俞曉璇，齊斌，王三波，王海峰，王煒，岳季

1.上汽通用東岳動(dòng)力總成有限公司，山東 煙臺(tái) 264006； 2.泛亞汽車技術(shù)中心，上海 200120

0 引言

隨著能源日益短缺、污染日益嚴(yán)重及排放標(biāo)準(zhǔn)逐漸嚴(yán)格，增壓/直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛。增壓和直噴技術(shù)提高了發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率和燃燒熱效率，但更大的爆發(fā)壓力和熱效率使活塞受到的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷越來越大[1-3]?；钊鋮s噴射系統(tǒng)是一種活塞強(qiáng)制冷卻手段，可改善發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能及怠速敲缸的噪聲問題。目前關(guān)于活塞冷卻噴射系統(tǒng)熱負(fù)荷和噪聲問題的研究較多[2]，而關(guān)于活塞冷卻噴射系統(tǒng)對(duì)排放影響的研究相對(duì)較少[4-7]。

在保證排放和性能的前提下優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)硬件設(shè)計(jì)是汽車制造企業(yè)一直追求的目標(biāo)。本文中以一款小型增壓發(fā)動(dòng)機(jī)活塞冷卻噴射系統(tǒng)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)活塞冷卻噴射系統(tǒng)控制策略，并通過試驗(yàn)研究其對(duì)排放的影響規(guī)律，為發(fā)動(dòng)機(jī)硬件優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 活塞冷卻噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制策略

1.1 結(jié)構(gòu)

活塞冷卻噴嘴一般安裝在缸體主油道分支上，內(nèi)部為機(jī)械式閥門，當(dāng)油壓高于某一設(shè)計(jì)值時(shí)，閥門打開將機(jī)油噴射至活塞裙內(nèi)部。在此油道分支的進(jìn)油口處，安裝活塞冷卻噴嘴控制閥，控制活塞冷卻噴嘴油道的通、斷，實(shí)現(xiàn)特殊工況下活塞冷卻噴嘴的開啟和關(guān)閉。活塞冷卻噴嘴、電磁閥與缸體上的相關(guān)油道組成了活塞冷卻噴射系統(tǒng)，如圖1所示。

1.2 控制策略

活塞冷卻噴射系統(tǒng)控制策略如圖2所示。活塞冷卻噴射系統(tǒng)的控制主要依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與負(fù)荷，一般情況下，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大于某閾值(通常約為3500 r/min)，負(fù)荷大于某閾值(不同轉(zhuǎn)速設(shè)置不同)時(shí)，活塞冷卻噴嘴控制閥開啟，機(jī)油壓力高于機(jī)械閥預(yù)設(shè)壓力，活塞冷卻噴嘴打開。發(fā)動(dòng)機(jī)處于低速、低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，通過控制冷卻噴嘴控制閥關(guān)閉，切斷冷卻噴嘴的噴射，以保證燃油經(jīng)濟(jì)性和降低排放；發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油溫度較低時(shí)，關(guān)閉冷卻噴嘴控制閥，切斷冷卻噴嘴的噴射，以降低活塞在低溫下的噪音。另外，為了保證燃油經(jīng)濟(jì)性，可變油泵在部分負(fù)荷下切換成低壓模式，在此模式下也需要關(guān)閉冷卻噴嘴控制閥，停止冷卻噴嘴的工作[8-12]。

2 試驗(yàn)方法

本文中研究用發(fā)動(dòng)機(jī)為3缸、1.0 L、直噴、增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩為175 N·m，最大功率為85 kW。發(fā)動(dòng)機(jī)裝配分段式可變機(jī)油泵，機(jī)油冷卻噴嘴為機(jī)械式，并搭配使用活塞冷卻噴嘴控制閥控制油道的進(jìn)油。應(yīng)用車型整備質(zhì)量為1125 kg，測(cè)試質(zhì)量為1281 kg。

為了研究機(jī)油冷卻噴嘴對(duì)排放的影響，對(duì)以下3種狀態(tài)進(jìn)行國(guó)六[13]全球輕型車輛測(cè)試循環(huán)(worldwide harmonized light vehicles test cycle，WLTC)試驗(yàn)：1)取消整個(gè)活塞冷卻噴射系統(tǒng)(包括活塞冷卻噴嘴和活塞冷卻噴嘴控制閥)，記為狀態(tài)1；2)取消活塞冷卻噴嘴控制閥(僅取消冷卻噴嘴控制閥)，記為狀態(tài)2；3)正常安裝活塞冷卻噴嘴和冷卻噴嘴控制閥，記為狀態(tài)3。

在全工況下保持冷卻噴嘴控制閥關(guān)閉，即在標(biāo)定時(shí)強(qiáng)制關(guān)閉控制閥，以切斷此油路的供油，達(dá)到類似取消整套系統(tǒng)的效果，模擬狀態(tài)1。

在標(biāo)定時(shí)直接關(guān)閉冷卻噴嘴控制閥，活塞冷卻噴嘴完全依靠?jī)?nèi)部機(jī)械閥進(jìn)行開閉，機(jī)油壓力大于某一閾值時(shí)打開，低于某一閾值時(shí)關(guān)閉，模擬狀態(tài)2。

為減少試驗(yàn)過程中駕駛員操作帶來的影響，每個(gè)狀態(tài)進(jìn)行2次試驗(yàn)，取平均值進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比。

