混合動(dòng)力汽車(chē)柴油機(jī)快速起動(dòng)燃燒排放特性研究

陳東東，王鐵，李國(guó)興，侯振寧，喬天佑

(太原理工大學(xué)車(chē)輛工程系，山西 太原 030024)

隨著能源安全問(wèn)題日益顯現(xiàn)和排放法規(guī)日益嚴(yán)苛，人們開(kāi)始關(guān)注傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)所引起的能源消耗和環(huán)境污染問(wèn)題。由于電池技術(shù)的局限，純電動(dòng)汽車(chē)有續(xù)航里程短和能量密度低的缺陷?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)有兩種及以上的動(dòng)力裝置，它結(jié)合了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)和純電動(dòng)車(chē)的優(yōu)勢(shì)，是一個(gè)非線(xiàn)性、多變量、時(shí)變的復(fù)雜系統(tǒng)。

混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)要求起動(dòng)快速，其瞬態(tài)程度更高，勢(shì)必造成起動(dòng)過(guò)程排放控制困難。國(guó)內(nèi)外針對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)起停的研究表明：混合動(dòng)力汽車(chē)汽油機(jī)燃燒開(kāi)始的幾個(gè)循環(huán)與普通車(chē)用汽油機(jī)存在很大不同，對(duì)起動(dòng)過(guò)程后續(xù)階段的燃燒有很大影響，直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒穩(wěn)定性[1-3]；混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)和停機(jī)時(shí)都會(huì)出現(xiàn)排放峰值，運(yùn)行模式切換時(shí)其瞬態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性更明顯[4-6]；ISG技術(shù)柴油機(jī)的起動(dòng)著火轉(zhuǎn)速可達(dá)350 r/min以上，可以縮短起動(dòng)時(shí)間，轉(zhuǎn)速過(guò)渡平滑，起動(dòng)工況下的動(dòng)力性、排放性有所提高[7]；高速拖動(dòng)起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速瞬態(tài)特性小，油耗降低，起動(dòng)過(guò)程前期的HC，CO和NOx排放減少[8-10]。

當(dāng)前，關(guān)于混合動(dòng)力汽車(chē)瞬態(tài)起停的研究主要是針對(duì)汽油機(jī)，對(duì)混合動(dòng)力柴油機(jī)起動(dòng)工況燃燒和排放特性的研究較少。本研究基于自行搭建的單軸并聯(lián)柴油混合動(dòng)力試驗(yàn)平臺(tái)，以不同電機(jī)轉(zhuǎn)速拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，研究不同起動(dòng)瞬態(tài)變化條件下發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和排放特性，以期為混合動(dòng)力汽車(chē)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)快速起動(dòng)控制策略制定提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)基于單軸并聯(lián)式油電混合動(dòng)力試驗(yàn)室臺(tái)架進(jìn)行，系統(tǒng)部件主要參數(shù)見(jiàn)表1，試驗(yàn)樣機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2，未對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)做任何改造。試驗(yàn)所用測(cè)試設(shè)備主要有：ET4000發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)、160 kW電力測(cè)功機(jī)、AVL SES-AM i60 FT多組份尾氣排放分析儀、AVL Micro Soot Sensor 483微炭煙排放測(cè)試系統(tǒng)、Kistler燃燒分析儀、Kistler 2614C角標(biāo)儀、Kistler 6125B缸壓傳感器。臺(tái)架系統(tǒng)布置見(jiàn)圖1。

表1 臺(tái)架部件主要參數(shù)

表2 試驗(yàn)樣機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)燃料為中石化國(guó)六0號(hào)柴油。分別用原機(jī)24 V起動(dòng)、以電力測(cè)功機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速(相當(dāng)于混合動(dòng)力汽車(chē)的電動(dòng)機(jī))800 r/min，1 000 r/min和1 200 r/min拖動(dòng)。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 18297—2001《汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》，熱機(jī)起動(dòng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫為85 ℃。主要測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性參數(shù)和尾氣排放值。

所有儀器在試驗(yàn)前都進(jìn)行了標(biāo)定和校準(zhǔn)，以保證試驗(yàn)的可靠性和結(jié)果的準(zhǔn)確性。高速拖動(dòng)的設(shè)備為電力測(cè)功機(jī)，當(dāng)達(dá)到設(shè)定速度時(shí)斷開(kāi)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)為無(wú)負(fù)載模式。試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)每0.5 s記錄一組數(shù)據(jù)，燃燒分析儀自動(dòng)記錄起動(dòng)前10 s和起動(dòng)后200個(gè)循環(huán)的數(shù)據(jù)，25組分尾氣排放分析儀和微炭煙排放測(cè)試系統(tǒng)在起動(dòng)過(guò)程中持續(xù)測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)果除去無(wú)效值。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 起動(dòng)瞬態(tài)特性

