楊凱酬，石則強，張繼生，何雨聲

（1.北京北內(nèi)創(chuàng)意電控發(fā)動機有限責(zé)任公司，北京 100176；2.中公高遠（北京）汽車檢測技術(shù)有限公司，北京 101103）

0 前言

缸內(nèi)直噴（GDI）汽油機因較傳統(tǒng)的進氣道噴射式發(fā)動機具有控制精確、響應(yīng)迅速、燃油經(jīng)濟性好、二氧化碳排放低等優(yōu)點而越來越得到各大主機廠的青睞[1]，但是其相應(yīng)的缺點也在廣泛的使用中逐漸暴露出來。GDI發(fā)動機在小負(fù)荷下的碳?xì)渑欧艜黠@增多，同時相較于進氣道噴射發(fā)動機而言，其顆粒排放也更加嚴(yán)重[2]。顆粒物排放與缸內(nèi)直噴汽油混合氣形成密切相關(guān)，改變噴油策略會對混合氣形成產(chǎn)生很大影響。因此，可以通過噴油策略控制形成合理混合氣分布，減少顆粒物排放[3]。目前GDI發(fā)動機燃油二次噴射技術(shù)非常成熟，應(yīng)用十分廣泛。

盡管GDI發(fā)動機有著很多技術(shù)上的優(yōu)點，但是進氣道噴射（PFI）發(fā)動機相比GDI發(fā)動機仍存在十分明顯的成本優(yōu)勢，目前商用車汽油機的市場中，PFI發(fā)動機占有大多數(shù)份額，故PFI發(fā)動機技術(shù)升級仍十分重要。

GDI發(fā)動機二次噴射模式中的第一次噴射使燃燒室內(nèi)形成均勻的混合氣體，通過第二次噴射，利用發(fā)動機的滾流性將油霧卷到火花塞附近，進行局部加濃以利于點火，減少油耗，降低排放[4-6]。國六法規(guī)的推行對發(fā)動機的排放性與經(jīng)濟性有了更高的要求，需要在控制技術(shù)上挖掘發(fā)動機潛力，以低成本方案實現(xiàn)節(jié)能減排，故本研究基于某PFI發(fā)動機臺架試驗數(shù)據(jù)來探究PFI發(fā)動機應(yīng)用二次噴射技術(shù)實現(xiàn)節(jié)能減排的可行性。

1 試驗方案

（1）首先需完成發(fā)動機扭矩預(yù)估模型，得到基礎(chǔ)噴油量，并確保發(fā)動機燃燒控制處于較理想的狀態(tài)。

（2）進行可變氣門正時（VVT）掃點選點試驗，基于性能、排放、經(jīng)濟性選擇最佳VVT控制策略。

（3）完成單次噴射（Single Injection）噴油截止時刻（EOIT）測試試驗，基于性能與排放選擇最佳噴油截止時刻。

（4）開始二次噴射（Split Injection）測試試驗，基于排放及經(jīng)濟性確定兩次噴射的位置以及噴油量分配。

2 試驗環(huán)境及試驗設(shè)備

本試驗中用到的實驗設(shè)備包括：發(fā)動機測功機（含油耗儀）；恒溫恒濕進氣系統(tǒng)（25℃，50% RH）；氣體及顆粒物排放采集裝置；某型號PFI發(fā)動機（1.6L IVVT）；燃燒分析儀（評估燃燒波動率）；示波器。

3 試驗原理及基礎(chǔ)計算

相比單次噴射，二次噴射需要考慮兩次噴射油量的分配以及第二次噴射的噴油截止時刻，首先需要通過計算確定相應(yīng)的基礎(chǔ)噴油截止時刻，內(nèi)容如下：

3.1 BoundaryFraction計算

Fuel Boundary為當(dāng)前循環(huán)燃油噴射截止點，當(dāng)前氣缸下一個循環(huán)的噴射基于此開始計算，Boundary一般定義在每缸進氣門關(guān)閉或關(guān)閉附近位置。根據(jù)發(fā)動機廠提供的數(shù)據(jù)，本發(fā)動機在沒有VVT做動的工況下，進氣門早開角（BTDC）-8°CA（曲軸轉(zhuǎn)角），進氣門晚關(guān)角（ABDC）80°CA，F(xiàn)uel Boundary計算起止點為固定37齒，本發(fā)動機計算的Boundary Fraction為：

