實際行駛條件下顆粒物形成的影響因素

【德】　J.Hadler　C.Lensch-Franzen　M.Gohl　T.Mink

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試驗研究

實際行駛條件下顆粒物形成的影響因素

【德】J.HadlerC.Lensch-FranzenM.GohlT.Mink

全球未來的廢氣排放法規對動力裝置的開發，特別是在實際行駛條件下對降低廢氣排放提出了挑戰。為了達到這個目標，不僅必須要有合適的開發方法，而且還要應用動態測量技術，以及詳細了解物理現象和機理。以APL公司增壓缸內直噴汽油機燃燒過程為例介紹顆粒物排放的優化。

1　運行條件的總體分析

隨著歐6c廢氣排放法規的實施，除了碳氫化合物(HC)、CO、氮氧化合物(NOx)和碳煙顆粒物之外，特別是在缸內直噴汽油機情況下，降低顆粒數排放也成為關注的焦點。與新歐洲行駛循環(NEDC)不同，在全球統一輕型車試驗循環(WLTC)和實際行駛廢氣排放(RDE)邊界條件下(圖1)，不僅轉速和負荷范圍擴大，在瞬態階段的要求更加苛刻[1]。為了針對法規規定及其廢氣排放重點來評估RDE道路行駛狀況，已開發了1種以模型為基礎的試驗臺環境[2]。

圖1　發動機特性曲線場中的行駛循環和標準梯度

為了優化動力性能和負荷下的移動對系統狀況進行了考察，形成了綜合行駛工況譜下的設計方案(圖2)。考慮到要進行實際行駛數據評估和發動機穩態及動態基本測量，推導出了用于開發的行駛循環。

如圖2所示，顆粒物排放特性曲線場是原始基礎，通過穩態試驗查明運行工況點，再根據實際行駛數據按照汽車行駛狀況分析(VOCA)方法[3]設計具有代表性的行駛工況圖譜。在Fraunhofer化學技術研究所項目組的新驅動系統中，使用駕車者、汽車和行駛環境方法[4]對統計學分析進行了進一步開發，并且可以在任何發動機上與燃燒過程和外圍設備進行標定。

圖2(c)示出了行駛工況圖譜，表示了在整個轉速范圍內扭矩持續時間的分布狀況。通過統計學分析從該工況圖譜中精選出頻繁行駛的轉速和負荷平臺及其梯度，并在考慮到全負荷曲線的情況下進行標準化。將具有代表性的運行工況點變化與給定發動機的全負荷值聯系起來，并借助于自行開發的算法轉換成試驗臺規范。

綜合行駛工況譜考慮到動態和穩態運行中處于NEDC、RDE邊界條件下的車輛行駛狀況。在此基礎上就能推導出影響參數，以及檢驗和評估方案。

2　顆粒形成的機理

優化措施的前提條件是要詳細了解HC進入燃燒室并產生碳煙的過程(圖3)。碳煙的形成是從微小的碳個體形成顆粒開始的，然后進一步增長成碳煙核心，在凝結和聚集時顆粒數減少且質量增大，而氧化則可能使碳煙份額減少。為了檢測單個工作循環期間的這種現象，光學測量技術采用了所謂的“雙色法”。

這種形成和氧化過程與氧含量、溫度和壓力等局部的邊界條件有關，并且決定了HC的來源，以及進入燃燒室的時間點和地點。HC除了受到噴油系統影響之外，在使用期間還必須考慮到機油進入燃燒室的附加來源。潤滑劑可能會通過氣門桿和渦輪增壓器的密封裝置進入燃燒室，而活塞組附加的機油排放則取決于壁面油膜的蒸發、慣性離心分離作用，以及氣體動力學效應。在混合氣形成時，燃油與潤滑油之間的相互作用會導致壁面油膜范圍內火力岸和活塞環區潤滑劑成分的變化。

圖2　根據基本測量設計的開發行駛循環

圖3　燃燒室中HC進入和顆粒物形成的機理

3　影響參數及其復雜的相互作用的優化

顆粒數和顆粒物受到眾多相互作用的參數影響，并對未燃HC進入燃燒室和顆粒物形成及氧化產生一定的影響(圖4)。

在混合氣形成時，噴油系統包括燃油、噴油器噴嘴幾何形狀和噴油壓力起著決定性的作用[5]。零件潤濕特別是表面溫度低是顆粒物排放增加的重要原因，考慮到諸如間接充量擾動動能、行程/缸徑比和流動狀況(滾流)等眾多混合氣形成參數情況下，根據噴油器特性優化噴油策略，將噴油過程分成多次噴油脈沖，有助于減小燃油噴束的貫穿深度，從而有助于避免燃油噴束與零件之間可能發生的相互作用。在這方面，噴油系統的最小噴油量和靠近點火火花的噴射對噴油器的制造工藝和控制提出了更高的要求。

