李 軍，芮玉品

（重慶交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶400074）

1 引言

缸內(nèi)直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)（GDI）既擁有柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放低、熱效率高的優(yōu)點(diǎn)又擁有汽油發(fā)動(dòng)機(jī)高功率的優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，相對(duì)于進(jìn)氣道噴油發(fā)動(dòng)機(jī)（PFI）噴油壓力高，噴油時(shí)間短，可在較短的時(shí)間內(nèi)形成混合氣，因此GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)可以有效改善整車性能和排放。文獻(xiàn)[1]針對(duì)GDI 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)控制策略進(jìn)行研究，結(jié)果表明兩段噴射可達(dá)到快速起動(dòng)優(yōu)化排放的效果；文獻(xiàn)[2]針對(duì)GDI 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油方式及燃燒室的匹配進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[3]研究二次噴油及活塞對(duì)GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)排放等影響；文獻(xiàn)[4]對(duì)水平對(duì)置GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)兩段噴射控制策略進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[5]從噴油策略的角度對(duì)GDI發(fā)動(dòng)機(jī)排放進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[6]從兩段噴油的角度對(duì)快速起動(dòng)進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[7-8]從兩段噴射的角度研究GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)的低速起動(dòng)性能和排放。

根據(jù)以上分析可知，關(guān)于GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)的研究主要集中在多段噴射控制策略、冷起動(dòng)控制策略、氣缸結(jié)構(gòu)及排放等方面的研究，而關(guān)于極寒工況下的快速起動(dòng)研究幾乎沒(méi)有，針對(duì)北部嚴(yán)冬極寒天氣發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)問(wèn)題，從多次噴射的角度來(lái)優(yōu)化起動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)在極寒工況下的快速起動(dòng)。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)模型及參數(shù)

2.1 進(jìn)氣歧管空氣流動(dòng)模型

由于進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管的氣體速度較快，其溫度相當(dāng)于外界空氣溫度，使用理想氣體狀態(tài)方程表示進(jìn)氣壓力：

式中：Pmani—進(jìn)氣歧管壓力；mmani—歧管空氣質(zhì)量；mcyl—進(jìn)入氣缸中空氣質(zhì)量；R—標(biāo)準(zhǔn)氣體常量；Vmani—進(jìn)氣歧管容積；Tatm—大氣溫度。

進(jìn)氣歧管空氣質(zhì)量[9]：

式中：Sthr—節(jié)氣門面積；Patm—大氣壓力；β—節(jié)氣門開度；Ψ（s）—

缸內(nèi)氣體占比。

式中：K—理想氣體絕緣指數(shù)；s—節(jié)氣門前后壓力比值。

通過(guò)節(jié)氣門的氣流量等同于流入氣缸的氣流量，四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量可通過(guò)以下關(guān)系獲得：

式中：patm—空氣密度；Vcyl—發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸容積；η—充氣效率；weng—轉(zhuǎn)速。

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)進(jìn)氣歧管壓力變化范圍較大，相應(yīng)傳感器獲取的信號(hào)誤差較大，故采用擬合的方法進(jìn)行計(jì)算[10]：

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)模型

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系：

式中：Hu—燃油低熱值；Tia—指示扭矩；Tld—曲軸輸出端負(fù)載扭矩；ηi—熱效率；Jcr—曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Tf—克服發(fā)動(dòng)機(jī)阻力的需求扭矩；Tp—泵氣損失。

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)模型

假定發(fā)動(dòng)機(jī)做功之后產(chǎn)生的尾氣為理想狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)各部件穩(wěn)定工作，氣缸內(nèi)的能量平衡表達(dá)如下[11]：

式中：Qgen—混合氣燃燒產(chǎn)熱；Pe—有效功率；Qexh—尾氣熱量；Qw—損失熱量；Qfric—機(jī)械損失功；Cp_cyl—發(fā)動(dòng)機(jī)缸體內(nèi)的氣體比熱容。機(jī)械損失功可通過(guò)測(cè)功機(jī)獲得。

式中：hc—廢氣與缸套熱流對(duì)換系數(shù)；Ac—燃燒室表面積；Texh—廢氣溫度；Tc—缸套溫度；ε—缸套的熱輻射率；σ—Stefan-Blotzmann 常數(shù)；Cp_exh—廢棄定壓比熱容；Kc—缸套和尾氣間的導(dǎo)熱率；mexh—尾氣分子質(zhì)量均值。

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，氣缸內(nèi)的壓力不穩(wěn)定，這對(duì)于缸套和廢氣間的熱換系數(shù)有很大影響，故使用Woschni 公式進(jìn)行計(jì)算[3]：

