實(shí)際行駛條件下顆粒物形成的影響因素

【德】　J.Hadler　C.Lensch-Franzen　M.Gohl　T.Mink

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試驗(yàn)研究

實(shí)際行駛條件下顆粒物形成的影響因素

【德】J.HadlerC.Lensch-FranzenM.GohlT.Mink

全球未來(lái)的廢氣排放法規(guī)對(duì)動(dòng)力裝置的開發(fā)，特別是在實(shí)際行駛條件下對(duì)降低廢氣排放提出了挑戰(zhàn)。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，不僅必須要有合適的開發(fā)方法，而且還要應(yīng)用動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)，以及詳細(xì)了解物理現(xiàn)象和機(jī)理。以APL公司增壓缸內(nèi)直噴汽油機(jī)燃燒過程為例介紹顆粒物排放的優(yōu)化。

1　運(yùn)行條件的總體分析

隨著歐6c廢氣排放法規(guī)的實(shí)施，除了碳?xì)浠衔?HC)、CO、氮氧化合物(NOx)和碳煙顆粒物之外，特別是在缸內(nèi)直噴汽油機(jī)情況下，降低顆粒數(shù)排放也成為關(guān)注的焦點(diǎn)。與新歐洲行駛循環(huán)(NEDC)不同，在全球統(tǒng)一輕型車試驗(yàn)循環(huán)(WLTC)和實(shí)際行駛廢氣排放(RDE)邊界條件下(圖1)，不僅轉(zhuǎn)速和負(fù)荷范圍擴(kuò)大，在瞬態(tài)階段的要求更加苛刻[1]。為了針對(duì)法規(guī)規(guī)定及其廢氣排放重點(diǎn)來(lái)評(píng)估RDE道路行駛狀況，已開發(fā)了1種以模型為基礎(chǔ)的試驗(yàn)臺(tái)環(huán)境[2]。

圖1　發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線場(chǎng)中的行駛循環(huán)和標(biāo)準(zhǔn)梯度

為了優(yōu)化動(dòng)力性能和負(fù)荷下的移動(dòng)對(duì)系統(tǒng)狀況進(jìn)行了考察，形成了綜合行駛工況譜下的設(shè)計(jì)方案(圖2)。考慮到要進(jìn)行實(shí)際行駛數(shù)據(jù)評(píng)估和發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)基本測(cè)量，推導(dǎo)出了用于開發(fā)的行駛循環(huán)。

如圖2所示，顆粒物排放特性曲線場(chǎng)是原始基礎(chǔ)，通過穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)查明運(yùn)行工況點(diǎn)，再根據(jù)實(shí)際行駛數(shù)據(jù)按照汽車行駛狀況分析(VOCA)方法[3]設(shè)計(jì)具有代表性的行駛工況圖譜。在Fraunhofer化學(xué)技術(shù)研究所項(xiàng)目組的新驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，使用駕車者、汽車和行駛環(huán)境方法[4]對(duì)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析進(jìn)行了進(jìn)一步開發(fā)，并且可以在任何發(fā)動(dòng)機(jī)上與燃燒過程和外圍設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定。

圖2(c)示出了行駛工況圖譜，表示了在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)扭矩持續(xù)時(shí)間的分布狀況。通過統(tǒng)計(jì)學(xué)分析從該工況圖譜中精選出頻繁行駛的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷平臺(tái)及其梯度，并在考慮到全負(fù)荷曲線的情況下進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。將具有代表性的運(yùn)行工況點(diǎn)變化與給定發(fā)動(dòng)機(jī)的全負(fù)荷值聯(lián)系起來(lái)，并借助于自行開發(fā)的算法轉(zhuǎn)換成試驗(yàn)臺(tái)規(guī)范。

綜合行駛工況譜考慮到動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中處于NEDC、RDE邊界條件下的車輛行駛狀況。在此基礎(chǔ)上就能推導(dǎo)出影響參數(shù)，以及檢驗(yàn)和評(píng)估方案。

