汽油直噴發動機排放研究與優化

張鵬飛， 劉甲一， 林萬國， 葛林杉， 杜立東

（一汽奔騰轎車有限公司奔騰開發院， 吉林 長春 130012）

《輕型汽車污染物排放限值及測量方法》 于2016年12月23日正式發布， 于2020年7月1日在全國范圍內實施。 同時為響應國家政策打贏藍天保衛戰， 國內的一些一線城市已于2019年7月1日起在部分地區率先實施， 從限值來看， 與國V 排 放 標 準 相 比， 第1 類 汽 油 車 國VI a 的CO 限 值 加 嚴30%， 其 他 污 染 物 的 限 值 不 變； 國VI b 的CO、 THC 和NMHC限值都降低了50%， NOx限值下降42%， PM限值下降33%。 且 自2020 年7 月1 日 起， 顆 粒 物 數 量 （Particulate Number， PN） 由過渡期的6×1012更新至6×1011， 在排放和油耗法規的雙重影響下， 小排量汽油直噴增壓發動機（Gasoline Direct Injection Turbo， GDIT） 的生存環境愈發艱難， 尤其是質量和阻力相對較大的車輛排放達標壓力更大。

本文通過對某搭載小排量直噴增壓發動機的SUV車型進行研究分析， 對整車控制參數進行優化， 最終滿足國VI b氣態排放物和顆粒物排放法規要求。

1 排放數據分析

1.1 WLTC工況分析

WLTC （ Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cycle） 循環被認為是反映車輛實際行駛情況的， 由4部分組成： 低速段、 中速段、 高速段和超高速段。 持續時間1800s， 理論行駛里程23.27km， 最高車速131.3km/h， 最大加速度1.67m/s， 平均車速46.5km/h， 詳細工況如圖1所示。

圖1 WLTC工況

低速階段平均車速為19km/h， 高速階段平均車速為56.6km/h， 超高速階段平均車速為92.3km/h， 這3個階段的平均車速是RDE工況下CO特征曲線的參考點。

1.2 發動機運行工況分析

由于WLTC循環瞬態工況較多， 對單位質量功率偏低的車輛非常不利， 表1為測試車輛相關參數， 不難看出該車型單位質量功率偏低，該車輛在WLTC工況下的發動機運行散點圖如圖2所示， 發動機轉速主要集中在3000r/min 以 下，部分工況發動機負荷已經接近該發動機外特性區間， 對排放控制非常不利。

圖2 發動機運行散點圖

表1 試驗車輛相關參數

1.3 排放數據及控制參數分析

排放數據分析通常采用積分分析法和瞬態分析法兩種方法相結合的方式對排放秒采數據進行分析。 積分分析法主要用于分析各階段總量占比和總體情況， 瞬態分析法主要用于鎖定具體的問題工況。

整車排放分析重點關注3個典型工況： 第1個典型工況是催化器起燃前的車輛起動及原始排放階段， 其特點是該階段由于催化器未達到起燃溫度， 排放污染物全部來自于發動機原始排放； 第2個典型工況是閉環控制， 該工況的特點在于所有的控制都是圍繞理論空燃比 （即催化器轉化效率最高的窗口中心） 進行控制； 第3個特征工況是駕駛過程中必要的開環控制階段， 如減速斷油、 斷油清氧等工況。

積分分析法可以從整體上把握污染物整體走勢和各階段分布情況。 如圖3所示， 通過氣態污染物積分值可以得出以下結論： ①CO總量全程都相對較高， 起動階段CO約占總量的1/3左右， 通常情況下， 起動階段CO約占總量的2/3～4/5，且在超高速階段有顯著增加； ②起動階段其他氣態污染物約占總量的4/5， 從總量上看基本處于合理范圍。 如圖4所示，顆粒物數量積分值全程增量都比較多， 在超高速階段有突變， 需要重點關注并進行優化。

圖3 氣態污染物積分值

圖4 顆粒物積分值

根據積分分析結果對瞬態工況進行分析， 如圖5所示，由于三元催化器在起動階段未起燃， 一般情況下起動階段氣態排放污染物偏高， 是正?，F象， 但是整體上ppm較高，有優化空間， 同時THC和NMHC也偏高， 說明在該階段混合氣偏濃。 如圖6所示， PN在起動階段和加速階段也偏高，對照圖5不難看出PN的產生和CO有相似的規律， 說明有可能是空燃比偏濃， 導致PN和CO偏高， 具體需要結合控制單元內部變量進行分析。