活塞、活塞環和氣缸體曲軸箱等各種機械零部件的設計，以及潤滑油規格對潤滑劑進入燃燒室的份額具有決定性的影響[6]。在實際運行條件下，如果要減小氣缸變形以改善燃燒室的密封性，要考慮到用氣缸蓋壓緊氣缸體曲軸箱，以及發動機運行期間的熱應力。發動機的運行狀況對工作機械產生重大影響，因而也影響到機油消耗量，其中發動機的動態運行可能會導致機油排放和顆粒物的形成顯著增加[7]。

4　借助于統計學試驗計劃優化實際使用時的顆粒物排放

從RDE行駛循環角度來看，運行邊界條件要明

顯復雜得多，因而針對整個特性曲線場范圍內的顆粒物排放，需要特別關注噴油和混合氣形成參數應用的課題。應用統計學試驗計劃能使這種內容廣泛的優化工作節省時間和降低成本。通常，這種方法可分成制定試驗計劃、測量、形成模型和優化/驗證等幾個步驟。在實施試驗計劃的過程中，應通過仔細的系統分析來鑒定潛在的影響參數，例如燃油壓力、空燃比、點火時刻、噴油量、噴油方位和霧化品質，以及進排氣凸輪軸的配氣正時等。在理想情況下，每個影響參數都有1種目標量值的特定關系，以及可能的影響參數特定關系的相互作用。

圖5(a)示出了用于全要素試驗的噴油起始點、燃油壓力和空燃比等參數的試驗范圍。這消耗了很多的試驗時間，通過軟件查明了所有的參數組合，它們對于表達內在關系具有重要作用。借助于數學回歸模型來描述這些影響，并進行統計學評估。除此之外，還要查明它們之間的相互作用并用數值表示。之后，通過脫機就能優化參數，并在試驗過程中予以驗證。

模型圖像(圖5(b))可用于參數比較，通過各種不同型式的圖像用來進行評估，并用數量表示所存在的主要影響和相互關系。之后，對相互作用的圖像(圖5(c))再定性地考察內在關系，而3D特性曲線場則可分析所考察范圍內的最小值和最大值，以便確定所考察的多個參數的最佳值。

從圖5(d)中可以明顯看出，為了降低該運行工況點的顆粒物排放，應優先選擇提高噴油壓力與調早噴油起始點相結合的方法。

圖4　顆粒物形成的運行因素

噴油策略對于降低顆粒物排放起著重要作用，必須根據運行工況點逐一確定。圖6示出了“均質”和“分層-均質”噴射模式的區別。均質噴射運行模式是在進氣行程期間將燃油噴入燃燒室，可采用單次或多次噴射模式。與均質單次噴射(HOM1)相比，在此運行工況點上均質2次噴射(HOM2)后，顆粒數和碳煙量降低近40%。噴射過程被分成好幾個噴油脈沖，有助于減小噴束的貫穿深度，進而避免噴束與零件和潤滑油膜之間的相互作用。而均質-分層噴射模式(HSP2)則是將一部分燃油在壓縮行程期間才噴入燃燒室的，在此期間的燃燒室的高溫和在噴油(ES)時刻加強的充量擾動強度能使混合氣獲得最佳的均質化。從噴束模式效果圖上可得知，采取HPS2噴射模式能達到進一步降低顆粒物排放的效果，與HOM1相比，顆粒數降低高達55%，而碳煙降低則高達75%。

碳煙量和顆粒數相互關系可以通過改變噴束模式而產生變換，由于混合氣均質化效果的改善，能明顯降低顆粒物排放和碳煙排放水平。全面優化的目標是在考慮到發動機運行的所有邊界條件下針對需求匹配噴油策略。

5　瞬態過程的系統考察

應用策略要盡可能進行最廣泛的穩態優化。在RDE行駛情況下發動機很少出現穩態或準穩態運行。圖7所示的顆粒數排放和碳煙量排放隨時間的變化曲線證實了這個問題。在HSP2情況下，其穩態運行工況點①的排放低于HOM1，而在瞬態運行過程(運行工況點②)中，當突變到中等負荷時，碳煙量排放僅出現較小的變化，此時HSP2的碳煙量排放低于HOM1模式。