3.2 Run EOIT計算

發(fā)動機正常運行工況的噴油截止時刻（Run EOIT），一般在進氣門關(guān)閉前或進氣門達到最大升程前完成噴油，計算方式為VVT不做動的情況下減去發(fā)動機的進氣門早開角（BTDC）和排氣門晚關(guān)角（ABDC），也可以考慮充分混合油氣再適當(dāng)提前。本發(fā)動機最終計算Run EOIT為：

如果是單次噴射，基于37參考齒開始計算Fuel Boundary，則最終的噴油截止時刻為158+468=626°CA。

在進行二次噴射試驗前，會基于性能與排放（主要是排放）來進行EOIT掃點，分別將EOIT逐步前提和推遲，尋找最佳排放點，并設(shè)置到控制程序中，EMS（發(fā)動機管理系統(tǒng)）會根據(jù)實際VVT開度與設(shè)置好的EOIT自動計算實際噴油截止時刻。

3.3 Trim EOIT

Trim EOIT即為二次噴射中第二次噴油的截止時刻，二次噴射中第一次噴油截止時刻與第二次噴油截止時刻的間隔即為Trim EOIT-Run EOIT，一般考慮第二次噴射截止點要放在氣門最大升程之前，有比較好的排放水平，另外在高轉(zhuǎn)速時由于基礎(chǔ)噴油脈寬較高，要避免二次噴射出現(xiàn)連噴的現(xiàn)象，故在高轉(zhuǎn)速區(qū)域試驗時，需要計算噴油脈寬以確保不會出現(xiàn)燃油連噴的情況。初始化的Trim EOIT一般設(shè)置為Run EOIT+（90～150）°CA，本發(fā)動機初始Trim EOIT為：

燃油二次噴射的試驗過程為，首先基于排放確定不同工況下Trim EOIT（第二次噴油的截止時刻），然后固化Trim EOIT控制數(shù)據(jù)；之后基于排放進行Run EOIT（第一次噴射噴油截止時刻）的掃點試驗，確定最佳選點后固化控制程序；最后不同的Split Ratio（二次噴射分配比例）對排放也有一定的影響，需要通過掃點確定各個工況的最佳二次噴射分配比。

圖1 發(fā)動機相位圖Fig.1 Engine phase diagram

4 試驗數(shù)據(jù)分析及標(biāo)定

4.1 Trim EOIT標(biāo)定

基于發(fā)動機相位圖，我們計算了初步的第一次噴射的噴油截止時刻，首先固化第一次噴射的截止時刻以及分配比（50%-50%），通過調(diào)整第二次噴射，采集發(fā)動機排放數(shù)據(jù)來確定最佳的第二次噴射截止時刻，即Trim EOIT。

圖中最上方為58X曲軸位置參考齒（EMS系統(tǒng)的曲軸角度參考）信號，中間信號為一缸噴油器工作信號，最下方為一缸點火線圈工作信號，從圖中可以看出二次噴射的分配比完全相同，第一次噴射的截止時刻完全相同，第二次噴射的截止時刻有所差異。基于點火線圈工作信號可以大致判定，圖3中第二次噴射的截止時刻大約在一缸進氣行程結(jié)束的附近，圖2的二次噴射位置更加推遲，已經(jīng)是進氣門關(guān)閉的狀態(tài)，圖4中二次噴射時，進氣門尚未達到最大升程。三圖工況對應(yīng)的排放如下：

圖2 Trim EOIT做動示意圖(738°CA）Fig.2 Trim EOIT actuation diagram (738°CA）

圖3 Trim EOIT做動示意圖(648°CA）Fig.3 Trim EOIT actuation diagram (648°CA）

圖4 Trim EOIT做動示意圖(528°CA）Fig.4 Trim EOIT actuation diagram (528°CA）

表1 Trim EOIT排放對比Tab.1 Trim EOIT emission comparison

通過三組排放污染物的數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，圖3狀態(tài)下氣態(tài)排放物與顆粒排放物水平均高于圖2和圖4的狀態(tài)，特別是顆粒物排放水平顯著提高。從燃燒原理上分析，圖2狀態(tài)中第二次噴射截止時刻位于進氣門關(guān)閉附近，此時噴油有著最短的油氣混合時間，故燃油顆粒很可能未經(jīng)充分霧化混合便直接進入氣缸，導(dǎo)致顆粒物排放水平升高，試驗數(shù)據(jù)也基本符合物理分析結(jié)果。圖2中第二次噴射時，進氣門完全關(guān)閉，相當(dāng)于第二次噴射時噴出的燃油在下一個進氣行程中才進到氣缸內(nèi)，未造成性能與排放的明顯變化。圖4將第二次噴射截止時刻大幅前移，同樣未有性能與排放上的明顯變化。