2　顆粒形成的機(jī)理

優(yōu)化措施的前提條件是要詳細(xì)了解HC進(jìn)入燃燒室并產(chǎn)生碳煙的過程(圖3)。碳煙的形成是從微小的碳個(gè)體形成顆粒開始的，然后進(jìn)一步增長(zhǎng)成碳煙核心，在凝結(jié)和聚集時(shí)顆粒數(shù)減少且質(zhì)量增大，而氧化則可能使碳煙份額減少。為了檢測(cè)單個(gè)工作循環(huán)期間的這種現(xiàn)象，光學(xué)測(cè)量技術(shù)采用了所謂的“雙色法”。

這種形成和氧化過程與氧含量、溫度和壓力等局部的邊界條件有關(guān)，并且決定了HC的來(lái)源，以及進(jìn)入燃燒室的時(shí)間點(diǎn)和地點(diǎn)。HC除了受到噴油系統(tǒng)影響之外，在使用期間還必須考慮到機(jī)油進(jìn)入燃燒室的附加來(lái)源。潤(rùn)滑劑可能會(huì)通過氣門桿和渦輪增壓器的密封裝置進(jìn)入燃燒室，而活塞組附加的機(jī)油排放則取決于壁面油膜的蒸發(fā)、慣性離心分離作用，以及氣體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。在混合氣形成時(shí)，燃油與潤(rùn)滑油之間的相互作用會(huì)導(dǎo)致壁面油膜范圍內(nèi)火力岸和活塞環(huán)區(qū)潤(rùn)滑劑成分的變化。

圖2　根據(jù)基本測(cè)量設(shè)計(jì)的開發(fā)行駛循環(huán)

圖3　燃燒室中HC進(jìn)入和顆粒物形成的機(jī)理

3　影響參數(shù)及其復(fù)雜的相互作用的優(yōu)化

顆粒數(shù)和顆粒物受到眾多相互作用的參數(shù)影響，并對(duì)未燃HC進(jìn)入燃燒室和顆粒物形成及氧化產(chǎn)生一定的影響(圖4)。

在混合氣形成時(shí)，噴油系統(tǒng)包括燃油、噴油器噴嘴幾何形狀和噴油壓力起著決定性的作用[5]。零件潤(rùn)濕特別是表面溫度低是顆粒物排放增加的重要原因，考慮到諸如間接充量擾動(dòng)動(dòng)能、行程/缸徑比和流動(dòng)狀況(滾流)等眾多混合氣形成參數(shù)情況下，根據(jù)噴油器特性優(yōu)化噴油策略，將噴油過程分成多次噴油脈沖，有助于減小燃油噴束的貫穿深度，從而有助于避免燃油噴束與零件之間可能發(fā)生的相互作用。在這方面，噴油系統(tǒng)的最小噴油量和靠近點(diǎn)火火花的噴射對(duì)噴油器的制造工藝和控制提出了更高的要求。

活塞、活塞環(huán)和氣缸體曲軸箱等各種機(jī)械零部件的設(shè)計(jì)，以及潤(rùn)滑油規(guī)格對(duì)潤(rùn)滑劑進(jìn)入燃燒室的份額具有決定性的影響[6]。在實(shí)際運(yùn)行條件下，如果要減小氣缸變形以改善燃燒室的密封性，要考慮到用氣缸蓋壓緊氣缸體曲軸箱，以及發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行期間的熱應(yīng)力。發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況對(duì)工作機(jī)械產(chǎn)生重大影響，因而也影響到機(jī)油消耗量，其中發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)油排放和顆粒物的形成顯著增加[7]。

