某車型發動機碳煙排放分析及解決措施

陳 浩，梁宇詢，李金鴿，馮永超，劉新宇，郝學信

(寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司，浙江 寧波 315336)

0 引 言

在發動機系統中，電噴件是影響發動機燃燒的關重件，其中燃油供給系統對發動機氣道內混合氣的形成，以及在燃燒室燃燒有重要的作用，對發動機性能及排放有著決定性的意義。

汽車尾氣排放中的污染物主要有一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化合物以及對人體產生不良的固體顆粒，如碳煙。應全球法規加嚴，且城市種汽車保有量增加，汽油機的碳煙排放也備受關注。

某車型發動機在運行過程中出現碳煙排放超標，針對此問題展開排查和分析， 找出問題真因，然后進行方案驗證鎖定解決對策，筆者主要針對碳煙排放展開論述。

1 噴油器工作原理

圖1為噴油器結構圖，ECU根據發動機的工況，計算合理的噴油脈寬，噴油器在接收到ECU提供的噴油信號后，線圈形成電磁力，將針閥組件吸起，針閥組件與閥座分離，燃油經噴孔板霧化后噴出后進入氣道，與進氣形成混合氣，噴入燃燒室。

2 問題描述

臺架標定發動機部分負荷出現碳煙排放偏高，不能接受。經評審，需對碳煙排放進行優化，來滿足國六排放標準要求。測試所用噴油器技術狀態為：油束錐角15.5°，8噴孔，對應下文方案1。圖2為此狀態噴油器對應的排放測試結果。

圖1 噴油器結構圖

圖2 碳煙排放

3 碳煙排放超標原因分析

3.1 缸內碳煙形成原因分析

混合氣燃燒產生的碳煙主要分為干碳煙(Dry soot)、可溶性有機物(Soluble Organic Fraction,SOF)和硫酸鹽[1]，干碳煙和可溶性有機物都是由燃油中的烴類物質經過一些列氧化產生，硫酸鹽則是由燃油中的硫元素和機油中的添加劑產生。

氣道噴射汽油機一般采用閉閥噴射,利用氣門及氣道較高的壁面溫度,提高燃油的霧化速度和質量[2]。燃油與空氣混合不均勻是產生碳煙的主要原因，混合局部過濃，會造成局部產生類似柴油機的擴散燃燒，其燃燒速度較預混燃燒較慢[3]。未充分混合氣或者液態燃油經過氣門時，液態燃油滯留在氣門附近，無法完全的蒸發，局部混合氣過濃導致燃燒不充分，產生碳煙。

由于噴油器油束匹配設計不合理，導致噴出來的燃油大部分附著于氣道壁面上，無法完全蒸發，當進氣門打開后，燃油在氣流的作用下流入到活塞間隙中，造成燃油堆積，局部混合氣過濃，從而產生碳煙。

3.2 對VVT相位進行優化

因受爆震影響，在點火提前角未調整的前提下，對VVT相位進行優化，發現對碳煙排放改變不大，分析認為VVT相位對碳煙排放影響較小，詳見表1。

表1 不同VVT相位對應碳煙

3.3 噴油器流量校核

懷疑噴油量設計不合理，對噴油器靜態流量進行校核。按照發動機油耗需求，通過燃油系統壓力及近期壓力，再修正后，留15%余量的前提下，噴油器靜態流量滿足設計要求。

3.4 噴油器油束校核

在進行油束設計時，需要結合氣道布局進行方案布置，在最優貫穿距的布置設計要求下，以及物理油束的濕壁可接受條件下，進行油束錐角設計；對噴油器油束進行設計校核，通過對比其他項目及油束設計，發現油束錐角小、噴孔數越少對燃油霧化性越不利，易生成碳煙，分析認為為碳煙排放超標的主要原因為燃油霧化差，油束錐角設計過小導致，圖3為噴油器油束布置示意圖。

