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直噴汽油機(jī)二次噴射對(duì)冷起動(dòng)性能的改善

2019-12-30 21:03:33·  來(lái)源：內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)  
　
本次推文從燃燒角度出發(fā)，在不改變發(fā)動(dòng)機(jī)本體結(jié)構(gòu)、不引入附加配件和不改變?nèi)加托再|(zhì)的前提下，通過(guò)改變噴油策略以提升發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)過(guò)程。在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)中，
本次推文從燃燒角度出發(fā)，在不改變發(fā)動(dòng)機(jī)本體結(jié)構(gòu)、不引入附加配件和不改變?nèi)加托再|(zhì)的前提下，通過(guò)改變噴油策略以提升發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)過(guò)程。在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)比兩種噴油模式下HC排放，確定單次噴射(SI)和二次噴射(DI)的最佳噴油時(shí)刻，并進(jìn)行整車(chē)-30℃低溫冷起動(dòng)及冷態(tài)怠速試驗(yàn)，對(duì)比兩種噴油策略下車(chē)輛的性能。
1、試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方法
噴油策略的標(biāo)定試驗(yàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架布置如圖 1 所示。臺(tái)架試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速點(diǎn)火角控制為上止點(diǎn)后5° CA，噴油量固定不變，通過(guò)改變兩次噴油的時(shí)刻和比例，研究怠速工況下噴油模式對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率和排放的影響。由于發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速過(guò)程中對(duì)外輸出功率小、發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率高且波動(dòng)較大，不利于比較。因而試驗(yàn)中僅通過(guò)排放對(duì)噴油策略進(jìn)行對(duì)比。
圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架布置示意
整車(chē)試驗(yàn)在整車(chē)多功能轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。圖 2示出環(huán)境壓力為101 kPa、 環(huán)境溫度為-30℃和相對(duì)濕度為40%下兩種燃燒模式對(duì)車(chē)輛冷起動(dòng)及冷態(tài)怠速穩(wěn)定性的影響。采用相同的怠速PID調(diào)節(jié)和過(guò)量空氣系數(shù)控制策略，得到單次噴射模式下發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)及怠速過(guò)程的點(diǎn)火角、過(guò)量空氣系數(shù)和轉(zhuǎn)速差變化。
圖2 環(huán)境溫度為-30℃下車(chē)輛冷起動(dòng)過(guò)程過(guò)量空氣系數(shù)和點(diǎn)火角變化
2、臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果
圖 3 示出發(fā)動(dòng)機(jī)在冷卻液溫度為-30℃且怠速時(shí)，單次噴射模式下HC排放隨噴油時(shí)刻的變化。在噴油提前角較大時(shí)，隨著噴油時(shí)刻的逐漸推遲，HC排放迅速降低。這主要是因?yàn)檩^早的噴油時(shí)刻增大了混合氣中燃油液滴撞壁的概率。當(dāng)噴油時(shí)刻晚于上止點(diǎn)前180° CA 時(shí)，隨著噴油時(shí)刻的進(jìn)一步推遲，HC 排放逐漸升高。這是因?yàn)楫?dāng)活塞運(yùn)行到下止點(diǎn)附近時(shí)，進(jìn)氣氣流急劇減弱，不利于進(jìn)氣與燃油的混合。當(dāng)噴油正時(shí)進(jìn)一步推遲到壓縮沖程時(shí)，減小的混合時(shí)間和強(qiáng)烈滾流造成的“濕頂”現(xiàn)象會(huì)加劇混合氣分布的不均勻性，進(jìn)而導(dǎo)致 HC 排放急劇惡化。在噴油定時(shí)為上止點(diǎn)前210° CA 附近時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的HC排放達(dá)到最低。