式中：v—活塞運(yùn)動(dòng)速度；Pcyl—缸內(nèi)壓力；Tcyl—缸內(nèi)溫度。

通過(guò)缸套的熱量交換表達(dá)式：

式中：Kc2i—缸套和缸體間的導(dǎo)熱率；Qc2i，c—缸套和缸體的導(dǎo)熱量；Ki2x—缸套和缸體的導(dǎo)熱率；Qi2x，c—缸體和附件的導(dǎo)熱量；Qcool—冷卻液吸收的熱量；Qrad—散熱器去除的熱量；Qhtr—暖機(jī)消耗的熱量；Ti—缸體溫度；Tx—發(fā)動(dòng)機(jī)附件溫度；hcool—冷卻液熱換系數(shù)；vspd—冷卻液流動(dòng)速度；Vp，air—冷卻液體積。

2.4 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

利用2.0 L 渦輪增壓GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行極寒工況多次噴射優(yōu)化試驗(yàn)，具體參數(shù)，如表1 所示。發(fā)動(dòng)機(jī)利用可變正時(shí)氣門技術(shù)、噴油器中置布局和均值燃燒噴油模式。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)Tab.1 Engine Parameters

3 拖動(dòng)起動(dòng)階段控制策略及噴油策略

GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程分為拖動(dòng)、起動(dòng)和起動(dòng)后3 個(gè)階段。冷起動(dòng)要求汽車在較短的時(shí)間內(nèi)平穩(wěn)起動(dòng)，轉(zhuǎn)速波動(dòng)較小，同時(shí)盡可能提升燃油經(jīng)濟(jì)性，降低排放。

3.1 拖動(dòng)階段控制策略

GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)階段由起動(dòng)電機(jī)通過(guò)齒輪和雙質(zhì)量飛輪帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)上電點(diǎn)火后進(jìn)行數(shù)據(jù)初始化，傳感器進(jìn)行自診斷，若狀態(tài)良好低壓燃油泵開始泵油，起動(dòng)標(biāo)志位置位，起動(dòng)電機(jī)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)采集凸輪軸及曲軸信號(hào)，節(jié)氣門部分開啟，為起動(dòng)著火階段做準(zhǔn)備。當(dāng)轉(zhuǎn)速＞120r/min 時(shí)，拖動(dòng)階段結(jié)束。拖動(dòng)控制策略，如圖1 所示。

3.2 起動(dòng)階段控制策略

當(dāng)拖動(dòng)階段結(jié)束，轉(zhuǎn)速超過(guò)120r/min，起動(dòng)標(biāo)志位置位，節(jié)氣門打開一定角度，油軌電磁閥開始使軌壓迅速達(dá)到目標(biāo)軌壓，根據(jù)凸輪軸、曲軸傳感器信號(hào)開始進(jìn)行噴油點(diǎn)火，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)660r/min起動(dòng)階段結(jié)束，開始進(jìn)入起動(dòng)后階段。起動(dòng)階段控制策略，如圖2所示。

3.3 燃油噴射控制原理

GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射系統(tǒng)通常由ECU、各種傳感器和高壓油軌等構(gòu)成。ECU 通過(guò)接收來(lái)自各種傳感器的模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)進(jìn)而向高壓油軌發(fā)出噴油指令，高壓油軌根據(jù)ECU 的噴油信號(hào)對(duì)各缸進(jìn)行燃油精確噴射。

圖1 拖動(dòng)階段控制流程圖Fig.1 Drag Stage Control Flow Chart

圖2 起動(dòng)階段控制流程圖Fig.2 Start-up Phase Control Flow Chart

3.4 多段噴射控制策略

GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)多段噴射通常分為兩次噴射和三次噴射兩種方案，多段噴射控制策略[4]，如圖3 所示。噴油器可在進(jìn)氣、壓縮行程進(jìn)行多次燃油噴射，也可同時(shí)在進(jìn)氣和壓縮行程進(jìn)行多次燃油噴射。兩次噴射分為燃油預(yù)噴射和燃油主噴射2 個(gè)階段。燃油預(yù)噴射階段是在進(jìn)氣行程執(zhí)行第一次燃油噴射；燃油主噴射階段是在壓縮行程執(zhí)行第二次燃油噴射。燃油預(yù)噴射能夠起到改善充氣效率的作用，燃油主噴射能夠在火花塞附近形成良好的混合氣，改善點(diǎn)火能力。三次噴射分為燃油預(yù)噴射、燃油主噴射和燃油后噴射3 個(gè)階段。三次噴射比兩次噴射更加準(zhǔn)確，能夠提升燃油經(jīng)濟(jì)性、燃油燃燒效率等。利用低壓?jiǎn)?dòng)時(shí)間短和高壓兩段噴射著火迅速的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)采用三次燃油噴射控制策略來(lái)優(yōu)化-30℃冷起動(dòng)，3 次噴油控制策略的預(yù)噴、主噴時(shí)刻根據(jù)低壓起動(dòng)、高壓?jiǎn)未螄娚浜透邏簝纱螄娚溥M(jìn)行設(shè)定，后噴則根據(jù)摸底試驗(yàn)數(shù)據(jù)以20°CA 為步長(zhǎng)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

