基于WHTC循環(huán)的柴油機(jī)瞬態(tài)工況煙度排放研究

張清魯，任錦玲，隋振富

(山東科技職業(yè)學(xué)院汽車工程系，山東濰坊 261053)

0 引言

在國家“金山銀山不如綠水青山”的號(hào)召下，在國內(nèi)汽車保有量突破2.9億輛之際，研究和降低汽車排放污染物成為很重要且見效顯著的一種途徑。尤其是近幾年“霧霾”的橫行，汽車煙度顆粒物的排放占據(jù)“霧霾”總量比重越來越大。因此降低汽車顆粒物排放，刻不容緩。

當(dāng)前情況下，為滿足國四、國五甚至后續(xù)的國六排放法規(guī)，電控高壓共軌成為了柴油機(jī)的標(biāo)配?，F(xiàn)今柴油機(jī)的主要研究方向?yàn)闇p排和節(jié)能。很多學(xué)者和企業(yè)對(duì)柴油機(jī)的煙度排放做過很多研究，如通過在燃油中添加有機(jī)金屬成分或納米顆粒來抑制碳煙的形成并促進(jìn)缸內(nèi)碳煙氧化[1]，研究不同EGR(Exhaust Gas Recirculation，廢氣再循環(huán)系統(tǒng))率對(duì)NOx及顆粒排放的影響[2]，多次噴射與EGR聯(lián)合控制降低煙度排放[3]，通過標(biāo)定軌壓和噴油提前角降低煙度排放[4]，增設(shè)后處理設(shè)備如DPF(Diesel Particulate Filter，顆粒捕捉器)[5]等降低柴油機(jī)煙度的研究非常多。也有很多學(xué)者通過研究各種控制策略降低WHTC(World Harmonized Transient Cycle)NOx和煙度排放，如文獻(xiàn)[6]中研究了燃油噴射控制參數(shù)對(duì)WHTC循環(huán)排放和經(jīng)濟(jì)性的影響，文獻(xiàn)[7]中通過提高排氣溫度降低WHTC瞬態(tài)排放的研究，文獻(xiàn)[8]中通過研究SCR控制策略來降低WHTC瞬態(tài)排放。但當(dāng)前通過研究瞬態(tài)過程和瞬態(tài)控制策略來降低煙度排放的文章相對(duì)較少，如文獻(xiàn)[9]中通過研究EGR瞬態(tài)修正模塊來降低瞬態(tài)排放，文獻(xiàn)[10]中通過研究噴油參數(shù)來降低瞬態(tài)排放過程的煙度等。而基于國家即將推行的國六排放法規(guī)試驗(yàn)，基于WHTC循環(huán)的瞬態(tài)過程的煙度排放的研究幾乎一片空白，利用軌壓瞬態(tài)修正降低瞬態(tài)煙度排放的研究也非常少。

本文作者基于WHTC循環(huán)進(jìn)行瞬態(tài)過程煙度排放分析，基于分析結(jié)果，以WHTC瞬態(tài)過程為研究對(duì)象，通過建立軌壓瞬態(tài)修正模型，降低瞬態(tài)煙度排放。

1 基于WHTC的瞬態(tài)過程分析

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)大部分時(shí)間都是在瞬態(tài)工況中運(yùn)轉(zhuǎn)，即轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩每時(shí)每刻都在變化，對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)排放性能進(jìn)行研究將有很重要的實(shí)際意義。環(huán)境保護(hù)部在2014年1月16日發(fā)布了HJ 689-2014《城市車輛用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法(WHTC工況法)》，規(guī)定自2015年1月1日起在柴油機(jī)型式核準(zhǔn)中增加新的測(cè)試循環(huán)——世界統(tǒng)一的瞬態(tài)測(cè)試循環(huán)(World Harmonized Transient Cycle，WHTC)。

未來幾年推行國六排放勢(shì)在必行，環(huán)保法規(guī)中的國六排放要求柴油機(jī)出廠前須進(jìn)行WHTC瞬態(tài)試驗(yàn)循環(huán)，因此選取WHTC試驗(yàn)循環(huán)作為測(cè)試循環(huán)，進(jìn)行瞬態(tài)過程的研究和驗(yàn)證。