上述數(shù)據(jù)對比可以確定，第二次噴射截止時刻必須避開當(dāng)前缸進氣升程結(jié)束的附近位置，通過不同轉(zhuǎn)速與負(fù)荷的對比試驗，排放數(shù)據(jù)皆可得出同樣的結(jié)論?？紤]高轉(zhuǎn)速大負(fù)荷工況時較大的噴油脈寬，為避免二次噴射出現(xiàn)連噴的現(xiàn)象（連噴時噴嘴電磁閥連續(xù)開啟關(guān)閉不利于排放控制），Trim EOIT應(yīng)當(dāng)設(shè)定為 Run EOIT+120～150°CA，最佳 Trim EOIT 標(biāo)定完成。

4.2 Split Run EOIT 標(biāo)定

最佳Trim EOIT標(biāo)定完成后，開始進行二次噴射中第一次噴射的噴油截止時刻即Run EOIT標(biāo)定，基于上文提到的標(biāo)定方法，固化Trim EOIT以及二次噴射分配比，將基礎(chǔ)Run EOIT以30°CA為步長，逐步前移120°CA以及推遲120°CA（高轉(zhuǎn)速與高負(fù)荷區(qū)推遲到兩次噴射連噴則試驗可停止）進行數(shù)據(jù)掃點，基于各個工況點的扭矩以及氣態(tài)排放物、顆粒排放物的排放水平來確定二次噴射時最佳Split Run EOIT（即為二次噴射中第一次噴射的最佳截止時刻）。下面結(jié)合部分工況排放數(shù)據(jù)分析不同Run EOIT對氣態(tài)排放與顆粒物排放的影響：

圖5 CO排放數(shù)據(jù)對比Fig.5 CO emission data comparison

圖6 HC排放數(shù)據(jù)對比Fig.6 HC emission data comparison

圖7 NOx排放數(shù)據(jù)對比Fig.7 NOx emission data comparison

圖8 PN排放數(shù)據(jù)對比Fig.8 PN emission data comparison

從圖中數(shù)據(jù)可以看出，1600RPM的試驗數(shù)據(jù)在600°CA附近有明顯的排放變化，檢查數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)1600RPM最佳Trim EOIT為718°CA，即進氣門完全關(guān)閉后，Run EOIT有充足的調(diào)整測試范圍。根據(jù)相位圖可以計算出，在VVT不工作的情況下，進氣門完全關(guān)閉角度為735°CA，進氣門最大升程角度為588°CA，從排放數(shù)據(jù)可以看出Run EOIT在600°CA附近排放明顯惡化，故相關(guān)排放數(shù)據(jù)也能夠充分論證之前的理論，即無論是Run EOIT還是Trim EOIT，兩次噴射均不能在進氣門最大升程附近，否則很可能造成排放惡化，務(wù)必避開此區(qū)域選擇噴射時機。

Run EOIT可參考上述原則繼續(xù)進行標(biāo)定，選擇排放最佳點，同時參考測功機扭矩以及燃燒分析儀的燃燒波動率，以確定最終的標(biāo)定控制參數(shù)。

4.3 Split Ratio二次噴射分配比標(biāo)定

Run EOIT標(biāo)定完成后，基于選定的最佳Trim EOIT與Run EOIT，開始進行Split Ratio二次噴射分配比掃點，測試方案為50%-50%、60%-40%、70%-30%、40%-60%、30%-70%，測試不同分配比的性能、排放及油耗數(shù)據(jù)，下面列舉3200RPM高負(fù)荷的數(shù)據(jù)以作分析：

圖9 不同二次噴射分配比排放對比Fig.9 Emission comparison of different secondary injection distribution ratios

