直噴汽油機(jī)恒轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩工況燃燒與排放

胡宗杰， 李明龍， 劉 婷， 李理光，2

(1. 同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201804； 2. 同濟(jì)大學(xué) 中德學(xué)院，上海 200092)

在實(shí)際運(yùn)行過程中，尤其是在城市工況下，汽車多處于起動(dòng)、加速、減速等瞬態(tài)工況，這些工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)性能與穩(wěn)態(tài)工況下有較大差別[1-2].2016年我國發(fā)布了國六排放標(biāo)準(zhǔn)，引入了全球輕型車統(tǒng)一測試循環(huán)(WLTC)，也對(duì)汽油機(jī)顆粒物排放提出了更高的要求，并且增加了實(shí)際行駛排放測試(RDE)[3].由于這兩個(gè)測試循環(huán)具有更多的瞬態(tài)工況，而且近年來市場上配置直噴汽油機(jī)的汽車的占比也不斷增加，因此研究直噴汽油機(jī)瞬態(tài)工況的燃燒與排放控制具有很重要的實(shí)際意義.

目前普遍研究的典型瞬態(tài)工況包括：冷起動(dòng)工況、恒轉(zhuǎn)矩增轉(zhuǎn)速工況、恒轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩工況和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩均增加的工況[4].王銳、趙世鋒等研究了直噴汽油機(jī)冷起動(dòng)下點(diǎn)火時(shí)刻和噴油時(shí)刻對(duì)顆粒物排放粒徑和濃度的影響[5-6].李岳林等[7]研究了進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)在恒轉(zhuǎn)矩增轉(zhuǎn)速工況下的燃燒過程，并與穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)瞬態(tài)工況下的最高燃燒壓力和平均指示壓力均大于與之對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)工況；瞬態(tài)工況下的放熱過程超前于對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)工況，且放熱率的最大值較高.張龍平等[8]在一臺(tái)增壓中冷柴油機(jī)上選取典型恒轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩工況，研究瞬變時(shí)間對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放響應(yīng)特性的影響，發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣量延遲是導(dǎo)致瞬變過程燃燒與排放惡化的主要因素.何江濤[9]研究了自由加速工況下汽油機(jī)的燃燒規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在自由加速瞬態(tài)工況下，最高燃燒壓力和平均指示壓力低于其相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)工況.苗志慧等[10]針對(duì)某1.4T GDI(汽油直噴)發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速小負(fù)荷工況，分析了發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)工況下顆粒物數(shù)量濃度、質(zhì)量濃度以及粒徑分布特性.

目前針對(duì)直噴汽油機(jī)的瞬態(tài)工況研究較少，且多為瞬態(tài)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒與排放特性的規(guī)律研究.本文針對(duì)某直噴汽油機(jī)，設(shè)計(jì)恒轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩的瞬態(tài)工況，探究不同瞬變時(shí)間和不同轉(zhuǎn)矩增量下各參數(shù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并提出基于比例積分(proportion and integral,PI)調(diào)節(jié)的過量空氣系數(shù)(λ)閉環(huán)控制和節(jié)氣門超調(diào)兩種策略，來優(yōu)化瞬態(tài)工況的燃燒和排放特性.

1 試驗(yàn)平臺(tái)與試驗(yàn)工況

1.1 試驗(yàn)平臺(tái)

本文試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，主要包含發(fā)動(dòng)機(jī)及其自主控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、測功機(jī)系統(tǒng)、冷卻液和進(jìn)氣恒溫系統(tǒng)等，試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備見表1.發(fā)動(dòng)機(jī)為第二代EA888直噴汽油機(jī)，采用噴油器側(cè)置式燃燒系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)見表2.

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

本文發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元是基于Compact RIO和LabVIEW軟件自行開發(fā)的，可以實(shí)現(xiàn)噴油次數(shù)、噴油脈寬、噴油正時(shí)、點(diǎn)火時(shí)刻、氣門升程、氣門正時(shí)、進(jìn)氣量等參數(shù)的實(shí)時(shí)控制.在發(fā)動(dòng)機(jī)控制中，通常是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣流量、氧傳感器等信號(hào)，直接查表，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)控制器(ECU)存儲(chǔ)的標(biāo)定數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)噴油脈寬、點(diǎn)火時(shí)刻、噴油時(shí)刻等參數(shù)，而在本文的上位機(jī)控制模塊中，首先進(jìn)行基于進(jìn)氣歧管壓力和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)噴油和點(diǎn)火提前角脈譜(MAP)的標(biāo)定，滿足過量空氣系數(shù)λ=1.0，點(diǎn)火時(shí)刻為最佳點(diǎn)火提前角，另外本文根據(jù)氧傳感器、進(jìn)氣流量信號(hào)等對(duì)噴油脈寬進(jìn)行比例積分(PI)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了λ閉環(huán)控制(控制原理如圖2所示)，基礎(chǔ)的PI值(比例值、積分值)分別為P=0.1/I=0.4.