3.5 原因分析及總結

只改變VVT相位對碳煙排放基本上沒有改善；

噴油器流量是根據發動機油耗需求匹配的，此靜態流量是無法更改的，如果更改會造成噴油過濃或者足的缺陷。

理論分析，油束的噴射角度和油束噴孔數量的優化可以有效的增強噴射燃油的霧化效果，降低大量油束打濕氣道的風險，從而降低碳煙的生成，此僅為理論分析，具體效果需進行實物驗證。

圖3 噴油器油束布置示意圖

4 方案驗證

4.1 方案詳述

通過以上原因分析，制作不同方案的噴油器樣件進行碳煙排放驗證，在靜態流量不變的前提下，主要增加噴油器噴孔數和增大油束錐角來提升霧化效果，噴油器方案如表2所列。

表2 噴油器方案

4.2 方案碳煙排放驗證

使用同一種標定數據對5個噴油器方案進行驗證，5個噴油器方案選取部分負荷工況對應的燃油消耗率一致，選取故障發生模式的工況進行碳煙排放測試，數據如圖4所示。

可以看出方案3、4、5改善效果較1、2明顯，其中方案5為優化效果最為突出；通過初步驗證可選取方案5作為最優方案，進行進一步的驗證。需要對發動機性能和油路模型精度方面進行標定檢查驗證，目的是在不改變標定策略的前提下，保證發動機性能不受影響。

由碳煙排放測試對比可知，在噴油器靜態流量不變、標定 策略一致的前提下，燃油霧化越好，越有利于碳煙排放。而油束錐角和噴孔設計的合理性是影響燃油霧化的重要因素；但油束錐角不能無限制增大，此方面還需要結合噴油器生產工藝進行評估；經噴油器供應商評估，工藝可實現對8孔，油束錐角20°油束錐角生產要求。

圖4 碳煙對比

4.3 發動機性能驗證

對發動機性能進行復試，5種方案的噴油器對發動機扭矩基本上無影響，所以在噴油器流量不變的前提下，只更改油束錐角和噴孔個數對發動機性能無影響。這為我們在后期做噴油器油束設計時提供重要的指導方向。此可以作為解決碳煙排放的最終該方案，圖5為五種方案對應發動機扭矩對比視圖。

圖5 發動機扭矩

4.4 油路模型驗證

使用8孔，20°錐角油束方案的噴油器對油路模型進行標定驗證，驗證數據詳見圖6，可以看出油路模型無偏移等異常，噴油器優化方案對油路模型精度無影響，無需調整噴油策略及標定數據。

4.5 方案驗證小結

噴油器油束方案選用8孔20°錐角，可以保證良好的霧化效果，且此參數在噴油器生產工藝方面可以得到保證。

噴油器優化方案可以有效降低碳煙排放，且對油路模型精度沒有影響；

噴油器優化方案對發動機性能方面沒有影響。

綜上所述，最終選擇燃油霧化效果最好、碳煙排放最優的方案5作為最終方案，可以有效的解決碳煙排放超標問題。

圖6 油路模型測試

5 結 語

由于噴油器油束匹配設計不合理，導致噴出來的燃油大部分附著于氣道壁面上，無法完全蒸發，當進氣門打開后，燃油在氣流的作用下流入到活塞間隙中，造成燃油堆積，局部混合氣過濃，從而產生碳煙。

在噴油器靜態流量和發動機標定策略不變的前提下，適當增加噴孔數量和油束錐角的方式對噴油器進行優化，提升噴油良好的霧化性；通過試驗驗證，此方案可以有效降低發動機碳煙排放，且不會犧牲發動機性能；油路模型控制精度滿足要求。

此案例為后續噴油器油束設計開發提供寶貴的指導意義。在進行油束設計時需要氣道配合同步設計，主要對物理油束進行空間布置，在濕壁盡可能小的前提下，適當增加噴孔數量和油束錐角來提升燃油霧化性能。