關(guān)于如何將直噴式汽油機(jī)噴油壓力提高到50MPa的相關(guān)研究方法

降低廢氣排放是推動(dòng)全球所有發(fā)動(dòng)機(jī)制造商進(jìn)行深入開(kāi)發(fā)的動(dòng)力，而提高噴油壓力則為顯著降低廢氣排放提供了可能。本文所介紹的Opel公司的試驗(yàn)研究成果表明，噴油壓力提高到50 MPa幾乎能在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線(xiàn)場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)顯著降低顆粒數(shù)排放的目標(biāo)。

1提高噴油壓力的效果

在直噴式汽油機(jī)上，除了氣態(tài)排放物之外，排放的顆粒數(shù)（PN）也是一項(xiàng)重要的課題。近年來(lái)的研究表明，直噴式汽油機(jī)的噴油壓力已持續(xù)提高到目前的20～35 MPa。將噴油壓力提升到更高的數(shù)值將為降低廢氣排放帶來(lái)更大的提升潛力，但是燃油系統(tǒng)的部件及其在發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車(chē)上的集成已被發(fā)展到了技術(shù)極限，并對(duì)未來(lái)的開(kāi)發(fā)提出了新的挑戰(zhàn)。

2燃油的霧化和蒸發(fā)

根據(jù)圖1所示的作用鏈，提高噴油壓力對(duì)燃油噴束效果的提升是非常顯著的。不斷提高的噴油壓力使從噴嘴頂端噴孔噴出的燃油噴束的出口速度更大，因此燃燒室中空氣與燃油噴束之間產(chǎn)生了更強(qiáng)烈的剪切力，引起的更大擾動(dòng)產(chǎn)生了液相與氣相之間更為強(qiáng)烈的相互作用，從而改善了燃油的霧化效果。

圖1 提高噴油壓力對(duì)燃油霧化和

混合氣準(zhǔn)備的效果

特別是大油滴的良好霧化對(duì)油滴尺寸譜和蒸發(fā)特性是非常有利的。霧化性能試驗(yàn)已表明，更高的燃油噴束動(dòng)量加大了其在燃燒室中的貫穿距（圖2上圖），但是在已有的燃油質(zhì)量情況下不斷縮短的噴油時(shí)間補(bǔ)償了這類(lèi)負(fù)面影響（圖2下圖）。

圖2 噴油時(shí)間恒定（上圖）和

噴油質(zhì)量恒定（下圖）時(shí)

在20 MPa、32 MPa和50 MPa

噴油壓力下的燃油噴束投影圖

除了改善燃油霧化效果之外，更為強(qiáng)烈的渦流加快了周?chē)諝馀c噴束錐體中飽和燃油蒸氣的混合，而且加速了剩余油滴的蒸發(fā)。圖3所示的噴束計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模擬表明了油滴直徑減小與改善混合的綜合效果。噴油壓力的提高明顯改善了油滴的蒸發(fā)速率，再加上噴油時(shí)間縮短使得燃燒室壁面的潤(rùn)濕現(xiàn)象得以顯著減少。

圖3 在20、35和50 MPa噴油壓力下

單個(gè)噴束在噴霧罐靜止空氣（25 ℃）

中蒸發(fā)燃油蒸發(fā)份額隨時(shí)間變化的CFD模擬

提高噴油壓力的另一個(gè)效果是因?yàn)楦蟮膭?dòng)量使得燃油噴束更為穩(wěn)定，因此其受進(jìn)氣流的影響較小。圖4示出了在進(jìn)氣階段期間不同噴油壓力下的燃油噴射照片，其清晰地表明了這種效果。

