增压直喷汽油机的喷油器匹配试验研究

成海元　杨　陈　范子柱　尹建东　沈　源　王瑞平,2

（1-宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司浙江宁波315000 2-浙江吉利罗佑发动机有限公司）

增压直喷汽油机的喷油器匹配试验研究

成海元1杨陈1范子柱1尹建东1沈源1王瑞平1,2

（1-宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司浙江宁波315000 2-浙江吉利罗佑发动机有限公司）

为了满足乘用车和轻型卡车对燃油经济性和温室排放气体越来越严格的要求，缸内直喷技术已经成为越来越多汽油发动机厂家的选择。众所周知，相比进气道多点喷射汽油发动机，缸内直喷汽油发动机会产生更多的颗粒排放物（PN）。即将在2017年推行的欧Ⅵ排放法规对PN做了严格的限制，如何降低发动机原始PN排放已成为各大汽油发动机厂家研发人员的首要任务。而缸内直喷汽油机由于早燃产生的超级爆震对发动机的破坏之大也迫使开发人员不得不在喷油器选型时加以权衡，同时，缸内直喷汽油机的机油稀释风险远高于进气道喷射汽油机。基于以上考虑，使用标定软件，通过多次喷射、改变喷油时刻等，对不同的喷油器进行硬件匹配验证试验，最终选出一款排放最低、早燃和机油稀释风险最低的喷油器。

缸内直喷欧Ⅵ法规PN排放早燃机油稀释

引言

增压发动机采用缸内直喷技术可有效提高燃烧效率，改善燃油经济性和排放，并提升发动机瞬态响应性［1］。同时，直喷发动机采用涡轮增压技术实现了发动机的小型化，在低转速区能获得更高的扭矩输出［2］。目前，增压直喷发动机已经成为国内外各大发动机厂家的研究开发重点。但是，增压直喷技术同样面临着诸多技术难题，由于汽油喷入缸内，相比混合气在缸外形成的进气道喷射，油气混合时间短，以及燃油湿壁等因素造成其排放颗粒物较多；而随着进气量的增加，缸内压力和温度不断提升，在低速段过高的扭矩需求容易引发随机早燃［3］；机油稀释现象虽然是发动机常见的现象，但在增压缸内直喷汽油机上表现尤为明显［4］；因此，在增压缸内直喷汽油发动机开发过程中需着重考察以上三个主要方面的问题。

本文在对一款小型化增压缸内直喷汽油发动机进行喷油器匹配过程中，通过研究三种喷油器在冷怠速的排放、低速早燃和机油稀释等方面的表现，最终选出一款排放最低、早燃和机油稀释风险最低的喷油器。

1　试验背景

1.1试验台架

试验所需发动机性能试验台架如图1所示。

图1　性能试验台架

试验发动机的主要参数见表1。

表1　试验发动机主要参数

1.2试验测量设备

试验使用的主要测试设备见表2。

表2　主要试验设备

2　冷怠速工况研究

2.1试验工况

在确定一款车型的冷启动转速时，不仅需要考虑催化器起燃的快速性，也要兼顾怠速抖动，而且匹配CVT和MT等不同的变速器时所需的发动机负荷也不同。因此，本文选用较常用的冷怠速工况对不同的喷油器进行试验研究，即转速为1 200 r/min，平均指示压力为0.3 MPa，水温为30℃。

2.2试验方法

试验共使用3种喷油器作为备选方案，三种喷油器的静态流量相同。其中一种为5孔喷油器，代号为G1-5，两种为6孔喷油器，代号分别为G1-6和G11-6。三种喷油器均使用相同的点火角度和气门正时，此处不对气门正时的优化进行赘述。冷怠速工况由于缸套和活塞温度较低，多次喷射可降低喷油的贯穿距，进而降低湿壁的可能性。因此本实验中三种喷油器均使用三次喷射的喷油策略，且将三次喷射的比例均设置为第一次44%，第二次44%，第三次12%。先后对三次喷油时刻进行扫点测试，得到每种喷油器的最低颗粒排放值。