WHTC循環(huán)包含一組逐秒變化的轉(zhuǎn)速和扭矩的規(guī)范百分值。為了在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能數(shù)據(jù)和參數(shù)，將百分比轉(zhuǎn)化為實(shí)際值，以換算成適用于發(fā)動(dòng)機(jī)的臺(tái)架試驗(yàn)循環(huán)。根據(jù)試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)(見表1)，轉(zhuǎn)化后的WHTC工況點(diǎn)分布如圖1所示。

表1 試驗(yàn)柴油機(jī)參數(shù)

圖中包含了WHTC、WHSC、WNTE 3種循環(huán)的工況點(diǎn)，其中“+”號(hào)表示的點(diǎn)為該試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)WHTC的1 800個(gè)循環(huán)工況點(diǎn)，這些循環(huán)工況點(diǎn)覆蓋了該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)常用經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速區(qū)，很全面地體現(xiàn)了該型號(hào)柴油機(jī)常用工況。

依據(jù)轉(zhuǎn)化后的WHTC臺(tái)架循環(huán)測(cè)試，運(yùn)行柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)程序，調(diào)取其中的轉(zhuǎn)速、扭矩及PM(顆粒物)參數(shù)數(shù)據(jù)，得到圖2所示整個(gè)循環(huán)過程的PM排放結(jié)果(AVL483在線測(cè)量值)。

圖2 柴油機(jī)WHTC排放結(jié)果

可以看出：整個(gè)WHTC排放循環(huán)中，有很多個(gè)峰值點(diǎn)，最大的峰值點(diǎn)可達(dá)到500 mg/m3。因圖中集中了1 800個(gè)工況點(diǎn)，比較密集，很難分辨具體細(xì)節(jié)，截出PM峰值較高的一段作詳細(xì)分析，如圖3所示。

圖3 WHTC部分循環(huán)排放

可以看出：

(1)WHTC循環(huán)工況中的碳煙排放出現(xiàn)大量峰值，從截取的時(shí)間段來看，有兩個(gè)峰值超過400 mg/m3，這兩個(gè)峰值排放占整個(gè)截取時(shí)間段的80%以上。

(2)煙度排放峰值與扭矩峰值具有一定的相關(guān)性，煙度峰值出現(xiàn)在扭矩增幅較大的區(qū)域。

同樣截取WHTC中一段，調(diào)取其他影響燃燒的參數(shù)：進(jìn)氣量、噴油量、循環(huán)排放，3個(gè)參數(shù)關(guān)系如圖4所示。

從圖4中得出：扭矩增加過程中，油量響應(yīng)迅速，幾乎與扭矩趨勢(shì)一致，而進(jìn)氣量響應(yīng)滯后，導(dǎo)致空氣不足，從而形成過量空氣系數(shù)低谷。煙度峰值與過量空氣系數(shù)低谷峰值相吻合，這說明煙度的產(chǎn)生與進(jìn)氣量延遲有直接關(guān)系。

根據(jù)上面的分析結(jié)果，文中設(shè)計(jì)瞬態(tài)軌壓修正控制策略，通過改變瞬態(tài)軌壓來改善瞬態(tài)過程中噴油霧化情況，優(yōu)化“油多氣少”的燃燒情況，降低WHTC瞬態(tài)過程中煙度排放。

2 設(shè)計(jì)瞬態(tài)軌壓修正控制策略

在原有的軌壓控制策略中，存在軌壓的環(huán)境溫度、環(huán)境壓力修正，無軌壓瞬態(tài)修正模塊，這里引入瞬態(tài)軌壓修正值，使得瞬態(tài)過程中的實(shí)際軌壓=軌壓計(jì)算值+瞬態(tài)軌壓修正值。通過引入軌壓瞬態(tài)修正值來降低瞬態(tài)過程的煙度排放。通過FlexECU軟件將模型程序?qū)懭朐囼?yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)ECU中。圖5所示為軌壓計(jì)算模型，圖6所示為軌壓設(shè)定值計(jì)算模型，圖7所示為軌壓瞬態(tài)修正控制策略。

