MPFI發動機顆粒物排放影響因素研究

李卓 孟凡騰 王森

摘 要：基于一臺進氣道噴射式雙VVT自然吸氣汽油機，利用排放測試設備對顆粒物排放（PN）與發動機進排氣VVT角度、燃油噴射比例和相位、氣態排放物（CO、NOx和THC）的相關性進行了研究。研究結果表明，進氣VVT角度的變化對PN影響較為敏感，排氣VVT與PN的相關性不明顯。采用二次噴射策略時，首次燃油噴射的截止時刻、首次燃油噴射比例、二次燃油噴射截止時刻與PN的相關性不明顯，噴射截止時刻和比例的變化不會顯著影響PN排放。氣態排放物中CO排放與PN的相關性不明顯，NOx和PN在低轉速高負荷時相關性最強，隨著轉速增大負荷降低相關性減弱。THC和顆粒物存在一定的相關性，降低THC排放，會對抑制顆粒物排放產生積極影響。

關鍵詞：汽油機;顆粒物排放;相關性分析

0 引言

為應對不斷升級的排放和油耗法規，對控制參數的標定工作要求更加精準。近些年基于模型的標定得到廣泛應用 [1，2]。多參數尋優前，如了解其對優化目標的影響程度，則可針對影響度敏感性高的控制參數進行試驗設計優化，提高工作效率。國六排放法規實施以來，發動機的顆粒物排放控制逐漸成為研究熱點和難點。影響汽油機顆粒物排放的主要原因包括：冷機起動階段，不均勻液相燃燒和氣相加濃燃燒共同促進生成核態顆粒物。發動機穩態運轉時，空燃比、進氣相位等控制均會對顆粒物排放產生影響[3]。本文基于發動機臺架試驗，分析發動機進排氣VVT角度、燃油噴射方式和相位等因素和顆粒物排放的相關性，同時對顆粒物排放與其他氣態排放污染物的相關性進行了分析。

1 試驗系統及方案

（1）試驗測試系統方案。試驗采用某2.0 L自然吸氣汽油機，其主要參數見表1。

（2）試驗方案設計。為探討發動機控制參數對顆粒物排放的影響規律，本文分別研究不同轉速和負荷區域內，進排氣VVT角度對顆粒物排放的影響規律;燃油噴射截止時刻、兩次燃油噴射的噴射比例對顆粒物排放的影響規律。同時對于顆粒物排放與其他氣態排放物的相關性進行了研究。將此款發動機待優化的6個性能目標作為輸出變量：BSFC（燃油消耗率）、PN（顆粒物）、THC（碳氫化合物）、CO（一氧化碳）、NOx（氮氧化物）、COV（燃燒穩定性）;對發動機性能影響較大的5個參數作為輸入變量：iVVT（進氣VVT角度）、eVVT（排氣VVT角度）、EOIT（首次噴油截止時刻）、Split_Ratio（首次噴油比例）、EOIT_Trim（二次噴油截止時刻）。

（3）相關性分析方法。相關性分析是通過對兩個及兩個以上具有某種關聯的變量參數進行分析，從而得到參數之間的相關程度，進行相關性分析的各參數之間必須存在一定的聯系。相關性不是一種簡單的因果關系，它能夠用相關性系數R定量地表示各參數之間的相關密切程度。

i 表示第i 個樣本點，xi表示所研究的參數A在第i個樣本點下的大小，x是參數A在n個樣本點下的均值，yi是與A相關的另一參數B在第i個樣本點下的大小，y為其均值。R越接近于1，兩者相關性越強。

2 試驗結果及分析

利用發動機臺架測試設備，可以采集得到不同控制參數組合下的發動機排放數據，基于公式（1）可以計算不同控制參數之間的相關性。

（1）進排氣VVT與PN排放的相關性分析。進氣VVT角度（iVVT）對缸內充量會產生較大影響，為充分研究iVVT的影響規律，針對不同工況區域的iVVT變化進行分析。如圖1所示，可以看出萬有工況的中、低負荷（IMEP<1 000 kPa）區域，進氣VVT角度的變化對PN影響較為敏感，高負荷工況區域兩者的相關性較弱。這是因為高負荷區域的進氣VVT開度相對較小，否則會顯著降低外特性動力性能。如圖2所示，排氣VVT角度（eVVT）與PN排放的相關性顯著低于進氣VVT角度。中、低轉速（1 200 rpm～3 500 rpm）中低負荷（IMEP<1 000 kPa）區域，排氣VVT與PN的相關性較弱。與圖1相比，可以發現進氣VVT與PN的相關性在此區域很強，由此可知，針對PN的標定優化過程中，可優先選擇較多的進氣VVT角度組合，較少排氣VVT角度組合的方式優化工作量。

