汽油車(chē)瞬態(tài)排放污染物檢測(cè)分析

李允平，劉澤硯

(山東理工大學(xué)交通與車(chē)輛工程學(xué)院，山東淄博 255049)

汽車(chē)在使用的過(guò)程中是不會(huì)穩(wěn)定在某一工況下的，其絕大部分時(shí)間是在非穩(wěn)態(tài)(瞬態(tài))下工作。故進(jìn)行汽車(chē)瞬態(tài)排放實(shí)驗(yàn)與分析，對(duì)控制汽車(chē)排放減少環(huán)境污染和保護(hù)環(huán)境將具有非常重要的意義。

通過(guò)對(duì)汽車(chē)不同工況下的實(shí)驗(yàn)，得出檢測(cè)結(jié)果，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行定性分析，找出影響汽車(chē)排放的因素，為改善汽車(chē)排放的措施提供理論依據(jù)。

1 汽車(chē)?yán)鋯?dòng)工況排放定性分析

冷啟動(dòng)過(guò)程是指發(fā)動(dòng)機(jī)從冷態(tài)啟動(dòng)到暖車(chē)前的這段時(shí)間，盡管時(shí)間短，但是發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒質(zhì)量卻最為惡劣。［1］有測(cè)試表明，汽油機(jī)在冷啟動(dòng)階段排出的HC和CO占冷怠速工況的近80%。歐洲I和歐洲II法規(guī)采用的ECE循環(huán)采樣時(shí)間不包括該段時(shí)間(約40s)，從歐洲III開(kāi)始采用的測(cè)試循環(huán)和FTP-5規(guī)程將冷啟動(dòng)過(guò)程納入了考核范圍，使得排放法規(guī)更加嚴(yán)格。

1.1 汽車(chē)?yán)鋯?dòng)工況排放測(cè)試結(jié)果

汽車(chē)瞬態(tài)排放實(shí)驗(yàn)所用的汽車(chē)為車(chē)況良好的在用車(chē)，其搭載的發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)見(jiàn)表1，實(shí)驗(yàn)所用主要儀器設(shè)備的技術(shù)特性參數(shù)見(jiàn)表2。不同車(chē)型的冷啟動(dòng)排放測(cè)試結(jié)果分別如圖1中(a)～(d)所示。測(cè)試結(jié)果表明，四種車(chē)型HC、CO的排放呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)，λ值的變化基本一致，應(yīng)當(dāng)注意到在起始點(diǎn)附近λ值急劇下降。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在啟動(dòng)約1s后開(kāi)始升高并經(jīng)數(shù)秒后達(dá)到高峰，然后逐漸回落趨穩(wěn)。HC、CO在啟動(dòng)后直接排到大氣中的濃度很高，然后隨著發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的穩(wěn)定排放濃度也逐漸減緩趨于穩(wěn)定。

1.2 汽車(chē)?yán)鋯?dòng)工況排放測(cè)試結(jié)果分析［2］

對(duì)一臺(tái)冷卻水溫30℃、機(jī)油溫度20℃、進(jìn)氣溫度6.5℃條件下的汽油機(jī)冷啟動(dòng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，開(kāi)始50個(gè)循環(huán)中完全燃燒工況占16%，部分燃燒工況占76%，失火工況占8%。汽車(chē)有害排放物HC和CO有80%左右在啟動(dòng)初期約100～150s的時(shí)間段內(nèi)排出。

CO是烴燃料燃燒的中間產(chǎn)物，即燃料在缺氧狀態(tài)下的燃燒產(chǎn)物，所以CO的排放主要取決于混合氣的濃度(過(guò)量空氣系數(shù)λ)，混合氣濃度越高，CO排放越多。因此，影響混合氣濃度的因素就是影響CO排放的因素。HC排放物主要來(lái)自于燃料的蒸發(fā)和燃料的不完全燃燒，主要受燃燒室的形狀、混合氣濃度、點(diǎn)火提前角、進(jìn)氣溫度等因素的影響。

表1 實(shí)驗(yàn)汽車(chē)所用汽油機(jī)的主要參數(shù)

表2 AVL DiGas 40000 Light五組分排放分析儀測(cè)量參數(shù)

