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直喷汽油机二次喷射对冷起动性能的改善

2019-12-30 21:03:33·  来源：内燃机学报  
　
本次推文从燃烧角度出发，在不改变发动机本体结构、不引入附加配件和不改变燃油性质的前提下，通过改变喷油策略以提升发动机的冷起动过程。在发动机台架试验中，
本次推文从燃烧角度出发，在不改变发动机本体结构、不引入附加配件和不改变燃油性质的前提下，通过改变喷油策略以提升发动机的冷起动过程。在发动机台架试验中，通过对比两种喷油模式下HC排放，确定单次喷射(SI)和二次喷射(DI)的最佳喷油时刻，并进行整车-30℃低温冷起动及冷态怠速试验，对比两种喷油策略下车辆的性能。
1、试验设备与试验方法
喷油策略的标定试验在发动机台架上进行，发动机台架布置如图 1 所示。台架试验过程中，发动机怠速点火角控制为上止点后5° CA，喷油量固定不变，通过改变两次喷油的时刻和比例，研究怠速工况下喷油模式对发动机燃油消耗率和排放的影响。由于发动机在怠速过程中对外输出功率小、发动机的燃油消耗率高且波动较大，不利于比较。因而试验中仅通过排放对喷油策略进行对比。
图1 发动机台架布置示意
整车试验在整车多功能转鼓试验台上进行。图 2示出环境压力为101 kPa、 环境温度为-30℃和相对湿度为40%下两种燃烧模式对车辆冷起动及冷态怠速稳定性的影响。采用相同的怠速PID调节和过量空气系数控制策略，得到单次喷射模式下发动机冷起动及怠速过程的点火角、过量空气系数和转速差变化。
图2 环境温度为-30℃下车辆冷起动过程过量空气系数和点火角变化
2、台架试验结果
图 3 示出发动机在冷却液温度为-30℃且怠速时，单次喷射模式下HC排放随喷油时刻的变化。在喷油提前角较大时，随着喷油时刻的逐渐推迟，HC排放迅速降低。这主要是因为较早的喷油时刻增大了混合气中燃油液滴撞壁的概率。当喷油时刻晚于上止点前180° CA 时，随着喷油时刻的进一步推迟，HC 排放逐渐升高。这是因为当活塞运行到下止点附近时，进气气流急剧减弱，不利于进气与燃油的混合。当喷油正时进一步推迟到压缩冲程时，减小的混合时间和强烈滚流造成的“湿顶”现象会加剧混合气分布的不均匀性，进而导致 HC 排放急剧恶化。在喷油定时为上止点前210° CA 附近时，发动机的HC排放达到最低。
图3 冷却液温度为-30℃条件下单次喷射模式时HC排放随喷油时刻的变化
图4示出发动机在冷却液温度为-30 ℃时二次喷油策略下 HC 排放对比。由图3和图4可以看出，采用二次喷射策略可以有效降低HC排放。在二次喷油 比例为 0.6∶0.4 、喷油定时分别为上止点前300° CA和140° CA 附近时，HC 排放达到最低(3 019×10-6)，且显著低于单次喷射下最优点(3 317×10-6)。这主要是因为二次喷射使得燃油主要集中分布在火花塞附近，减少了余隙容积及气缸壁面的淬熄效应造成的HC生成。图4中，不同喷射比例下，HC 排放较低点主要集中分布在中部区域，即第一次喷油定时介于上止点前310°～290° CA、第二次喷油定时介于上止点前150°～120° CA。
图4 冷却液温度为-30 ℃时冷起动二次喷油策略对 HC排放的影响
在确定二次喷油定时分别为上止点前300° CA和140° CA 时，随着第二次喷油比例的逐渐增大，HC排放先降低后增加，在喷油比例为 0.6∶0.4 时达到最低。这是因为较大的第二次喷油比例使得火花塞周围混合气浓度过大，增加了燃烧的不稳定性；而当第二次喷油比例降低到 0.4 以下时，其降低远离火花塞端混合气浓度的作用又过小。当第二次喷油比例减小至0.2时，HC 排放急剧恶化， 这是由于喷油器针阀开启时间过短， 喷油量控制精度降低造成的。
