發(fā)動機排放測試技術在直噴型發(fā)動機開發(fā)中的應用

王君，于忠貴，徐思遠，張凱，高永亮

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發(fā)動機排放測試技術在直噴型發(fā)動機開發(fā)中的應用

王君，于忠貴，徐思遠，張凱，高永亮

（哈爾濱東安汽車發(fā)動機制造有限公司，黑龍江 哈爾濱 150060）

隨著《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》即輕型車“國六排放”標準的發(fā)布，發(fā)動機排放情況成了各大車廠主要監(jiān)測對象。由于測試工況較之國五發(fā)生巨大變化（過渡工況增加，穩(wěn)態(tài)工況減少），發(fā)動機的動態(tài)排放情況更是監(jiān)測的重點。該論文主要論述在發(fā)動機臺架標定中，發(fā)動機排放測試技術在發(fā)動機排放監(jiān)測上的應用，以及在發(fā)動機最佳排放點選取上的作用。從而實現(xiàn)不同工況下發(fā)動機的排放優(yōu)化，進而降低整車排放狀況以滿足國六標準的要求，明確產(chǎn)品改進與研發(fā)方向。

國六排放；發(fā)動機標定；數(shù)據(jù)優(yōu)化；排放測試設備

1 引言

汽車在人們生活中扮演著越來越重要的角色，隨著汽車數(shù)量的增加，汽車排放污染也變得越來越嚴重，尤其是排氣中的氣體如碳氫化合物、一氧化碳和微小顆粒物等對人體會有所損害。汽車尾氣排放污染成為人們都需要面對的難題和挑戰(zhàn)。

隨著國六排放標準的正式發(fā)布，各大車企都在研究應對法規(guī)的先進汽車技術?；谝呀?jīng)成型的發(fā)動機結構，燃油電控噴射等成為主要優(yōu)化方向，其中發(fā)動機排放測試設備對數(shù)據(jù)優(yōu)化起到至關重要的作用。

汽車排氣污染物的主要產(chǎn)生原因為：一氧化碳為燃油不完全燃燒產(chǎn)生；碳氫為燃油未經(jīng)燃燒或蒸發(fā)泄露的部分生成；氮氧化物為發(fā)動機負荷較大時氮氣參與燃燒與氧氣生成。針對發(fā)動機不同的工況，不同時刻產(chǎn)生污染物的種類與數(shù)量都不同。標定過程中就需要對應的進行調節(jié)優(yōu)化。

2 本文的研究意義和內容

2.1 本文的研究意義

在國六工況中，由于大部分加減速等過渡工況，故發(fā)動機工作狀態(tài)不明朗，排放情況波動較大，在國六WLTC曲線第二工況升降擋頻繁，導致轉速變化大，發(fā)動機缸內燃燒狀況急劇變化，排放情況無法明確，本文主要針對DAE某款直噴發(fā)動機安裝在臺架和搭載在整車上，運行對應工況后，利用發(fā)動機排放測試設備實時監(jiān)測發(fā)動機排放情況，并根據(jù)排放的數(shù)據(jù)進行分析，如何進行優(yōu)化提升。

2.2 本文的主要研究內容

通過介紹發(fā)動機排放測試設備在發(fā)動機排放優(yōu)化中的作用：1）針對發(fā)動機氣態(tài)排放污染物，通過直接采樣排放設備將汽車整工況排放情況進行測量記錄，并生成秒采數(shù)據(jù)曲線，根據(jù)秒采數(shù)據(jù)曲線得出發(fā)動機運行工況中某一時刻排放情況不佳，然后進行參數(shù)更改直至最優(yōu)；2）針對發(fā)動機碳煙度與微顆粒污染物，通過碳煙度計與顆粒物記數(shù)設備，測量在某一轉速與負荷下，不同燃油噴射控制對其排放數(shù)量的影響，根據(jù)所得數(shù)據(jù)繪制曲線直觀體現(xiàn)最佳排放點位。