4　借助于統(tǒng)計(jì)學(xué)試驗(yàn)計(jì)劃優(yōu)化實(shí)際使用時(shí)的顆粒物排放

從RDE行駛循環(huán)角度來(lái)看，運(yùn)行邊界條件要明

顯復(fù)雜得多，因而針對(duì)整個(gè)特性曲線場(chǎng)范圍內(nèi)的顆粒物排放，需要特別關(guān)注噴油和混合氣形成參數(shù)應(yīng)用的課題。應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)試驗(yàn)計(jì)劃能使這種內(nèi)容廣泛的優(yōu)化工作節(jié)省時(shí)間和降低成本。通常，這種方法可分成制定試驗(yàn)計(jì)劃、測(cè)量、形成模型和優(yōu)化/驗(yàn)證等幾個(gè)步驟。在實(shí)施試驗(yàn)計(jì)劃的過程中，應(yīng)通過仔細(xì)的系統(tǒng)分析來(lái)鑒定潛在的影響參數(shù)，例如燃油壓力、空燃比、點(diǎn)火時(shí)刻、噴油量、噴油方位和霧化品質(zhì)，以及進(jìn)排氣凸輪軸的配氣正時(shí)等。在理想情況下，每個(gè)影響參數(shù)都有1種目標(biāo)量值的特定關(guān)系，以及可能的影響參數(shù)特定關(guān)系的相互作用。

圖5(a)示出了用于全要素試驗(yàn)的噴油起始點(diǎn)、燃油壓力和空燃比等參數(shù)的試驗(yàn)范圍。這消耗了很多的試驗(yàn)時(shí)間，通過軟件查明了所有的參數(shù)組合，它們對(duì)于表達(dá)內(nèi)在關(guān)系具有重要作用。借助于數(shù)學(xué)回歸模型來(lái)描述這些影響，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)評(píng)估。除此之外，還要查明它們之間的相互作用并用數(shù)值表示。之后，通過脫機(jī)就能優(yōu)化參數(shù)，并在試驗(yàn)過程中予以驗(yàn)證。

模型圖像(圖5(b))可用于參數(shù)比較，通過各種不同型式的圖像用來(lái)進(jìn)行評(píng)估，并用數(shù)量表示所存在的主要影響和相互關(guān)系。之后，對(duì)相互作用的圖像(圖5(c))再定性地考察內(nèi)在關(guān)系，而3D特性曲線場(chǎng)則可分析所考察范圍內(nèi)的最小值和最大值，以便確定所考察的多個(gè)參數(shù)的最佳值。

從圖5(d)中可以明顯看出，為了降低該運(yùn)行工況點(diǎn)的顆粒物排放，應(yīng)優(yōu)先選擇提高噴油壓力與調(diào)早噴油起始點(diǎn)相結(jié)合的方法。

圖4　顆粒物形成的運(yùn)行因素

噴油策略對(duì)于降低顆粒物排放起著重要作用，必須根據(jù)運(yùn)行工況點(diǎn)逐一確定。圖6示出了“均質(zhì)”和“分層-均質(zhì)”噴射模式的區(qū)別。均質(zhì)噴射運(yùn)行模式是在進(jìn)氣行程期間將燃油噴入燃燒室，可采用單次或多次噴射模式。與均質(zhì)單次噴射(HOM1)相比，在此運(yùn)行工況點(diǎn)上均質(zhì)2次噴射(HOM2)后，顆粒數(shù)和碳煙量降低近40%。噴射過程被分成好幾個(gè)噴油脈沖，有助于減小噴束的貫穿深度，進(jìn)而避免噴束與零件和潤(rùn)滑油膜之間的相互作用。而均質(zhì)-分層噴射模式(HSP2)則是將一部分燃油在壓縮行程期間才噴入燃燒室的，在此期間的燃燒室的高溫和在噴油(ES)時(shí)刻加強(qiáng)的充量擾動(dòng)強(qiáng)度能使混合氣獲得最佳的均質(zhì)化。從噴束模式效果圖上可得知，采取HPS2噴射模式能達(dá)到進(jìn)一步降低顆粒物排放的效果，與HOM1相比，顆粒數(shù)降低高達(dá)55%，而碳煙降低則高達(dá)75%。

