段偉，牛貝妮，解方喜，洪偉

1.菲亞特克萊斯勒動力科技研發(fā)(上海)有限公司，上海 201807； 2.上海宏景智駕信息科技有限公司，上海 201804； 3.吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130025

0 引言

隨著輕型汽車污染物排放和油耗限值標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施[1-2]，內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)業(yè)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，行駛中的車輛也要進(jìn)行污染物排放檢測[3-5]。為了滿足日益嚴(yán)格的排放和油耗要求，目前輕型車用汽油機(jī)主要通過增壓直噴[6]、廢氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation, EGR)[7]等機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)配合汽油機(jī)顆粒捕集器(gasoline particulate filter, GPF)[8-10]后處理系統(tǒng)。與進(jìn)氣道多點(diǎn)噴射(port fuel injection, PFI)汽油機(jī)相比，缸內(nèi)直噴(gasoline direct injection, GDI)汽油機(jī)排放的粒子數(shù)量(particle number, PN)相對較多，冷機(jī)工況的PN排放約為車輛Ι型試驗(yàn)(國六)PN排放的50%～70%。隨著GDI汽油機(jī)強(qiáng)化指標(biāo)的不斷提高，汽油機(jī)低速大負(fù)荷時出現(xiàn)爆震和早燃的概率越來越高[11]。早燃發(fā)生時，缸內(nèi)壓力和溫度急劇升高，并伴有劇烈的壓力波動和噪聲，早燃對火花塞和活塞造成極大破壞，限制了汽油機(jī)性能改善[12-13]。為了實(shí)現(xiàn)GDI汽油機(jī)的高效清潔工作，必須合理優(yōu)化和匹配發(fā)動機(jī)關(guān)鍵控制參數(shù)(燃油噴射正時、噴射壓力、EGR率等),改善排放性能、降低燃油消耗[14]、減小早燃和超級爆震的概率[15]。

本文中以某小型GDI增壓汽油機(jī)為研究對象，研究發(fā)動機(jī)常用工況下噴射策略對汽油機(jī)性能的影響，通過優(yōu)化發(fā)動機(jī)噴油相位、噴油比例和噴油壓力達(dá)到降低油耗和排放的目標(biāo)。

1 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在一臺直列3缸GDI增壓汽油機(jī)上進(jìn)行，汽油機(jī)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 汽油機(jī)技術(shù)參數(shù)

試驗(yàn)通過AVL測功機(jī)、油耗儀、燃燒分析儀、排放物和顆粒物分析儀等設(shè)備采集發(fā)動機(jī)功率、燃油消耗量、缸內(nèi)燃燒壓力、排放物和顆粒數(shù)等數(shù)據(jù)，選用INCA公司的592通信采集設(shè)備連接發(fā)動機(jī)電控單元(electronic control unit, ECU)調(diào)整噴油相位和噴射壓力，并通過INCA軟件采集發(fā)動機(jī)關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)，應(yīng)用AVL冷卻水管理系統(tǒng)控制發(fā)動機(jī)冷卻水溫度為90 ℃。試驗(yàn)邊界條件如表2所示。

表2 邊界條件

以發(fā)動機(jī)壓縮上止點(diǎn)作為參考基準(zhǔn)點(diǎn)，定義基準(zhǔn)點(diǎn)對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為0°，定義基準(zhǔn)點(diǎn)前噴油開始時刻與基準(zhǔn)點(diǎn)之間的曲軸轉(zhuǎn)角為噴油起始相位θSOI,定義基準(zhǔn)點(diǎn)前噴油結(jié)束時刻與基準(zhǔn)點(diǎn)之間的曲軸轉(zhuǎn)角為噴油結(jié)束相位θEOI，定義噴射比例為主噴油量(第一次噴油量)與后噴油量(第二次噴油量)之比。對于單次噴射策略，試驗(yàn)主要優(yōu)化噴油起始相位θSOI和噴射壓力pf；對于二次噴射策略，在單次噴射策略優(yōu)化的基礎(chǔ)上，優(yōu)化第二次噴油結(jié)束相位θEOI和兩次燃油噴射比例γf，穩(wěn)態(tài)測試點(diǎn)測試發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和相對進(jìn)氣量Qr，轉(zhuǎn)速測試范圍為1000～5000 r/min，測試間隔為1000 r/min；Qr為0.3～1.5，間隔為0.3。Qr計算如下：

