增壓直噴汽油機(jī)冷起過程碳?xì)渑欧庞绊懸蛩卦囼炑芯?/h1>
2014-03-04 09:12:18劉亞奇高定偉劉國軍蘇艷君
車用發(fā)動機(jī) 2014年3期 關(guān)鍵詞：發(fā)動機(jī)影響
劉亞奇，劉 剛，高定偉，劉國軍，蘇艷君
（1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北 保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071000）
隨著全球經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，汽車保有量急劇增加，但能源也在不斷枯竭，環(huán)境污染不斷加重。為了應(yīng)對日益嚴(yán)格的整車排放法規(guī)，人們對未來車用發(fā)動機(jī)性能及開發(fā)提出了更多的要求。增壓直噴發(fā)動機(jī)冷起動過程的HC排放在整個運(yùn)行工況的HC排放中占有很大比例，這主要是因為冷起動過程中三元催化器的作用還沒有發(fā)揮［1－2］。研究發(fā)現(xiàn)，汽油機(jī)冷起動的平均HC排放是熱怠速時的8～13倍，占到總測試循環(huán)HC排放的60%～80%［3］。因此，有效控制冷起動的HC排放，是發(fā)動機(jī)循環(huán)運(yùn)行HC排放值不超標(biāo)的關(guān)鍵途徑。
本研究主要針對冷起動的特點(diǎn)，基于發(fā)動機(jī)試驗臺架進(jìn)行空燃比、點(diǎn)火策略、配氣相位、噴油策略等因素對HC排放影響測試，并利用仿真分析，研究以上因素對發(fā)動機(jī)冷啟過程瞬時最大HC排放影響程度，為后期發(fā)動機(jī)搭載整車滿足NEDC循環(huán)工況下HC排放法規(guī)要求提供參考。
1 臺架測試系統(tǒng)與研究對象
發(fā)動機(jī)臺架測試系統(tǒng)見圖1。臺架測試系統(tǒng)主要包括AVL電渦流測功機(jī)、IndiModul 621燃燒分析儀、AVL 439煙度計、HORIBA排放分析儀、缸內(nèi)直噴增壓發(fā)動機(jī)及電控系統(tǒng)等。主要測試數(shù)據(jù)包括發(fā)動機(jī)性能和燃燒數(shù)據(jù)、瞬態(tài)HC排放、中冷前后溫度和壓力、渦輪機(jī)前后溫度和壓力、三元催化器溫度等。試驗要求冷起動前需要發(fā)動機(jī)本體冷態(tài)均勻，環(huán)境溫度20℃，HC排放測試按瞬態(tài)進(jìn)行。
本研究采用一款2.0L排量渦輪增壓直噴汽油發(fā)動機(jī)，其主要技術(shù)規(guī)格見表1。該發(fā)動機(jī)具有標(biāo)定功率高、燃油經(jīng)濟(jì)性好、本體緊湊、強(qiáng)度高等特點(diǎn)。為了達(dá)到高性能設(shè)計目標(biāo)，發(fā)動機(jī)采用了進(jìn)排氣DVVT技術(shù)。
表1 發(fā)動機(jī)主要技術(shù)規(guī)格
結(jié)合該渦輪增壓直噴汽油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，應(yīng)用商用軟件建立一維熱力學(xué)計算模型（見圖2），用以輔助分析冷起動工況下配氣相位與缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)的關(guān)系。
2 試驗與仿真分析
2.1 整車狀態(tài)冷起動過程HC排放水平分析