圖4 在20MPa（左）、35 MPa（中）

和50 MPa（右）不同噴油壓力下的

燃油噴射狀況

3殘留在噴油嘴尖端上的燃油

通過(guò)在霧化和蒸發(fā)方面產(chǎn)生的有利效果，提高噴油壓力還可在噴油器關(guān)閉過(guò)程期間及后續(xù)工作過(guò)程中具備更多的優(yōu)勢(shì)。在噴油器關(guān)閉時(shí)刻液相階段更大的動(dòng)量使得更多的燃油脫離噴嘴尖端，并且還能減少燃油回流到噴嘴尖端，因此噴油器關(guān)閉過(guò)程結(jié)束后殘留在噴嘴尖端的燃油很少。此外，噴嘴內(nèi)部更大的燃油動(dòng)量使得噴嘴中的死容積易于排空而使燃油沿著噴油器針閥與閥座之間的密封面噴出。這兩種效果共同使得碳煙顆粒形成數(shù)量顯著減少，以此緩解了“噴嘴尖端積炭”現(xiàn)象，其效果如圖5所示。

圖5 在20MPa（左）、35 MPa（中）和

50 MPa（右）噴油壓力下

因“噴嘴尖端積炭”產(chǎn)生的類(lèi)似火焰的發(fā)光現(xiàn)象

4壓力的產(chǎn)生

不言而喻，改善混合氣準(zhǔn)備和降低顆粒數(shù)排放并非是無(wú)償?shù)?。為使有效體積流量Qe提高壓力Δp所必需的液壓功率Phyd可表達(dá)為Phyd = Qe×Δp，此外在最終的燃油泵功率估算中還需計(jì)入容積效率（ηV）和液壓機(jī)械損失（ηhm）：Ppunp = Phyd/(ηV×ηhm)。因?yàn)槿加捅霉β手苯佑砂l(fā)動(dòng)機(jī)提供，提高噴油壓力會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。

在發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率（85 kW）的運(yùn)行工況點(diǎn)（5 000 r/min）噴油壓力從35 MPa提高到50 MPa的情況下，額外的燃油泵傳動(dòng)功率會(huì)使燃油耗增大約0.3%。在低部分負(fù)荷范圍（2 000r/min,0.2 MPa）內(nèi)，額外燃油泵傳動(dòng)功率約為30 W，那么在該運(yùn)行工況點(diǎn)下燃油耗會(huì)增大約0.9%。

除了燃油泵在凸輪軸上消耗的扭矩平均值之外，燃油泵循環(huán)期間的最高值也是一個(gè)重要參數(shù)，其對(duì)燃油泵的傳動(dòng)方案具有決定性的影響。對(duì)于給定的凸輪廓線(xiàn)與燃油泵柱塞直徑相組合，最大扭矩幾乎是與燃油泵輸出壓力成正比的，但是對(duì)于采用特定傳動(dòng)方案的具體應(yīng)用場(chǎng)合，柱塞直徑與凸輪升程能被優(yōu)化到輸出所容許的最大扭矩。

5采用3缸1.0L基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)作為試驗(yàn)載體

本試驗(yàn)研究項(xiàng)目在兩種不同的發(fā)動(dòng)機(jī)方案上進(jìn)行，其中一種發(fā)動(dòng)機(jī)采用中置噴油器（CI），而另一種發(fā)動(dòng)機(jī)則采用側(cè)置噴油器（SI）。這兩種發(fā)動(dòng)機(jī)以3缸1.0 L-SGE（小型汽油機(jī)）增壓發(fā)動(dòng)機(jī)（表1）為基礎(chǔ)，這種發(fā)動(dòng)機(jī)被搭載于Adam、Corsa和Astra轎車(chē)系列，并多次在其他研究項(xiàng)目中用于試驗(yàn)，其中CI發(fā)動(dòng)機(jī)是一種量產(chǎn)機(jī)型，僅對(duì)其噴油系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)整，下文將對(duì)此作詳細(xì)介紹。