圖1 不同車(chē)型的冷啟動(dòng)排放測(cè)試結(jié)果

對(duì)一臺(tái)汽油機(jī)來(lái)說(shuō)，生成未燃HC有多種機(jī)理，涉及到多相因素［3］，主要有:(1)在冷啟動(dòng)、暖機(jī)和怠速工況下因燃燒室壁面溫度較低，形成的淬火層較厚，同時(shí)已燃燒的氣體溫度較低以及較濃的混合氣使得后期氧化的作用較弱，因此壁面淬火是此類(lèi)工況下未燃燒HC的主要來(lái)源。(2)狹隙效應(yīng)。點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中有各種很狹的縫隙，而這些小縫隙有很大的面容比，進(jìn)入其中的氣體則很快被壁面冷卻，等氣缸內(nèi)的壓力降到低于縫隙內(nèi)氣體的壓力時(shí)，縫隙內(nèi)的氣體就會(huì)逐漸回流氣缸，但回流到氣缸內(nèi)的可燃混合氣再氧化的可能性不大，有一大部分直接排出氣缸。有實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，由于狹隙效應(yīng)而造成的HC排放占總量的50% ～70%。(3)潤(rùn)滑油膜的吸附和解吸。在進(jìn)氣期間，氣缸壁上和活塞頂上的潤(rùn)滑油膜在氣缸內(nèi)環(huán)境壓力的作用下被來(lái)自燃油的HC化合物的蒸發(fā)所飽和，并且這種溶解吸收過(guò)程在壓縮和燃燒期間繼續(xù)存在。當(dāng)燃燒室中的HC濃度由于燃燒降到幾乎為零時(shí)，油膜中的HC將開(kāi)始向缸內(nèi)已燃?xì)饨馕?，并繼續(xù)到膨脹和排氣過(guò)程。一部分解吸的燃油蒸汽被氧化燃燒，一部分不能被氧化而成為HC的排放源。(4)燃燒室中的沉積物。發(fā)動(dòng)機(jī)在工作一段時(shí)間后，會(huì)在燃燒室壁面、活塞頂、進(jìn)排氣門(mén)以及縫隙中上形成沉積物，它會(huì)增加未燃HC的排放量。沉積物的作用機(jī)理是相當(dāng)復(fù)雜的，研究表明，這種機(jī)理占HC總排放量的10%左右。(5)體積淬熄。發(fā)動(dòng)機(jī)在某些工況下，在火焰前鋒到達(dá)燃燒室壁面前可能熄滅，這也是產(chǎn)生未燃HC排放的一個(gè)來(lái)源，在加速、減速等瞬態(tài)工況下也可能產(chǎn)生火焰的大體積淬熄。而發(fā)動(dòng)機(jī)的缺火將直接把進(jìn)氣時(shí)吸入的可燃混合氣排出，造成未燃HC排放脈沖性急劇增加。(6)HC的后期氧化。被“凍結(jié)”在淬熄層、狹隙區(qū)、潤(rùn)滑油膜及沉積物中的已經(jīng)錯(cuò)過(guò)燃燒過(guò)程的HC化合物，并不會(huì)完全被排除，其中有一部分會(huì)擴(kuò)散到已燃燒的高溫氣流中被以應(yīng)氧化燃燒，使HC的排放有所降低。圖2給出了點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中未燃HC的可能來(lái)源。

圖2 點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中未燃HC的可能來(lái)源

為了改善汽車(chē)?yán)鋯?dòng)排放的問(wèn)題，可以采取增大發(fā)動(dòng)機(jī)功率、提高啟動(dòng)轉(zhuǎn)速、增大點(diǎn)火能量、盡量縮短啟動(dòng)時(shí)間;開(kāi)發(fā)新型催化器以降低其開(kāi)始工作的溫度，采用可變氣門(mén)等措施來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)空燃比的有效控制;盡量降低氧傳感器開(kāi)始工作的溫度。［4］從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中我們還看到，不同的發(fā)動(dòng)機(jī)在冷啟動(dòng)階段HC、CO的排放特性是有區(qū)別的，這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)之間的結(jié)構(gòu)和控制方式(從表1中可以看出)以及排放的后處理(含前處理)不同而造成的，因此，不同型式的發(fā)動(dòng)機(jī)之間其排放特性沒(méi)有可比性。

2 汽車(chē)暖車(chē)和熱怠速工況排放定性分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

隨著汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度逐漸升高，發(fā)動(dòng)機(jī)從冷啟動(dòng)狀態(tài)的不穩(wěn)定逐漸過(guò)渡到相對(duì)穩(wěn)定，燃燒狀況得到了逐步改善。但是，該工況也只是冷啟動(dòng)的一個(gè)后繼過(guò)程。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度(水溫、油溫、排氣溫度等)達(dá)到了規(guī)定的正常工作溫度，各種與控制排放有關(guān)的裝置進(jìn)入了正常工作狀態(tài)時(shí)，則發(fā)動(dòng)機(jī)就進(jìn)入了熱怠速工況。四種車(chē)型的暖車(chē)和熱怠速比較，熱怠速的各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)均有下降，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 熱怠速與暖車(chē)的各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)比較下降率(%)

