李经道

（一汽海马动力有限公司，海南海口570216）

某型涡轮增压直喷汽油发动机燃油喷射系统布置分析与测试

李经道

（一汽海马动力有限公司，海南海口570216）

阐述某型1.8 L增压直喷汽油发动机燃油喷射系统布置的分析与测试的过程与结果。为了优化布置方案，测试了不同布置方案对整机各项性能的影响，特别是排放指标。

涡轮增压直喷汽油发动机；燃油喷射；布置；排放

0 前言

为了配合与响应国家节能减排的长期发展战略，各个主机厂都已将最先进的节能减排技术应用到新开发的发动机上。缸内直喷技术 （Gasoline Direct⁃Injection，GDI）是各个主机厂的主流技术方案，它能够提高发动机的动力输出、降低燃油消耗、减少尾气排放。燃烧喷射系统是直喷发动机的核心部件，优化其布置能够最大限度发挥直喷发动机的潜能，并满足日益苛刻的环保法规要求。

1 燃油喷射的布置

车用燃油经整车燃油泵加压后泵送到发动机的高压燃油泵，经二次加压达到燃油系统要求的工作压力，再经油管与油轨输送到燃油喷射系统的末端喷油器进行喷射。喷油器是燃油喷射的主要部件，通常直喷系统的喷油器布置有顶置、侧置两种方式，各自有不同的优缺点。根据不同的边界条件、燃烧室结构形式来选择合适的布置方式。

喷油器的选用与装配参数基于优化后的喷油器油束布置，并与缸盖的进排气道匹配后确认最终设计方案，以获得最佳的燃烧效果。直喷发动机燃烧室的整体布置设计涉及油束布置、高滚流比进气道、活塞顶部形状、气门的位置与直径、火花塞的位置与点火高度等，各种方案的组合都会影响到发动机的性能。典型的燃烧室布置简图见图1。

喷油器的油束布置所涉及的参数包括：油束数量；角度；流量；喷油点以下一定距离的各个油束中心坐标。还要关注喷射油束的渗透距离、雾化直径等指标。这些参数指标都是评估均质混合、湿壁、紊流、与活塞顶端凹坑的匹配、燃油稀释的关注项。

图2为典型的侧置式5孔喷油器油束布置简图，可以看出在有限的空间内对各个参数进行设计与均衡是相当困难的。不能距燃烧室顶部太近，以避免负面效应，避免与进气阀干涉。

根据油束布置的数学模型确定距离喷油器末端一定距离下的油束中心点坐标系。建立坐标系是为了使评估测试喷油器样件实物与理论设计有统一的评价基准。油束布置要配合整个燃烧室的设计，油束的设计会最终影响到油气的混合、碳氢化合物、颗粒物、燃油稀释率与燃烧特性等指标。油束坐标系示意图见图3。

2 燃油喷射布置的测试

2.1 喷油器油束布置的测试

测试的目的是验证燃油喷射的角度以及油气的混合度、贯穿度，通过高清高速摄像系统采集喷射箱体内燃油喷射过程的图形。

测试设备包括喷油器、喷射箱、喷油器安装工装、数字摄像机、数字视频图像处理系统，如图4所示。采用符合规范要求的测试油液在标准喷射压力下进行喷射，通过设定好的拍摄时间周期自动拍摄采集图像数据。

以下的3个参数可以通过图像采集获取：

喷射油束的贯穿度 （见图5）；

喷射油束的扩张角度 （见图6）；

喷油油束的倾斜角度 （见图6）。

在基准坐标系下对比油束理论设计与实测数据参数，评估设计目标达成度，同时可以衡量零件的特征参数的生产一致性。

2.2 油束布置对发动机性能影响的测试

测试的目的是验证不同燃油喷射布置方案对整机性能与排放的影响，包括功率扭矩、比油耗、点火角、燃烧率与排放等指标。

测试在发动机整机上进行，测试设备包括发动机台架、燃烧分析仪、各类信号采集传感器、排放柜、配套的供水供油系统等。

欧6排放法规中加严了对于点燃式汽油直喷发动机的颗粒物个数与质量 （NP、mP）控制，直喷发动机 （DI）相对于传统的气道燃油喷射 （PFI）发动机 （从进气歧管或缸盖进气管喷射燃料进入到燃烧室）颗粒物的排放是非常高的。为了在设计方案中选择最优的喷油器，测试比较了3种 （方案一为7孔喷油器，方案二为小扩张角度喷油束6孔喷油器、方案三为大扩张角度喷油束6孔喷油器）不同设计的喷油器在全负荷及怠速下的各项参数指标。

