及測試方案

1.1 試驗設備

圖1所示為所搭建的試驗測試系統(tǒng)平臺。試驗發(fā)動機為一臺1.5L直噴增壓汽油機，主要結構參數(shù)如下：缸徑75 mm，沖程84.8 mm，壓縮比10。該發(fā)動機最大功率為130 kW，最大扭矩為250 N·m，燃油噴射壓力200 bar。測功機采用D2T電力測功機，最大功率為300 kW，最大扭矩700 Nm，最高轉速為10000 r/min。油耗測量系統(tǒng)為AVL 735S/753C型瞬態(tài)油耗測量系統(tǒng)。排放檢測設備為Horiba Mexa 7100 EGR尾氣排放儀和AVL 415S煙度測試計。

同時，外接燃燒診斷系統(tǒng)，采用Kistler 6052B石英壓力傳感器采集缸內壓力信號，通過5011B電荷放大器將壓電傳感器輸出的電荷信號轉化為電壓信號，利用Kistler 2613B曲軸轉角信號發(fā)生器采集轉角信號，按爆震識別要求將采樣分辨率設為0.1。CA，由DEWE-2010燃燒分析儀進行數(shù)據(jù)采集分析。此外，連接INCA標定軟件，實現(xiàn)在線調整發(fā)動機運行控制參數(shù)，如點火角、空燃比等。

1.2 試驗設備

試驗選擇兩種不同型號的噴油器進行噴油器匹配測試研究，兩種噴油器的噴射靶點分布如圖2所示。這里分別將其定義為A型噴油器和B型噴油器。同時，為確定最佳噴油器匹配組合，分別選用了平頂結構活塞和碗頂結構活塞，如圖3所示。分別針對兩種噴油器和兩種活塞的組合進行試驗。

這里分別設計了部分負荷和全負荷工況，進行燃油噴射器的選型匹配研究。其中，針對部分負荷工況，設計了6個工況點進行測試分析，分別為：1600r/min@3.5bar、1600r/min@6.5bar，2000r/min@3.5bar、2000r/min@6.5bar，2400 r/min@2.5bar、2400r/min@7.5bar。而對于全負荷工況，設計的測試工況點分別是3000 r/min、4000 r/min和6000 r/min。試驗過程中，分別對發(fā)動機的碳煙排放、燃油消耗率和燃燒特性進行測試分析，并由此匹配出最佳噴油器。

2 噴油器匹配測試研究

2.1 排放測試數(shù)據(jù)對比

圖4所示為在部分負荷工況下，不同噴油器和活塞匹配組合時，排放特性測試結果的對比。從圖中可以看出，不同噴油器與活塞組合時，其對THC、NOx和CO的影響并不大，基本上處于相同的水平，但對碳煙排放的影響卻相對較大。圖中，當采用A型噴油器時，碳煙排放較低。如使用平頂活塞，A型噴油器時，部分負荷6個工況點的碳煙排放均值僅為0.25 mg/m3。而采用B型噴油器時，其碳煙排放均值則上升為1.24 mg/m3。使用碗頂活塞時，也有類似的變化趨勢。這主要是由于B型噴油器較A型噴油器，其噴霧油束更接近活塞方向，導致燃油與活塞接觸增多，碳煙排放增加。另外，需要注意的是，采用平頂活塞時，其NOx排放較采用碗頂活塞時稍高。這主要與采用平頂活塞時缸內燃燒速率較快，缸內燃燒溫度較高有關。

2.2 燃燒測試數(shù)據(jù)對比

圖5所示為部分負荷工況下，不同噴油器和活塞匹配組合時，缸內燃燒特性測試結果的對比。從圖中可以看出，在活塞相同的情況下，使用不同噴油器時，發(fā)動機的燃燒特性和IMEP循環(huán)變動率幾乎沒有發(fā)生變化。而采用不同的活塞時，缸內燃燒特性卻發(fā)生了明顯變化。

其中，采用平頂活塞時，相較碗頂活塞，其燃燒遲滯角縮短，燃燒速率加快，IMEP循環(huán)變動率降低。例如，使用A型噴油器，當采用平頂活塞時，相較碗頂活塞，其燃燒遲滯角縮短0.8 °CA，AI50提前1.3 °CA，燃燒持續(xù)期縮短2.6 °CA；同時，IMEP循環(huán)變動率由2.6 %降為2.3 %?？梢姡捎闷巾敾钊麜r，有利于缸內燃燒特性的改善。