2.3试验结果及分析

对第一次喷油时刻进行扫点测试，如图2所示，从整体趋势来看，三种喷油器在越靠近上止点的位置喷油，PN排放越高，主要是由于喷油器在活塞接近上止点附近喷油，容易将油雾直接喷射在温度较低的活塞上表面，燃烧不完全进而导致颗粒物排放增加。如果在压缩上止点后480°CA喷油，由于第一次喷油结束与第二次喷油开始时间相距仅20°CA（4 ms），进入该喷油器的非线性区域（名义值≥3ms），导致喷雾效果变差，从而使PN排放升高；还有，喷油较迟会导致油气混合不充分，颗粒物排放升高。基于此结果，可将三组喷油器的第一次喷油时刻设置为470°CA ATDC。五孔喷油器G1-5的PN排放最低。

图2　扫描第一次喷油开始时刻

对第二次喷油结束时刻进行扫描，如图3所示，第二次喷射时间越晚，则PN排放越高，主要原因为喷油时刻太滞后则油气混合的时间缩短，混合不充分导致炭烟颗粒物产生。试验结果表明，五孔喷油器G1-5和六孔喷油器G1-6的颗粒物排放几乎处于同一水平，在500°CAATDC时两者的颗粒物排放均最低。可将EOI2（第二次喷油结束时间）定在500°C A ATDC附近。另一六孔喷油器G11-6颗粒物排放较高。

图3　扫描第二次喷油结束时刻

对第三次喷油结束时刻进行扫描，如图4所示，试验的大致趋势表明，越滞后的喷油越容易导致油气混合不佳，从而产生更多的颗粒物排放。在520° CA ATDC时，三者的颗粒物排放均较低，其中五孔喷油器G1-5的颗粒物排放最低为6.6×105个。可将第三次喷油结束时刻定在520°CA ATDC。

图4　扫描第三次喷油结束时刻

综上所述，冷怠速工况产生颗粒物排放较少的喷油器为G1-5和G1-6。由于整车冷机启动阶段和冷怠速阶段是PN排放的主要来源，而欧Ⅵ试验标准又进一步加强了对PN的限制。因此，基于G11-6在冷怠速PN排放上的不足，可据此否决G11-6方案。

3　低速早燃研究

3.1试验边界条件

低速早燃是增压直喷汽油机上常见的一种不正常燃烧，一般发生在发动机低速大负荷工况。低速早燃发生时，缸内易引发超级爆震，缸内最高燃烧压力骤升，严重时会造成发动机损坏，早燃发生时的缸压情况如图5所示。

实验控制边界条件：过量空气系数为1.0，水温为90±2℃，进气温度为25±2℃，中冷器出口温度为30±2℃，燃油温度为25±2℃。

3.2试验方法

分别使用三种不同的喷油器，正式实验开始前在转速为3 000r/min，平均有效压力为1 MPa的工况下运行30 min，清除缸内积碳。在低速最大扭矩点即转速1 500 r/min全负荷工况，连续运行4小时。

发动机燃烧室经改造以安装缸内压力传感器。用Kistler 6125B型缸内压力传感器测量各缸压力，用AVL662型燃烧分析仪记录缸内瞬态压力并计算燃烧相位。试验中设置缸压限值为12 MPa，当监测到缸内压力超过12 MPa时，燃烧分析仪触发早燃事件，自动记录下该循环缸压的瞬态波动情况及前30个循环和后50个循环的缸压数据。统计燃烧分析仪记录的早燃次数，对试验结果进行评估。

3.3试验结果及分析

三种喷油器在同一台发动机上，相同循环工况下早燃累计发生的次数表明，三种喷油器的早燃倾向均比较低（少于1次/h），其中五孔喷油器G1-5的早燃倾向最低，可作为优先选用该五孔喷油器的因素之一。