图7为各个转速下全负荷 （WOT）的3种喷油器设计方案的功率、点火角、燃烧率 （θA＿150，定义为燃烧50%燃油质量的曲轴转角）的对比，可以看出3种方案结果差异性很小。

图8为各个转速下全负荷 （WOT）的3种喷油器设计方案的比油耗 （BSFC）、每立方厘米颗粒物个数 （NP）、氮氧化物（mNOx）的对比，可以看出：在1 000～5 000 r／min内，3个喷油器的方案结果差异性不大，只是在5 000 r／min以上方案一的颗粒物排放比较高，但是都在开发目标限值之内。

综合图7与图8：在全速全负荷的对比测试中，3种喷油器在1 000～5 000 r／min内差异不大，只是在5 000 r／min以上第1种喷油器的颗粒物排放稍高，但高转速下的排放基本对欧6排放法规测试循环模式下的结果没有影响。

图9—13为怠速各个不同点火角下的各项排放指标，包括燃油消耗 （mFC）、 每立方厘米颗粒物个数 （NP）、 烟度（SM）、总碳氢化合物 （wTHC）、一氧化碳 （wCO）、 氮氧化物（wNOx）。

从图9、图10可以清楚看出：3种喷油器方案中，怠速各个不同点火角下的烟度、颗粒物质量对比结果，第1种喷油器最好，第3种喷油器次之，第2种喷油器相对最高；但燃油消耗量基本相当。

图11—13显示：怠速各个不同点火角下的3种喷油器方案氮氧化物值相当；第1种喷油器一氧化碳与总碳氢化合物的排放相对最低，第3种喷油器次之，第2种喷油器相对最差。

图14是怠速各个不同点火角下的有效平均指示压力变化率，此指标代表着怠速下的燃烧稳定性，变化率越小其稳定性越好，通常要求其变化率在20%以下。结果显示：第1种设计方案的喷油器变化率较低且维持在稳定的水平，第2、3种喷油器在点火角较大时稳定性较差，已经在设计要求的临界点左右。

为了综合评估颗粒物、总碳氢化合物、一氧化碳、氮氧化物、燃烧稳定性与烟度各项指标，利用塔式图的方法进行对比，如图15所示：第1种喷油器的综合指标最好，第3种喷油器次之，第2种相对最差。

3 结论

（1）在缸内直喷式汽油机燃油喷射系统设计过程中，CAD模拟设计与样件实物喷射测试都是关键的设计验证措施，缺一不可；

（2）缸内直喷式汽油机燃油喷射系统布置对于燃烧效果的影响很大，包括颗粒物、总碳氢化合物、一氧化碳、氮氧化物、燃烧稳定性与烟度等指标，特别是颗粒物数量与质量；

（3）缸内直喷式汽油机燃油喷射系统布置需匹配燃烧室的整体设计，并同时考虑进排气的设计。

【1】胡军军，黄震，周龙保，等.缸内直喷式汽油机燃烧特性分析［J］.汽车工程，2003，25（6）：550－552.

【2】胡军军.采用两种燃烧模式的缸内直喷式汽油机的排放和性能研究［D］.西安：西安交通大学，2001.

【3】周龙保.内燃机学［M］.北京：机械工业出版社，1999.

Testing and Layout Analysis for a Gasoline Turbo Charge Direct Injection Engine

LIJingdao
（FAW⁃Haima Ltd.，Haikou Hainan 570216，China）

To evaluate the fuel injection performance of a 1.8 L gasoline turbo charge direct injection engine，the fuel injection layout a⁃nalysis and the testing procedure and resultswere elaborated.In order to select the optimal solution，the engine performance and emission tests were conducted.

Gasoline turbo charge direct injection engine；Fuel injection；Layout；Emission

2015－04－19

李经道，学士，工程师，研究方向为发动机性能计算模拟、电喷系统开发等。E⁃mail：Jingdao.Li＠aliyun.com。