國六GDI汽油機PN排放優(yōu)化之一燃油噴射及發(fā)動機燃燒性能評估

國六GDI汽油機PN排放優(yōu)化之一燃油噴射及發(fā)動機燃燒性能評估概述國六排放法規(guī)增加了對缸內(nèi)直噴和進(jìn)氣道噴射汽油機在WLTC循環(huán)工況下的PN排放限值，在我們的實際項目中也發(fā)現(xiàn)這是增壓PFI和增壓GDI滿足國六排放法規(guī)的一個重要技術(shù)障礙。和國五的氣體排放相比，國六的PN排放優(yōu)化更加強調(diào)在發(fā)動機燃燒開發(fā)的概念設(shè)計階段，就系統(tǒng)性地從關(guān)鍵零部件選型、發(fā)動機燃燒系統(tǒng)設(shè)計、發(fā)動機試驗標(biāo)定以及整車性能優(yōu)化方面通盤考慮，而不是單單強調(diào)其中的一個或幾個環(huán)節(jié)。本系列文章主要針對GDI汽油機，從GDI噴霧優(yōu)化、發(fā)動機穩(wěn)態(tài)及動態(tài)工況下PN排放性能評估、整車PN排放優(yōu)化以及包括缸內(nèi)內(nèi)窺鏡光學(xué)測試在內(nèi)的國六PN排放研究工具介紹。本文是系列文章之一，重點討論GDI噴霧優(yōu)化和發(fā)動機穩(wěn)態(tài)工況下PN排放性能評估。GDI噴霧優(yōu)化概括來講，GDI汽油機燃燒室內(nèi)顆粒物主要來源有兩類(缸內(nèi)的機油燃燒也是重要來源之一，但不在本文討論范圍之內(nèi))，一是噴油器端部的燃油濕壁，二是燃燒室壁面的燃油濕壁。這兩種燃油濕壁由于油膜不能完全蒸發(fā)，均在燃燒過程中產(chǎn)生過濃的擴散火焰燃燒，從而導(dǎo)致缸內(nèi)碳煙的生成。雖然上述兩類顆粒物生成來源都是由于未完全蒸發(fā)的燃油濕壁導(dǎo)致，但其形成機理有很大不同，本文將分別展開討論。噴油器端部的燃油濕壁

圖1GDI多孔噴油器端部濕壁圖1為在定容容彈里應(yīng)用遠(yuǎn)距光學(xué)顯微鏡和高速相機觀察到的GDI多孔噴油器在燃油噴射前、噴射中和噴射后的端部濕壁現(xiàn)象。在沒有進(jìn)行噴油器改進(jìn)設(shè)計之前(即圖中”BasicTipDesign”)，位于噴油器端部的油膜在噴油期間形成并逐步擴散，最終在噴油結(jié)束后形成較大面積的油膜。為了減少噴油器端部的油膜，優(yōu)化了噴孔的幾何形狀及噴孔的內(nèi)部流場，如圖中的”TipDesignforReducedWetting”所示，噴油器端部的濕壁面積在燃油噴射期間及結(jié)束后均獲得了較大幅度的降低。燃燒室壁面的燃油濕壁

圖2噴油器中置GDI燃燒室壁面燃油濕壁如前所述，GDI汽油機PN排放的第二個主要來源是燃燒室內(nèi)部的燃油濕壁，圖2示意了一噴油器中置GDI的三種主要的燃油濕壁，即氣閥濕壁、缸套濕壁和活塞濕壁。為降低或避免燃油的碰壁，油束導(dǎo)向設(shè)計的目標(biāo)即是利用多孔噴油器在噴霧設(shè)計上的靈活性，盡可能為每一束油爭取最大化的自由貫穿路徑，避免與燃燒室內(nèi)的壁面碰撞。其中，氣閥的濕壁可以在一定程度上降到最低，但對于缸套和活塞的濕壁卻很難達(dá)到完全避免，特別是對于小缸徑的增壓小型化發(fā)動機。因此，對于每一個特定的發(fā)動機燃燒室設(shè)計，都要進(jìn)行油束的優(yōu)化設(shè)計，并與發(fā)動機標(biāo)定策略統(tǒng)籌考慮。如為降低活塞濕壁帶來的PN排放，一方面通過推遲噴油時刻以增加噴霧與活塞的距離，降低活塞濕壁量。另一方面，設(shè)計兩階段活塞噴霧冷卻系統(tǒng)，在發(fā)動機冷機階段，關(guān)閉活塞冷卻功能，以增加活塞表面的溫度，促進(jìn)燃油的蒸發(fā)。噴油壓力優(yōu)化

