缸內直噴發(fā)動機控制參數對顆粒物排放的優(yōu)化研究

李昱

摘要：利用整車轉鼓試驗和發(fā)動機臺架試驗對缸內直噴汽油機（GDI）的主要控制參數，包括配氣正時、燃油軌壓力、噴油相位、點火時刻等對發(fā)動機顆粒物排放的影響，從而優(yōu)化了配置此款缸內直噴發(fā)動機的整車顆粒物排放。

關鍵詞：汽油直噴；顆粒物排放優(yōu)化；研究

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GDI發(fā)動機顆粒物排放的生成機理及測試設備

1.1GDI發(fā)動機顆粒物排放的生成機理

GDI發(fā)動機顆粒物排放污染物主要來源是活塞頂面和缸壁的未蒸發(fā)油滴以及由于混合不良產生的局部濃混合氣；這些燃油在擴散燃燒過程中成核，并在缸內進行表面生長及凝聚，吸附以及凝結成最終的顆粒物。

圖1示出了直噴汽油機燃燒室內可能生成碳煙顆粒物的燃油附著區(qū)域。除了由于早期噴射而有明顯燃油附著的活塞頂面（圖1①）外，還有因進氣門及進氣門座上部的噴霧沖擊和擴散引起的燃燒室頂部燃油附著（圖1②），因噴油引起的噴嘴端部燃油附著（圖1③），以及經由氣缸壁面油膜的活塞環(huán)岸處燃油附著（圖l④）。生成碳煙的另一個原因是混合氣不均導致的局部混合氣過濃（圖1⑤）。新鮮空氣與燃油的混合不充分導致燃燒時的混合氣存在過濃區(qū)域，這也可能是導致生成碳煙顆粒的原因之一。

1.2顆粒物質量（PM）和顆粒物個數（PN）測量設備

PN測試設備：AVL489 Particle Counter，測試范圍：23nm～2.5um；23nm（±1nm）測試精度為50%（±2%）；41nm（±1nm）精度至少90%。

PN測試原理：丁醇法，微粒通過飽和丁醇氣，包裹上丁醇后直徑達到11.3-12.3μm，通過激光計數器計數。

煙度測試設備：AVL415（FSN），精度：5μg/m3。

煙度測試原理：一定容量廢氣中的碳煙，積存在濾紙上，通過光電檢測出被染黑濾紙。

2測試發(fā)動機主要參數

表1發(fā)動機主要參數，給出了試驗發(fā)動機設計的主要參數。

3通過發(fā)動機臺架試驗研究發(fā)動機主控參數對顆粒物排放的影響

3.1進排氣相位正時對顆粒物排放的影響

因發(fā)動機在NEDC循環(huán)的冷機階段顆粒物占循環(huán)總數的70-80%，重點以冷機階段的特征點作為臺架試驗優(yōu)化對象作詳細試驗分析。保持發(fā)動機冷卻液出口溫度在30度，根據實車在NEDC工況的測量運行點，選取2個特征工況點對不同的進排氣VVT正時每間隔10度作掃點測量，記錄對應的碳煙值（FSN），保持其他控制參數不變。總體來說適當增加氣門重疊角有助于降低顆粒物排放。

3.2噴油正時對顆粒物排放的影響

用相似方法選取四個特征工況點，保持發(fā)動機其余主控參數不變，在臺架上測試起始噴油正時角度260度.310度的煙度。從圖2測量結果顯示，適當提前噴油相位有助于混合氣的充分混合，同時避免活塞上的燃油附著，對降低碳煙有幫助。

3.3點火提前角對顆粒物排放的影響

從理論上來說適當推遲點火提前角有利于混合氣的充分混合，減少因后燃而使有機物氧化變少的情況。但如果噴油正時已經充分考慮了混合氣點火前預混合時間，那么點火提前角對顆粒物排放的影響將大大降低，且過多推遲點火提前角也會對燃燒穩(wěn)定性帶來負面影響。圖3顯示特征工況點下單次噴射和二次噴射兩種模式下點火提前角對煙度和燃燒穩(wěn)定性指標（CVO）的影響。

4結語

（1）發(fā)動機的主要控制參數包括進排氣VVT相位，燃油噴射相位，燃油噴射壓力對缸內顆粒物排放有顯著的影響，在噴油相位合理的情況下，點火提前角的貢獻有限，且會帶來較大的燃燒穩(wěn)定性方面負作用。

（2）針對國內絕大多數缸內最大噴射壓力在15MPa-20MPa的GDI發(fā)動機，大都可以通過優(yōu)化控制參數達到國5的顆粒物排放限值（PN 6.0x1012km-1/PM4.5mgkin-1）。

（3）從目前國5排放階段的GDI發(fā)動機普遍排放水平看，僅通過控制參數優(yōu)化來應對將要實施的國6b顆粒物排放限值（測試循環(huán)WLTC，PN 6.0x1011 km-1/PM 3mgkm-1）都存在一定差距。需要通過發(fā)動機硬件更改優(yōu)化缸內燃燒來達到目標，比如采用350MPa缸內燃油噴射壓力。