2.3 燃油經(jīng)濟性數(shù)據(jù)對比

表1所示為在部分負荷工況下，不同噴油器和活塞匹配組合時，燃油消耗率測試結果的對比。從表中可以看出，當采用A型噴油器與平頂活塞時，燃油消耗率最低。這主要是因為采用平頂活塞時，改善了缸內燃燒特性，從而提高了熱效率，使發(fā)動機油耗降低。

表2所示為上述部分負荷工況測試結果平均值的對比。從表中可以看出，在部分負荷工況下，A型噴油器相較B型噴油器，其碳煙排放更低；同時，當采用平頂活塞時，燃燒遲滯角縮短，燃燒速率加快，IMEP循環(huán)變動率降低，油耗也呈下降趨勢。

除此之外，針對全負荷工況也進行了測試研究，結果顯示其具有相同的變化特征，即A型噴油器與平頂活塞的組合最佳。其不但利于碳煙排放的降低，而且使燃燒速率加快，燃燒穩(wěn)定性提高，油耗降低。

表2 部分負荷工況測試結果的對比

（6個工況點平均值）

3 噴油控制策略研究

由于直噴增壓汽油機在低速大負荷工況區(qū)域，會發(fā)生早燃及爆震嚴重的非正常燃燒現(xiàn)象。故在此區(qū)域常采用多次噴油的控制模式，如圖6所示。

然而，當采用多次噴油模式時，若控制參數(shù)匹配不合理，將產(chǎn)生偏濃和偏稀區(qū)域，使混合氣分布不均，產(chǎn)生不均勻燃燒，進而對碳煙排放產(chǎn)生不利影響。為降低直噴增壓汽油機顆粒物排放，這里分別對噴油時刻、噴油比例以及噴油壓力等控制參數(shù)對碳煙排放的影響進行研究。

3.1 噴油時刻影響規(guī)律研究

圖7所示為全負荷轉速1500 r/min、噴油壓力200 bar時，不同噴油時刻變化對碳煙排放的影響。其中，圖7a為碳煙排放隨第一次噴油時刻（SOI1）的變化規(guī)律。這里將SOI2和SOI3分別固定為120 °CA BTDC和90 °CA BTDC。從圖中可以看出，隨著第一次噴油時刻的推遲，碳煙排放逐漸降低。例如，當SOI1從300 °CA BTDC推遲到240 °CA BTDC時，其碳煙排放從1.99 mg/m3下降到0.63 mg/m3。這主要是由于推遲第一次噴油時刻，減少了燃油與活塞的碰觸，從而使碳煙排放降低。

圖7b為碳煙排放隨第二次噴油時刻（SOI2）的變化規(guī)律。這里將SOI1和SOI3分別固定為240 °CA BTDC和90 °CA BTDC。從圖中可以看出，隨著第二次噴油時刻的推遲，碳煙排放有升高趨勢。例如，當SOI2推遲到120 °CA BTDC時，其碳煙排放增加到0.43 mg/m3。而在SOI2為160 °CA BTDC時，碳煙排放最低。這主要是由于第二次噴油時刻越推遲，則油氣混合時間越短，混合越不均勻，導致燃燒不充分，碳煙排放升高。

值得注意的是，當SOI2進一步提前，達到180 °CA BTDC時，其碳煙排放反而有升高的趨勢。這主要是由于此時缸內氣流速度較小，平均湍動能較其他時刻減弱，導致燃油蒸發(fā)速度變慢，進而容易在缸內形成壁面油膜，使碳煙排放增加。

圖7c為碳煙排放隨第三次噴油時刻（SOI3）的變化規(guī)律。這里將SOI1和SOI2分別固定為240 °CA BTDC和180 °CA BTDC。從圖中可以看出，隨著第三次噴油時刻的推遲，碳煙排放逐漸升高。例如，當SOI3從140 °CA BTDC推遲到90 °CA BTDC時，其碳煙排放從0.07 mg/m3增加到0.33 mg/m3。這主要是由于噴油時刻越推遲，則燃油混合越不充分，進而導致碳煙排放升高。

