缸内直喷汽油机极寒工况快速起动高压多次喷射优化研究

李 军，芮玉品

（重庆交通大学机电与车辆工程学院，重庆400074）

1 引言

缸内直喷汽油发动机（GDI）既拥有柴油发动机排放低、热效率高的优点又拥有汽油发动机高功率的优点；同时，相对于进气道喷油发动机（PFI）喷油压力高，喷油时间短，可在较短的时间内形成混合气，因此GDI 发动机可以有效改善整车性能和排放。文献[1]针对GDI 汽油发动机的冷起动控制策略进行研究，结果表明两段喷射可达到快速起动优化排放的效果；文献[2]针对GDI 汽油发动机的喷油方式及燃烧室的匹配进行研究；文献[3]研究二次喷油及活塞对GDI 发动机排放等影响；文献[4]对水平对置GDI 发动机两段喷射控制策略进行研究；文献[5]从喷油策略的角度对GDI发动机排放进行研究；文献[6]从两段喷油的角度对快速起动进行了研究；文献[7-8]从两段喷射的角度研究GDI 发动机的低速起动性能和排放。

根据以上分析可知，关于GDI 发动机的研究主要集中在多段喷射控制策略、冷起动控制策略、气缸结构及排放等方面的研究，而关于极寒工况下的快速起动研究几乎没有，针对北部严冬极寒天气发动机起动问题，从多次喷射的角度来优化起动，以实现GDI 发动机在极寒工况下的快速起动。

2 发动机动力学模型及参数

2.1 进气歧管空气流动模型

由于进入发动机进气歧管的气体速度较快，其温度相当于外界空气温度，使用理想气体状态方程表示进气压力：

式中：Pmani—进气歧管压力；mmani—歧管空气质量；mcyl—进入气缸中空气质量；R—标准气体常量；Vmani—进气歧管容积；Tatm—大气温度。

进气歧管空气质量[9]：

式中：Sthr—节气门面积；Patm—大气压力；β—节气门开度；Ψ（s）—

缸内气体占比。

式中：K—理想气体绝缘指数；s—节气门前后压力比值。

通过节气门的气流量等同于流入气缸的气流量，四冲程发动机进气量可通过以下关系获得：

式中：patm—空气密度；Vcyl—发动机气缸容积；η—充气效率；weng—转速。

发动机起动时进气歧管压力变化范围较大，相应传感器获取的信号误差较大，故采用拟合的方法进行计算[10]：

2.2 发动机旋转动力学模型

发动机转矩平衡关系：

式中：Hu—燃油低热值；Tia—指示扭矩；Tld—曲轴输出端负载扭矩；ηi—热效率；Jcr—曲轴转动惯量；Tf—克服发动机阻力的需求扭矩；Tp—泵气损失。

2.3 发动机热力学模型

假定发动机做功之后产生的尾气为理想状态，发动机各部件稳定工作，气缸内的能量平衡表达如下[11]：

式中：Qgen—混合气燃烧产热；Pe—有效功率；Qexh—尾气热量；Qw—损失热量；Qfric—机械损失功；Cp_cyl—发动机缸体内的气体比热容。机械损失功可通过测功机获得。

式中：hc—废气与缸套热流对换系数；Ac—燃烧室表面积；Texh—废气温度；Tc—缸套温度；ε—缸套的热辐射率；σ—Stefan-Blotzmann 常数；Cp_exh—废弃定压比热容；Kc—缸套和尾气间的导热率；mexh—尾气分子质量均值。

发动机运转过程中，气缸内的压力不稳定，这对于缸套和废气间的热换系数有很大影响，故使用Woschni 公式进行计算[3]：

式中：v—活塞运动速度；Pcyl—缸内压力；Tcyl—缸内温度。

通过缸套的热量交换表达式：

式中：Kc2i—缸套和缸体间的导热率；Qc2i，c—缸套和缸体的导热量；Ki2x—缸套和缸体的导热率；Qi2x，c—缸体和附件的导热量；Qcool—冷却液吸收的热量；Qrad—散热器去除的热量；Qhtr—暖机消耗的热量；Ti—缸体温度；Tx—发动机附件温度；hcool—冷却液热换系数；vspd—冷却液流动速度；Vp，air—冷却液体积。

2.4 发动机参数

利用2.0 L 涡轮增压GDI 发动机进行极寒工况多次喷射优化试验，具体参数，如表1 所示。发动机利用可变正时气门技术、喷油器中置布局和均值燃烧喷油模式。

表1 发动机参数Tab.1 Engine Parameters

3 拖动起动阶段控制策略及喷油策略

GDI 发动机起动过程分为拖动、起动和起动后3 个阶段。冷起动要求汽车在较短的时间内平稳起动，转速波动较小，同时尽可能提升燃油经济性，降低排放。

3.1 拖动阶段控制策略

GDI 发动机拖动阶段由起动电机通过齿轮和双质量飞轮带动发动机转动。发动机上电点火后进行数据初始化，传感器进行自诊断，若状态良好低压燃油泵开始泵油，起动标志位置位，起动电机拖动发动机转动，同时采集凸轮轴及曲轴信号，节气门部分开启，为起动着火阶段做准备。当转速＞120r/min 时，拖动阶段结束。拖动控制策略，如图1 所示。

