開閥噴射對PFI發動機PN排放性能的影響

劉衛昌,楊殿釗

(1.長安福特汽車有限公司動力系統產品開發部,重慶 400010;2.重慶大學機械與運載工程學院,重慶 400044)

當前我國已實施國家第六階段機動車污染物排放標準(簡稱國六排放標準),國六排放標準對發動機污染物排放提出了新的要求,尤其新增了對顆粒數(PN)排放的要求,這對企業提出了新的技術挑戰。如果從硬件方面來進行改善,無論是改進發動機的燃燒還是增加新的尾氣處理裝置,都會對企業的開發成本和生產成本產生較大影響,因此,可從軟件角度出發,研究OVI技術對PN排放特性的影響。

進氣道噴射式汽油發動機的噴射模式根據燃油噴射過程中進氣門是否開啟可分為閉閥噴射模式和開閥噴射(Open Valve Injection,OVI)模式[1]。進氣道燃油噴射(Port Fuel Injection,PFI)發動機的燃油噴射一般在進氣門開啟前完成,在氣門打開后油氣混合氣進入氣缸內,而OVI技術是一種在進氣門開啟后再進行燃油噴射的技術。

馬宗正等研究發現,PFI發動機通過采用開閥燃油噴射的方式可實現一定程度的分層充氣[1],且OVI技術對不同節氣門開度下的發動機性能影響不同,在節氣門開度較小時適當提前噴射時刻有助于提升發動機性能[2]。萬濱等[3]研究發現,在全負荷低轉速下工況中,OVI技術可使發動機動力性提升1%～2%,但碳氫化合物的總排放量(Total Hydrocarbon,THC)可保持與閉閥噴射同等水平,而在最高轉速下,閉閥噴射的動力性能較佳。王曉瑜等[4]發現,在怠速工況下采用OVI技術可提高缸內燃油量,且由于怠速工況下氣流速度較低,對燃油噴射效果影響較小,所以大部分燃油可直接噴入缸內并隨即蒸發,從而更有利于減少附壁油膜量和增加缸內燃油蒸氣量。然而,有研究發現OVI技術對發動機性能也存在一些負面影響：由于分層充氣的不穩定性,發動機在低負荷工況下會出現較嚴重的燃燒問題和碳氫化合物(Hydrocarbon,HC)排放偏高問題,其次,發動機在冷機工況下會出現機油稀釋現象[5]。

由上述研究可知,對OVI技術的研究目前多集中在發動機性能、油耗及HC等氣體排放方面,而在對PN排放性能影響方面的研究較少。此外,由于OVI技術對發動機存在負面影響,因此PFI發動機在實際應用中很少采用OVI技術。通過原理分析可知,OVI技術在部分工況下可以改善發動機的炭煙排放,且暫未發現有學者在實際量產的產品中采用該技術來改善PN排放,故本研究提出了一種OVI系統的控制邏輯和標定方法,研究了噴射時刻對PN排放特性的影響,最后在WLTC工況下試驗驗證了本研究控制邏輯下的OVI技術在改善PN排放方面的有效性以及系統的可靠性。

1 OVI控制系統開發

1.1 系統開發

OVI系統開發基于已有的發動機系統,對發動機硬件無特別要求,OVI系統的開發主要包括控制邏輯和標定方法的設計開發。

OVI噴射過程發生在進氣沖程內。噴射結束時刻(End of Injection,EOI)是噴射時刻計算的基準,一般在壓縮上止點后350°～530°。噴射開始時刻的計算方式為EOI減噴射持續時間,具體的噴射時刻需根據理論、試驗數據及實際VCT進氣門開度等來確定。

由于在發動機冷機情況下OVI易引起機油稀釋及燃燒不充分問題,故OVI技術策略需在發動機熱機后使用;同時,由于發動機處于中等轉速大負荷工況時的排放較高,故選擇在熱機大負荷的工況下應用OVI控制策略。表1列出不同工況對應的使能條件情況,其中1表示使能,0表示禁止。

表1 不同工況的OVI使能條件

為保證系統穩定性,需使轉速和負荷達到要求后再持續零點幾秒的時間,否則系統在實際運行時會出現一定幅度的振蕩。

OVI噴射發生在氣門開啟后,考慮到氣門開啟一般在壓縮上止點后350°～530°,經分析和測試研究,最終選擇300°,350°,360°,370°,400°(不同發動機氣門重疊角不同,故不同發動機選擇的噴射角也不同)5個噴射角作為研究對象。

發動機工況多以轉速和負荷為衡量基準,所以實際軟件中EOI也多以發動機轉速和負荷為參照進行標定,不同轉速和負荷下的EOI均可進行標定。EOI標定結果如表2所示。

表2 EOI標定結果

此外,系統要求在OVI工作時動力控制系統不能有進氣、噴射、氧傳感器、點火、轉速、相位和水溫傳感器等故障,因為這些故障將加劇系統的不穩定性,引發一些無法預知的問題。