圖3 多段燃油噴射控制圖Fig.3 Multiple Fuel Injection Control Chart

圖中：Tfi—噴油脈寬（S）；θi—鄰近兩次噴油間隔角（℃A）。

4 試驗(yàn)分析

將整車放置在低于（-30）℃的低溫試驗(yàn)室，通過(guò)線束使ECU和工作站進(jìn)行通信，利用工作站中的INCA 軟件讀取ECU 中的數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。試驗(yàn)主要對(duì)單次燃油噴射、兩次燃油噴射和三次燃油噴射控制策略進(jìn)行快速起動(dòng)優(yōu)化對(duì)比分析，以起動(dòng)快慢作為冷起動(dòng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，可直接感受起動(dòng)效果。

從圖4 的單次高壓噴射起動(dòng)表現(xiàn)可知，在第一次拖動(dòng)的12s過(guò)程中，缸內(nèi)沒(méi)有點(diǎn)燃導(dǎo)致轉(zhuǎn)速?zèng)]有上沖，第二次拖動(dòng)中，缸內(nèi)開始點(diǎn)燃，轉(zhuǎn)速上沖。起動(dòng)過(guò)程中的噴油量已經(jīng)不足，但是通過(guò)軌壓表現(xiàn)可以看出，起動(dòng)過(guò)程中的實(shí)際軌壓已經(jīng)在下跌，無(wú)法再通過(guò)增加噴油量或者目標(biāo)軌壓，來(lái)保證發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)盡早燃燒。

圖4（-30）℃單次燃油噴射模式啟動(dòng)表現(xiàn)Fig.4（-30）℃Single Fuel Injection Mode Start Performance

圖中：nmot—發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）；wdkba_w—節(jié)氣門有效開度（%）；

zwout—最終輸出點(diǎn)火提前角；prist_w—實(shí)際油軌壓力（MPa）；prsoll_w—目標(biāo)油軌壓力（MPa）；tmst—起始發(fā)動(dòng)機(jī)溫度（℃）由于單次燃油噴射無(wú)法啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，為了實(shí)現(xiàn)較少噴油量的高壓起動(dòng)，必須增加燃油噴射次數(shù)，為此設(shè)置起動(dòng)噴油模式為兩次高壓噴射。高壓兩次噴射優(yōu)化后的起動(dòng)表現(xiàn)，如圖5 所示。為了保證在點(diǎn)火時(shí)刻，火花塞附近有足夠的可燃混合氣，將兩次噴射的燃油比例設(shè)置為2：8。增加噴油次數(shù)后，在同等噴油量的條件下，可縮短發(fā)動(dòng)機(jī)首次著火時(shí)間，使得一次成功起動(dòng)，但起動(dòng)時(shí)間為12.8s，較為偏長(zhǎng)。

圖5（-30）℃兩次燃油噴射模式啟動(dòng)表現(xiàn)Fig.5（-30）℃Twice Fuel Injection Mode Start Performance

在（-30）℃的極寒工況下，兩次燃油高壓噴射啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致燃油經(jīng)濟(jì)型降低、排放惡化。試驗(yàn)通過(guò)高壓三次燃油噴射控制策略對(duì)極寒工況冷啟動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化，采用在進(jìn)氣和壓縮行程都進(jìn)行噴油的均值燃燒噴油模式執(zhí)行燃油噴射。由于（-30）℃的極寒工況下燃油蒸發(fā)性較差，霧化效果不佳，使之無(wú)法形成良好的混合氣，通過(guò)對(duì)參考文獻(xiàn)和實(shí)際試驗(yàn)進(jìn)行分析后，在噴油總量一定的條件下，將三次噴射燃油分配比例定為3：2：5。高壓三次噴射燃燒優(yōu)化后的起動(dòng)結(jié)果，如圖6 所示。在（-31.5）℃條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)僅需5.8s 就能夠可靠起動(dòng)，相對(duì)于兩次燃油噴射起動(dòng)時(shí)間減少54.7%。

圖6（-30）℃三次噴油模式啟動(dòng)表現(xiàn)Fig.6（-30）℃Three Injection Mode Start Performance

5 結(jié)論

針對(duì)某款直列四缸四沖程直噴發(fā)動(dòng)機(jī)在（-30）℃極寒工況下的快速起動(dòng)進(jìn)行了多段噴射研究，利用低壓?jiǎn)?dòng)時(shí)間短和高壓兩段噴射著火迅速的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)采用三次燃油噴射控制策略進(jìn)行快速起動(dòng)，結(jié)果表明單次噴射無(wú)法使GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行冷起動(dòng)，采用3 次噴射控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)5.8s 一次可靠快速起動(dòng)，相對(duì)于兩次燃油噴射起動(dòng)時(shí)間減少54.7%，可有效提升燃油經(jīng)濟(jì)性，降低廢氣排放。