表1 試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備

表2 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

圖2 λ的PI閉環(huán)控制原理圖

1.2 試驗(yàn)工況

在瞬變工況下，由于發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣和噴油都在發(fā)生變化，容易造成缸內(nèi)燃燒的不穩(wěn)定[11-12]，這主要是由于瞬變過程中進(jìn)氣和噴油的響應(yīng)速度不同，導(dǎo)致燃燒條件變化較大[13-14].

如表3所示，本文在1 500 r·min-1下選擇了兩個(gè)轉(zhuǎn)矩增長工況：①節(jié)氣門開度從10%增長到20%，簡稱為10→20工況；②節(jié)氣門開度從6%增長到20%，簡稱為6→20工況.同時(shí)借鑒文獻(xiàn)[8]，本文選擇了3、5、7、10 s四個(gè)不同的瞬變時(shí)間.在每種轉(zhuǎn)矩增長工況下，節(jié)氣門開度都勻速增加.

表3 瞬變過程試驗(yàn)工況點(diǎn)

2 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒、排放的動(dòng)態(tài)變化

圖3a和圖3b所示分別為兩種轉(zhuǎn)矩增長工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度、進(jìn)氣歧管相對(duì)壓力、過量空氣系數(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、顆粒物數(shù)量濃度和碳?xì)?HC)排放的響應(yīng)歷程.

節(jié)氣門開度

進(jìn)氣歧管相對(duì)壓力

過量空氣系數(shù)

轉(zhuǎn)矩

顆粒物數(shù)量濃度

HC排放

a 6→20工況

節(jié)氣門開度

進(jìn)氣歧管相對(duì)壓力

過量空氣系數(shù)

轉(zhuǎn)矩

顆粒物數(shù)量濃度

HC排放

b 10→20工況

圖3 1 500 r·min-1不同節(jié)氣門切換耗時(shí)和切換幅度下發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的響應(yīng)特性

Fig.3Response characteristics of engine parameters with different throttle switch-duration and switch-amplitude rates at 1 500 r·min-1

從圖3a和圖3b中可以看出，在瞬變過程中節(jié)氣門開度均近似呈線性變化.與節(jié)氣門開度相比，進(jìn)氣歧管相對(duì)壓力的響應(yīng)有些滯后，這是氣體流動(dòng)比機(jī)電機(jī)構(gòu)響應(yīng)慢而導(dǎo)致的.隨著切換耗時(shí)增加，進(jìn)氣歧管相對(duì)壓力的滯后程度減小.由于進(jìn)氣歧管相對(duì)壓力響應(yīng)滯后，導(dǎo)致過量空氣系數(shù)首先急速降低，而后逐漸恢復(fù)到λ=1.0.切換耗時(shí)越短，過量空氣系數(shù)降低幅度越大，波動(dòng)越劇烈.

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)也略有滯后，但與進(jìn)氣歧管相對(duì)壓力相比，滯后程度較小.分析認(rèn)為雖然進(jìn)氣有所滯后，但是噴油器可以實(shí)現(xiàn)循環(huán)級(jí)的響應(yīng)速度，可以隨節(jié)氣門開度增加而迅速加大循環(huán)噴油量，使缸內(nèi)燃燒做功的響應(yīng)比較快，但畢竟存在進(jìn)氣延遲，轉(zhuǎn)矩輸出的響應(yīng)仍略有滯后.在切換過程中，顆粒物數(shù)量濃度和HC排放均先增加，然后逐漸降低，最后趨于穩(wěn)定.切換耗時(shí)越短，顆粒物數(shù)量濃度和HC排放的峰值越大.這是由于切換耗時(shí)越短，進(jìn)氣的滯后越明顯，缸內(nèi)混合氣處于較為嚴(yán)重的缺氧狀態(tài)，造成燃燒惡化.

對(duì)于不同的節(jié)氣門切換幅度，對(duì)比圖3a和圖3b可以發(fā)現(xiàn)：在切換耗時(shí)相同時(shí)，6→20工況下過量空氣系數(shù)的波動(dòng)更為劇烈，轉(zhuǎn)矩的增長過程的波動(dòng)也較大，HC排放的濃度較高.在兩種轉(zhuǎn)矩增長幅度的工況下，顆粒物數(shù)量濃度的峰值差異不是很大，但6→20工況下的累積顆粒排放量略高.分析認(rèn)為，切換耗時(shí)相同時(shí)，在6→20工況下，節(jié)氣門開度的變化率較大，進(jìn)氣的滯后現(xiàn)象更加明顯，使得缸內(nèi)燃燒進(jìn)一步惡化.

3 瞬態(tài)工況的控制策略優(yōu)化

本文試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，在恒轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩工況下，進(jìn)氣量響應(yīng)滯后是導(dǎo)致過量空氣系數(shù)減小、排放惡化的主要因素，因此加快進(jìn)氣響應(yīng)具有較為重要的意義.

為此本文嘗試兩種控制策略來優(yōu)化進(jìn)氣響應(yīng)：基于PI調(diào)節(jié)的λ閉環(huán)控制策略和節(jié)氣門超調(diào)策略.