圖5 軌壓計(jì)算模型

圖6 軌壓設(shè)定值計(jì)算模型

圖7 軌壓瞬態(tài)修正控制策略

3 試驗(yàn)方法

整個(gè)試驗(yàn)過程如圖8所示。

圖8 整個(gè)試驗(yàn)過程

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)循環(huán)選取

通過上述瞬態(tài)過程中煙度排放分析，可以看出，整個(gè)瞬態(tài)循環(huán)的煙度峰值占煙度總量的比例很大，因此研究的重點(diǎn)在于消減瞬態(tài)排放過程的煙度峰值。

根據(jù)WHTC試驗(yàn)循環(huán)排放結(jié)果，找出其中煙度峰值集中的部分。這里選取WHTC循環(huán)中煙度峰值大于50 mg/m3(暫定值，根據(jù)瞬態(tài)工況中NOx、油耗等綜合因素變化情況需要再次調(diào)整)工況進(jìn)行修正。試驗(yàn)方法：找到PM比較大的工況，分別從WHTC中提取出包含這些工況(最好從怠速開始)的一些時(shí)間段，將這些微片段WHTC循環(huán)導(dǎo)入臺(tái)架測(cè)控儀，分別運(yùn)行這些分段的瞬態(tài)工況。

3.2 標(biāo)定方法

運(yùn)行WHTC循環(huán)時(shí)，調(diào)出煙度同步測(cè)量值。在運(yùn)行至煙度峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的瞬態(tài)軌壓MAP中的區(qū)域(煙度峰值產(chǎn)生時(shí)黑框經(jīng)過的區(qū)域)進(jìn)行標(biāo)定，如圖9所示。標(biāo)定時(shí)，以10 MPa為單位，依次遞增進(jìn)行標(biāo)定，同時(shí)觀察該區(qū)間煙度峰值的變化，若峰值未變化或仍較大，加大瞬態(tài)軌壓值或改變標(biāo)定區(qū)域，直至煙度峰值降至50 mg/m3以內(nèi)，找到運(yùn)行工況區(qū)域的最佳標(biāo)定值并記錄。

要注意的是煙度測(cè)量儀測(cè)量的滯后性，因?yàn)楫?dāng)前循環(huán)中標(biāo)定的軌壓對(duì)排放的影響效果只有在后面的發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中被煙度儀測(cè)量到。因此，要注意標(biāo)定區(qū)域的合理選取。

圖9 瞬態(tài)軌壓標(biāo)定MAP

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)采用EGR(Exhaust Gas Recirculation，廢氣再循環(huán)系統(tǒng))+SCR(Selective Catalytic Reduction，選擇性催化還原技術(shù))技術(shù)路線，滿足國五排放法規(guī)的四沖程高壓共軌增壓中冷柴油機(jī)，表1給出了試驗(yàn)用柴油機(jī)的性能參數(shù)。

采用的煙度測(cè)量設(shè)備：瞬態(tài)過程在線測(cè)量使用AVL 483測(cè)量儀，整個(gè)WHTC循環(huán)排放收集采用AVL 415S設(shè)備。兩設(shè)備參數(shù)如表2所示。

表2 煙度測(cè)量儀參數(shù)

4.2 瞬態(tài)循環(huán)結(jié)果對(duì)比

首先，在試驗(yàn)臺(tái)架上運(yùn)行提取WHTC高煙度峰值片段，記錄該過程的煙度排放。對(duì)該循環(huán)運(yùn)行過的所有工況區(qū)域標(biāo)定軌壓MAP，標(biāo)定后再次循環(huán)運(yùn)行，調(diào)出排放數(shù)據(jù)，檢查排放結(jié)果。標(biāo)定前后煙度排放對(duì)比如圖10所示。