雖然排放多在大負荷工況下出現,但為保證本研究的嚴謹,仍需在其他轉速和負荷下研究EOI對排放的具體影響,確定OVI適合的工作區域,因此對其他一些轉速負荷工況點下的PN排放特性進行了研究和測試。

1.2 系統標定

在完成控制邏輯設計后,還需進行系統的標定。

1.2.1 標定方案

在不同發動機轉速和負荷下進行PN排放掃點以確定各工況最佳的PN排放：分別在0.7負荷@2 500 r/min,0.8負荷@2 500 r/min,0.7負荷@3 000 r/min,0.8負荷@3 000 r/min,0.7負荷@3 500 r/min,0.8負荷@3 500 r/min,0.7負荷@4 000 r/min和0.8負荷@4 000 r/min工況下進行掃點,各工況點下分別在300°,350°,360°,370°和400° 5個EOI噴射時刻進行掃點,以確定OVI工作區域和最佳EOI噴射時刻。

試驗系統包括：裝置有PFI發動機的某型號汽車(包含動力控制模塊和寬帶氧傳感器等)、開發PCM、汽車排放實驗室、汽車轉轂、尾氣采集和分析裝置、ATI標定工具、裝置有標定軟件(通過CAN通信與PCM進行數據交互)的上位機和尾氣溫度傳感器等。

具體標定方法：在穩定工況下進行整車排放測試(以10 s內的PN排放平均值作為排放輸出結果),確定OVI最佳的工作區域和EOI噴射時刻。具體驗證方法：將整車置于轉轂上并固定變速器擋位,并根據此傳動比將目標發動機轉速轉換為車速;利用轉轂將車輪反拖動至目標車速;利用油門踏板和標定參數控制發動機負荷達到目標數值;利用尾氣采集裝置從車輛的排氣尾管收集尾氣,并使用排放測試設備按照國六排放階段輕型汽車污染物排放限值及測量方法[6],測試各組合工況下PN的排放數值。為了保證測試數據一致,試驗條件須保持一致,如VCT進氣門和排氣門開度、空燃比、排溫、點火角度和EGR率等。

在世界輕型車輛測試循環(Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cycle,WLTC)下進行整車實際排放測試,具體測試方案如下：在轉轂上設定整車的道路阻力,按照WLTC的駕駛循環進行測試,用排放測試設備按照國六排放階段輕型汽車污染物排放限值及測量方法從尾氣中采集尾排,經過尾氣裝置標準化處理后輸出排放結果,整車排放驗證完成后初步固化標定和軟件控制。

為保證系統可靠性和穩健性,最后進行HC,NOx,CO排放等方面的驗證,驗證完成后將最終標定和控制固化。

1.2.2 OVI系統EOI標定

為方便表達,僅展示3 000 r/min、3 500 r/min和4 000 r/min 3個轉速點在0.8負荷時350°、400°及OVI關閉3個噴射時刻的試驗測試數據。利用排放測試設備測試了各組合工況下PN的排放數據,具體測試數據如圖1所示。

圖1 PN排放測試結果

由圖1可知,采用OVI技術后PN排放有明顯改善,不同噴射角對應的排放不同。EOI為400°時效果最好,PN排放相較未采用OVI技術可降低64%～78%。這是因為噴射時刻的微小推遲可增加氣缸內的空氣量,使分層混合更充分、燃燒更高效,從而更好地降低了PN的排放[7]。綜上所述,將EOI噴射時刻標定為400°。

在PN測試的同時,也對燃燒過程進行了監控,發現在上述噴射角下燃燒也很正常。需要注意的是,對于不同的發動機,最佳噴射時刻可能略有差異,需進行具體的研究和測試。

1.2.3 OVI系統工作區域標定

為探究OVI技術對所有工況下發動機特性的影響,確定OVI系統適合的工作區域,也對部分其他工況進行了研究和測試。經研究發現,在某些工況下OVI技術并未顯著改善PN排放(如0.7負荷@3 000 r/min),部分工況下OVI技術甚至會導致PN排放的惡化(如0.8負荷@2 500 r/min),部分數據如表3所示。表3數據說明在低進氣量的情況下,采用OVI技術后混合氣出現了混合和燃燒均未充分的情況。由此可知,OVI技術僅能在特定工況下應用,使用前應對目標工況點下的發動機性能進行詳細測試。