碳煙量和顆粒數(shù)相互關(guān)系可以通過改變噴束模式而產(chǎn)生變換，由于混合氣均質(zhì)化效果的改善，能明顯降低顆粒物排放和碳煙排放水平。全面優(yōu)化的目標(biāo)是在考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的所有邊界條件下針對(duì)需求匹配噴油策略。

5　瞬態(tài)過程的系統(tǒng)考察

應(yīng)用策略要盡可能進(jìn)行最廣泛的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化。在RDE行駛情況下發(fā)動(dòng)機(jī)很少出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。圖7所示的顆粒數(shù)排放和碳煙量排放隨時(shí)間的變化曲線證實(shí)了這個(gè)問題。在HSP2情況下，其穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況點(diǎn)①的排放低于HOM1，而在瞬態(tài)運(yùn)行過程(運(yùn)行工況點(diǎn)②)中，當(dāng)突變到中等負(fù)荷時(shí)，碳煙量排放僅出現(xiàn)較小的變化，此時(shí)HSP2的碳煙量排放低于HOM1模式。

與此相反，動(dòng)態(tài)運(yùn)行部分的HSP2模式顆粒數(shù)排放卻明顯高于HOM1模式，而顆粒圖譜在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行范圍內(nèi)HSP2運(yùn)行模式呈現(xiàn)出較低的顆粒濃度，但是這種噴射模式類似于顆粒數(shù)的測(cè)量信號(hào)，負(fù)荷突變期間在寬廣的顆粒圖譜范圍內(nèi)顯示高出好幾倍的濃度。HSP2噴射模式對(duì)于壓縮行程中的混合氣均質(zhì)化和燃油的計(jì)量精度明顯要比HOM1模式運(yùn)行時(shí)更為敏感。當(dāng)從倒拖轉(zhuǎn)換到負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致濃的混合氣范圍。在既要考慮到顆粒數(shù)大大增加又要考慮到顆粒圖譜的情況下，由于燃油-壁面油膜的相互作用，會(huì)出現(xiàn)液體燃油份額及機(jī)油份額，因而允許碳煙量有適度的增加。

圖6　考察噴油策略

圖7　噴油策略對(duì)顆粒數(shù)和碳煙質(zhì)量的瞬態(tài)影響

因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)運(yùn)行增多的情況下，僅提供在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀況下和在部分動(dòng)態(tài)性能經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上優(yōu)化的試驗(yàn)數(shù)據(jù)是不夠的，在某些運(yùn)行范圍內(nèi)總排放可能會(huì)惡化。特別是在動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)，空氣管路與燃油管路的調(diào)節(jié)品質(zhì)和調(diào)節(jié)速度是不同的，這就成為標(biāo)定優(yōu)化的關(guān)注焦點(diǎn)?？紤]到這種關(guān)系，APL集團(tuán)開發(fā)了1種以模型為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)化策略。

6　行駛循環(huán)中改變影響參數(shù)的效果

從圖8可知，使用的認(rèn)證行駛循環(huán)NEDC與RDE的比較中，可以清楚地看到在給定的標(biāo)定策略和有針對(duì)性的改變零部件(例如優(yōu)化的曲軸箱通風(fēng)和活塞組)的不同特點(diǎn)。在NEDC行駛循環(huán)中，有關(guān)降低顆粒物排放的措施的效果并不明顯，而降低機(jī)油排放和HC排放則主要集中在倒拖行駛階段。對(duì)具有較陡斜率(負(fù)載階段為正值，倒拖階段為負(fù)值)的RDE行駛曲線凹口的分析明顯顯示出顆粒物排放優(yōu)化的潛力。減少機(jī)油摻入到燃燒室中對(duì)降低總HC排放也有明顯效果。在負(fù)載階段，即使燃燒室中小部分機(jī)油燃燒，在與噴入的燃油的共同作用下也會(huì)使顆粒物排放增加。