發(fā)動機(jī)冷起動過程影響HC產(chǎn)生的因素很多。冷起動工況混合氣低溫反應(yīng)能量較小，反應(yīng)物化學(xué)鍵難以斷裂，缸內(nèi)燃燒非常不穩(wěn)定，產(chǎn)生較多需要進(jìn)一步氧化的自由基；起動過程噴油器噴射壓力較低，霧化效果差，加重了燃燒過程自由基的產(chǎn)生；較高的標(biāo)定功率需要匹配更大的靜態(tài)噴油器，小負(fù)荷霧化效果差進(jìn)一步加重；同時，較厚的壁面激冷層產(chǎn)生的淬息作用阻礙火焰的傳播，使HC排放大大增加。為準(zhǔn)確研究發(fā)動機(jī)臺架測試的工作過程，首先分析NEDC工況整車在轉(zhuǎn)轂試驗臺架的HC排放情況，以確定后期須重點(diǎn)研究的工況。圖3示出整車轉(zhuǎn)轂試驗臺架上NEDC循環(huán)工況下采集的HC排放。試驗結(jié)果表明，冷起動前幾個循環(huán)的HC排放值最大，達(dá)到了10000×10－6，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1400r／min、節(jié)氣門開度為10%時的HC瞬時排放最大。
2.2 空燃比對HC排放的影響
汽油燃燒過程滯燃期的長短受空燃比影響，空燃比接近理論空燃比且混合氣微濃時，即空燃比為13.5～14時，燃燒滯燃期最短，燃燒最好，火焰溫度也最高［4］。在進(jìn)行空燃比的研究時，確定燃油噴射在壓縮沖程且為單次噴射，點(diǎn)火提前角為上止點(diǎn)前5°，試驗結(jié)果見圖4。冷起過程HC排放的最大值為7750×10－6，此時對應(yīng)空燃比為9.5，空燃比接近理論空燃比時，瞬時最大HC排放為4960×10－6；空燃比從9.5變化到12.5時，瞬時最大HC排放下降迅速，這主要是因為濃的混合氣將產(chǎn)生更多的中間自由基，且過量的噴油也導(dǎo)致缸內(nèi)溫度下降明顯，使HC生成急劇增多；當(dāng)空燃比變大時，燃燒溫度升高，中間自由基在燃燒后期大量氧化，有效降低了HC排放。空燃比從12.5到14.5的過程中，HC排放下降并不十分明顯，主要是因為當(dāng)空燃比接近14.5時，燃燒室內(nèi)的混合氣已經(jīng)達(dá)到了適宜燃燒的理論空燃比附近，燃燒完全，HC生成少。
2.3 點(diǎn)火時刻對HC排放的影響
火花塞點(diǎn)火時的缸內(nèi)混合氣溫度和壓力決定了燃燒過程滯燃期的長短，點(diǎn)火時混合氣溫度和壓力越高，滯燃期越短，著火后混合氣燃燒越穩(wěn)定且燃燒溫度越高，HC排放越低。本次試驗研究的點(diǎn)火提前角設(shè)為上止點(diǎn)前5°和10°。試驗結(jié)果顯示，當(dāng)點(diǎn)火提前角為上止點(diǎn)前5°時，瞬時最大 HC排放為4960×10－6，當(dāng)點(diǎn)火提前角為上止點(diǎn)前10°時，瞬時最大HC排放為3937×10－6。這是因為點(diǎn)火越早，燃燒過程越接近于壓縮上止點(diǎn)，溫度和壓力越高，50%已燃質(zhì)量分?jǐn)?shù)對應(yīng)的燃燒更接近于等容燃燒，熱效率越高［5］。但在整車排放標(biāo)定時，往往將點(diǎn)火提前角設(shè)置在點(diǎn)火上止點(diǎn)后，目的是實(shí)現(xiàn)后燃提高排氣溫度，使三元催化器快速起燃，這與本次試驗的結(jié)果呈現(xiàn)不同結(jié)論，主要原因在于本次試驗是考察發(fā)動機(jī)的原始排放，這說明在整車排放標(biāo)定過程需要折中考慮HC原始排放與三元催化器快速起燃的矛盾。
2.4 缸內(nèi)殘余廢氣對HC排放的影響
缸內(nèi)殘余廢氣對燃燒火焰?zhèn)鞑?、燃燒穩(wěn)定性及排放有很大影響［6］，研究缸內(nèi)殘余廢氣的影響對實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)的起動、穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)運(yùn)行的穩(wěn)定控制很有必要。燃燒過程中由于廢氣會加劇褶皺作用，已燃廢氣將未燃混合氣包圍而降低燃燒速率，使燃燒的溫度和壓力降低，將促進(jìn)缸內(nèi)HC排放的升高。本試驗采用3個方案，分別為進(jìn)氣凸輪軸安裝角不變、排氣凸輪軸安裝角提前與滯后15°，具體配氣方案見表2。
