李 軍，芮玉品

（重慶交通大學機電與車輛工程學院，重慶400074）

1 引言

缸內(nèi)直噴汽油發(fā)動機（GDI）既擁有柴油發(fā)動機排放低、熱效率高的優(yōu)點又擁有汽油發(fā)動機高功率的優(yōu)點；同時，相對于進氣道噴油發(fā)動機（PFI）噴油壓力高，噴油時間短，可在較短的時間內(nèi)形成混合氣，因此GDI 發(fā)動機可以有效改善整車性能和排放。文獻[1]針對GDI 汽油發(fā)動機的冷起動控制策略進行研究，結(jié)果表明兩段噴射可達到快速起動優(yōu)化排放的效果；文獻[2]針對GDI 汽油發(fā)動機的噴油方式及燃燒室的匹配進行研究；文獻[3]研究二次噴油及活塞對GDI 發(fā)動機排放等影響；文獻[4]對水平對置GDI 發(fā)動機兩段噴射控制策略進行研究；文獻[5]從噴油策略的角度對GDI發(fā)動機排放進行研究；文獻[6]從兩段噴油的角度對快速起動進行了研究；文獻[7-8]從兩段噴射的角度研究GDI 發(fā)動機的低速起動性能和排放。

根據(jù)以上分析可知，關(guān)于GDI 發(fā)動機的研究主要集中在多段噴射控制策略、冷起動控制策略、氣缸結(jié)構(gòu)及排放等方面的研究，而關(guān)于極寒工況下的快速起動研究幾乎沒有，針對北部嚴冬極寒天氣發(fā)動機起動問題，從多次噴射的角度來優(yōu)化起動，以實現(xiàn)GDI 發(fā)動機在極寒工況下的快速起動。

2 發(fā)動機動力學模型及參數(shù)

2.1 進氣歧管空氣流動模型

由于進入發(fā)動機進氣歧管的氣體速度較快，其溫度相當于外界空氣溫度，使用理想氣體狀態(tài)方程表示進氣壓力：

式中：Pmani—進氣歧管壓力；mmani—歧管空氣質(zhì)量；mcyl—進入氣缸中空氣質(zhì)量；R—標準氣體常量；Vmani—進氣歧管容積；Tatm—大氣溫度。

進氣歧管空氣質(zhì)量[9]：

式中：Sthr—節(jié)氣門面積；Patm—大氣壓力；β—節(jié)氣門開度；Ψ（s）—

缸內(nèi)氣體占比。

式中：K—理想氣體絕緣指數(shù)；s—節(jié)氣門前后壓力比值。

通過節(jié)氣門的氣流量等同于流入氣缸的氣流量，四沖程發(fā)動機進氣量可通過以下關(guān)系獲得：

式中：patm—空氣密度；Vcyl—發(fā)動機氣缸容積；η—充氣效率；weng—轉(zhuǎn)速。

發(fā)動機起動時進氣歧管壓力變化范圍較大，相應傳感器獲取的信號誤差較大，故采用擬合的方法進行計算[10]：

2.2 發(fā)動機旋轉(zhuǎn)動力學模型

發(fā)動機轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系：

式中：Hu—燃油低熱值；Tia—指示扭矩；Tld—曲軸輸出端負載扭矩；ηi—熱效率；Jcr—曲軸轉(zhuǎn)動慣量；Tf—克服發(fā)動機阻力的需求扭矩；Tp—泵氣損失。

2.3 發(fā)動機熱力學模型

假定發(fā)動機做功之后產(chǎn)生的尾氣為理想狀態(tài)，發(fā)動機各部件穩(wěn)定工作，氣缸內(nèi)的能量平衡表達如下[11]：

式中：Qgen—混合氣燃燒產(chǎn)熱；Pe—有效功率；Qexh—尾氣熱量；Qw—損失熱量；Qfric—機械損失功；Cp_cyl—發(fā)動機缸體內(nèi)的氣體比熱容。機械損失功可通過測功機獲得。

式中：hc—廢氣與缸套熱流對換系數(shù)；Ac—燃燒室表面積；Texh—廢氣溫度；Tc—缸套溫度；ε—缸套的熱輻射率；σ—Stefan-Blotzmann 常數(shù)；Cp_exh—廢棄定壓比熱容；Kc—缸套和尾氣間的導熱率；mexh—尾氣分子質(zhì)量均值。

