关于如何将直喷式汽油机喷油压力提高到50MPa的相关研究方法

降低废气排放是推动全球所有发动机制造商进行深入开发的动力，而提高喷油压力则为显著降低废气排放提供了可能。本文所介绍的Opel公司的试验研究成果表明，喷油压力提高到50 MPa几乎能在整个发动机特性曲线场中实现显著降低颗粒数排放的目标。

1提高喷油压力的效果

在直喷式汽油机上，除了气态排放物之外，排放的颗粒数（PN）也是一项重要的课题。近年来的研究表明，直喷式汽油机的喷油压力已持续提高到目前的20～35 MPa。将喷油压力提升到更高的数值将为降低废气排放带来更大的提升潜力，但是燃油系统的部件及其在发动机和汽车上的集成已被发展到了技术极限，并对未来的开发提出了新的挑战。

2燃油的雾化和蒸发

根据图1所示的作用链，提高喷油压力对燃油喷束效果的提升是非常显著的。不断提高的喷油压力使从喷嘴顶端喷孔喷出的燃油喷束的出口速度更大，因此燃烧室中空气与燃油喷束之间产生了更强烈的剪切力，引起的更大扰动产生了液相与气相之间更为强烈的相互作用，从而改善了燃油的雾化效果。

图1 提高喷油压力对燃油雾化和

混合气准备的效果

特别是大油滴的良好雾化对油滴尺寸谱和蒸发特性是非常有利的。雾化性能试验已表明，更高的燃油喷束动量加大了其在燃烧室中的贯穿距（图2上图），但是在已有的燃油质量情况下不断缩短的喷油时间补偿了这类负面影响（图2下图）。

图2 喷油时间恒定（上图）和

喷油质量恒定（下图）时

在20 MPa、32 MPa和50 MPa

喷油压力下的燃油喷束投影图

除了改善燃油雾化效果之外，更为强烈的涡流加快了周围空气与喷束锥体中饱和燃油蒸气的混合，而且加速了剩余油滴的蒸发。图3所示的喷束计算流体力学（CFD）模拟表明了油滴直径减小与改善混合的综合效果。喷油压力的提高明显改善了油滴的蒸发速率，再加上喷油时间缩短使得燃烧室壁面的润湿现象得以显著减少。

图3 在20、35和50 MPa喷油压力下

单个喷束在喷雾罐静止空气（25 ℃）

中蒸发燃油蒸发份额随时间变化的CFD模拟

提高喷油压力的另一个效果是因为更大的动量使得燃油喷束更为稳定，因此其受进气流的影响较小。图4示出了在进气阶段期间不同喷油压力下的燃油喷射照片，其清晰地表明了这种效果。

图4 在20MPa（左）、35 MPa（中）

和50 MPa（右）不同喷油压力下的

燃油喷射状况

3残留在喷油嘴尖端上的燃油

通过在雾化和蒸发方面产生的有利效果，提高喷油压力还可在喷油器关闭过程期间及后续工作过程中具备更多的优势。在喷油器关闭时刻液相阶段更大的动量使得更多的燃油脱离喷嘴尖端，并且还能减少燃油回流到喷嘴尖端，因此喷油器关闭过程结束后残留在喷嘴尖端的燃油很少。此外，喷嘴内部更大的燃油动量使得喷嘴中的死容积易于排空而使燃油沿着喷油器针阀与阀座之间的密封面喷出。这两种效果共同使得碳烟颗粒形成数量显著减少，以此缓解了“喷嘴尖端积炭”现象，其效果如图5所示。

图5 在20MPa（左）、35 MPa（中）和

50 MPa（右）喷油压力下

因“喷嘴尖端积炭”产生的类似火焰的发光现象

4压力的产生

不言而喻，改善混合气准备和降低颗粒数排放并非是无偿的。为使有效体积流量Qe提高压力Δp所必需的液压功率Phyd可表达为Phyd = Qe×Δp，此外在最终的燃油泵功率估算中还需计入容积效率（ηV）和液压机械损失（ηhm）：Ppunp = Phyd/(ηV×ηhm)。因为燃油泵功率直接由发动机提供，提高喷油压力会降低发动机的输出功率。

在发动机额定功率（85 kW）的运行工况点（5 000 r/min）喷油压力从35 MPa提高到50 MPa的情况下，额外的燃油泵传动功率会使燃油耗增大约0.3%。在低部分负荷范围（2 000r/min,0.2 MPa）内，额外燃油泵传动功率约为30 W，那么在该运行工况点下燃油耗会增大约0.9%。