表2 進(jìn)排氣配氣方案
利用熱力學(xué)計算模型分析了發(fā)動機(jī)瞬時最大HC排放對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)工況點(diǎn)，即轉(zhuǎn)速1400r／min，節(jié)氣門開度10%的工況，從而得到缸內(nèi)的殘余廢氣系數(shù)（見如5）。當(dāng)固定進(jìn)氣凸輪軸安裝角時，排氣凸輪軸安裝角提前意味著缸內(nèi)廢氣排出不完全，排氣凸輪軸安裝角滯后意味著進(jìn)排氣重疊角增大，排氣道廢氣倒流，即排氣凸輪軸安裝相位提前或滯后均會增加缸內(nèi)殘余廢氣，故存在一個最小的殘余廢氣值。
對表2所列3個方案進(jìn)行試驗，試驗過程空燃比為12.5，燃油噴射時刻在壓縮沖程，且為單次噴射，點(diǎn)火提前角為上止點(diǎn)前10°，HC排放結(jié)果見圖6。
從圖6可以看出，隨著殘余廢氣系數(shù)的增加，冷起動瞬時最大HC排放逐漸升高，殘余廢氣系數(shù)最低時為初始狀態(tài)，此時瞬時最大HC排放為3937×10－6。
2.5 噴油策略對HC排放的影響
噴油策略的影響主要體現(xiàn)在是否實(shí)現(xiàn)了混合氣的均勻混合及是否有效減少燃油碰壁［7］。本次研究的燃油噴射策略包括噴油壓力和噴油提前角對HC排放的影響。噴油壓力由原來的10MPa改為5.5MPa，瞬時最大 HC排放由3937×10－6減低到3539×10－6，這主要因為噴射壓力降低縮短了燃油噴射貫穿距，減少了碰壁的可能性，但這樣會導(dǎo)致噴霧的索特直徑變大，不利于霧化，HC排放減少說明燃油碰壁是主要影響因素。
表3列出噴射時刻對發(fā)動機(jī)臺架HC排放瞬時最大值的影響。數(shù)據(jù)顯示，在壓縮沖程進(jìn)行單次噴射，冷起動過程瞬時最大HC排放最優(yōu)，而采用單次在進(jìn)氣沖程噴射時，瞬時最大HC排放最差，而在進(jìn)氣與壓縮沖程采用二次噴射，對HC排放的最大值影響有限。圖7示出最優(yōu)的HC排放隨冷起動過程的變化。由圖7可看出，冷起動階段瞬時最大HC排放值為3539×10－6。值得注意的是，在HC排放穩(wěn)定后，其值仍然比較高，但整車三元催化器已經(jīng)啟動，無需考慮該階段HC排放的具體變化。
表3 噴油時刻對HC排放的影響
3 結(jié)束語
結(jié)合發(fā)動機(jī)試驗臺架與模擬仿真，分析了發(fā)動機(jī)冷起動過程HC排放特性，結(jié)果表明，冷起動過程發(fā)動機(jī)空燃比、點(diǎn)火策略、缸內(nèi)殘余廢氣、噴油策略等因素對冷起動前期瞬時最大HC排放有一定影響，排除試驗誤差的影響，可以確定較稀的混合氣、提前點(diǎn)火、較少的缸內(nèi)殘余廢氣和適當(dāng)?shù)膰娪筒呗跃梢允顾矔r最大HC排放減小，這為后期整車滿足HC排放法規(guī)提供了重要的參考。
［1］Bandel W，F(xiàn)raidl G K，Kapus P E，et al.The Turbocharged GDI Engine：Boosted Synergies for High Fuel Economy Plus Ultra－low Emission［C］.SAE Paper 2006－01－1266.
［2］John E Kirwan，Mark Shost.3－Cylinder Turbocharged Gasoline Direct Injection：A High Value Solution for Low CO2and NOxEmissions［C］.SAE Paper 2010－01－0590.