圖10 不同二次噴射分配比排放及油耗對比Fig.10 Comparison of emission and fuel consumption of different secondary injection distribution ratios

從圖中可以看出不同的二次噴射分配比下，氣態(tài)排放物變化很小，油耗率基本沒有變化，個別工況的PN會有小幅度變化，在分配比標(biāo)定設(shè)置時，避開排放惡化的比例即可。多個工況的數(shù)據(jù)證明二次噴射分配比對于排放的影響比較小。

4.4 二次噴射排放數(shù)據(jù)同單次噴射對比

選定最佳二次噴射的噴油截止時刻以及最佳分配比后，再用已選定的控制參數(shù)同未開啟二次噴射功能時的排放數(shù)據(jù)進行對比，以確定二次噴射功能的做動區(qū)域；除了動力性、經(jīng)濟性、排放的考量，發(fā)動機的燃燒狀態(tài)也要作為參考因素，燃燒分析儀計算的燃燒波動率一般作為參考標(biāo)準(zhǔn)，其超過3%的工況點認(rèn)為此工況燃燒狀態(tài)不佳，不予采用；同時要考慮大負(fù)荷特別是動力加濃工況下，噴油量大幅增加，顆粒物排放明顯上升的情況下，二次噴射功能能夠有多大應(yīng)用范圍。

5 結(jié)語

二次噴射相關(guān)試驗完成，基于得到的試驗數(shù)以及同一次噴射的對比數(shù)據(jù)，結(jié)合相關(guān)的理論分析，可以得到如下結(jié)論：

（1）對于目前版本的EMS系統(tǒng)，可以正確實現(xiàn)燃油二次噴射的相關(guān)功能，相關(guān)控制參數(shù)能按照軟件控制意圖正常工作。試驗設(shè)備工作正常，數(shù)據(jù)精度能夠滿足分析需要。

（2）二次噴射試驗前，務(wù)必要精準(zhǔn)地進行VVT選點試驗以及單次噴射噴油截止時刻試驗，基于性能、經(jīng)濟性、排放選擇最佳點。

（3）二次噴射的試驗順序為第二次噴射截止時刻（Trim EOIT）、第一次噴射截止時刻（Run EOIT）、二次噴射燃油分配比（Split Ratio），從得到的試驗數(shù)據(jù)以及理論分析來看，這個試驗方法較為合理，可以作為此類試驗的標(biāo)準(zhǔn)試驗流程。

（4）基于相位計算以及實際的排放數(shù)據(jù)，可以得出結(jié)論，無論是一次噴射還是二次噴射，都要盡量避免在進氣行程最大點之后到進氣門完全關(guān)閉的位置噴油，目前數(shù)據(jù)認(rèn)為在這個位置噴射燃油會造成排放明顯惡化。

（5）二次噴射分配比對發(fā)動機性能、排放、經(jīng)濟性的影響較輕微，相比兩次噴射的噴油截止時刻，影響較低。

（6）目前的試驗數(shù)據(jù)中，全負(fù)荷工況下，開啟二次噴射功能對顆粒物排放有較為明顯的抑制作用，可以根據(jù)工況需要開啟。中低負(fù)荷工況相比單次噴射，沒有大幅度性能及排放增益，暫不考慮開啟相關(guān)功能。中高負(fù)荷在部分工況收益尚可，待發(fā)動機裝車后進一步進行試驗論證

上述試驗結(jié)論基于本發(fā)動機臺架試驗數(shù)據(jù)，不同進氣相位相關(guān)的配置可能存在數(shù)據(jù)上的偏差；另考慮發(fā)動機臺架以穩(wěn)態(tài)試驗為主，發(fā)動機裝車后的瞬態(tài)排放水平尚需進一步論證；二次噴射的開啟必然會增加噴油器電磁閥的工作頻率，是否會對噴油器的工作壽命造成顯著影響尚需試驗論證。

總體上說，燃油二次噴射功能對于PFI發(fā)動機存在一定的排放收益，需要精準(zhǔn)地計算發(fā)動機的相位并設(shè)計合理的試驗方案來確定最佳噴油截止時刻，二次噴射作為GDI發(fā)動機上普及的技術(shù)，可以有效地應(yīng)用到PFI發(fā)動機上，為其節(jié)能減排做出貢獻。