除了燃油泵在凸轮轴上消耗的扭矩平均值之外，燃油泵循环期间的最高值也是一个重要参数，其对燃油泵的传动方案具有决定性的影响。对于给定的凸轮廓线与燃油泵柱塞直径相组合，最大扭矩几乎是与燃油泵输出压力成正比的，但是对于采用特定传动方案的具体应用场合，柱塞直径与凸轮升程能被优化到输出所容许的最大扭矩。

5采用3缸1.0L基础发动机作为试验载体

本试验研究项目在两种不同的发动机方案上进行，其中一种发动机采用中置喷油器（CI），而另一种发动机则采用侧置喷油器（SI）。这两种发动机以3缸1.0 L-SGE（小型汽油机）增压发动机（表1）为基础，这种发动机被搭载于Adam、Corsa和Astra轿车系列，并多次在其他研究项目中用于试验，其中CI发动机是一种量产机型，仅对其喷油系统进行了调整，下文将对此作详细介绍。

针对SI发动机的调整首先需将喷油器安装在两个进气门之间的侧面位置，并相应匹配设计了燃油喷束，而火花塞则布置于燃烧室顶部空间的中间位置，此外进气道和活塞设计需与燃烧过程相匹配。

表1 1.0 L-SGE 基础发动机特性数据

1.0 L-Ecotech 涡轮增压直喷式汽油机
项目	参数
气门传动机构	4气门，双顶置凸轮轴，进排气门可变气门定时，
排量/L	0.999
最大扭矩/（N·m）	165（1 800～4 500 r/min）
最大功率/kW	85（5 000～6 000 r/min）
缸径/mm	74.0
行程/mm	77.4

6喷油系统

用于SI和CI发动机的喷油系统及相关部件如图6所示。这两种喷油系统除了与用途密切相关的燃油喷束设计之外，所采用的喷油器是同一种，其分别与各自的燃烧室几何形状和进气道流动状况相匹配。

图6 CI（左）和SI（右）喷油系统及其相关部件：油泵（a）、滚轮挺柱（b）、凸轮轴（c）、共轨（d）、PRV（e）、喷油器（f）、火花塞（g）和燃油喷束（h）

大陆公司的GHPi燃油泵能提供高达50 MPa的喷油压力，它是由凸轮轴驱动的柴油泵的一种高级优质改型泵。因为该类燃油泵结构包含将多余燃油排入低压侧的非整体式阀门，并将一个外部的压力调节阀（PRV）集成到系统中，燃油泵、燃油共轨、PRV和喷油器之间的所有连接管都是通过螺母紧固金属密封的标准柴油管。

为了承受住不断提高的液力负荷以及确保在系统压力高于35 MPa的情况下使结构保持完善，为此应用了量产的锻钢柴油共轨，并且在共轨中插装了进出油隔板，以便减小系统中的压力波动。由大陆公司生产的测量范围高达60 MPa的传感器能有效测量系统燃油压力。

所应用的大陆公司的XL5-35HP喷油器可通过各自的导管与燃油共轨相连接，以便能应用于CI和SI发动机。这些电磁阀式喷油器目前以用于3缸和4缸量产发动机的XL5-35HP喷油嘴为基础，喷油压力高达50 MPa的喷油器由针阀传动机构的“随意升程”方案进行控制。根据伯努利定律，该类喷油器的稳态流量相比量产方案已有所减小，在规定的喷射持续期情况下，50 MPa时的喷油质量与目前用于35 MPa-SGE发动机的喷油器相同。

7系统集成的挑战

为了提高未来投产后的耐久性，系统中的一些部件需得以进一步开发，以确保对现有设计、制造和维修保养等方面的影响降至最小。

在喷油压力提高后燃油泵及其由滚轮挺柱和凸轮轴的传动需考虑到某些方面，为实现更高的喷油压力必然会增大滚轮挺柱和凸轮之间的表面压力，并在气门传动机构中产生了更大力矩。避免气门传动机构出现问题的一种可能性是将燃油泵位置移至附加的传动轴上，但是该类措施可能会引起结构空间方面的问题并导致发动机整机质量的增加。

若能减小燃油泵柱塞力的话，则在喷油压力提高的情况下使燃油泵的安装位置依然保持在气门传动机构上。柱塞直径从8 mm减小到6.5 mm就能使50 MPa与35 MPa时的柱塞力相近，而通过将柱塞升程从4 mm增大到6 mm即可使最大供油量保持不变。因为平均驱动扭矩会随柱塞升程的增大而随之提升，同时已附带调整了凸轮廓线，以便将扭矩峰值降至最低。

在燃油共轨内部，逐渐提高的燃油压力所产生的应力已达到了焊接材料的强度极限，因而要求其使用锻钢共轨。生产工艺的变化对生产布局、储备时间和生产厂址的灵活性有较大的影响，因此需在开发过程中予以考虑，同时锻钢共轨也带来了允差方面的优势以及具有例如提高刚度等方面的设计特点，以此会对噪声和振动的开发产生正面效果。