［3］張錫朝，楊 濱.汽油機(jī)冷啟動過程中的 HC排放［J］.山東內(nèi)燃機(jī)，2003（4）：29－31.
［4］蔣德明.高等車用內(nèi)燃機(jī)原理［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2006
［5］Christoph Dahnz，Kyung－Man Han，Ulrich Spicher.Investigations on Pre－Ignition in Highly Supercharged SI Engines［C］.SAE Paper 2010－01－0355.
［6］Vaibhav Kale.Development of an Improved Residuals Estimation Model for Dual Independent Cam Phasing Spark－Ignition Engines［C］.SAE Paper 2013－01－0312.
［7］Schwarz Ch，Schünemann E，Durst B，et al.Potentials of the Spray－Guided BMW DI CombustionSystem［C］.SAE Paper 2006－01－1265.
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隨著全球經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，汽車保有量急劇增加，但能源也在不斷枯竭，環(huán)境污染不斷加重。為了應(yīng)對日益嚴(yán)格的整車排放法規(guī)，人們對未來車用發(fā)動機(jī)性能及開發(fā)提出了更多的要求。增壓直噴發(fā)動機(jī)冷起動過程的HC排放在整個運(yùn)行工況的HC排放中占有很大比例，這主要是因為冷起動過程中三元催化器的作用還沒有發(fā)揮［1－2］。研究發(fā)現(xiàn)，汽油機(jī)冷起動的平均HC排放是熱怠速時的8～13倍，占到總測試循環(huán)HC排放的60%～80%［3］。因此，有效控制冷起動的HC排放，是發(fā)動機(jī)循環(huán)運(yùn)行HC排放值不超標(biāo)的關(guān)鍵途徑。
本研究主要針對冷起動的特點(diǎn)，基于發(fā)動機(jī)試驗臺架進(jìn)行空燃比、點(diǎn)火策略、配氣相位、噴油策略等因素對HC排放影響測試，并利用仿真分析，研究以上因素對發(fā)動機(jī)冷啟過程瞬時最大HC排放影響程度，為后期發(fā)動機(jī)搭載整車滿足NEDC循環(huán)工況下HC排放法規(guī)要求提供參考。
1 臺架測試系統(tǒng)與研究對象
發(fā)動機(jī)臺架測試系統(tǒng)見圖1。臺架測試系統(tǒng)主要包括AVL電渦流測功機(jī)、IndiModul 621燃燒分析儀、AVL 439煙度計、HORIBA排放分析儀、缸內(nèi)直噴增壓發(fā)動機(jī)及電控系統(tǒng)等。主要測試數(shù)據(jù)包括發(fā)動機(jī)性能和燃燒數(shù)據(jù)、瞬態(tài)HC排放、中冷前后溫度和壓力、渦輪機(jī)前后溫度和壓力、三元催化器溫度等。試驗要求冷起動前需要發(fā)動機(jī)本體冷態(tài)均勻，環(huán)境溫度20℃，HC排放測試按瞬態(tài)進(jìn)行。
本研究采用一款2.0L排量渦輪增壓直噴汽油發(fā)動機(jī)，其主要技術(shù)規(guī)格見表1。該發(fā)動機(jī)具有標(biāo)定功率高、燃油經(jīng)濟(jì)性好、本體緊湊、強(qiáng)度高等特點(diǎn)。為了達(dá)到高性能設(shè)計目標(biāo)，發(fā)動機(jī)采用了進(jìn)排氣DVVT技術(shù)。
表1 發(fā)動機(jī)主要技術(shù)規(guī)格