表3 PN排放測試結果

結合前文數據可確認OVI系統適合工作的區域(部分標定的工作區域見表1)。

2 OVI系統驗證

在標定完成后進行了系統的試驗驗證,首先進行PN排放的驗證,后進行其他方面的驗證。

2.1 整車WLTC排放驗證

為驗證本研究控制邏輯下的OVI技術在改善PN排放方面的有效性,在WLTC循環工況中采用A-B對比測試的方式對改善效果進行了試驗(在每種狀態下各做3次排放試驗)。為消除外界因素影響,在進行兩組測試時,選擇同一駕駛技術穩定的駕駛員在同一輛車上進行測試,同時測試開始前電池SOC電量一致。

綜合排放測試結果(所有排放階段綜合排放結果)顯示PN排放降低了35%左右,3次實車測試結果如圖2所示(圖中虛線為企業內部簽收限值,實線為國標排放限值),測試結果比較一致,也比較穩定,采用OVI技術后PN排放均在3e+11以下。

圖2 WLTC循環PN排放測試結果

通過分析整個測試循環中各點實時排放數據得知,后期超高速階段時的PN排放改善效果較明顯,部分PN實時排放數據如圖3所示。

圖3 WLTC循環PN排放測試實時排放數據

通過驗證最終確認EOI 400°為初步標定數據。OVI技術在不同的車輛應用中實際的改善情況可能會有一定的差異,需要進行實際的驗證和測試。一般來說小排量的發動機應用此技術改善更為明顯,因為小排量的發動機在實際循環中發動機負荷更高一點,更適合采用該技術。

2.2 其他方面驗證

由于OVI技術的負面作用,該技術必須在特定的工況下應用。同時,一項技術在實際產品應用前須驗證其各方面性能。本研究還對使用OVI技術的特定工況進行了燃燒穩定性、失火率、機油稀釋、HC,NOx,CO排放和駕駛性等方面的測試驗證。另外,考慮到高原地區的充氣情況,對高原駕駛性進行了相關驗證。在完成驗證后需固化最終標定數據和控制邏輯。

通過失火驗證發現,在WLTC循環工況中的高速和超高速階段只發生了一次失火,失火率為0.05%,失火率滿足企業內部標準和國家標準。

圖4示出在WLTC循環工況下的THC和CO排放數據,滿足企業內部標準和國家標準(實線為國標排放限值)。圖5示出在WLTC循環工況下的NMHC和NOx排放數據,同樣滿足企業內部標準和國家標準(實線為國標排放限值)。

圖4 THC和CO排放結果

圖5 NMHC和NOx排放結果

通過上述驗證并未發現問題,且相關驗證指標均滿足企業和國家標準要求,說明OVI技術在特定工況下在改善PN排放的同時并不會帶來其他問題。

2.3 OVI改善排放理論分析

由于發動機在大負荷工況下易出現燃油混合不充分現象,故容易在排放的尾氣中包含顆粒。本研究旨在探究OVI技術是否可以改善這些工況的顆粒排放,針對試驗結果進行了以下分析。

在進氣門開啟后,空氣通過進氣門進入氣缸,在進氣過程中同時進行燃油噴射,大部分的燃油和空氣將在氣缸內發生混合。中等轉速高負荷工況下的進氣量較大,在此類工況下進行OVI噴射可實現油氣的分層混合[5]：早期進入的混合氣被后期進入的空氣逐漸推至下層,這會造成上層混合氣略濃(靠近火花塞),下層混合氣略稀。點火時上層略濃的混合氣首先燃燒,后擴散至下層略稀的混合氣,故可實現一定程度的分層燃燒,燃燒將更充分[8],從而可降低PN排放。

在進氣門開啟狀態下進行燃油噴射時,進氣道內氣體處于運動狀態,進氣氣流會加速燃油粒子的運動。當發動機轉速達到3 000 r/min時,雖然較大燃油粒子的速度增加不明顯,但進氣流速遠大于燃油噴射速度,燃油粒子會在進氣氣流的作用下直接進入缸內并加速燃油霧化[9-11]。另外,采用OVI模式時,氣缸內部高溫燃氣的回流與噴霧相互作用,促進了燃油的揮發,燃油空間揮發油量增大[12-13]。以上兩種因素均會使混合氣更為均勻,燃燒更充分,從而降低PN排放。

此外,在進氣門開啟后噴油,燃油將隨高速氣流進入氣缸,這有助于減少燃油碰壁現象的發生,可避免嚴重的油膜附壁現象發生[14-15],從而減少PN排放。

3 結束語

通過研究OVI技術對發動機PN排放特性的影響,提出了一個新的解決方案,可在不改變車輛硬件情況下低成本地改善PN排放。

闡述了OVI技術改善PN排放的原理與該系統的開發流程,提出了一種OVI系統的控制邏輯和標定方法,研究了噴射時刻對PN排放特性的影響,并試驗驗證了該控制邏輯下OVI技術在改善PN排放方面的有效性與系統的可靠性。研究結果表明,OVI技術在發動機熱機、中等轉速和高負荷的特定工況下可明顯改善PN排放,具有較強的實際應用價值。