發(fā)動機運轉(zhuǎn)過程中，氣缸內(nèi)的壓力不穩(wěn)定，這對于缸套和廢氣間的熱換系數(shù)有很大影響，故使用Woschni 公式進行計算[3]：

式中：v—活塞運動速度；Pcyl—缸內(nèi)壓力；Tcyl—缸內(nèi)溫度。

通過缸套的熱量交換表達式：

式中：Kc2i—缸套和缸體間的導熱率；Qc2i，c—缸套和缸體的導熱量；Ki2x—缸套和缸體的導熱率；Qi2x，c—缸體和附件的導熱量；Qcool—冷卻液吸收的熱量；Qrad—散熱器去除的熱量；Qhtr—暖機消耗的熱量；Ti—缸體溫度；Tx—發(fā)動機附件溫度；hcool—冷卻液熱換系數(shù)；vspd—冷卻液流動速度；Vp，air—冷卻液體積。

2.4 發(fā)動機參數(shù)

利用2.0 L 渦輪增壓GDI 發(fā)動機進行極寒工況多次噴射優(yōu)化試驗，具體參數(shù)，如表1 所示。發(fā)動機利用可變正時氣門技術(shù)、噴油器中置布局和均值燃燒噴油模式。

表1 發(fā)動機參數(shù)Tab.1 Engine Parameters

3 拖動起動階段控制策略及噴油策略

GDI 發(fā)動機起動過程分為拖動、起動和起動后3 個階段。冷起動要求汽車在較短的時間內(nèi)平穩(wěn)起動，轉(zhuǎn)速波動較小，同時盡可能提升燃油經(jīng)濟性，降低排放。

3.1 拖動階段控制策略

GDI 發(fā)動機拖動階段由起動電機通過齒輪和雙質(zhì)量飛輪帶動發(fā)動機轉(zhuǎn)動。發(fā)動機上電點火后進行數(shù)據(jù)初始化，傳感器進行自診斷，若狀態(tài)良好低壓燃油泵開始泵油，起動標志位置位，起動電機拖動發(fā)動機轉(zhuǎn)動，同時采集凸輪軸及曲軸信號，節(jié)氣門部分開啟，為起動著火階段做準備。當轉(zhuǎn)速＞120r/min 時，拖動階段結(jié)束。拖動控制策略，如圖1 所示。

3.2 起動階段控制策略

當拖動階段結(jié)束，轉(zhuǎn)速超過120r/min，起動標志位置位，節(jié)氣門打開一定角度，油軌電磁閥開始使軌壓迅速達到目標軌壓，根據(jù)凸輪軸、曲軸傳感器信號開始進行噴油點火，當轉(zhuǎn)速超過660r/min起動階段結(jié)束，開始進入起動后階段。起動階段控制策略，如圖2所示。

3.3 燃油噴射控制原理

GDI 發(fā)動機燃油噴射系統(tǒng)通常由ECU、各種傳感器和高壓油軌等構(gòu)成。ECU 通過接收來自各種傳感器的模擬信號和數(shù)字信號進而向高壓油軌發(fā)出噴油指令，高壓油軌根據(jù)ECU 的噴油信號對各缸進行燃油精確噴射。

圖1 拖動階段控制流程圖Fig.1 Drag Stage Control Flow Chart

圖2 起動階段控制流程圖Fig.2 Start-up Phase Control Flow Chart

3.4 多段噴射控制策略

GDI 發(fā)動機多段噴射通常分為兩次噴射和三次噴射兩種方案，多段噴射控制策略[4]，如圖3 所示。噴油器可在進氣、壓縮行程進行多次燃油噴射，也可同時在進氣和壓縮行程進行多次燃油噴射。兩次噴射分為燃油預噴射和燃油主噴射2 個階段。燃油預噴射階段是在進氣行程執(zhí)行第一次燃油噴射；燃油主噴射階段是在壓縮行程執(zhí)行第二次燃油噴射。燃油預噴射能夠起到改善充氣效率的作用，燃油主噴射能夠在火花塞附近形成良好的混合氣，改善點火能力。三次噴射分為燃油預噴射、燃油主噴射和燃油后噴射3 個階段。三次噴射比兩次噴射更加準確，能夠提升燃油經(jīng)濟性、燃油燃燒效率等。利用低壓啟動時間短和高壓兩段噴射著火迅速的優(yōu)點，通過采用三次燃油噴射控制策略來優(yōu)化-30℃冷起動，3 次噴油控制策略的預噴、主噴時刻根據(jù)低壓起動、高壓單次噴射和高壓兩次噴射進行設(shè)定，后噴則根據(jù)摸底試驗數(shù)據(jù)以20°CA 為步長進行參數(shù)優(yōu)化。