圖2示出不同起動(dòng)方式下瞬時(shí)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化。從圖2可以看出，拖動(dòng)轉(zhuǎn)速越高，達(dá)到怠速的時(shí)間越長(zhǎng)。拖動(dòng)轉(zhuǎn)速800 r/min起動(dòng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到怠速轉(zhuǎn)速的時(shí)間最短，約為1 s，但未達(dá)到穩(wěn)定怠速；24 V原機(jī)起動(dòng)與1 000 r/min拖動(dòng)起動(dòng)時(shí)達(dá)到穩(wěn)定怠速的時(shí)間基本相等；1 200 r/min拖動(dòng)起動(dòng)時(shí)達(dá)到穩(wěn)定怠速的時(shí)間最長(zhǎng)，約為5 s。單從起動(dòng)時(shí)間來(lái)看，800 r/min拖動(dòng)起動(dòng)是較好的起動(dòng)方式。

圖2 起動(dòng)轉(zhuǎn)速對(duì)比

2.2 拖動(dòng)轉(zhuǎn)速對(duì)燃燒特性的影響

2.2.1 缸壓峰值

采用不同拖動(dòng)轉(zhuǎn)速起動(dòng)時(shí)的瞬態(tài)特性不同，瞬態(tài)特性的改變?cè)斐砂l(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的控制策略有所改變，進(jìn)而導(dǎo)致燃燒邊界條件發(fā)生變化，燃燒特性也發(fā)生變化。

缸內(nèi)壓力峰值是表征內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)燃燒狀況的重要參考指標(biāo)，壓力峰值越高，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能就越好，但是壓力峰值過(guò)高會(huì)導(dǎo)致不好的狀況發(fā)生[11]。圖3示出不同拖動(dòng)轉(zhuǎn)速時(shí)起動(dòng)過(guò)程中的各循環(huán)燃燒壓力峰值的對(duì)比。從圖3可以看出，隨著拖動(dòng)轉(zhuǎn)速的升高，缸內(nèi)壓力峰值趨于穩(wěn)定的循環(huán)數(shù)增多。隨著循環(huán)數(shù)的增大，24 V原機(jī)起動(dòng)時(shí)，壓力峰值先升高后降低，在第8個(gè)循環(huán)趨于穩(wěn)定。800 r/min拖動(dòng)起動(dòng)時(shí)，缸壓峰值先升高后降低再升高，在第23個(gè)循環(huán)趨于穩(wěn)定。1 000 r/min和1 200 r/min拖動(dòng)起動(dòng)時(shí)，缸壓峰值在第2個(gè)循環(huán)升高后迅速回落，分別在第32個(gè)循環(huán)和第41個(gè)循環(huán)趨于穩(wěn)定。主要是因?yàn)樵诘?個(gè)循環(huán)的時(shí)候達(dá)到起動(dòng)條件，開(kāi)始噴油著火，著火后又因?yàn)檗D(zhuǎn)速迅速升高使其脫離著火條件，停止噴油，然后一直處于電機(jī)拖動(dòng)但不燃燒的狀態(tài)。這與原機(jī)ECU的起動(dòng)策略有關(guān)，這也說(shuō)明，混合動(dòng)力柴油機(jī)與常規(guī)柴油機(jī)的控制策略是不同的，需要開(kāi)發(fā)專(zhuān)門(mén)的混合動(dòng)力柴油機(jī)控制系統(tǒng)。高速起動(dòng)時(shí)，缸壓峰值都會(huì)有回落和超調(diào)的情況發(fā)生，主要是拖動(dòng)電機(jī)脫開(kāi)瞬間負(fù)荷加大，而噴油量不變，缸壓峰值會(huì)瞬間降低，然后加大噴油量，缸壓峰值增大，然后速度回調(diào)趨于穩(wěn)定。缸內(nèi)噴油量、進(jìn)氣量和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速都會(huì)影響燃燒始點(diǎn)和燃燒放熱率。