圖3基于LIF技術(shù)測試油膜厚度的試驗搭建示意圖圖4基于LIF測試技術(shù)的不同燃油噴射壓力下的油膜厚度如上所述，即使充分發(fā)揮多孔噴油器在噴霧導(dǎo)向設(shè)計方面的靈活性，也很難在所有發(fā)動機工況下都避免燃油碰在活塞表面或缸壁。為了研究如何降低燃油碰到壁面上形成的液態(tài)油膜厚度。圖3搭建了基于LIF(激光誘導(dǎo)熒光)的試驗臺，圖中示意了其中一個油束噴射到常溫石英玻璃上的液態(tài)燃油厚度?；诖朔椒?，圖4研究了噴射壓力對其中兩束噴霧導(dǎo)致的油膜厚度的影響規(guī)律。測試中，石英玻璃的位置用黃色和藍(lán)色線標(biāo)示在噴霧形態(tài)圖中。LIF的測試在噴射結(jié)束14ms后完成。以噴射壓力為10MPa時的油膜厚度為基準(zhǔn)(標(biāo)示為100%)，在噴射壓力增加到30MPa時，油膜厚度隨之降低。噴射壓力的提高，一方面通過促進(jìn)噴霧初次破碎過程，降低了SMD，另一方面，加強了對噴霧的空氣卷吸效應(yīng)，促進(jìn)了液滴的蒸發(fā)。因此，提高噴射壓力有助于降低燃油在活塞表面和缸壁的油膜，從而降低PN排放。在此，也需要同時指出的是，提高噴射壓力也有助于降低噴油器端部濕壁，從而降低噴油器端部濕壁導(dǎo)致的PN排放。PN-Drift性能評估如前所述，噴油器在噴射過程中由于噴霧及缸內(nèi)氣流的擾動會在噴油器端部形成液態(tài)油膜。在火焰前鋒面到達(dá)噴油器端部時，高溫廢氣且缺氧的環(huán)境下，殘留在噴油器端部的油膜就生成了碳煙。而部分沒有離開噴油器端部的碳顆粒就會導(dǎo)致積炭的形成。這些積炭又會吸收更多的液態(tài)燃油，從而使得PN排放大幅增加，這一現(xiàn)象稱之為PN-Drift。PN排放最終在積炭的形成和消除過程平衡后達(dá)到穩(wěn)定值。圖5為新鮮的基準(zhǔn)噴油器、老化后的基準(zhǔn)噴油器及老化后的優(yōu)化噴油器在低負(fù)荷、中負(fù)荷和高負(fù)荷下的PN排放值。相比新鮮的基準(zhǔn)噴油器，老化后的基準(zhǔn)噴油器在各個負(fù)荷下的PN均出現(xiàn)了大幅上升的趨勢。而在將噴油器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計后，如圖5所示，大幅降低了PN排放。需要指出的是，本試驗中的噴油壓力是200bar，在采用350bar噴油壓力后，對PN-Drift的抑制方面會有更好的魯棒性。圖5噴油器端部濕壁優(yōu)化及PN排放(200bar噴油壓力)穩(wěn)態(tài)工況下PN排放性能評估基于上述的燃油系統(tǒng)優(yōu)化，圖6為在一增壓GDI發(fā)動機上，轉(zhuǎn)速為2000rpm，負(fù)荷從低到高(85%全負(fù)荷)工況下原機和優(yōu)化后的PN排放(噴油器均在老化條件下)。如圖中所示，在優(yōu)化了噴油器端部的燃油濕壁、燃燒室壁面的燃油濕壁以及將噴油壓力從200bar提高到250bar后，PN排放在各個負(fù)荷工況下都實現(xiàn)了下降，最大改善幅度達(dá)40倍。圖62000rpm,不同負(fù)荷工況下原機和優(yōu)化后的PN排放總結(jié)PN排放是GDI汽油機為滿足國六排放法規(guī)而面臨的重要技術(shù)挑戰(zhàn)之一，本文從GDI汽油機顆粒物生成機理入手，討論了通過優(yōu)化噴油器的噴孔幾何形狀及內(nèi)流場、優(yōu)化噴霧油束與燃燒室的匹配、以及提高噴油壓力等方法，大幅降