可以看出，標(biāo)定后的煙度排放相比于標(biāo)定前煙度總量明顯減小，且提取WHTC循環(huán)片段的煙度排放峰值都有明顯的減小，這說明軌壓瞬態(tài)修正對(duì)瞬態(tài)煙度峰值消減效果明顯。

圖10 軌壓修正前后煙度值對(duì)比

完成WHTC循環(huán)中所有高煙度峰值對(duì)應(yīng)的工況區(qū)域的標(biāo)定后，運(yùn)行HTC循環(huán)，對(duì)比瞬態(tài)標(biāo)定前后的煙度排放情況，修正前后的瞬態(tài)煙度排放如圖11所示。

圖11 標(biāo)定前后煙度排放值

可以明顯看出，標(biāo)定后的煙度峰值遠(yuǎn)小于標(biāo)定前的煙度峰值，基本控制在60 mg/m3以內(nèi)，較好地實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的煙度值消減目標(biāo)。

在標(biāo)定過程中將煙度峰值控制在60 mg/m3以內(nèi)，若繼續(xù)進(jìn)行增減瞬態(tài)軌壓值，NOx增大較快，因此利用外修改提前角、EGR率、進(jìn)氣量等因素來消減增加的這部分NOx排放，非常不利于整機(jī)排放的降低。在標(biāo)定瞬態(tài)軌壓模塊降低煙度的過程中，一個(gè)基本的原則就是在油耗、NOx值可控的情況下，不能因瞬態(tài)過程中煙度排放降低造成油耗、NOx較大的變化。

4.3 WHTC循環(huán)整體排放對(duì)比

分別開啟和關(guān)閉瞬態(tài)修正模塊，運(yùn)行WHTC循環(huán)，得到如表3所示對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果。

表3 瞬態(tài)軌壓標(biāo)定前后排放結(jié)果對(duì)比 g/(kW·h)

注：THC表示氣體中含有碳氧化合物的總量；BSFC表示有效燃油水消耗率。

通過上述結(jié)果，可以看出標(biāo)定后整個(gè)瞬態(tài)過程煙度下降20%，煙度降排效果客觀，但是NOx排放上升9.75%，油耗上升1 g/(kW·h)。綜合PM與NOx排放考慮，該研究取得較好降煙度效果。多出的NOx排放可通過EGR與SCR的耦合控制來消除。

5 結(jié)論

通過對(duì)電控高壓共軌柴油機(jī)基于WHTC循環(huán)的瞬態(tài)排放研究，分析了電控高壓共軌柴油機(jī)瞬態(tài)過程中煙度排放過大的原因機(jī)制，即瞬態(tài)過程中進(jìn)氣量滯后于噴油量造成過量空氣系數(shù)低谷，燃燒不良，煙度增多。在分析結(jié)論基礎(chǔ)上，建立瞬態(tài)軌壓修正模型，通過軌壓瞬態(tài)修正模塊的標(biāo)定，標(biāo)定后的WHTC循環(huán)煙度排放峰值明顯減小，說明瞬態(tài)軌壓修正能有效降低瞬態(tài)過程煙度排放，對(duì)研究柴油機(jī)煙度排放具有很重要的意義。但也存在一些不足：

(1)影響發(fā)動(dòng)機(jī)煙度排放的因素是多方面的，如發(fā)動(dòng)機(jī)裝配到整車后，進(jìn)氣環(huán)境及排氣背壓等都受到影響。因此發(fā)動(dòng)機(jī)裝配整車后還需要進(jìn)行標(biāo)定和驗(yàn)證，以確認(rèn)標(biāo)定效果的有效性；

(2)瞬態(tài)模塊中還有諸多子模塊，比如預(yù)噴瞬態(tài)修正、EGR瞬態(tài)修正、預(yù)噴提前角瞬態(tài)修正等多個(gè)模塊，這些瞬態(tài)模塊是否能同樣降低瞬態(tài)煙度排放，都需要進(jìn)行標(biāo)定和驗(yàn)證，以確定該標(biāo)定方法最終有效。