結(jié)合該渦輪增壓直噴汽油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，應(yīng)用商用軟件建立一維熱力學(xué)計算模型（見圖2），用以輔助分析冷起動工況下配氣相位與缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)的關(guān)系。
2 試驗與仿真分析
2.1 整車狀態(tài)冷起動過程HC排放水平分析
發(fā)動機(jī)冷起動過程影響HC產(chǎn)生的因素很多。冷起動工況混合氣低溫反應(yīng)能量較小，反應(yīng)物化學(xué)鍵難以斷裂，缸內(nèi)燃燒非常不穩(wěn)定，產(chǎn)生較多需要進(jìn)一步氧化的自由基；起動過程噴油器噴射壓力較低，霧化效果差，加重了燃燒過程自由基的產(chǎn)生；較高的標(biāo)定功率需要匹配更大的靜態(tài)噴油器，小負(fù)荷霧化效果差進(jìn)一步加重；同時，較厚的壁面激冷層產(chǎn)生的淬息作用阻礙火焰的傳播，使HC排放大大增加。為準(zhǔn)確研究發(fā)動機(jī)臺架測試的工作過程，首先分析NEDC工況整車在轉(zhuǎn)轂試驗臺架的HC排放情況，以確定后期須重點(diǎn)研究的工況。圖3示出整車轉(zhuǎn)轂試驗臺架上NEDC循環(huán)工況下采集的HC排放。試驗結(jié)果表明，冷起動前幾個循環(huán)的HC排放值最大，達(dá)到了10000×10－6，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1400r／min、節(jié)氣門開度為10%時的HC瞬時排放最大。
2.2 空燃比對HC排放的影響
汽油燃燒過程滯燃期的長短受空燃比影響，空燃比接近理論空燃比且混合氣微濃時，即空燃比為13.5～14時，燃燒滯燃期最短，燃燒最好，火焰溫度也最高［4］。在進(jìn)行空燃比的研究時，確定燃油噴射在壓縮沖程且為單次噴射，點(diǎn)火提前角為上止點(diǎn)前5°，試驗結(jié)果見圖4。冷起過程HC排放的最大值為7750×10－6，此時對應(yīng)空燃比為9.5，空燃比接近理論空燃比時，瞬時最大HC排放為4960×10－6；空燃比從9.5變化到12.5時，瞬時最大HC排放下降迅速，這主要是因為濃的混合氣將產(chǎn)生更多的中間自由基，且過量的噴油也導(dǎo)致缸內(nèi)溫度下降明顯，使HC生成急劇增多；當(dāng)空燃比變大時，燃燒溫度升高，中間自由基在燃燒后期大量氧化，有效降低了HC排放。空燃比從12.5到14.5的過程中，HC排放下降并不十分明顯，主要是因為當(dāng)空燃比接近14.5時，燃燒室內(nèi)的混合氣已經(jīng)達(dá)到了適宜燃燒的理論空燃比附近，燃燒完全，HC生成少。
2.3 點(diǎn)火時刻對HC排放的影響
火花塞點(diǎn)火時的缸內(nèi)混合氣溫度和壓力決定了燃燒過程滯燃期的長短，點(diǎn)火時混合氣溫度和壓力越高，滯燃期越短，著火后混合氣燃燒越穩(wěn)定且燃燒溫度越高，HC排放越低。本次試驗研究的點(diǎn)火提前角設(shè)為上止點(diǎn)前5°和10°。試驗結(jié)果顯示，當(dāng)點(diǎn)火提前角為上止點(diǎn)前5°時，瞬時最大 HC排放為4960×10－6，當(dāng)點(diǎn)火提前角為上止點(diǎn)前10°時，瞬時最大HC排放為3937×10－6。這是因為點(diǎn)火越早，燃燒過程越接近于壓縮上止點(diǎn)，溫度和壓力越高，50%已燃質(zhì)量分?jǐn)?shù)對應(yīng)的燃燒更接近于等容燃燒，熱效率越高［5］。但在整車排放標(biāo)定時，往往將點(diǎn)火提前角設(shè)置在點(diǎn)火上止點(diǎn)后，目的是實(shí)現(xiàn)后燃提高排氣溫度，使三元催化器快速起燃，這與本次試驗的結(jié)果呈現(xiàn)不同結(jié)論，主要原因在于本次試驗是考察發(fā)動機(jī)的原始排放，這說明在整車排放標(biāo)定過程需要折中考慮HC原始排放與三元催化器快速起燃的矛盾。