系统燃油压力提升后需重点注意高压回路的密封。当今常用的O形圈密封仅是用于最高压力为35 MPa条件下的一种技术方案，而众所周知的柴油机所使用的螺母紧固金属密封可承受超过200 MPa的压力负荷，因此该类密封方案未来也可应用于直喷式汽油机。

8提高喷油压力对颗粒排放及尺寸的影响

上文所述的效果能显著降低颗粒数排放。图7示出了具有代表性的2 000 r/min和0.7 MPa（pme）运行工况点的情况。左图示出的是采用先进的AVL 489颗粒计数器采集的颗粒数排放与燃油压力的关系。显然，采用35 MPa的喷油压力就能使颗粒数排放显著降低，而将喷油压力进一步提高到50 MPa即可继续获得显著的提升潜力。

图7 提高喷油压力对颗粒数排放（左）及其颗粒尺寸分布（右）的影响

喷油压力从20 MPa提高到50 MPa对颗粒尺寸分布的影响如图7右图所示。该类数据是采用供燃烧分析使用的能识别最小颗粒尺寸为5 nm的DMS 500快速颗粒分析仪采集的，并统一以20 MPa曲线的最大值为基准来计算相对颗粒浓度。除了由曲线下方面积所表示的颗粒数总体减少之外，从这张图线中曲线形状所示的浓度即可清楚地看出提高喷油压力的第二种效果。从20 MPa开始，该数据显示出了一种具有25 nm和100 nm的双峰分布模式。100 nm的范围会随着喷油压力的提高明显减小，以此可燃混合气准备的改善（见图4）和“喷嘴尖端积炭”的减少（见图5）大幅减少了大颗粒的形成，这对于减少排放的颗粒质量有明显的效果，同时尺寸在25 nm左右的颗粒数也有所减少，该现象表明全范围内低至5 nm颗粒尺寸的数目均有所减少。

9稳态运行工况点和燃油耗影响

基于针对喷油始点（SOI）优化的标定，两种发动机的整个特性曲线场可在所有的稳态运行工况点进行35 MPa和50 MPa颗粒数的排放性试验。图8中的试验结果表明了提高喷油压力以降低颗粒数排放的效果，其中上图为SI发动机的试验结果，下图为CI发动机的试验结果。喷油压力提高到50 MPa后几乎可在整个特性曲线场中显著降低颗粒数排放，其中每种情况下降低颗粒数排放的峰值约在60%，即使在高转速高负荷情况下其优势也是较为显著的，仅在低转速低负荷的小范围内提高喷油压力后并未显示出在颗粒数排放方面的优势，因为在该范围内于35 MPa时的废气排放已处于较低的水平。

图8 SI和CI发动机喷油压力从35 MPa提高到

50 MPa后稳态运行条件下颗粒数排放的降低

总体而言，提高喷油压力对有效比燃油耗（BSFC）的影响通常较小，它处于燃油效率的测量精度范围内，各种运行工况点的最大有效比燃油耗缺陷局部大约会超过1%，这些精度范围处于较高负荷直至全负荷。在这次试验中尚未发现在稳态运行条件下出现明显的燃油耗缺陷。

10总结

本文详细分析了增压直喷式汽油机喷油压力提高到50 MPa后的运行效果，针对技术挑战的分析概括了开发过程中所需采取的相关步骤，而在量产开发方面并未遇到技术挑战，但是尚无法排除在发动机设计方面会有所调整。

喷油器采用侧置或中置的发动机试验研究均表明，喷油压力从35 MPa提高到50 MPa在降低炭烟颗粒排放方面具有显著的效果，两种喷油器位置在某些运行工况点的颗粒数排放的降低幅度均可降低超过60%，而通过减少大颗粒的形成数量还能降低颗粒排放，除此之外尚存的问题是燃油耗随之提升，该现象归因于喷油压力提高后混合气准备过程的改善以及由此提高的燃油效率，其补偿了燃油泵驱动功率的增加。

目前市场上所使用的35 MPa喷油系统已充分利用了提高喷油压力以降低颗粒数排放的大部分开发潜力。正如本文所述，更高的喷油压力还可大幅降低颗粒数排放。当前，发动机技术的发展受到电气化和汽油颗粒捕集器的影响，但却会因此提高成本和复杂性，但是目前采用50 MPa燃油系统并非用作改善成本效益的解决方案而是用于降低颗粒数排放。法规边界条件的进一步严格化与发动机废气后处理的复杂化可能会成为日后发展的焦点所在，而对原始废气中颗粒数与整机技术费用之间进行的权衡表明,未来有必要进一步提高喷油压力。

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