針對(duì)SI發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)整首先需將噴油器安裝在兩個(gè)進(jìn)氣門(mén)之間的側(cè)面位置，并相應(yīng)匹配設(shè)計(jì)了燃油噴束，而火花塞則布置于燃燒室頂部空間的中間位置，此外進(jìn)氣道和活塞設(shè)計(jì)需與燃燒過(guò)程相匹配。

表1 1.0 L-SGE 基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)特性數(shù)據(jù)

6噴油系統(tǒng)

用于SI和CI發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油系統(tǒng)及相關(guān)部件如圖6所示。這兩種噴油系統(tǒng)除了與用途密切相關(guān)的燃油噴束設(shè)計(jì)之外，所采用的噴油器是同一種，其分別與各自的燃燒室?guī)缀涡螤詈瓦M(jìn)氣道流動(dòng)狀況相匹配。

圖6 CI（左）和SI（右）噴油系統(tǒng)及其相關(guān)部件：油泵（a）、滾輪挺柱（b）、凸輪軸（c）、共軌（d）、PRV（e）、噴油器（f）、火花塞（g）和燃油噴束（h）

大陸公司的GHPi燃油泵能提供高達(dá)50 MPa的噴油壓力，它是由凸輪軸驅(qū)動(dòng)的柴油泵的一種高級(jí)優(yōu)質(zhì)改型泵。因?yàn)樵擃?lèi)燃油泵結(jié)構(gòu)包含將多余燃油排入低壓側(cè)的非整體式閥門(mén)，并將一個(gè)外部的壓力調(diào)節(jié)閥（PRV）集成到系統(tǒng)中，燃油泵、燃油共軌、PRV和噴油器之間的所有連接管都是通過(guò)螺母緊固金屬密封的標(biāo)準(zhǔn)柴油管。

為了承受住不斷提高的液力負(fù)荷以及確保在系統(tǒng)壓力高于35 MPa的情況下使結(jié)構(gòu)保持完善，為此應(yīng)用了量產(chǎn)的鍛鋼柴油共軌，并且在共軌中插裝了進(jìn)出油隔板，以便減小系統(tǒng)中的壓力波動(dòng)。由大陸公司生產(chǎn)的測(cè)量范圍高達(dá)60 MPa的傳感器能有效測(cè)量系統(tǒng)燃油壓力。

所應(yīng)用的大陸公司的XL5-35HP噴油器可通過(guò)各自的導(dǎo)管與燃油共軌相連接，以便能應(yīng)用于CI和SI發(fā)動(dòng)機(jī)。這些電磁閥式噴油器目前以用于3缸和4缸量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的XL5-35HP噴油嘴為基礎(chǔ)，噴油壓力高達(dá)50 MPa的噴油器由針閥傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的“隨意升程”方案進(jìn)行控制。根據(jù)伯努利定律，該類(lèi)噴油器的穩(wěn)態(tài)流量相比量產(chǎn)方案已有所減小，在規(guī)定的噴射持續(xù)期情況下，50 MPa時(shí)的噴油質(zhì)量與目前用于35 MPa-SGE發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油器相同。

7系統(tǒng)集成的挑戰(zhàn)

為了提高未來(lái)投產(chǎn)后的耐久性，系統(tǒng)中的一些部件需得以進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，以確保對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)、制造和維修保養(yǎng)等方面的影響降至最小。

在噴油壓力提高后燃油泵及其由滾輪挺柱和凸輪軸的傳動(dòng)需考慮到某些方面，為實(shí)現(xiàn)更高的噴油壓力必然會(huì)增大滾輪挺柱和凸輪之間的表面壓力，并在氣門(mén)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中產(chǎn)生了更大力矩。避免氣門(mén)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)問(wèn)題的一種可能性是將燃油泵位置移至附加的傳動(dòng)軸上，但是該類(lèi)措施可能會(huì)引起結(jié)構(gòu)空間方面的問(wèn)題并導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)質(zhì)量的增加。