2.2 汽車(chē)暖車(chē)和熱怠速工況排放定性分析

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降較少，CO和HC下降率較高，并且在熱怠速工況下的排放值均低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的限值，過(guò)量空氣系數(shù)(λ)也隨發(fā)動(dòng)機(jī)溫度的上升而回降的了正常值。這說(shuō)明熱怠速時(shí)的排放已經(jīng)得到了明顯的改善。

從表3中可以看出，四種車(chē)型發(fā)動(dòng)機(jī)的排放改善程度是有差別的，這是受到很多因素的影響而造成的，影響因素主要表現(xiàn)在空燃比、熱狀態(tài)、催化轉(zhuǎn)化裝置、電子噴射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、汽油機(jī)轉(zhuǎn)速、點(diǎn)火提前角和氣門(mén)間隙、氣門(mén)重疊角等。

怠速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速直接影響到新鮮空氣吸入氣缸的充氣量，從而導(dǎo)致了氣缸內(nèi)混合氣濃度的改變，使得燃燒狀況發(fā)生改變，進(jìn)而影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能。點(diǎn)火提前角和氣門(mén)間隙、氣門(mén)重疊角對(duì)氣缸內(nèi)的真空度有很大影響，關(guān)系到部分廢氣倒吸到氣缸內(nèi)的多少，這部分幾乎不能參與燃燒的廢氣與新鮮空氣混合后直接排放到大氣中，而造成了HC排放量的升高，因此要對(duì)這些參數(shù)合理設(shè)置以得到最優(yōu)的充氣系數(shù)，達(dá)到改善怠速排放的目的。

3 汽車(chē)變工況排放定性分析

汽車(chē)的變工況主要有怠速、加速、減速、滑行等工況，這些工況及其組合屬于瞬態(tài)工況。這里只對(duì)加速—滑行組合的排放進(jìn)行定性分析。在得出該工況排放的測(cè)試結(jié)果后進(jìn)行檢測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)延修正并進(jìn)行定性分析。

3.1 測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)分別選取了搭載BN492D1QB型發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)車(chē)和搭載TU3JPK型發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)車(chē)在JKX-P型底盤(pán)測(cè)功機(jī)上進(jìn)行，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖3。實(shí)驗(yàn)記錄了用1、2、3檔加速到目標(biāo)車(chē)速時(shí)的排放檢測(cè)數(shù)據(jù)，圖3(a)所示。從圖中得出，排放分析儀測(cè)得的排放數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有明顯的時(shí)延。測(cè)量結(jié)果符合汽車(chē)在加速時(shí)排氣濃度有所增加而怠速滑行時(shí)有所下降的趨勢(shì)。

3.2 汽車(chē)變工況排放檢測(cè)數(shù)據(jù)修正

該分析儀是由管路和空腔等子系統(tǒng)組成且具有線性特性的測(cè)量系統(tǒng)，可以把它近似地看成二階系統(tǒng)。用于測(cè)量汽油機(jī)穩(wěn)態(tài)燃燒排放時(shí)，檢測(cè)信號(hào)基本上無(wú)畸變和時(shí)延Δt，測(cè)量結(jié)果可以直接使用。而當(dāng)用于測(cè)量汽油機(jī)瞬態(tài)燃燒排放時(shí)，由于工況的不穩(wěn)定而造成了燃燒的不穩(wěn)定性，儀器將在ω/ωn＞＞1階段內(nèi)工作，其中ω是取樣點(diǎn)廢氣的波動(dòng)頻率，它受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，ωn是管道系統(tǒng)的固有頻率。在該階段會(huì)出現(xiàn)幅頻特性的情況，就是說(shuō)得到的排放參數(shù)中有幅值Y畸變和時(shí)延Δ t。X(ω)是輸入信號(hào)x(t)的頻譜，Y(ω)是輸出信號(hào)(y)t的頻譜。為了能夠利用該排放分析儀對(duì)汽油機(jī)瞬態(tài)的排放進(jìn)行間接測(cè)量，就要把幅值Y畸變和時(shí)延Δt修正到畸變程度在期望的范圍內(nèi)。通過(guò)對(duì)取樣管道的頻率響應(yīng)特性分析，可以獲得了系統(tǒng)的幅頻特性|H(ω)|和相頻特性φ(ω)。這兩條曲線可視為輸出信號(hào)的幅值畸變特性和時(shí)延特性。