2.4 缸內(nèi)殘余廢氣對HC排放的影響
缸內(nèi)殘余廢氣對燃燒火焰?zhèn)鞑?、燃燒穩(wěn)定性及排放有很大影響［6］，研究缸內(nèi)殘余廢氣的影響對實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)的起動、穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)運(yùn)行的穩(wěn)定控制很有必要。燃燒過程中由于廢氣會加劇褶皺作用，已燃廢氣將未燃混合氣包圍而降低燃燒速率，使燃燒的溫度和壓力降低，將促進(jìn)缸內(nèi)HC排放的升高。本試驗采用3個方案，分別為進(jìn)氣凸輪軸安裝角不變、排氣凸輪軸安裝角提前與滯后15°，具體配氣方案見表2。
表2 進(jìn)排氣配氣方案
利用熱力學(xué)計算模型分析了發(fā)動機(jī)瞬時最大HC排放對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)工況點(diǎn)，即轉(zhuǎn)速1400r／min，節(jié)氣門開度10%的工況，從而得到缸內(nèi)的殘余廢氣系數(shù)（見如5）。當(dāng)固定進(jìn)氣凸輪軸安裝角時，排氣凸輪軸安裝角提前意味著缸內(nèi)廢氣排出不完全，排氣凸輪軸安裝角滯后意味著進(jìn)排氣重疊角增大，排氣道廢氣倒流，即排氣凸輪軸安裝相位提前或滯后均會增加缸內(nèi)殘余廢氣，故存在一個最小的殘余廢氣值。
對表2所列3個方案進(jìn)行試驗，試驗過程空燃比為12.5，燃油噴射時刻在壓縮沖程，且為單次噴射，點(diǎn)火提前角為上止點(diǎn)前10°，HC排放結(jié)果見圖6。
從圖6可以看出，隨著殘余廢氣系數(shù)的增加，冷起動瞬時最大HC排放逐漸升高，殘余廢氣系數(shù)最低時為初始狀態(tài)，此時瞬時最大HC排放為3937×10－6。
2.5 噴油策略對HC排放的影響
噴油策略的影響主要體現(xiàn)在是否實(shí)現(xiàn)了混合氣的均勻混合及是否有效減少燃油碰壁［7］。本次研究的燃油噴射策略包括噴油壓力和噴油提前角對HC排放的影響。噴油壓力由原來的10MPa改為5.5MPa，瞬時最大 HC排放由3937×10－6減低到3539×10－6，這主要因為噴射壓力降低縮短了燃油噴射貫穿距，減少了碰壁的可能性，但這樣會導(dǎo)致噴霧的索特直徑變大，不利于霧化，HC排放減少說明燃油碰壁是主要影響因素。
表3列出噴射時刻對發(fā)動機(jī)臺架HC排放瞬時最大值的影響。數(shù)據(jù)顯示，在壓縮沖程進(jìn)行單次噴射，冷起動過程瞬時最大HC排放最優(yōu)，而采用單次在進(jìn)氣沖程噴射時，瞬時最大HC排放最差，而在進(jìn)氣與壓縮沖程采用二次噴射，對HC排放的最大值影響有限。圖7示出最優(yōu)的HC排放隨冷起動過程的變化。由圖7可看出，冷起動階段瞬時最大HC排放值為3539×10－6。值得注意的是，在HC排放穩(wěn)定后，其值仍然比較高，但整車三元催化器已經(jīng)啟動，無需考慮該階段HC排放的具體變化。
表3 噴油時刻對HC排放的影響
3 結(jié)束語
結(jié)合發(fā)動機(jī)試驗臺架與模擬仿真，分析了發(fā)動機(jī)冷起動過程HC排放特性，結(jié)果表明，冷起動過程發(fā)動機(jī)空燃比、點(diǎn)火策略、缸內(nèi)殘余廢氣、噴油策略等因素對冷起動前期瞬時最大HC排放有一定影響，排除試驗誤差的影響，可以確定較稀的混合氣、提前點(diǎn)火、較少的缸內(nèi)殘余廢氣和適當(dāng)?shù)膰娪筒呗跃梢允顾矔r最大HC排放減小，這為后期整車滿足HC排放法規(guī)提供了重要的參考。
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