综上，在进行冷却液温度为-30℃整车冷起动试验时，单次喷油策略中喷油时刻选定为压缩上止点前210° CA，二次喷油策略中第一、二次喷油比例为0.6∶0.4，喷油定时分别为压缩上止点前300° CA和140° CA。
3、整车低温冷启动试验
图5为环境温度为-30℃时两种喷油模式下发动机起动时间对比。采用二次喷射模式后，发动机的起动时间由5.0 s缩短为2.1 s，发动机的上冲转速由1390 r/min提升至1780 r/min。
图5 环境温度为-30℃时喷射模式对发动机冷起动过程的影响
环境温度为-30℃冷起动过程中，两种喷油模式下发动机的燃烧相位随循环数的变化如图6所示。在转速上冲阶段及其之后的过程中，相比于单次喷射模式，二次喷射模式下发动机的燃烧相位均有显著提前。图7为两种起动模式下发动机第1缸滞燃期随循环数的变化。滞燃期定义为火花塞点火时刻至CA10的曲轴转角差。在第100个循环(转速回落后)至第400个循环间，二次喷射模式下发动机各缸的滞燃期显著减小，这是因为该喷油模式的燃油集中分布在火花塞周围， 混合气的着火性能得到提高。此外，在单次喷射模式下，混合气的滞燃期变化幅度很大。这主要是由火花塞周围混合气过稀，燃烧不稳定造成的。在第400 个循环后，随着燃烧室温度的升高，混合气的形成条件逐渐得到改善，两种喷油模式的滞燃期差异逐渐减小。
图6 环境温度为-30℃时冷起动喷射模式对发动机燃烧相位的影响
图7 环境温度为-30℃时冷起动过程滞燃期随循环数的变化
图8为两种喷油模式下发动机冷起动过程及起动后各缸燃烧持续期随循环数的变化。采用二次喷射策略可以有效缩短转速回落后发动机各缸的燃烧持续期， 并且两种模式下发动机的燃烧持续期均先增大、后缓慢减小。这主要是因为在低温冷起动过程中，为提高车辆的起动成功率，发动机的起动喷油量很大，缸内混合气普遍较浓，燃烧条件得到显著改善。起动成功后，随着喷油量的减小，混合气的燃烧持续期逐渐加长，此时，二次喷射模式对缩短燃烧持续期的作用开始逐渐显现。随着循环数的进一步增加，燃烧室温度逐渐提高，混合气的形成条件得到改善，燃烧持续期开始减小，喷油模式对燃烧过程的促进作用逐渐减弱。
图8 环境温度为-30℃时冷起动过程燃烧持续期随循环数的变化
图 9 为两种喷油模式下发动机各缸平均有效压力(IMEP)随循环数的变化。在相同喷油模式下，第1、3缸的IMEP 均有较大差异，这主要是由各缸火花塞积碳程度不同引起的。同时，随着循环数的增加，两种喷油模式下发动机各缸的 IMEP 逐渐减小，这主要是由点火角的推迟及喷油量的减少造成。在相同循环数时，二次喷射模式下各缸的IMEP略大于单次喷射模式。图10为两种喷射模式下各缸IMEP的循环波动率(COVIMEP)情况。可知二次喷射模式下发动机的各缸循环波动得到了有效改善。这是因为在二次喷射模式下，发动机的燃烧持续期更短，燃烧放热重心(CA 50)提前，从而使燃烧稳定性得到有效提高。而燃烧稳定性的提高对提升怠速稳定性、消除车辆起动后抖动问题有重要作用。
图9 环境温度为-30℃时冷起动过程发动机各缸 IMEP随循环数的变化
图10 环境温度为-30℃时冷起动过程发动机各缸COVIMEP随循环数的变化
4、结论
（1）单次喷射模式下， 发动机在环境温度为-30℃下冷机怠速产生的HC排放随喷油时刻的推迟呈先减小后增大趋势，喷油时刻在上止点前 210° CA 时的排放达到最低。
（2）相比于单次喷射，二次喷射策略可以有效降低GDI 发动机冷态怠速的 HC 排放； 在二次喷油比例为0.6∶0.4、喷油定时分别为上止点前 300° CA 和140° CA 时，环境温度为-30 ℃下HC排放达到最低，且显著低于单次喷射下的最优点。
[1]刘光义,柳建辉,孙玉,尚翔宇,邬斌扬,苏万华.直喷汽油机二次喷射改善冷起动性能的研究[J].内燃机学报,2019,37(06):481-488. 
 
 
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