圖1 國六WLTP工況曲線（多過渡工況）

3 排放測試設備在試驗中的應用

3.1 整車氣態(tài)排放污染物的監(jiān)測

3.1.1測試設備與原理

對于國六排放測試，可通過MEXA-7500D（汽車直采排放系統(tǒng)，HORIBA）設備直接進行汽車尾氣的監(jiān)測與采集；在生成數(shù)據(jù)曲線后，對試驗發(fā)動機或車輛進行相關的數(shù)據(jù)優(yōu)化以降低其排放狀況。

3.1.2測試原始排放數(shù)據(jù)

滿足國五排放標準的車輛在初次進行國六排放WLTP測試時，各階段工況污染物排放結果均不理想，測試最終結果超過限值，如圖2。

圖2 DAE某款直噴發(fā)動機國六排放測試結果

其中CO的排放量已經(jīng)超過排放限值的三倍，根據(jù)直采排放設備采集結果后，計算并繪制排放秒采曲線如圖3，根據(jù)曲線可以看出在整個工況測試中，各階段均有CO產(chǎn)生，并且“峰值”較高。

圖3 發(fā)動機原始CO排放秒采數(shù)據(jù)

圖4 第一次優(yōu)化后發(fā)動機CO排放秒采數(shù)據(jù)

3.1.3中、高車速段排放優(yōu)化

針對圖2中的發(fā)動機排放情況進行分析，發(fā)現(xiàn)在車輛常溫冷啟動階段也就是0-40s的時間里，為了啟動成功，發(fā)動機噴油加濃導致CO排放量升高為正?，F(xiàn)象，在超高速工況車速最高達到130km/h左右，并且升降速跨度大時間短，容易發(fā)生氧傳感器開環(huán)控制。所以在第一次優(yōu)化中，主要針對中、高速工況的開環(huán)與噴油加濃控制進行調節(jié)。調節(jié)后得到如圖4的CO排放秒采曲線，由圖可看出優(yōu)化結果明顯。

3.1.4啟動噴油段排放優(yōu)化

之后在啟動加濃允許的條件下，對啟動時刻的噴油加濃情況進行調整，獲得如圖5所示的優(yōu)化啟動噴油后的CO排放秒采曲線，前面已經(jīng)提過由于啟動段的CO排放是無法避免的，所以只能做到部分減少。

圖5 第二次優(yōu)化后發(fā)動機CO排放秒采數(shù)據(jù)

圖6 最終優(yōu)化后發(fā)動機CO排放秒采數(shù)據(jù)

3.1.5超高速段排放優(yōu)化

最后對超高速段氧傳感器開環(huán)進行控制，關閉部分排溫保護，調節(jié)點火控制與噴油提前角，試驗過程中監(jiān)測全程排溫情況，在排溫可接受的情況下反復微調超高速段控制策略，最終根據(jù)直采排放設備記錄數(shù)據(jù)繪制如圖6所示曲線，從圖中可以看出，全工況下CO較原始排放結果已經(jīng)全部降低，測試總結果均滿足國六限值要求。

同樣的該監(jiān)測與優(yōu)化方法對THC與NOX也同樣適用。

圖7 優(yōu)化后發(fā)動機國六排放測試結果

3.2 整車顆粒排放污染物的監(jiān)測

3.2.1測試設備與原理

在國六顆粒物排放監(jiān)測中，主要通過SPCS-2000（顆粒物采集計數(shù)系統(tǒng)，HORIBA）設備與MEXA-1230soot（碳煙度計，HORIBA）針對同一狀態(tài)、不同控制參數(shù)下發(fā)動機排放情況進行監(jiān)測與采集，根據(jù)所得數(shù)據(jù)繪制曲線圖或雷達圖，選取最優(yōu)發(fā)動機顆粒物排放點。

3.2.2測試原始排放情況

在進行國六試驗時利用SPCS-2000設備進行秒采顆粒物采集，根據(jù)所測得數(shù)據(jù)繪制排放曲線，如圖8。從圖中可以看出與CO相同，在啟動段與超高速段顆粒物排放量“峰值”較高，可以得出發(fā)動機冷啟動與氧傳感器開環(huán)控制狀態(tài)時產(chǎn)生顆粒物的部分原因。