在進(jìn)行時(shí)延修正時(shí)，要首先找出加速的怠速發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的分界點(diǎn)，然后計(jì)算出分界點(diǎn)處發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與各排放參數(shù)之間的時(shí)間差，其中最大的時(shí)間差就是測(cè)試機(jī)型的時(shí)延Δ t。根據(jù)排放分析儀管道頻率響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行修正后的排放曲線與原始曲線是成比例變化的，對(duì)定性分析沒(méi)有影響。修正結(jié)果見(jiàn)圖3(b)。

圖3 不同車(chē)型的變工況排放測(cè)試結(jié)果

3.3 汽車(chē)變工況排放定性分析

只有在點(diǎn)火時(shí)刻和空燃比的控制參數(shù)［5］最優(yōu)以及達(dá)到正常的熱狀態(tài)后，汽油機(jī)才能得到最優(yōu)的排放效果。基于此，可以從以上幾方面來(lái)分析該工況的排放情況。

圖3(b)表明，在檢測(cè)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)三個(gè)波峰，并有三個(gè)排放值與之相對(duì)應(yīng)，由于換擋出現(xiàn)了前兩個(gè)波峰，而最后一個(gè)波峰則是由于汽車(chē)達(dá)到了目標(biāo)轉(zhuǎn)速而關(guān)閉節(jié)氣門(mén)致使發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入怠速，車(chē)輛開(kāi)始空檔滑行造成的。車(chē)輛在加速過(guò)程中排放量增加顯著，特別是在第三檔加速時(shí)排放量持續(xù)增加到最大值。當(dāng)車(chē)輛加速到目標(biāo)轉(zhuǎn)速后關(guān)閉節(jié)氣門(mén)開(kāi)始滑行時(shí)，由于兩種車(chē)型都采用了多點(diǎn)電子噴射系統(tǒng)，所以在很大程度上改善了汽車(chē)的排放。在點(diǎn)火時(shí)刻能夠用電子控制燃油噴射系統(tǒng)精確控制的前提下，影響該瞬態(tài)組合工況排放的主要因素有:節(jié)氣門(mén)開(kāi)度和曲軸轉(zhuǎn)角加速度變化率、發(fā)動(dòng)機(jī)的熱狀態(tài)、點(diǎn)火系統(tǒng)的工作狀態(tài)及其適應(yīng)性等。

節(jié)氣門(mén)開(kāi)度和曲軸轉(zhuǎn)角加速度變化率這一影響因素改變了空燃比，使得加速過(guò)程中氣缸內(nèi)混合氣濃度均勻性變差，燃燒更不穩(wěn)定，導(dǎo)致了排放物的濃度的突變。同時(shí)狹隙效應(yīng)、油膜的吸附和解吸、燃燒室中的沉積物也使得排放中的HC增加。當(dāng)進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉后，發(fā)動(dòng)機(jī)逐漸進(jìn)入穩(wěn)定的怠速狀態(tài)，而排放也隨之見(jiàn)小并趨于穩(wěn)定，這是因?yàn)榍S轉(zhuǎn)角加速度變化率趨于為零造成的。發(fā)動(dòng)機(jī)的熱狀態(tài)［6］的影響主要是由發(fā)動(dòng)機(jī)的熱慣性引起了發(fā)動(dòng)機(jī)的體積“冷淬”和HC的后期氧化以及狹隙效應(yīng)，使排放量增大。點(diǎn)火系統(tǒng)的工作狀態(tài)及其適應(yīng)性的影響主要取決于電控系統(tǒng)是否能夠根據(jù)不同的工況以及工況的突變及時(shí)發(fā)出與之相適應(yīng)的控制信號(hào)，以控制達(dá)到最優(yōu)的空燃比，從而更好地改善汽車(chē)的排放性能。但是要解決這個(gè)難題，也要依靠成熟的GDI技術(shù)［4］，以實(shí)現(xiàn)分層燃燒。

結(jié)束語(yǔ)

(1)要改善瞬態(tài)工況下的排放性能，必須依靠一些新技術(shù)在汽車(chē)上的應(yīng)用，例如GDI技術(shù)、排放的后處理技術(shù)等。

(2)提高冷啟動(dòng)時(shí)排氣中的含氧量以及對(duì)催化轉(zhuǎn)化裝置加熱，均可改善冷啟動(dòng)時(shí)的排放性能。對(duì)空燃比的控制也是改善冷啟動(dòng)工況排放的有效途徑，而這些途徑還要依賴(lài)于新技術(shù)在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用。

(3)采用廢氣再循環(huán)(EGR)技術(shù)、提高點(diǎn)火能量等均可改善怠速工況的排放性能。

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