3.1 基于PI調(diào)節(jié)的λ閉環(huán)控制策略

本文已經(jīng)設(shè)計(jì)了基于PI調(diào)節(jié)的過量空氣系數(shù)閉環(huán)控制功能(圖2)，可通過調(diào)整噴油控制策略改變瞬態(tài)工況的燃燒和排放.本試驗(yàn)選擇發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 r·min-1，切換耗時(shí)5 s，節(jié)氣門切換幅度6%→20%，設(shè)計(jì)了6組PI值，如表4所示(其中組合1為基準(zhǔn)工況).

試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，可見不同的PI值組合會(huì)影響節(jié)氣門開度的響應(yīng)過程，進(jìn)而直接影響過量空氣系數(shù)的響應(yīng)特性，改變轉(zhuǎn)矩響應(yīng)、顆粒物數(shù)量濃度和HC排放變化過程.通過綜合對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在P=0.08/I=0.5的組合下，進(jìn)氣歧管相對(duì)壓力響應(yīng)較快，過量空氣系數(shù)變化幅度較小(變化幅度為3%)，顆粒物數(shù)量和HC排放較低.但總體來說，表4中的PI組合所帶來的差異不甚明顯.

表4 PI組合

3.2 節(jié)氣門超調(diào)策略

本試驗(yàn)先使節(jié)氣門開度實(shí)際設(shè)定值大于目標(biāo)值，然后再迅速回到目標(biāo)值，研究該策略優(yōu)化瞬態(tài)工況燃燒和排放的能力.

本試驗(yàn)也選擇發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r·min-1，切換耗時(shí)為5 s，節(jié)氣門切換幅度6%→20%，過量空氣系數(shù)閉環(huán)控制的PI值也選擇表3中的組合1(基準(zhǔn)工況).本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩種節(jié)氣門超調(diào)模式，如下表5所示，其中第一種作為基礎(chǔ)模式，其瞬變過程與3.1節(jié)的基準(zhǔn)工況相同.

圖5是不同節(jié)氣門超調(diào)策略下節(jié)氣門開度的設(shè)定變化和實(shí)際變化曲線.進(jìn)氣歧管相對(duì)壓力、過量空氣系數(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、顆粒物數(shù)量濃度和HC排放的響應(yīng)歷程如圖6所示.

由圖6可見，節(jié)氣門超調(diào)可以有效地縮短進(jìn)氣歧管相對(duì)壓力、轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)降低顆粒物和HC的排放.而且隨著超調(diào)幅度的增加，響應(yīng)時(shí)間縮短，顆粒物數(shù)量和HC排放更低.分析認(rèn)為，超調(diào)幅度越大，節(jié)氣門提前開啟的角度越大，進(jìn)氣響應(yīng)加快，過量空氣系數(shù)甚至略微大于1.0，使得燃燒更為充分，改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒與瞬態(tài)排放性能.

a 節(jié)氣門開度

b 進(jìn)氣歧管相對(duì)壓力

c 過量空氣系數(shù)

d 轉(zhuǎn)矩

e 顆粒物數(shù)量濃度

f HC排放

圖4 1 500 r·min-1，切換耗時(shí)5 s不同PI組合下發(fā)動(dòng)參數(shù)的響應(yīng)特性

Fig.4 Response characteristics of engine-parameter with different PI at 1 500 r·min-1and 5 s switch duration

表5 節(jié)氣門超調(diào)工況

圖5 不同節(jié)氣門超調(diào)策略下節(jié)氣門的開度變化曲線

a 進(jìn)氣歧管相對(duì)壓力

b 過量空氣系數(shù)

c 轉(zhuǎn)矩

d 顆粒物數(shù)量濃度

e HC排放

圖6 1 500 r·min-1，切換耗時(shí)5s不同超調(diào)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性

Fig.6Response characteristics of engine-parameter with different throttle overshoot strategies at 1 500 r·min-1and 5s switch duration

4 結(jié)論

本文圍繞恒轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩工況，研究直噴汽油機(jī)在瞬態(tài)變化過程中的燃燒與排放特性，并研究了兩種燃燒和排放優(yōu)化策略，主要結(jié)論如下：

(1) 在恒轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩的工況下，切換耗時(shí)越長，進(jìn)氣歧管相對(duì)壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩相對(duì)節(jié)氣門開度的滯后越小，過量空氣系數(shù)的波動(dòng)、顆粒物數(shù)量濃度和HC排放的惡化程度得到改善.

(2) 在相同切換耗時(shí)情況下，轉(zhuǎn)矩小幅度增長時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)各參數(shù)的響應(yīng)滯后縮短，顆粒物數(shù)量濃度和HC排放較好.

(3) 進(jìn)氣的響應(yīng)特性是影響發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)工況下燃燒與排放的主要因素.

(4) 通過優(yōu)化λ閉環(huán)控制的PI值來提高噴油量的響應(yīng)，可以改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放，但效果不明顯.

(5) 進(jìn)氣門超調(diào)策略可以有效地減小進(jìn)氣響應(yīng)的滯后時(shí)間，甚至可以使得混合氣濃度在瞬變初期處于偏稀的水平，使燃燒更充分，降低顆粒物數(shù)量濃度和HC排放.