若能減小燃油泵柱塞力的話(huà)，則在噴油壓力提高的情況下使燃油泵的安裝位置依然保持在氣門(mén)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上。柱塞直徑從8 mm減小到6.5 mm就能使50 MPa與35 MPa時(shí)的柱塞力相近，而通過(guò)將柱塞升程從4 mm增大到6 mm即可使最大供油量保持不變。因?yàn)槠骄?qū)動(dòng)扭矩會(huì)隨柱塞升程的增大而隨之提升，同時(shí)已附帶調(diào)整了凸輪廓線(xiàn)，以便將扭矩峰值降至最低。

在燃油共軌內(nèi)部，逐漸提高的燃油壓力所產(chǎn)生的應(yīng)力已達(dá)到了焊接材料的強(qiáng)度極限，因而要求其使用鍛鋼共軌。生產(chǎn)工藝的變化對(duì)生產(chǎn)布局、儲(chǔ)備時(shí)間和生產(chǎn)廠址的靈活性有較大的影響，因此需在開(kāi)發(fā)過(guò)程中予以考慮，同時(shí)鍛鋼共軌也帶來(lái)了允差方面的優(yōu)勢(shì)以及具有例如提高剛度等方面的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，以此會(huì)對(duì)噪聲和振動(dòng)的開(kāi)發(fā)產(chǎn)生正面效果。

系統(tǒng)燃油壓力提升后需重點(diǎn)注意高壓回路的密封。當(dāng)今常用的O形圈密封僅是用于最高壓力為35 MPa條件下的一種技術(shù)方案，而眾所周知的柴油機(jī)所使用的螺母緊固金屬密封可承受超過(guò)200 MPa的壓力負(fù)荷，因此該類(lèi)密封方案未來(lái)也可應(yīng)用于直噴式汽油機(jī)。

8提高噴油壓力對(duì)顆粒排放及尺寸的影響

上文所述的效果能顯著降低顆粒數(shù)排放。圖7示出了具有代表性的2 000 r/min和0.7 MPa（pme）運(yùn)行工況點(diǎn)的情況。左圖示出的是采用先進(jìn)的AVL 489顆粒計(jì)數(shù)器采集的顆粒數(shù)排放與燃油壓力的關(guān)系。顯然，采用35 MPa的噴油壓力就能使顆粒數(shù)排放顯著降低，而將噴油壓力進(jìn)一步提高到50 MPa即可繼續(xù)獲得顯著的提升潛力。

圖7 提高噴油壓力對(duì)顆粒數(shù)排放（左）及其顆粒尺寸分布（右）的影響

噴油壓力從20 MPa提高到50 MPa對(duì)顆粒尺寸分布的影響如圖7右圖所示。該類(lèi)數(shù)據(jù)是采用供燃燒分析使用的能識(shí)別最小顆粒尺寸為5 nm的DMS 500快速顆粒分析儀采集的，并統(tǒng)一以20 MPa曲線(xiàn)的最大值為基準(zhǔn)來(lái)計(jì)算相對(duì)顆粒濃度。除了由曲線(xiàn)下方面積所表示的顆粒數(shù)總體減少之外，從這張圖線(xiàn)中曲線(xiàn)形狀所示的濃度即可清楚地看出提高噴油壓力的第二種效果。從20 MPa開(kāi)始，該數(shù)據(jù)顯示出了一種具有25 nm和100 nm的雙峰分布模式。100 nm的范圍會(huì)隨著噴油壓力的提高明顯減小，以此可燃混合氣準(zhǔn)備的改善（見(jiàn)圖4）和“噴嘴尖端積炭”的減少（見(jiàn)圖5）大幅減少了大顆粒的形成，這對(duì)于減少排放的顆粒質(zhì)量有明顯的效果，同時(shí)尺寸在25 nm左右的顆粒數(shù)也有所減少，該現(xiàn)象表明全范圍內(nèi)低至5 nm顆粒尺寸的數(shù)目均有所減少。

9穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況點(diǎn)和燃油耗影響

基于針對(duì)噴油始點(diǎn)（SOI）優(yōu)化的標(biāo)定，兩種發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)特性曲線(xiàn)場(chǎng)可在所有的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況點(diǎn)進(jìn)行35 MPa和50 MPa顆粒數(shù)的排放性試驗(yàn)。圖8中的試驗(yàn)結(jié)果表明了提高噴油壓力以降低顆粒數(shù)排放的效果，其中上圖為SI發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果，下圖為CI發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果。噴油壓力提高到50 MPa后幾乎可在整個(gè)特性曲線(xiàn)場(chǎng)中顯著降低顆粒數(shù)排放，其中每種情況下降低顆粒數(shù)排放的峰值約在60%，即使在高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷情況下其優(yōu)勢(shì)也是較為顯著的，僅在低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷的小范圍內(nèi)提高噴油壓力后并未顯示出在顆粒數(shù)排放方面的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樵谠摲秶鷥?nèi)于35 MPa時(shí)的廢氣排放已處于較低的水平。

圖8 SI和CI發(fā)動(dòng)機(jī)噴油壓力從35 MPa提高到

50 MPa后穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下顆粒數(shù)排放的降低

總體而言，提高噴油壓力對(duì)有效比燃油耗（BSFC）的影響通常較小，它處于燃油效率的測(cè)量精度范圍內(nèi)，各種運(yùn)行工況點(diǎn)的最大有效比燃油耗缺陷局部大約會(huì)超過(guò)1%，這些精度范圍處于較高負(fù)荷直至全負(fù)荷。在這次試驗(yàn)中尚未發(fā)現(xiàn)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下出現(xiàn)明顯的燃油耗缺陷。

10總結(jié)

本文詳細(xì)分析了增壓直噴式汽油機(jī)噴油壓力提高到50 MPa后的運(yùn)行效果，針對(duì)技術(shù)挑戰(zhàn)的分析概括了開(kāi)發(fā)過(guò)程中所需采取的相關(guān)步驟，而在量產(chǎn)開(kāi)發(fā)方面并未遇到技術(shù)挑戰(zhàn)，但是尚無(wú)法排除在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方面會(huì)有所調(diào)整。

噴油器采用側(cè)置或中置的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)研究均表明，噴油壓力從35 MPa提高到50 MPa在降低炭煙顆粒排放方面具有顯著的效果，兩種噴油器位置在某些運(yùn)行工況點(diǎn)的顆粒數(shù)排放的降低幅度均可降低超過(guò)60%，而通過(guò)減少大顆粒的形成數(shù)量還能降低顆粒排放，除此之外尚存的問(wèn)題是燃油耗隨之提升，該現(xiàn)象歸因于噴油壓力提高后混合氣準(zhǔn)備過(guò)程的改善以及由此提高的燃油效率，其補(bǔ)償了燃油泵驅(qū)動(dòng)功率的增加。

目前市場(chǎng)上所使用的35 MPa噴油系統(tǒng)已充分利用了提高噴油壓力以降低顆粒數(shù)排放的大部分開(kāi)發(fā)潛力。正如本文所述，更高的噴油壓力還可大幅降低顆粒數(shù)排放。當(dāng)前，發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展受到電氣化和汽油顆粒捕集器的影響，但卻會(huì)因此提高成本和復(fù)雜性，但是目前采用50 MPa燃油系統(tǒng)并非用作改善成本效益的解決方案而是用于降低顆粒數(shù)排放。法規(guī)邊界條件的進(jìn)一步嚴(yán)格化與發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣后處理的復(fù)雜化可能會(huì)成為日后發(fā)展的焦點(diǎn)所在，而對(duì)原始廢氣中顆粒數(shù)與整機(jī)技術(shù)費(fèi)用之間進(jìn)行的權(quán)衡表明,未來(lái)有必要進(jìn)一步提高噴油壓力。

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