喷油策略对直喷汽油机油耗和颗粒物排放的影响*

牛贝妮 段 伟 解方喜 洪 伟

（1-上海宏景智驾信息科技有限公司 上海 201807 2-菲亚特克莱斯勒动力科技研发（上海）有限公司 3-吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室）

引言

GB 18352.6-2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》[1]和GB 19578-2021《乘用车燃料消耗量限值》[2]要求对车辆在实际道路行驶过程中的污染物排放[3-4]进行测量，使得内燃机产业面临严峻挑战。目前，为了满足日益严格的排放和油耗标准要求，轻型车用汽油机的主流技术是增压缸内直喷[5]耦合废气再循环（Exhaust Gas Recirculation，EGR）[6]配合汽油机颗粒捕集器（Gasoline Particulate Filter，GPF）[7-9]。与进气道多点喷射（Port Fuel Injection，PFI）汽油机相比，缸内直喷（Gasoline Direct Injection，GDI）汽油机的颗粒物数量（Particle Number，PN）排放相对较高，特别是冷机工况，缸内直喷汽油机大约贡献50%～70%的PN 排放。随着缸内直喷汽油机强化指标的不断提高，汽油机在低速大负荷时出现严重爆震和早燃的几率越来越高[10]。早燃发生时，缸内压力和温度急剧升高，并伴有剧烈的压力波动和噪声，对火花塞和活塞造成极大破坏，限制了汽油机性能进一步改善[11-12]。为了实现直喷汽油机的高效清洁工作，必须通过合理优化发动机关键控制参数（喷油正时、喷油压力、EGR 等）来有效改善排放性能、降低燃油消耗率[13]、减小早燃或者超级爆震的几率[14]。本文以某小型直喷增压汽油机为研究对象，研究发动机冷机工况和暖机工况下喷油策略对汽油机性能的影响，通过优化发动机喷油提前角和喷油压力来达到降低油耗和颗粒物排放的目标。

1 试验设备与试验方法

1.1 试验设备

试验在一台直列3 缸缸内直喷增压汽油机上进行，发动机技术参数/特性如表1 所示。

表1 汽油机技术参数/特性

试验通过AVL 测功机、油耗仪、燃烧分析仪、排放物和颗粒物分析仪等设备采集发动机功率、燃油消耗量、缸内燃烧压力、HC 排放和颗粒数等数据，采用INCA 公司的592 通信采集设备连接发动机电控单元（Electronic Control Unit，ECU）调整喷油提前角和喷油压力，并通过INCA 软件采集发动机关键运行参数，应用AVL 冷却水管理系统控制发动机冷却水温度分别为40℃和90℃。

1.2 试验方法

试验边界条件如表2 所示。

表2 试验边界条件

试验时，首先控制发动机冷却水温度分别为40 ℃和90 ℃，本文将冷却水温度40 ℃称为冷机工况，冷却水温度90℃称为暖机工况。在每个工况下，主要优化喷油提前角θSOI和喷油压力pf，喷油提前角的参考点为发动机压缩上止点，从参考点到喷油开始的角度为喷油提前角θSOI。每个稳态测试点用发动机转速和相对进气量Qr来定义，其中发动机转速的测试范围为1 000～5 000 r/min，测试间隔为1 000 r/min；Qr的测试范围为0.3～1.5，测试间隔为0.3。Qr的计算公式如下：

式中：Qa为实际进气量，m3/h；Qt为理论进气量，m3/h，可通过理想气体状态方程计算得到。

试验的主要测试参数如表3 所示。在不同的喷油压力下，采集不同喷油提前角θSOI（以对应的曲轴转角计算）下发动机进入稳态工况后的参数，通过AVL_PUMA 系统记录所有测试点的发动机性能、排放、燃烧状况等参数，记录时间为20 s。