3.2 噴油比例影響規(guī)律研究

圖8所示分別為在全負荷轉速1500 r/min和2000 r/min時，不同噴油比例對碳煙排放的影響。其中，在轉速1500 r/min時，設定的SOI1、SOI2和SOI3分別為240 °CA BTDC、130 °CA BTDC和90 °CA BTDC；在轉速2000 r/min時，設定的SOI1、SOI2和SOI3分別為260 °CA BTDC、200 °CA BTDC和110 °CA BTDC。噴油壓力固定為200 bar。

從圖中可以看出，兩種轉速工況下，增加第三次噴油比例時，均會導致碳煙排放升高。而在保持第三次噴油比例不變的情況下，增加第一次噴油比例，降低第二次噴油比例，卻導致碳煙排放出現(xiàn)不同的變化趨勢。例如，在轉速1500 r/min時，增加第一次噴油比例，降低第二次噴油比例，碳煙排放降低，而在轉速2000 r/min時，碳煙排放卻有升高趨勢。這主要是因為1500 r/min時，第二次噴油時刻較晚，降低第二次噴油比例后，減弱了由于燃油混合時間過短而導致的碳煙排放升高的傾向。而在2000 r/min時，增加第一次噴油比例后，因第一次噴射燃油量增大，加劇了燃油與活塞的碰觸量，使碳煙排放升高。

3.3 噴油壓力影響規(guī)律研究

圖9所示為在部分負荷工況下，分別采用200bar和350bar噴油壓力時，發(fā)動機排放特性的變化規(guī)律。從圖中可以看出，當采用350bar噴油壓力時，排放特征的變化并不顯著。碳煙雖有一定程度的降低，但效果并不理想，大部分工況仍處于相同的水平。這主要是由于部分負荷時，所需燃料較少，噴射時間較短，燃油霧化充分。可見，在部分負荷工況下，采用更高的噴油壓力對排放的降低效果并不明顯，碳煙排放并無顯著改善。

圖10所示為在全負荷工況下，分別采用200bar和350bar噴油壓力時，發(fā)動機排放特性的變化規(guī)律。從圖中可以看出，當采用350bar噴油壓力時，NOx和CO并無明顯變化，基本上處于相同水平。但碳煙排放的改善效果卻非常明顯，THC排放也有一定程度降低?？梢?，在外特性工況下，采用更高的噴油壓力有利于碳煙排放的降低。

4 結論

隨著國Ⅵ排放法規(guī)的頒布，其對顆粒物質量排放和數(shù)量排放進行了嚴格的限制，要達到相應排放標準，將給主機廠帶來巨大挑戰(zhàn)。為此，本文針對基于國Ⅵ排放的一款直噴增壓汽油機電控系統(tǒng)的匹配進行研究。

根據(jù)測試目標，搭建了相應的試驗測試平臺，除完成發(fā)動機性能測試之外，還實現(xiàn)了缸內燃燒診斷；同時，利用INCA標定軟件實現(xiàn)了對發(fā)動機控制參數(shù)的調節(jié)；并通過排放檢測設備完成發(fā)動機排放的測試。

噴油器測試結果表明：A型噴油器與平頂活塞的匹配組合最佳，其不但有利于碳煙排放降低，而且使燃燒速率加快，燃燒穩(wěn)定性提高。此外，相較碗頂活塞，采用平頂活塞時，燃燒速率更快，燃燒穩(wěn)定性更高，油耗也更低。

當采用多次噴油模式時，隨著第一次噴油時刻的推遲，碳煙排放有降低趨勢。這主要是由于推遲第一次噴油時刻，減少了燃油與活塞的接觸；而隨著第二次和第三次噴油時刻的推遲，碳煙排放卻有增大傾向。這主要是由于燃油混合時間縮短導致油氣混合不均勻所致。尤其是當增加第三次噴油比例時，碳煙排放量明顯增加。

噴油壓力測試結果表明：部分負荷工況，由于所需燃料較少，燃油霧化時間相對充足，采用更高的噴油壓力對碳煙排放并無明顯改善。而在全負荷工況，采用更高的噴油壓力時，碳煙排放改善效果較明顯，且THC也有一定程度降低。

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