减小喷油器孔径对PFI发动机性能影响的研究

刘黎敏　张梓龙　董　乔　张　帅　王　伟（1-长城汽车股份有限公司技术中心　河北 保定　071000　2-河北省汽车工程技术研究中心）

减小喷油器孔径对PFI发动机性能影响的研究

刘黎敏1，2张梓龙1，2董乔1，2张帅1，2王伟1，2
（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北 保定0710002-河北省汽车工程技术研究中心）

在一款1.0 L气道喷射增压汽油机上进行负荷特性、冷起动排放及机油稀释试验，验证减小喷油器孔径对发动机性能的影响。研究结果表明：喷孔直径减小，发动机外特性功率最大提升4.6%，扭矩最大提升4.5%，外特性油耗均有所降低，百公里油耗（计算）降低0.65%，冷起动前40 s内THC平均排放降低23.63%，CO平均排放降低1.12%，NOχ平均排放降低13.48%，机油稀释试验中机油含量及机油运动粘度变化率无明显改善。

气道喷射 增压汽油机 喷孔直径 负荷特性 冷起动排放 机油稀释

引言

在全球气候日益变暖的今天，节能减排已成为汽车行业长远发展的必然趋势与选择，油耗及排放也将是发动机制造的核心竞争力。喷油器作为发动机的重要部件，接受ECU的喷油脉冲信号，将燃油精准地喷射入发动机，其特性参数直接影响着发动机的动力性、燃油经济性以及排放等，其中喷油器孔径决定燃油雾化，影响发动机燃烧性能。根据Ricardo经验公式，分析影响发动机性能的因素可知，在保证喷油器流量特性、喷油压力等其他特性参数不变的条件下，减小喷油器孔径，相应SMD粒子直径减小，继而提高燃油的雾化性能，促进燃油蒸发与空气的混合，从而使燃烧更加完全，发动机热效率得到提高。式中：Dsmd—喷射燃油破碎后的粒子直径，μm；

dc—喷油器喷孔直径，μm；

△P—燃油喷射前后压力差，Pa。

本文以一款1.0 L气道喷射增压汽油机为例，从发动机动力性、经济性、冷起动排放及机油稀释多方面分析减小喷油器孔径对发动机性能影响。

1　理论分析

喷油器实际上是一个电磁阀，电子控制装置（ECU）发出的指令信号可将喷油器头部的针阀打开，将准确配剂的定量汽油雾化成细微的油滴提供燃烧。

PFI即气道喷射发动机，喷油器提供燃油喷入发动机进气道，与进气歧管吸入的新鲜空气形成混合气后，进入燃烧室参与燃烧并输出动力。

减小喷油器孔径，喷射燃油碎裂后的粒子直径减小，与周围空气接触的蒸发表面积变大，加速从空气中吸热过程和油滴的汽化过程，以便与气道内的新鲜空气充分混合，从而使燃烧更加完全，动力性、经济性明显提升。

喷油器孔径减小，同时保证喷油器流量特性、喷油压力等参数不变，喷油器孔数必然增加，喷孔位置也将发生变化，继而导致油束夹角相应会发生变化。因此重新校核试验喷油器油束与发动机进气道匹配情况，发现油束与进气道上壁距离仅0.5 mm（见图1）（要求＞3 mm）。

图1　发动机油束与气道匹配校核结果

解决油束与气道匹配问题，可以从更改缸盖进气道和喷油器安装孔位置两方面着手进行。鉴于更改缸盖气道方案周期较长且成本投入较大，现通过调整喷油器安装孔位置（见图2），使油束与气道达到最佳匹配。

图2　喷油器调整方案

PFI发动机因其混合气的形成方式，在前期试验中发现，机油稀释问题的发生较为普遍。所谓机油稀释［1］，即燃烧不完全产物、机油氧化物及摩擦产生的不溶物等通过非正常渠道进入机油，使机油粘度非正常快速下降，导致摩擦副润滑不足，机油寿命降低提前报废的现象。喷油器孔径减小后，燃油雾化效果提升，燃料得以充分燃烧，燃烧的不完全产物明显减少，机油稀释现象可以得到改善。

发动机的排放物主要为HC、CO、NOχ，其中HC为主要排放物［2］。研究发现［3］，汽油机冷起动的平均HC排放是热怠速时的8～13倍，占到总测试循环HC排放的60%～80%。冷起动过程HC排放在整个NEDC运行工况的HC排放中占有很大比例（见图3），该过程三元催化器还未发挥作用，且发动机冷起动过程中水温较低。因此有效控制冷起动过程中HC排放，是改善发动机循环工况排放的关键所在。