Qr=Qa/Qt

式中：Qa為實(shí)際進(jìn)氣量,L；Qt為理論進(jìn)氣量,L，可通過理想空氣狀態(tài)方程計算。

試驗(yàn)主控制參數(shù)如表3所示。

表3 試驗(yàn)主要控制參數(shù)

在不同的噴射壓力下，采集不同噴油起始相位θSOI(以對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角計算)時發(fā)動機(jī)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工況后的參數(shù)，通過AVL_PUMA系統(tǒng)記錄所有測試點(diǎn)的發(fā)動機(jī)性能、排放、燃燒等參數(shù)，記錄時間為20 s。選擇6個測試工況點(diǎn)(分別記作TEST-1、TEST-2、TEST-3、TEST-4、TEST-5、TEST-6)進(jìn)行重點(diǎn)分析，測試工況點(diǎn)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和Qr如表4所示。

表4 測試工況點(diǎn)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和Qr

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 單次噴射策略

TEST-1工況發(fā)動機(jī)不同單次噴射策略(噴油起始相位和噴射壓力)下比油耗、燃燒穩(wěn)定性、PN和HC排放如圖1所示，圖中以平均有效壓力變動系數(shù)(coefficient of variation, CoV)評價燃燒穩(wěn)定性，平均有效壓力變動系數(shù)為缸內(nèi)平均有效壓力的標(biāo)準(zhǔn)差與缸內(nèi)平均有效壓力之比。

圖1 TEST-1工況不同單次噴射策略時發(fā)動機(jī)比油耗、平均有效壓力和排放對比

由圖1可知：θSOI過小或過大均不利于降低比油耗，θSOI過小，油氣混合時間較短，易形成過濃和過稀區(qū)域，可燃混合氣較少，燃燒不充分，比油耗較高；θSOI過大接近排氣上止點(diǎn)時，燃油噴射撞擊到活塞表面的機(jī)會增加，形成較多油膜，不利于燃油和空氣充分混合形成較多的可燃?xì)怏w，造成比油耗偏高，θSOI適當(dāng)增加(θSOI=300°～320°)時比油耗較低；比油耗對pf敏感度較低，θSOI增加可以改善燃燒穩(wěn)定性，燃燒穩(wěn)定性的變化規(guī)律與pf有一定的相關(guān)性，但影響較??；提高pf可降低PN和HC排放，θSOI=280°～300°時PN排放最低，θSOI過小或過大都有可能增加HC和PN排放，但對HC排放的影響相對較弱，這是由于水溫及缸內(nèi)溫度較高，易于燃油蒸發(fā)形成較多均質(zhì)混合氣，降低HC排放。

中、高轉(zhuǎn)速和中、大負(fù)荷(TEST-2、TEST-3)工況不同單次噴油策略下比油耗和PN排放對比如圖2、3所示。

由圖2、3可知，pf提高能夠降低比油耗，θSOI=320°時比油耗最低；θSOI<320°時，提高pf可以降低PN排放，θSOI=300°～320°時PN排放最低。和圖1運(yùn)行工況相似，θSOI過小或過大，都有可能增加PN排放。θSOI增加，對PN排放的影響較弱，但pf較高(15～20 MPa)時，增加θSOI，可能導(dǎo)致PN排放惡化。

圖2 TEST-2工況不同單次噴射策略時比油耗和PN排放對比

依據(jù)比油耗、HC和PN排放以及獲得的最小平均有效壓力變動系數(shù)(原則上應(yīng)小于5%)優(yōu)化θSOI和pf，以達(dá)到最佳的燃油消耗、較低的排放和較好的燃燒穩(wěn)定性。在提高pf時，最小噴油脈寬(minimum fuel pulse width, MFPW)應(yīng)大于400 μs，且不應(yīng)進(jìn)入非線性區(qū)域，不同轉(zhuǎn)速和Qr對應(yīng)的優(yōu)化θSOI和pf如表5、6所示。