3.2 起动阶段控制策略

当拖动阶段结束，转速超过120r/min，起动标志位置位，节气门打开一定角度，油轨电磁阀开始使轨压迅速达到目标轨压，根据凸轮轴、曲轴传感器信号开始进行喷油点火，当转速超过660r/min起动阶段结束，开始进入起动后阶段。起动阶段控制策略，如图2所示。

3.3 燃油喷射控制原理

GDI 发动机燃油喷射系统通常由ECU、各种传感器和高压油轨等构成。ECU 通过接收来自各种传感器的模拟信号和数字信号进而向高压油轨发出喷油指令，高压油轨根据ECU 的喷油信号对各缸进行燃油精确喷射。

图1 拖动阶段控制流程图Fig.1 Drag Stage Control Flow Chart

图2 起动阶段控制流程图Fig.2 Start-up Phase Control Flow Chart

3.4 多段喷射控制策略

GDI 发动机多段喷射通常分为两次喷射和三次喷射两种方案，多段喷射控制策略[4]，如图3 所示。喷油器可在进气、压缩行程进行多次燃油喷射，也可同时在进气和压缩行程进行多次燃油喷射。两次喷射分为燃油预喷射和燃油主喷射2 个阶段。燃油预喷射阶段是在进气行程执行第一次燃油喷射；燃油主喷射阶段是在压缩行程执行第二次燃油喷射。燃油预喷射能够起到改善充气效率的作用，燃油主喷射能够在火花塞附近形成良好的混合气，改善点火能力。三次喷射分为燃油预喷射、燃油主喷射和燃油后喷射3 个阶段。三次喷射比两次喷射更加准确，能够提升燃油经济性、燃油燃烧效率等。利用低压启动时间短和高压两段喷射着火迅速的优点，通过采用三次燃油喷射控制策略来优化-30℃冷起动，3 次喷油控制策略的预喷、主喷时刻根据低压起动、高压单次喷射和高压两次喷射进行设定，后喷则根据摸底试验数据以20°CA 为步长进行参数优化。

图3 多段燃油喷射控制图Fig.3 Multiple Fuel Injection Control Chart

图中：Tfi—喷油脉宽（S）；θi—邻近两次喷油间隔角（℃A）。

4 试验分析

将整车放置在低于（-30）℃的低温试验室，通过线束使ECU和工作站进行通信，利用工作站中的INCA 软件读取ECU 中的数据，同时进行参数优化。试验主要对单次燃油喷射、两次燃油喷射和三次燃油喷射控制策略进行快速起动优化对比分析，以起动快慢作为冷起动评价标准，可直接感受起动效果。

从图4 的单次高压喷射起动表现可知，在第一次拖动的12s过程中，缸内没有点燃导致转速没有上冲，第二次拖动中，缸内开始点燃，转速上冲。起动过程中的喷油量已经不足，但是通过轨压表现可以看出，起动过程中的实际轨压已经在下跌，无法再通过增加喷油量或者目标轨压，来保证发动机缸内尽早燃烧。

图4（-30）℃单次燃油喷射模式启动表现Fig.4（-30）℃Single Fuel Injection Mode Start Performance

图中：nmot—发动机转速（r/min）；wdkba_w—节气门有效开度（%）；

zwout—最终输出点火提前角；prist_w—实际油轨压力（MPa）；prsoll_w—目标油轨压力（MPa）；tmst—起始发动机温度（℃）由于单次燃油喷射无法启动发动机，为了实现较少喷油量的高压起动，必须增加燃油喷射次数，为此设置起动喷油模式为两次高压喷射。高压两次喷射优化后的起动表现，如图5 所示。为了保证在点火时刻，火花塞附近有足够的可燃混合气，将两次喷射的燃油比例设置为2：8。增加喷油次数后，在同等喷油量的条件下，可缩短发动机首次着火时间，使得一次成功起动，但起动时间为12.8s，较为偏长。

图5（-30）℃两次燃油喷射模式启动表现Fig.5（-30）℃Twice Fuel Injection Mode Start Performance

在（-30）℃的极寒工况下，两次燃油高压喷射启动时间较长，会导致燃油经济型降低、排放恶化。试验通过高压三次燃油喷射控制策略对极寒工况冷启动进行优化，采用在进气和压缩行程都进行喷油的均值燃烧喷油模式执行燃油喷射。由于（-30）℃的极寒工况下燃油蒸发性较差，雾化效果不佳，使之无法形成良好的混合气，通过对参考文献和实际试验进行分析后，在喷油总量一定的条件下，将三次喷射燃油分配比例定为3：2：5。高压三次喷射燃烧优化后的起动结果，如图6 所示。在（-31.5）℃条件下，发动机仅需5.8s 就能够可靠起动，相对于两次燃油喷射起动时间减少54.7%。

图6（-30）℃三次喷油模式启动表现Fig.6（-30）℃Three Injection Mode Start Performance

5 结论

针对某款直列四缸四冲程直喷发动机在（-30）℃极寒工况下的快速起动进行了多段喷射研究，利用低压启动时间短和高压两段喷射着火迅速的优点，通过采用三次燃油喷射控制策略进行快速起动，结果表明单次喷射无法使GDI 发动机进行冷起动，采用3 次喷射控制策略能够实现5.8s 一次可靠快速起动，相对于两次燃油喷射起动时间减少54.7%，可有效提升燃油经济性，降低废气排放。