圖8 試驗排放總量數(shù)據(jù)輸出

但在對發(fā)動機進行啟動噴油優(yōu)化與閉環(huán)控制后，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機顆粒物排放情況略有改善但不明顯，所以使用煙度計進行顆粒物“掃點”優(yōu)化。

3.2.3發(fā)動機不同轉速下顆粒物排放測量

圖9 轉速—發(fā)動機顆粒物排放曲線

驗證同一時刻不同轉速對發(fā)動機顆粒物排放的影響，例如在發(fā)動機100N·m的負荷下，通過發(fā)動機轉速從1000r到5500r的拉升，使用碳煙度計每500r記錄一個點，最后通過所記錄的數(shù)據(jù)繪制曲線，如圖9，可以看出發(fā)動機在2000- 3000r顆粒物排放量比較低。據(jù)此可選取該負荷下最佳檔位點。

3.2.4發(fā)動機不同噴油相位下顆粒物排放測量

驗證同一時刻不同噴油相位對發(fā)動機顆粒物排放的影響，例如：在發(fā)動機2000r、100N·m條件下，通過發(fā)動機噴油相位從110°到350°的變化，使用碳煙度計每10°記錄一個點，根據(jù)所得數(shù)據(jù)繪制曲線，如圖10。該曲線趨勢不夠明顯，舍棄不佳顆粒物排放點后得到如圖11所示曲線，可以明顯看出該工況下300°噴油相位角為最佳狀態(tài)。

圖10 噴油相位角—發(fā)動機顆粒物排放曲線

圖11 優(yōu)化后噴油相位角—發(fā)動機顆粒物排放曲線

3.2.4全工況優(yōu)化

按照以上方法對發(fā)動機全工況、全負荷進行“掃點”類測量，最后得出整個發(fā)動機顆粒物排放特性對應的MAP圖，據(jù)此進行優(yōu)化。

優(yōu)化后發(fā)動機進行國六試驗顆粒物排放秒采排放結果如圖12，對比后可看到整個工況中顆粒物排放量“峰值”全部消失，最終測量結果也滿足國六排放標準限值。

圖12 直接采樣計算結果與稀釋采樣測試結果對比

4 總結與展望

本文就目前日益加嚴的汽車排放限值，介紹了依據(jù)發(fā)動機排放測試設備針對不同發(fā)動機污染物排放情況進行數(shù)據(jù)監(jiān)測、記錄和處理，最后依據(jù)所得數(shù)據(jù)進行深入優(yōu)化，以保證產(chǎn)品排放滿足國家要求。

對于發(fā)動機的排放問題，一直是人們關心的重點，那么發(fā)動機排放物如何產(chǎn)生，在什么情況下產(chǎn)生的，理應是我們研究的方向，揚湯止沸不如釜底抽薪，發(fā)現(xiàn)問題并在根源上解決問題才是我們技術人員應該具備的基本能力，只有這樣我們才能開拓更廣闊的天地。

Application of Engine Emission Testing Technology in the Development of Direct Injection Engine

Wang Jun, Yu Zhonggui, Xu Siyuan, Zhang Kai, Gao Yongliang

（Harbin DongAn Automotive Engine Manufacturing Co., Ltd, Heilongjiang Harbin 150060）

With the release of the emission limits and measurement methods for pollutants in light vehicles (China's sixth phase), namely the " national six emission standards" for light vehicles, engine emissions have become the main monitoring objects of major automakers. The dynamic emission of the engine is the focus of monitoring, because the test condition has changed greatly compared with that in national 5 (the transition condition increases and the steady-state condition decrea- ses).This paper mainly discusses the application of engine emission testing technology in engine emission monitoring in engine bench calibration, as well as the role in selecting the best emission point of engine.In this way, the engine emission optimization under different working conditions can be realized, and the vehicle emission can be reduced to meet the require- ments of the national six standards, and the direction of product improvement and research and development can be defined.

National six emission standards; Engine calibration; Data optimization; Emission testing equipment

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1671-7988(2019)07-145-03

王君，就職于哈爾濱東安汽車發(fā)動機制造有限公司。

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10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.07.049