（2）兩次燃油噴射模式時噴射控制參數與PN排放相關性分析。采用二次噴射策略時，首次燃油噴射的截止時刻、燃油噴射比例、二次燃油噴射截止時刻與PN的相關性系數均在0.4以下，相關性不明顯。表明此款氣道噴射式汽油機的燃油的蒸發、霧化效果較好，同時噴射最晚時間設置在進氣門開啟之前，充足的燃油蒸發和霧化時間可以有效保證混合氣相對均勻。燃油噴射控制參數的變化對PN的敏感度影響較小。

（3）PN排放與氣態排放物的相關性研究。

由圖3可知，CO排放與顆粒物的相關性不明顯，這是因為CO的產生主要源于油氣混合氣的不完全燃燒，顆粒物的產生原因是液相燃油燃燒不充分導致的碳煙。由圖4可知，NOx和PN在低轉速高負荷時相關性最強，隨著轉速增大負荷減少相關性減弱。NOx產生主要是高溫富氧環境，此環境下顆粒物會被大量燃燒。高速低負荷工況，發動機在當量空燃比燃燒，缸內燃燒溫度降低，PN排放與NOx的相關性逐漸減弱。高速高負荷工況，受排溫保護策略影響，NOx排放隨空燃比降低顯著下降，因此與PN的相關性較弱。由圖5可知，THC和顆粒物存在一定的相關性，這是因為碳顆粒與THC會互相附著，導致顆粒物質量和直徑增加。由此可知，降低車輛的THC排放會對抑制顆粒物排放產生積極影響。

3 結論

（1）萬有工況的中、低負荷（IMEP<1 000 kPa）區域，進氣VVT角度的變化對PN影響較為敏感，高負荷工況區域兩者的相關性不明顯。這是由于為保障發動力外特性動力性能，高負荷區域的進氣VVT開度相對較小。中、低轉速（1 200 rpm～3 500 rpm）中低負荷（IMEP<1 000 kPa）區域， 排氣VVT與PN的相關性不明顯，進氣VVT與PN的相關性在此區域較強，由此可知，針對顆粒物的標定優化過程中，可優先選擇合適的進氣VVT角度，較少排氣VVT的標定優化工作量。

（2）采用二次噴射策略時，首次燃油噴射截止時刻、首次燃油噴射比例、二次燃油噴射截止時刻與PN的相關性不明顯，表明噴射截止時刻和比例的變化不會顯著影響此發動機的PN排放。

（3）CO排放與顆粒物排放的相關性不明顯，這是因為CO的產生主要源于油氣混合氣的不完全燃燒，顆粒物的產生原因是液相燃油燃燒不充分導致的碳煙。NOx和PN在低轉速高負荷時相關性最強，隨著轉速增大負荷減少相關性減弱。THC和顆粒物存在一定的相關性，這是因為碳顆粒與THC會互相附著，導致顆粒物直徑增加。降低THC排放，可對抑制顆粒物排放產生積極影響。

參考文獻：

[1]姜坤，劉然，楊中華，等.基于DOE設計實現DVVT的高效臺架標定[J].小型內燃機與車輛技術，2015（1）：59-63.

[2]梁智，孫國強，衛志農，等.基于變量選擇與高斯過程回歸的短期負荷預測[J].電力建設，2017，38（2）：122-128.

[3]Kayes，D.，Hochgreb，S.，Maricq，M.，Podsiadlik，D.et al.，“Particulate Matter Emission During Start-up and Transient Operation of a Spark-Ignition Engine （2）：Effect of Speed，Load，and Real-World Driving Cycles，”SAE Technical Paper 2000-01-1083，2000.