圖3 冷卻液溫度為-30℃條件下單次噴射模式時(shí)HC排放隨噴油時(shí)刻的變化
圖4示出發(fā)動(dòng)機(jī)在冷卻液溫度為-30 ℃時(shí)二次噴油策略下 HC 排放對(duì)比。由圖3和圖4可以看出，采用二次噴射策略可以有效降低HC排放。在二次噴油 比例為 0.6∶0.4 、噴油定時(shí)分別為上止點(diǎn)前300° CA和140° CA 附近時(shí)，HC 排放達(dá)到最低(3 019×10-6)，且顯著低于單次噴射下最優(yōu)點(diǎn)(3 317×10-6)。這主要是因?yàn)槎螄娚涫沟萌加椭饕蟹植荚诨鸹ㄈ浇?，減少了余隙容積及氣缸壁面的淬熄效應(yīng)造成的HC生成。圖4中，不同噴射比例下，HC 排放較低點(diǎn)主要集中分布在中部區(qū)域，即第一次噴油定時(shí)介于上止點(diǎn)前310°～290° CA、第二次噴油定時(shí)介于上止點(diǎn)前150°～120° CA。
圖4 冷卻液溫度為-30 ℃時(shí)冷起動(dòng)二次噴油策略對(duì) HC排放的影響
在確定二次噴油定時(shí)分別為上止點(diǎn)前300° CA和140° CA 時(shí)，隨著第二次噴油比例的逐漸增大，HC排放先降低后增加，在噴油比例為 0.6∶0.4 時(shí)達(dá)到最低。這是因?yàn)檩^大的第二次噴油比例使得火花塞周?chē)旌蠚鉂舛冗^(guò)大，增加了燃燒的不穩(wěn)定性；而當(dāng)?shù)诙螄娪捅壤档偷?nbsp;0.4 以下時(shí)，其降低遠(yuǎn)離火花塞端混合氣濃度的作用又過(guò)小。當(dāng)?shù)诙螄娪捅壤郎p小至0.2時(shí)，HC 排放急劇惡化， 這是由于噴油器針閥開(kāi)啟時(shí)間過(guò)短， 噴油量控制精度降低造成的。
綜上，在進(jìn)行冷卻液溫度為-30℃整車(chē)?yán)淦饎?dòng)試驗(yàn)時(shí)，單次噴油策略中噴油時(shí)刻選定為壓縮上止點(diǎn)前210° CA，二次噴油策略中第一、二次噴油比例為0.6∶0.4，噴油定時(shí)分別為壓縮上止點(diǎn)前300° CA和140° CA。
3、整車(chē)低溫冷啟動(dòng)試驗(yàn)
圖5為環(huán)境溫度為-30℃時(shí)兩種噴油模式下發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間對(duì)比。采用二次噴射模式后，發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)時(shí)間由5.0 s縮短為2.1 s，發(fā)動(dòng)機(jī)的上沖轉(zhuǎn)速由1390 r/min提升至1780 r/min。
圖5 環(huán)境溫度為-30℃時(shí)噴射模式對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)過(guò)程的影響
環(huán)境溫度為-30℃冷起動(dòng)過(guò)程中，兩種噴油模式下發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒相位隨循環(huán)數(shù)的變化如圖6所示。在轉(zhuǎn)速上沖階段及其之后的過(guò)程中，相比于單次噴射模式，二次噴射模式下發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒相位均有顯著提前。圖7為兩種起動(dòng)模式下發(fā)動(dòng)機(jī)第1缸滯燃期隨循環(huán)數(shù)的變化。滯燃期定義為火花塞點(diǎn)火時(shí)刻至CA10的曲軸轉(zhuǎn)角差。在第100個(gè)循環(huán)(轉(zhuǎn)速回落后)至第400個(gè)循環(huán)間，二次噴射模式下發(fā)動(dòng)機(jī)各缸的滯燃期顯著減小，這是因?yàn)樵搰娪湍Ｊ降娜加图蟹植荚诨鸹ㄈ車(chē)?nbsp;混合氣的著火性能得到提高。此外，在單次噴射模式下，混合氣的滯燃期變化幅度很大。這主要是由火花塞周?chē)旌蠚膺^(guò)稀，燃燒不穩(wěn)定造成的。在第400 個(gè)循環(huán)后，隨著燃燒室溫度的升高，混合氣的形成條件逐漸得到改善，兩種噴油模式的滯燃期差異逐漸減小。