圖3 TEST-3工況不同單次噴射策略時比油耗和PN排放對比

表5 不同轉(zhuǎn)速和Qr對應(yīng)的優(yōu)化θSOI °Qr發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速/(r·min-1)100020003000400050000.3300300～320300300～320300～3200.6280～300300300300～320300～3200.9280280～300300300～3203201.2280280～300300300～3203201.5280280～300300320320表6 不同轉(zhuǎn)速和Qr對應(yīng)的優(yōu)化pfMPaQr發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速/(r·min-1)100020003000400050000.31010～1510～1515150.6151515～2015～20200.920202020201.220202020201.52020202020

2.2 二次噴射策略

在單次噴油策略優(yōu)化的基礎(chǔ)上，調(diào)整第二次噴油結(jié)束相位θEOI和噴射比例γf，試驗(yàn)控制參數(shù)如表7所示。

表7 試驗(yàn)控制參數(shù)

TEST-4工況，發(fā)動機(jī)θSOI=300°、pf=15 MPa時，不同θEOI和γf下比油耗、燃燒穩(wěn)定性、HC和PN排放的對比如圖4所示。由圖4a)可知：適當(dāng)增加θEOI可以降低比油耗，但θEOI過小或過大都不利于比油耗改善，這是因?yàn)殡S著θEOI的減小，油氣混合時間較短，易形成不均勻混合氣，且噴霧有可能撞擊活塞，形成油膜，不利于油氣充分混合；隨著θEOI不斷增加，后噴油量有可能干擾主噴油量，造成噴油器頻繁動作，噴油量不準(zhǔn)確，不利形成當(dāng)量空燃比混合氣；θEOI=120°～140°時，比油耗較低。由圖4a)、4b)可知：θEOI對燃燒穩(wěn)定性和比油耗的影響有一定的相關(guān)性，隨著γf的提高，可以降低比油耗，γf=0.8時，比油耗相對較低。由圖4c)、4d)可知：減小θEOI，可以降低HC排放，但對PN排放影響不大，過大的θEOI，有可能增加HC排放，θEOI減小或增加，對PN排放的影響相對較小。

圖4 TEST-4工況不同二次噴射策略下比油耗、平均有效壓力和排放對比

TEST-5和TEST-6工況，θSOI=290°、pf=20 MPa下，不同θEOI和γf對發(fā)動機(jī)比油耗、燃燒穩(wěn)定性、HC和PN排放的影響如圖5、6所示。

圖5 TEST-5工況不同二次噴射策略下比油耗、平均有效壓力和排放對比

圖6 TEST-6工況不同二次噴射策略下比油耗、平均有效壓力和排放對比

相對于低負(fù)荷，中高負(fù)荷時θEOI對比油耗影響較低，γf影響較大。在θEOI=80°～100°和γf=0.8時，比油耗最低。當(dāng)γf降低時，可改善PN和HC排放，隨著θEOI的減小，PN排放可能增加，HC有可能降低，當(dāng)增加θEOI，HC排放略增加，PN排放略降低，但整體上，θEOI對PN排放影響相對較低。隨著發(fā)動機(jī)負(fù)荷的增加，θEOI向減小方向移動，可以獲得較好的經(jīng)濟(jì)性和排放性。

與單次噴油策略優(yōu)化原則相同，在獲得最佳噴射比例時，不應(yīng)該使第二次噴油的最小噴油脈寬進(jìn)入非線性區(qū)域。

不同轉(zhuǎn)速和Qr對應(yīng)的優(yōu)化噴油結(jié)束相位θEOI和噴油比例γf如表8、9所示。

表8 不同轉(zhuǎn)速和Qr對應(yīng)的優(yōu)化θEOI °Qr發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速/(r·min-1)1000200030000.31601401200.61401201000.91201001001.210080801.5808080 表9 不同轉(zhuǎn)速和Qr對應(yīng)的優(yōu)化γf %Qr發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速/(r·min-1)1000200030000.30.70.80.80.60.70.80.80.90.70.80.81.20.70.80.81.50.70.80.8

3 結(jié)論

1)適當(dāng)提高噴射壓力可以有效降低PN排放。

2)對于單次噴射策略，適當(dāng)增加噴油起始相位并耦合較高噴射壓力，可以降低油耗、改善PN和HC排放。

3)對于二次噴射策略，合適的第二次噴油結(jié)束相位和噴射比例，可以改善經(jīng)濟(jì)性和排放性；隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增加，減小第二次噴油結(jié)束相位和提高噴射比例，可以獲得較好的經(jīng)濟(jì)性和排放性。