表3 试验主要测试参数

选择4 个测试工况进行重点分析，4 个测试工况对应的发动机转速和相对进气量Qr如表4 所示。

表4 4 个测试工况对应的发动机转速和相对进气量Qr

2 试验结果及分析

2.1 冷机工况

TEST-1 工况下，发动机不同喷油提前角θSOI和喷油压力pf下的比油耗、PN 和HC 排放对比如图1所示。

图1 TEST-1 工况不同喷油策略下发动机比油耗、PN 排放以及HC 排放对比

由图1a 可得出：提高喷油压力，能够降低燃油消耗率。这是由于提高喷油压力能够减小燃油粒径和提高油束贯穿度，油滴粒径较小易于雾化，可形成较多的可燃混合气，进而降低油耗。由图1a 和图1c可知：随着喷油提前角θSOI的减小，比油耗呈现上升趋势，这是因为油气混合时间较短，易形成混合气过浓和过稀区域，加上在冷机状态下，缸内环境不利于燃油雾化，可燃混合气较少，燃烧不充分，HC 排放较高，油耗较高；当喷油提前角θSOI过大而接近排气上止点时，燃油喷射撞击到活塞表面的机会增加，易形成较多油膜，恶化了燃油雾化过程，不利于燃油和空气充分混合，导致比油耗相对较高，HC 排放也较高，而且较大的油滴有可能顺着缸壁流到油底壳，导致较高的机油稀释率；当喷油提前角θSOI为300 °CA BTDC 时，比油耗最低。由图1b 和1c 可得出：随着喷油压力的增加，HC 和PN 排放降低。喷油提前角为280°CA BTDC 时，HC 和PN 排放均最低。喷油提前角过大或者过小，都有可能使HC 和PN 排放升高，过早的喷油，燃油会撞击活塞顶部，易于形成大范围油膜，燃烧过程出现池火现象；过晚的喷油，燃油与空气混合时间较短，易形成不均匀的混合气，混合气过浓区域会产生较高的HC 和PN 排放。

2.2 暖机工况

TEST-2 工况下，发动机不同喷油提前角和喷油压力下的比油耗、燃烧稳定性、PN 和HC 排放对比如图2 所示，图中以平均有效压力变动系数（Coefficient of Variation，CoV）来评价燃烧稳定性。

图2 TEST-2 工况不同喷油策略下发动机比油耗、平均有效压力变动系数、PN 排放以及HC 排放对比

由图2a 可知：和冷机工况相比，比油耗对喷油压力敏感度较低；喷油提前角适当加大，可以降低比油耗，喷油提前角过大或过小都有可能使比油耗升高，喷油提前角为300～320°CA BTDC 时，比油耗较低。由图2b 可知：燃烧稳定性的变化与喷油压力有一定的相关性，但喷油压力对燃烧稳定性影响较小；喷油提前角加大，能够改善燃烧稳定性。由图2c 和2d 可知：提高喷油压力，可以降低PN 和HC 排放；喷油提前角为280～300°CA BTDC 时，PN 排放最低；和冷机工况相类似，喷油提前角过大或过小都有可能使PN 和HC 排放升高，但和冷机工况相比，HC 排放的升高程度相对较弱，这是由于较高的冷却水温度可以提高缸内温度，易于燃油蒸发形成较多的可燃混合气，降低了HC 排放。

中高转速中大负荷TEST-3 工况、TEST-4 工况，不同喷油策略下比油耗和PN 排放对比分别如图3、4 所示。

图3 TEST-3 工况不同喷油策略下比油耗和PN 排放对比

由图3a 和图4a 可知，喷油压力提高能够降低比油耗；喷油提前角为320°CA BTDC 时，比油耗最低。由图3b 和图4b 可知，提高喷油压力可以降低PN 排放，喷油提前角为300～320°CA BTDC 时，PN排放最低。和图2 所示的TEST-2 工况相似，喷油提前角过大或过小，都有可能使PN 排放升高。喷油提前角加大对PN 排放的影响较弱，但在较高的喷油压力（15～20 MPa）下，喷油提前角加大，可能使PN 排放有较大幅度的升高。

图4 TEST-4 工况不同喷油策略下比油耗和PN 排放对比

依据比油耗、PN 和HC 排放以及可获得的最小平均有效压力变动系数（原则上应该小于5%）来优化喷油提前角和喷油压力，达到最低的燃油消耗率、较低的排放和较好的燃烧稳定性。在提高喷油压力时，最小喷油脉宽（Minimum Fuel Pulse Width，MFPW）应大于400 μs，且不应进入非线性区域。优化的冷机工况喷油提前角、暖机工况喷油提前角、喷油压力分别如表5、表6、表7 所示。

表5 冷机工况喷油提前角θSOI 优化MAP °CA BTDC

表6 暖机工况喷油提前角θSOI 优化MAP °CA BTDC

表7 喷油压力pf 优化MAP MPa

从表5 和表6 可知，在相同测试点下，冷机工况喷油提前角较暖机工况减小约20°CA，这是因为冷机工况的重点是降低PN 排放，适当减小喷油提前角可以降低PN 排放。

3 结论

通过对比冷机和暖机工况，可以得出如下结论：1）适当提高喷油压力可以有效降低PN 排放。2）通过优化喷油提前角耦合较高的喷油压力，可以降低比油耗、PN 和HC 排放。

3）在冷机工况下，喷油压力和喷油提前角对PN排放和比油耗的影响趋势一致，冷机工况喷油提前角比暖机工况减小约20°CA。适当减小喷油提前角，可以降低PN 排放。

4）在冷机工况下，优化喷油策略的重点应是降低PN 排放。