采取有針對(duì)性的試驗(yàn)方法，能夠?qū)γ恳环N措施單獨(dú)進(jìn)行試驗(yàn)，從而就能區(qū)分出各種零部件措施的顆粒物排放峰值，例如改善活塞組密封性或采取適當(dāng)?shù)膰娪筒呗缘臉?biāo)定措施等。但是，也有部分階段無(wú)法明確地區(qū)分出單個(gè)措施的效果，因?yàn)槿加?壁面油膜的相互作用會(huì)產(chǎn)生交叉的影響效果。

圖9中認(rèn)證行駛循環(huán)(NEDC與RDE)和開發(fā)行

駛循環(huán)(高動(dòng)態(tài)行駛循環(huán)與綜合開發(fā)行駛循環(huán))中的顆粒物排放、機(jī)油排放和HC排放平均值的比較表明，在NEDC行駛循環(huán)中采取標(biāo)定和零部件措施的優(yōu)化效果尚不明顯。在RDE行駛循環(huán)中，因其具有寬廣的特性曲線場(chǎng)范圍，以及負(fù)荷和轉(zhuǎn)速斜率而無(wú)綜合特征，優(yōu)化措施就呈現(xiàn)出顆粒數(shù)的降低。圖9(b)示出的將這些措施應(yīng)用于開發(fā)的行駛循環(huán)顯示出最不利的廢氣排放情況，因而具有較大的降低潛力。

圖9　整個(gè)行駛循環(huán)廢氣排放的考察情況

7　結(jié)論

法規(guī)規(guī)定未來(lái)對(duì)于所有的汽車都必須要在實(shí)際行駛運(yùn)行條件下測(cè)定廢氣排放性能，這就對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的開發(fā)提出新的挑戰(zhàn)，而且所考察的特性曲線場(chǎng)范圍的擴(kuò)大和動(dòng)態(tài)性能要求的提高都必須確保系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。

為了評(píng)估動(dòng)力系統(tǒng)，在從穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)分析獲得的實(shí)際行駛數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出了綜合行駛循環(huán)作為最不利的邊界條件。例如已對(duì)有關(guān)混合氣形成、燃 油- 壁面油膜相互作用和活塞組密封性等標(biāo)定和零部件方面的優(yōu)化進(jìn)行了試驗(yàn)。為了給RDE行駛循環(huán)中的整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線場(chǎng)提供數(shù)據(jù)，需要1種借助于DoE的系統(tǒng)接近方式。試驗(yàn)結(jié)果表明了混合氣形成參數(shù)對(duì)顆粒物形成的影響，其中由于實(shí)際行駛中具有較高的動(dòng)態(tài)份額，導(dǎo)致了新的優(yōu)化特性曲線場(chǎng)，特別是在發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)運(yùn)行時(shí)。迄今為止，穩(wěn)態(tài)提供數(shù)據(jù)的策略會(huì)在瞬態(tài)運(yùn)行階段導(dǎo)致過高的廢氣排放，正如不同噴油策略已表明的那樣。未來(lái)為了滿足法規(guī)邊界條件的要求，在盡可能減少機(jī)油摻入到燃燒室的同時(shí)，還應(yīng)考慮提高空氣和燃油管路的調(diào)節(jié)速度和品質(zhì)，而這些優(yōu)化則應(yīng)該通過合理的利用綜合行駛循環(huán)中具有代表性的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速斜率來(lái)實(shí)現(xiàn)。

為此，APL集團(tuán)開發(fā)了1種以開發(fā)方法和開發(fā)工具為基礎(chǔ)，并以RDE行駛循環(huán)的能力為關(guān)注焦點(diǎn)的復(fù)雜方法鏈(圖10)。它利用在傳動(dòng)系試驗(yàn)臺(tái)和發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上具有代表性的實(shí)際行駛可重復(fù)性的描述作為基礎(chǔ)，以便能夠分析運(yùn)行參數(shù)并推導(dǎo)出功能關(guān)系。開發(fā)的深度從有關(guān)單個(gè)零部件的整個(gè)汽車系統(tǒng)一直擴(kuò)展到物理現(xiàn)象。

圖10　APL公司的方法鏈

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2016-05-09)