表3　三种喷油器早燃循环累计次数统计

4　机油稀释研究

所谓机油稀释，即燃油、不完全燃烧产物、机油氧化物及摩擦产生的不溶物等混入机油，造成机油粘度非正常下降，导致机油早期报废的现象［5］。国际知名石油公司对于机油稀释的评价标准各有不同，总体来说，一般以运动粘度变化率（使用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）作为评价准则［6］，如表4所示。

表4　机油稀释检测标准

4.1试验方法和评价标准

发动机选取转速2 500 r/min，全负荷工况，在水温50℃下运行1 h，且分别使用三种不同的喷油器在三种过量空气系数0.8/0.9/1.0下进行试验验证。研究开发目标为机油稀释≤5%。

4.2试验结果及分析

表5为三种喷油器在三种不同过量空气系数下的试验结果。

表5　三种喷油器机油稀释水平%

试验结果表明，越小的过量空气系数将导致越严重的机油稀释。与预想的结果所不同的是，由于三种喷油器的静态流量一致，因此五孔喷油器G1-5的贯穿距比六孔喷油器长，从湿壁方面和油气混合方面考虑，5孔喷油器的机油稀释风险应高于六孔喷油器。但试验结果显示五孔喷油器的机油稀释水平更好。

5　结论

本文对一款小型化增压缸内直喷汽油发动机进行喷油器匹配，通过对冷启动颗粒物排放、低速早燃和机油稀释的试验研究发现，G1-5和G1-6两种喷油器在冷怠速工况下的颗粒物排放水平较好；三种喷油器的早燃倾向在同一水平，其中G1-5喷油器的早燃倾向最低；三种喷油器的机油稀释均满足机油稀释≤5%的目标，其中G1-5喷油器机油稀释水平最优。基于以上结果，将五孔G1-5喷油器定为该发动机的最终喷油器。

1Bandel W，Fraidl GK，Kapus P E，et al.The turbocharged GDI engine：boosted synergies for high fuel economy plus ultralow emission［C］.SAE Paper 2006-01-1266

2Welling O，Moss J，Williams J，et al.Measuring the impact of engine oils and fuels on low-speed pre-ignition in downsized engines［C］.SAE Paper 2014-01-1219

3杨友文，周舟，刘红美，等.发动机机油对增压直喷汽油机低速随机早燃的影响［J］.内燃机工程，2015（4）：58-61

4贾殿臣，王凯，刘佳庆，等.探究增压直喷机型机油稀释的影响因素及解决方法［J］.小型内燃机与车辆技术，2014，43（4）：24-28

5吴清泉，马岩，刘军，等.内燃机车的机油稀释问题［J］.内燃机车，1999（2）：8-12

6Md.Ehsan，Md.Mahmudur Rahman，Hasan Saadi.Effect of fuel adulteration on engine crankcase dilution［J］.Mechanical Engineering，2010，41（2）：114-120

Injector Optimization of Turbocharged Gasoline Direct Injection Engine

Cheng Haiyuan1，Yang Chen1，Fan Zizhu1，Yin Jiandong1，Shen Yuan1，Wang Ruiping1，2
1-Ningbo Geely Royal Engine Components Co.，Ltd.（Ningbo，Zhejiang，315000，China）2-Zhejiang Geely Royal Engine Co.，Ltd.

GDI engines have become an attractive option for light-duty vehicles to satisfy requests for fuel efficiency improvement and green house gas emission reduction.While compared to port fuel injection（PFI）engines，GDI engines are known to emit much more particle emissions.The coming Euro 6 standard required strict PN emission has become a Top1 task for auto maker.Because of the destructive power caused by pre-ignition in TGDI engine，we have to pay more attention to it.At the same time，oil dilution problem should also be taken into consideration.This paper investigated the engine control parameter and compared injector alternatives to get minimum PN emission，which also guarantee low pre-ignition tendency and low oil dilution performance.

Direct injection，High pressure supply，EU6 legislation，Particle number，Pre-ignition，Oil dilution

TK413.8+.4

A

2095-8234（2016）03-0025-04

成海元（1988—），男，助理工程师，大学本科，主要研究方向为燃烧系统开发。

2016-04-19）