圖5 氣態污染物實時值

圖6 顆粒物實時值

如圖7所示， 通過排放秒采數據和控制單元內部變量綜合分析可以看出， 顆粒物數量主要集中在加速過程和斷油清氧過程的空燃比加濃階段， 氣態排放污染物較高的階段主要集中在大負荷加速過程和減速斷油過程及斷油清氧過程。

圖7 發動機控制參數和秒采數據聯合分析

綜上， 在控制方面可以通過優化起動過程、 加速過程、減速斷油過程以及斷油清氧過程的空燃比控制等來改善整車氣態排放污染物和顆粒物排放污染物。

1.4 硬件分析

直噴發動機由于燃料直接噴入氣缸內部， 受到氣缸內運動件、 噴射壓力、 油束形狀以及進氣滾流的影響使得缸內混合氣體的形成和運動情況比較復雜， 分析的精確度也不高。

低溫情況下， 燃油直接撞擊活塞頂部、 氣缸壁等導致的油膜形成、 霧化不充分等問題， 都會導致顆粒物排放量較高。 通過測量數據分析可以發現， 在大負荷噴油量較大的工況下， 排放污染物中PN的含量也較高。 如圖8所示，從燃燒室的模擬仿真可以看出， 在活塞上行階段且噴油量最大情況下， 由于油軌壓力偏高， 噴油量較大， 油束貫穿力較大， 單次噴射的油束撞擊活塞頂端的風險較大， 當燃油附著在活塞頂部或者活塞環上都會產生PN。 因此改善的方案可以通過優化活塞形狀如圖8所示， 也可以通過優化控制參數將大負荷工況下的單次噴射改為多次噴射來減小燃油油束貫穿力， 降低燃油油束撞擊活塞頂部的風險， 從而達成降低PN的目標。

圖8 燃燒室油束分析及改進方案

2 優化方案及結果

2.1 優化方案

根據汽油直噴發動機標定方法結合實驗結果及數據分析， 可以針對性地對該車型進行優化， 詳細描述如下。

1） 在保證起動安全性的前提下， 優化起動階段的空燃比， 降低氣態污染物和PN排放。

2） 優化大負荷工況下的噴射次數和噴射比例以及噴油提前角， 避免燃油油束直接噴射到活塞頂部和汽缸壁上。

3） 優化減速斷油進入和退出條件， 避免頻繁斷油和斷油清氧加濃。

4） 優化斷油清氧工況理論空燃比， 避免空燃比偏濃引發的CO和PN偏高問題。

5） 優化過渡工況空燃比， 提高催化器對各種污染物的凈化比例。

6） 必要時更改活塞頂部結構， 避免大負荷工況下油束直接噴射到活塞頂部。

2.2 WLTC優化結果

由于考慮到更改硬件周期費用較高的因素， 該項目僅通過更改發動機標定數據的方式實現氣態污染物和PN優化。 具體采取以上方案1） ～5） 經過多輪次的數據優化， 如圖9所示， 數據優化后起動階段的氣態污染物都在300ppm以下， 催化器起燃后， 氣態污染物都在50ppm以下。

圖9 優化后氣態污染物實時值

如圖10所示， 數據優化后顆粒物總量相比圖4所示在起動階段和各加速段都有大幅下降， 整個WLTC工況顆粒物總量下降約45%。

圖10 優化后顆粒物排放積分值

2.3 一致性優化結果

根據排放法規要求， 針對不增加GPF的車型需要進行300km以內的生產一致性驗證。 選取3臺車進行一致性驗證， 為了確定優化成果， 排除里程對實驗結果的影響， 先進行優化后數據的實驗。 分別采用優化后和優化前的數據進行試驗， 驗證結果見表2和表3。

表2 優化前主要排放污染物

表3 優化后主要排放污染物

如圖11所示， 通過采取以上優化方案， 可以看出THC類氣態排放污染物和PN平均下降50%以上， NOx總體保證不變。 其中， CO優化平均比例為55%， THC優化平均比例為50%， NMHC優化平均比例為52%， PN優化平均比例為60%。

圖11 優化前后污染物變化情況

3 結論

本文通過對小排量汽油直噴發動機排放秒采數據及控制參數的研究， 采取優化各階段控制參數的標定工作， 最終通過優化標定數據達成國VI b氣態排放污染物和PN的要求。 可以得到如下結論。

1） 在保證起動安全性的前提下， 通過標定精確起動空燃比可以大幅降低起動階段的氣態污染物和PN排放。

2） 通過對噴射次數、 噴射比例、 噴油提前角等進行優化， 可使發動機原始排放大幅降低。

3） 優化減速斷油進入和退出條件可以有效控制過渡工況的出現次數。

4） 優化斷油清氧空燃比對于過渡工況碳氫類和PN的排放起到至關重要的作用。