3 活塞冷卻噴射系統(tǒng)對(duì)排放的影響

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

WLTC試驗(yàn)后，不同狀態(tài)的總碳?xì)浠衔?total hydrocarbon,THC)、非甲烷碳?xì)浠衔?non-methane hydrocarbons,NMHC)、CO、NOx、顆粒物(particulate matter，PM)、粒子數(shù)量(particle number，PN)排放實(shí)測(cè)結(jié)果如表1所示。

為準(zhǔn)確評(píng)估各排放污染物的影響，用實(shí)測(cè)排放值與輕型車國(guó)六b標(biāo)準(zhǔn)限值的比值β表征該車輛某一污染物排放控制的實(shí)際水平，β越低則認(rèn)為排放控制越好。不同狀態(tài)下各污染物的β如表2所示。

通過WLTC中活塞冷卻噴嘴開啟的狀態(tài)對(duì)比分析不同狀態(tài)下對(duì)于各排放污染物的影響，見圖3。圖3中第一至第四階段分別為低速、中速、高速和超高速階段。

圖3 活塞冷卻噴嘴工作狀態(tài)對(duì)比

當(dāng)噴嘴工作標(biāo)志位為1時(shí)，冷卻噴嘴控制閥打開，機(jī)油噴射到活塞上。所以，對(duì)于狀態(tài)1，相當(dāng)于噴嘴工作標(biāo)志位全部設(shè)置為0，即活塞冷卻噴嘴全程不打開；對(duì)于狀態(tài)2，冷卻噴嘴的開啟主要取決于系統(tǒng)油壓，油壓高于機(jī)械噴嘴開啟壓力閾值，則打開，其余狀態(tài)關(guān)閉冷卻噴嘴。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 對(duì)THC、NMHC、NOx排放的影響

由表2可知， THC、NMHC和NOx的β較低，3種狀態(tài)下均未超過30%，故對(duì)于試驗(yàn)車輛來說，活塞冷卻噴射系統(tǒng)對(duì)THC、NMHC和NOx排放的影響較小。

3.2.2 對(duì)PN排放的影響

表3為WLTC各階段PN排放實(shí)測(cè)結(jié)果。由圖3和表3可知：第一階段正常噴油時(shí)間很短；取消活塞冷卻噴射系統(tǒng)使得第一階段活塞冷卻噴嘴完全不噴油；而取消冷卻噴嘴控制閥會(huì)使第一階段噴油時(shí)間增加(油壓高于機(jī)械噴嘴開啟壓力則會(huì)開啟)，即每次啟動(dòng)時(shí)均噴油，暖機(jī)效果惡化，使PN排放增加。因此過多和過少的噴油均導(dǎo)致第一階段PN排放增加。

表3 WLTC各階段PN排放實(shí)測(cè)結(jié)果 1011個(gè)/km

正常情況下在第二、第三階段加速時(shí)會(huì)噴油，取消活塞冷卻噴射系統(tǒng)后，活塞冷卻變差，PN排放增加；取消冷卻噴嘴控制閥與正常情況下噴嘴工作類似，只有中途進(jìn)入自動(dòng)起停工況，重新起動(dòng)時(shí)噴嘴才恢復(fù)工作，所以整體來看對(duì)于PN排放影響相對(duì)較小。

第四階段是正常情況下冷卻噴嘴開啟時(shí)間最長(zhǎng)的階段，較高的負(fù)載會(huì)使活塞熱負(fù)荷增大，需要對(duì)活塞進(jìn)行冷卻，而取消活塞冷卻系統(tǒng)使此階段燃燒室溫度升高，充氣效率變差，PN排放升高；取消電磁閥只影響啟動(dòng)時(shí)噴嘴工作，對(duì)于PN影響相對(duì)不大。

3.2.3 對(duì)CO排放的影響

由表2可知，取消活塞冷卻系統(tǒng)或者只取消冷卻噴嘴電磁閥，會(huì)使活塞熱負(fù)荷增大，燃燒不充分，導(dǎo)致CO排放顯著提高。

綜上所述，取消整個(gè)活塞冷卻噴射系統(tǒng)，βPM、βPN、βCO分別升高39.7%、14.0%、16.6%，均超過正常狀態(tài)的10%，影響較大；取消活塞冷卻噴嘴控制閥，βPM、βPN、βCO分別升高4.3%、8.5%、5.8%，影響較?。坏怯捎谲囕v本身排放水平較好，PN、PM、THC、CO排放沒有超過國(guó)六b標(biāo)準(zhǔn)限值。

4 結(jié)論

對(duì)比3種情況下排放試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析活塞冷卻噴射系統(tǒng)對(duì)輕型車排放的影響。

1)取消整個(gè)活塞冷卻噴射系統(tǒng)、取消活塞冷卻噴嘴控制閥、正常安裝活塞冷卻噴嘴和冷卻噴嘴控制閥3種狀態(tài)下，βTHC、βNMHC和βNOx均小于30%，活塞冷卻噴射系統(tǒng)對(duì)THC、NMHC和NOx排放的影響較小。

2)取消整個(gè)活塞冷卻噴射系統(tǒng)，βPM、βPN、βCO排放分別升高39.7%、14.0%、16.6%，均超過正常狀態(tài)排放的10%以上，影響較大；取消活塞冷卻噴嘴控制閥，βPM、βPN、βCO排放分別升高4.3%、8.5%、5.8%，影響較??；但是由于車輛本身排放水平較好，PN、PM、THC、CO排放沒有超過國(guó)六b標(biāo)準(zhǔn)限值?？紤]到車輛存在個(gè)體偏差，建議只取消活塞冷卻噴嘴電磁閥。