與此相反，動態運行部分的HSP2模式顆粒數排放卻明顯高于HOM1模式，而顆粒圖譜在穩態運行范圍內HSP2運行模式呈現出較低的顆粒濃度，但是這種噴射模式類似于顆粒數的測量信號，負荷突變期間在寬廣的顆粒圖譜范圍內顯示高出好幾倍的濃度。HSP2噴射模式對于壓縮行程中的混合氣均質化和燃油的計量精度明顯要比HOM1模式運行時更為敏感。當從倒拖轉換到負載運行狀態時，可能會導致濃的混合氣范圍。在既要考慮到顆粒數大大增加又要考慮到顆粒圖譜的情況下，由于燃油-壁面油膜的相互作用，會出現液體燃油份額及機油份額，因而允許碳煙量有適度的增加。

圖6　考察噴油策略

圖7　噴油策略對顆粒數和碳煙質量的瞬態影響

因此，在發動機瞬態運行增多的情況下，僅提供在穩態運行狀況下和在部分動態性能經驗基礎上優化的試驗數據是不夠的，在某些運行范圍內總排放可能會惡化。特別是在動態運行時，空氣管路與燃油管路的調節品質和調節速度是不同的，這就成為標定優化的關注焦點。考慮到這種關系，APL集團開發了1種以模型為基礎的數據化策略。

6　行駛循環中改變影響參數的效果

從圖8可知，使用的認證行駛循環NEDC與RDE的比較中，可以清楚地看到在給定的標定策略和有針對性的改變零部件(例如優化的曲軸箱通風和活塞組)的不同特點。在NEDC行駛循環中，有關降低顆粒物排放的措施的效果并不明顯，而降低機油排放和HC排放則主要集中在倒拖行駛階段。對具有較陡斜率(負載階段為正值，倒拖階段為負值)的RDE行駛曲線凹口的分析明顯顯示出顆粒物排放優化的潛力。減少機油摻入到燃燒室中對降低總HC排放也有明顯效果。在負載階段，即使燃燒室中小部分機油燃燒，在與噴入的燃油的共同作用下也會使顆粒物排放增加。

采取有針對性的試驗方法，能夠對每一種措施單獨進行試驗，從而就能區分出各種零部件措施的顆粒物排放峰值，例如改善活塞組密封性或采取適當的噴油策略的標定措施等。但是，也有部分階段無法明確地區分出單個措施的效果，因為燃油-壁面油膜的相互作用會產生交叉的影響效果。

圖9中認證行駛循環(NEDC與RDE)和開發行

駛循環(高動態行駛循環與綜合開發行駛循環)中的顆粒物排放、機油排放和HC排放平均值的比較表明，在NEDC行駛循環中采取標定和零部件措施的優化效果尚不明顯。在RDE行駛循環中，因其具有寬廣的特性曲線場范圍，以及負荷和轉速斜率而無綜合特征，優化措施就呈現出顆粒數的降低。圖9(b)示出的將這些措施應用于開發的行駛循環顯示出最不利的廢氣排放情況，因而具有較大的降低潛力。

圖9　整個行駛循環廢氣排放的考察情況

7　結論

法規規定未來對于所有的汽車都必須要在實際行駛運行條件下測定廢氣排放性能，這就對動力系統的開發提出新的挑戰，而且所考察的特性曲線場范圍的擴大和動態性能要求的提高都必須確保系統的可靠性和使用壽命。

為了評估動力系統，在從穩態和動態分析獲得的實際行駛數據的基礎上，推導出了綜合行駛循環作為最不利的邊界條件。例如已對有關混合氣形成、燃 油- 壁面油膜相互作用和活塞組密封性等標定和零部件方面的優化進行了試驗。為了給RDE行駛循環中的整個發動機特性曲線場提供數據，需要1種借助于DoE的系統接近方式。試驗結果表明了混合氣形成參數對顆粒物形成的影響，其中由于實際行駛中具有較高的動態份額，導致了新的優化特性曲線場，特別是在發動機瞬態運行時。迄今為止，穩態提供數據的策略會在瞬態運行階段導致過高的廢氣排放，正如不同噴油策略已表明的那樣。未來為了滿足法規邊界條件的要求，在盡可能減少機油摻入到燃燒室的同時，還應考慮提高空氣和燃油管路的調節速度和品質，而這些優化則應該通過合理的利用綜合行駛循環中具有代表性的負荷和轉速斜率來實現。

為此，APL集團開發了1種以開發方法和開發工具為基礎，并以RDE行駛循環的能力為關注焦點的復雜方法鏈(圖10)。它利用在傳動系試驗臺和發動機試驗臺上具有代表性的實際行駛可重復性的描述作為基礎，以便能夠分析運行參數并推導出功能關系。開發的深度從有關單個零部件的整個汽車系統一直擴展到物理現象。

圖10　APL公司的方法鏈

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2016-05-09)