圖6 環(huán)境溫度為-30℃時(shí)冷起動(dòng)噴射模式對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒相位的影響
圖7 環(huán)境溫度為-30℃時(shí)冷起動(dòng)過(guò)程滯燃期隨循環(huán)數(shù)的變化
圖8為兩種噴油模式下發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)過(guò)程及起動(dòng)后各缸燃燒持續(xù)期隨循環(huán)數(shù)的變化。采用二次噴射策略可以有效縮短轉(zhuǎn)速回落后發(fā)動(dòng)機(jī)各缸的燃燒持續(xù)期， 并且兩種模式下發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒持續(xù)期均先增大、后緩慢減小。這主要是因?yàn)樵诘蜏乩淦饎?dòng)過(guò)程中，為提高車(chē)輛的起動(dòng)成功率，發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)噴油量很大，缸內(nèi)混合氣普遍較濃，燃燒條件得到顯著改善。起動(dòng)成功后，隨著噴油量的減小，混合氣的燃燒持續(xù)期逐漸加長(zhǎng)，此時(shí)，二次噴射模式對(duì)縮短燃燒持續(xù)期的作用開(kāi)始逐漸顯現(xiàn)。隨著循環(huán)數(shù)的進(jìn)一步增加，燃燒室溫度逐漸提高，混合氣的形成條件得到改善，燃燒持續(xù)期開(kāi)始減小，噴油模式對(duì)燃燒過(guò)程的促進(jìn)作用逐漸減弱。
圖8 環(huán)境溫度為-30℃時(shí)冷起動(dòng)過(guò)程燃燒持續(xù)期隨循環(huán)數(shù)的變化
圖 9 為兩種噴油模式下發(fā)動(dòng)機(jī)各缸平均有效壓力(IMEP)隨循環(huán)數(shù)的變化。在相同噴油模式下，第1、3缸的IMEP 均有較大差異，這主要是由各缸火花塞積碳程度不同引起的。同時(shí)，隨著循環(huán)數(shù)的增加，兩種噴油模式下發(fā)動(dòng)機(jī)各缸的 IMEP 逐漸減小，這主要是由點(diǎn)火角的推遲及噴油量的減少造成。在相同循環(huán)數(shù)時(shí)，二次噴射模式下各缸的IMEP略大于單次噴射模式。圖10為兩種噴射模式下各缸IMEP的循環(huán)波動(dòng)率(COVIMEP)情況?？芍螄娚淠Ｊ较掳l(fā)動(dòng)機(jī)的各缸循環(huán)波動(dòng)得到了有效改善。這是因?yàn)樵诙螄娚淠Ｊ较拢l(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒持續(xù)期更短，燃燒放熱重心(CA 50)提前，從而使燃燒穩(wěn)定性得到有效提高。而燃燒穩(wěn)定性的提高對(duì)提升怠速穩(wěn)定性、消除車(chē)輛起動(dòng)后抖動(dòng)問(wèn)題有重要作用。
圖9 環(huán)境溫度為-30℃時(shí)冷起動(dòng)過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)各缸 IMEP隨循環(huán)數(shù)的變化
圖10 環(huán)境溫度為-30℃時(shí)冷起動(dòng)過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)各缸COVIMEP隨循環(huán)數(shù)的變化
4、結(jié)論
（1）單次噴射模式下， 發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)境溫度為-30℃下冷機(jī)怠速產(chǎn)生的HC排放隨噴油時(shí)刻的推遲呈先減小后增大趨勢(shì)，噴油時(shí)刻在上止點(diǎn)前 210° CA 時(shí)的排放達(dá)到最低。
（2）相比于單次噴射，二次噴射策略可以有效降低GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)冷態(tài)怠速的 HC 排放； 在二次噴油比例為0.6∶0.4、噴油定時(shí)分別為上止點(diǎn)前 300° CA 和140° CA 時(shí)，環(huán)境溫度為-30 ℃下HC排放達(dá)到最低，且顯著低于單次噴射下的最優(yōu)點(diǎn)。
[1]劉光義,柳建輝,孫玉,尚翔宇,鄔斌揚(yáng),蘇萬(wàn)華.直噴汽油機(jī)二次噴射改善冷起動(dòng)性能的研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2019,37(06):481-488. 
 
 
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