图3　车速、水温与HC排放的对应关系

2　试验设备

现策划在一台PFI发动机上，使用两款不同孔径喷油器进行试验，验证减小喷油器孔径对发动机动力性、经济性、冷起动原始排放和机油稀释的改善效果。

2.1发动机

试验发动机工作状态良好，能精确计算进气量、喷油量，试验提供满足发动机需求的燃油压力。发动机参数如表1所示。

表1　试验发动机主要参数

2.2喷油器

原机采用6孔喷油器，喷孔直径为265.2 um（见图4）。为改善燃油雾化效果，提升排放水平，并保证喷油器流量特性、喷油压力等其他特性参数不变，将喷孔直径减小为210 um，喷孔数量增加为10个（见图5），为确保喷雾锥角及喷油落点不变，其喷孔位置均位于孔板两侧。

图46　孔喷油器

图5　10孔喷油器

3　试验内容及评价方法

3.1试验内容

在保证台架、ECU数据均一致的前提下，使用同一台发动机分别进行6孔和10孔喷油器验证，采集试验数据并进行负荷特性、冷起动原始排放及机油稀释试验对比。

3.2冷起动试验评价方法

发动机冷起动工况下的原始排放测试在发动机台架上进行，试验装置如图6所示。试验装置主要包括发动机、测功机、发动机测控系统Puma1.4、排放分析仪。排放分析仪型号为HORIBA MEXA-7100EGR。

图6　试验装置示意图

发动机冷起动排放试验方法及结果按照如下标准进行评价：发动机在冷机状态下起动，以怠速工况运行，采集排气管内的原始排放，以冷起动中HC、CO、NOχ的排放峰值及前40 s的累积积分（从发动机转速＞0开始算起）大小进行衡量。

3.3机油稀释试验评价方法

发动机更换全新机油，在发动机需评价的工况点运行2 h后，机油压力稳定不变，此时可认为机油稀释量和汽油的挥发量达到平衡，停机对机油进行收集并检测。国际知名石油公司对于机油稀释的评价标准各有不同，一般均以运动粘度变化率（试验后机油与全新机油的运动粘度之比）及机油稀释率（汽油含量）为评价准则。当两项参数超过表2的限值后，就可认定出现机油稀释问题。

表2　机油稀释评价标准

4　试验结果及分析

4.1功率、扭矩及油耗

取发动机负荷特性中若干转速点的外特性功率、扭矩进行对比（见图7），可以看出10孔喷油器较6孔喷油器：功率最大提升4.6%，扭矩最大提升4.5%。

图7　外特性功率、扭矩对比

取2 000 r/min、3 200 r/min外特性油耗进行对比（见图7），可以看出该转速下10孔喷油器油耗较6孔喷油器均有所降低：2 000 r/min除平均有效压力1 MPa、16 MPa、19 MPa外（见图8），3 200 r/min除平均有效压力0.2 MPa外（见图9），其余工况点10孔喷油器均优于6孔喷油器（图8、图9为10孔与6孔油耗的差值）。

图8　2 000 r/min负荷特性油耗

图9　3 200 r/min负荷特性油耗

鉴于10孔喷油器在外特性油耗中体现的明显优势，采集发动机万有特性数据并导入CAE Cruise模型，模拟发动机搭载整车进行NEDC循环，计算百公里油耗结果（见图10），10孔喷油器较6孔喷油器油耗降低0.65%。

结果分析：

图10　百公里油耗对比

喷油器流量特性、喷油压力等特性参数均不改变，喷孔数量由6孔增加为10孔，单孔孔径减小，SMD粒子直径减小，与周围空气充分接触，吸热和汽化过程加速，以便与气道内新鲜空气充分混合，从而使燃烧更加完全，动力性、经济性明显提升。

4.2冷起动排放结果

发动机起动前40 sTHC排放积分（见图11），10孔喷油器较6孔喷油器平均降低12.78%，起动THC排放峰值（见图12），10孔喷油器较6孔喷油器平均降低23.63%，发动机前40 sTHC排放曲线见图13。

图11　THC前40 s排放积分对比

图12　THC排放峰值对比

图13　前40 sTHC排放曲线对比

发动机起动前40 sCO排放积分（见图14）：10孔喷油器较6孔喷油器平均降低16.44%，起动CO排放峰值（见图15），10孔喷油器较6孔喷油器平均降低1.12%，前40 sCO排放曲线见图16。

图14　CO前40 s排放积分对比

图15　CO排放峰值对比

图16　前40sCO排放曲线对比

发动机起动前40 sNOχ排放积分（见图17），10孔喷油器较6孔喷油器平均降低1.21%，起动NOχ排放峰值（见图18），10孔喷油器较6孔喷油器平均降低13.48%，前40 sNOχ排放曲线见图19。