圖3 多段燃油噴射控制圖Fig.3 Multiple Fuel Injection Control Chart

圖中：Tfi—噴油脈寬（S）；θi—鄰近兩次噴油間隔角（℃A）。

4 試驗分析

將整車放置在低于（-30）℃的低溫試驗室，通過線束使ECU和工作站進行通信，利用工作站中的INCA 軟件讀取ECU 中的數(shù)據(jù)，同時進行參數(shù)優(yōu)化。試驗主要對單次燃油噴射、兩次燃油噴射和三次燃油噴射控制策略進行快速起動優(yōu)化對比分析，以起動快慢作為冷起動評價標準，可直接感受起動效果。

從圖4 的單次高壓噴射起動表現(xiàn)可知，在第一次拖動的12s過程中，缸內(nèi)沒有點燃導致轉(zhuǎn)速沒有上沖，第二次拖動中，缸內(nèi)開始點燃，轉(zhuǎn)速上沖。起動過程中的噴油量已經(jīng)不足，但是通過軌壓表現(xiàn)可以看出，起動過程中的實際軌壓已經(jīng)在下跌，無法再通過增加噴油量或者目標軌壓，來保證發(fā)動機缸內(nèi)盡早燃燒。

圖4（-30）℃單次燃油噴射模式啟動表現(xiàn)Fig.4（-30）℃Single Fuel Injection Mode Start Performance

圖中：nmot—發(fā)動機轉(zhuǎn)速（r/min）；wdkba_w—節(jié)氣門有效開度（%）；

zwout—最終輸出點火提前角；prist_w—實際油軌壓力（MPa）；prsoll_w—目標油軌壓力（MPa）；tmst—起始發(fā)動機溫度（℃）由于單次燃油噴射無法啟動發(fā)動機，為了實現(xiàn)較少噴油量的高壓起動，必須增加燃油噴射次數(shù)，為此設(shè)置起動噴油模式為兩次高壓噴射。高壓兩次噴射優(yōu)化后的起動表現(xiàn)，如圖5 所示。為了保證在點火時刻，火花塞附近有足夠的可燃混合氣，將兩次噴射的燃油比例設(shè)置為2：8。增加噴油次數(shù)后，在同等噴油量的條件下，可縮短發(fā)動機首次著火時間，使得一次成功起動，但起動時間為12.8s，較為偏長。

圖5（-30）℃兩次燃油噴射模式啟動表現(xiàn)Fig.5（-30）℃Twice Fuel Injection Mode Start Performance

在（-30）℃的極寒工況下，兩次燃油高壓噴射啟動時間較長，會導致燃油經(jīng)濟型降低、排放惡化。試驗通過高壓三次燃油噴射控制策略對極寒工況冷啟動進行優(yōu)化，采用在進氣和壓縮行程都進行噴油的均值燃燒噴油模式執(zhí)行燃油噴射。由于（-30）℃的極寒工況下燃油蒸發(fā)性較差，霧化效果不佳，使之無法形成良好的混合氣，通過對參考文獻和實際試驗進行分析后，在噴油總量一定的條件下，將三次噴射燃油分配比例定為3：2：5。高壓三次噴射燃燒優(yōu)化后的起動結(jié)果，如圖6 所示。在（-31.5）℃條件下，發(fā)動機僅需5.8s 就能夠可靠起動，相對于兩次燃油噴射起動時間減少54.7%。

圖6（-30）℃三次噴油模式啟動表現(xiàn)Fig.6（-30）℃Three Injection Mode Start Performance

5 結(jié)論

針對某款直列四缸四沖程直噴發(fā)動機在（-30）℃極寒工況下的快速起動進行了多段噴射研究，利用低壓啟動時間短和高壓兩段噴射著火迅速的優(yōu)點，通過采用三次燃油噴射控制策略進行快速起動，結(jié)果表明單次噴射無法使GDI 發(fā)動機進行冷起動，采用3 次噴射控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)5.8s 一次可靠快速起動，相對于兩次燃油噴射起動時間減少54.7%，可有效提升燃油經(jīng)濟性，降低廢氣排放。