图17　NOχ前40 s排放积分对比

图18　NOχ排放峰值对比

图19　前40 sNOχ排放曲线对比

结果分析：

从冷起动阶段排放曲线（见图13、图16、图19）可以看出，HC、CO、NOχ排放峰值均出现在前40s之内，其中HC、CO为主要排放物。冷起动开始阶段混合气低温反应能量较小，反应物化学键难以断裂，缸内燃烧非常不稳定，同时发动机水温较低，且喷油器喷射压力低，使得燃油蒸发雾化效果差［4］。喷油器孔径减小后SMD粒子直径减小，吸热汽化过程加速，雾化效果明显增强，油气的充分均匀混合保证燃料最佳的燃烧效果，从而减少HC、CO、NOχ排放［5-6］。

4.3机油稀释结果

在试验发动机上分别使用6孔和10孔喷油器进行机油稀释验证试验，在机油含量及机油运动粘度变化率方面，两款喷油器机油稀释现象无明显差别（见图19）。

图20　喷油器机油稀释效果对比

结果分析：

由于机油稀释的根本原因为燃油进入到机油导致机油粘度下降，因此可以断定，当发生机油稀释问题时，并非所有燃油都参与燃烧，必定会有部分未参与燃烧的燃油通过各部渠道最终进入到机油中。由两款喷油器机油稀释结果可知，虽然10孔喷油器较6孔喷油器在燃油雾化方面明显改善，但对机油稀释问题并未做出任何贡献。

在发动机负荷特性、冷起动原始排放和机油稀释试验验证中，10孔喷油器较6孔喷油器：

1）发动机外特性功率最大提升4.6%，扭矩最大提升4.5%；

2）2000r/min、3 200 r/min外特性油耗均有所降低；

3）百公里油耗（模拟计算）降低0.65%；

4）冷起动前40sTHC排放积分平均降低12.78%，排放峰值平均降低23.63%；

5）发动机起动前 40sCO排放积分平均降低16.44%，排放峰值平均降低1.12%；

6）发动机起动前40sNOχ排放积分平均降低1.21%，排放峰值平均降低13.48%；

7）机油稀释试验中机油含量及机油运动粘度变化率无明显差别。

4　结论

减小喷油器孔径，改善了燃油雾化效果，使形成的混合气更均匀并得以充分燃烧，发动机功率、扭矩得到提升，外特性油耗及百公里油耗有明显降低，同时使冷起动时燃油蒸发效果得到改善，排放水平明显提升，但燃油雾化效果的提升对机油稀释现象并未有任何改善。

1吴清泉，马岩，刘军.内燃机车的机油稀释问题［J］.内燃机车，1999（2）：8-12

2张梓龙，李克俊，李辉，等.降低乘用车增压汽油机HC排放的研究［J］.内燃机工程，2014（5）：6-11

3周龙保.内燃机学［M］.北京：机械工业出版社，2005

4Alkidas A C.Combustion advancements in gasoline engines ［J］.Energy Conversion and Management，2007，48:2751-2761

5吴建华.汽车发动机原理［M］.北京：机械工业出版社，2009

6张锡朝，杨滨.汽油机冷起动过程的HC排放［J］.山东内燃机，2003（4）：9-31

Research on the Influence of Reducing the Injection Inner Diameter on Performance of PFI Engine

Liu Limin1，2，Zhang Zilong1，2，Dong Qiao1，2，Zhang Shuai1，2，Wang Wei1，2
1-Technical Center，Great Wall Motor Co.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）
2-Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center

The load characteristics，cold start emissions and engine oil dilution test were carried out for an 1.0 L PFI turbocharged gasoline engine，via which the injector aperture's influence on engine performance was verified.Research results show that，while the injector aperture decreases，engine power increased maximumly by 4.6%，torque maximumly increased by 4.5%，fuel consumption are reduced during external characteristic.At the same time，the fuel consumption per 100 kilometers（calculated）decreased by 0.65%. THC emissions decreased by 23.63%，CO emission decreased by 1.12%，and NOχemission decreased by 13.48%at the first 40s during the cold start.The oil content and oil viscosity change rate have no improvement obviously during the oil dilution test.

PFI，Turbocharged gasoline engine，Spout diameter，Load characteristics，Cold start emissions，Oil dilution

TK411+.24

A

2095-8234（2016）01-0010-06

刘黎敏（1987-），女，学士，主要从事发动机性能的提升与优化工作。

2015-10-06）