圖3 缸壓峰值對(duì)比

2.2.2 平均有效壓力

平均有效壓力的主要影響因素是缸內(nèi)參與燃燒做功的工質(zhì)的量。圖4示出平均有效壓力隨循環(huán)數(shù)的變化規(guī)律。由圖4可以看出，平均有效壓力隨著拖動(dòng)轉(zhuǎn)速的升高趨于穩(wěn)定的循環(huán)數(shù)增多。高速拖動(dòng)起動(dòng)時(shí)，在第2個(gè)循環(huán)達(dá)到峰值，主要是此循環(huán)噴油量大，燃燒劇烈。1 000 r/min和1 200 r/min拖動(dòng)起動(dòng)時(shí)，在第3個(gè)循環(huán)開(kāi)始停止噴油，發(fā)動(dòng)機(jī)失火，電機(jī)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，分別在第24個(gè)循環(huán)和第34個(gè)循環(huán)開(kāi)始噴油，工質(zhì)開(kāi)始參與燃燒。怠速時(shí)平均有效壓力均值在0.15 MPa左右。800 r/min拖動(dòng)起動(dòng)時(shí)，從第2個(gè)循環(huán)開(kāi)始噴油，一直持續(xù)到穩(wěn)定燃燒怠速工況，前15個(gè)循環(huán)波動(dòng)較大，主要是因?yàn)閲娪土坎煌?/p>

圖4 平均有效壓力對(duì)比

2.2.3 燃燒持續(xù)期

燃燒持續(xù)期也是評(píng)價(jià)燃燒質(zhì)量的一個(gè)指標(biāo)，燃燒持續(xù)期過(guò)長(zhǎng)會(huì)使燃燒效率下降、排氣溫度升高、熱效率下降。圖5示出燃燒持續(xù)期隨循環(huán)數(shù)的變化情況。24 V原機(jī)起動(dòng)和800 r/min拖動(dòng)起動(dòng)時(shí)，從第8個(gè)循環(huán)開(kāi)始，變化趨勢(shì)一樣。24 V原機(jī)起動(dòng)在第7個(gè)循環(huán)時(shí)，起動(dòng)機(jī)脫離，發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)輸出動(dòng)力。1 000 r/min和1 200 r/min拖動(dòng)起動(dòng)時(shí)，燃燒持續(xù)期隨循環(huán)數(shù)的變化趨勢(shì)一致，都在第2個(gè)循環(huán)達(dá)到最大值，分別在第24個(gè)循環(huán)和第34個(gè)循環(huán)開(kāi)始增大，缸內(nèi)噴油開(kāi)始燃燒。

圖5 燃燒持續(xù)期對(duì)比

2.3 拖動(dòng)轉(zhuǎn)速對(duì)排放特性的影響

2.3.1 CO排放

內(nèi)燃機(jī)排氣中的CO是烴燃料在燃燒過(guò)程中生成的中間產(chǎn)物，是燃油在氣缸中不充分燃燒所致。由于柴油機(jī)具有燃油與空氣混合不均勻的特性，其燃燒時(shí)總有局部缺氧和低溫的地方，并且燃燒時(shí)間較短，導(dǎo)致不充分燃燒，從而生成CO。

圖6示出不同拖動(dòng)轉(zhuǎn)速起動(dòng)時(shí)CO排放隨時(shí)間的變化。由圖6可以看出，隨著拖動(dòng)轉(zhuǎn)速的升高，起動(dòng)過(guò)程中的CO排放降低，4種起動(dòng)策略的CO排放穩(wěn)定值都是135×10-6，24 V原機(jī)起動(dòng)的CO排放峰值是218×10-6，800 r/min拖動(dòng)起動(dòng)時(shí)的CO排放峰值是202×10-6，1 000 r/min和1 200 r/min拖動(dòng)起動(dòng)過(guò)程中CO排放始終低于穩(wěn)定值。主要原因是原機(jī)起動(dòng)瞬態(tài)特性強(qiáng)，發(fā)動(dòng)機(jī)需要通過(guò)加濃噴射來(lái)保證加速成功，起動(dòng)早期混合氣過(guò)濃，CO排放增加。24 V原機(jī)起動(dòng)和800 r/min拖動(dòng)起動(dòng)時(shí)的CO排放值隨著時(shí)間變化先升高后降低，兩者的變化規(guī)律一樣。1 000 r/min和1 200 r/min拖動(dòng)時(shí)，CO排放隨著時(shí)間的變化而升高，在第5 s時(shí)突然升高，可能是由于此時(shí)對(duì)應(yīng)的是起動(dòng)后的第2個(gè)循環(huán)，由前述的燃燒特性可知，在第2循環(huán)噴油著火，然后失火拖動(dòng)，之后再?lài)娪腿紵饎?dòng)到達(dá)怠速。24 V原機(jī)起動(dòng)和800 r/min拖動(dòng)起動(dòng)過(guò)程中的CO排放量明顯高于 1 000 r/min和1 200 r/min拖動(dòng)起動(dòng)，且比怠速時(shí)的CO排放量高。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定的怠速工況后，不同起動(dòng)方式的發(fā)動(dòng)機(jī)噴油量都一樣，且進(jìn)氣質(zhì)量也幾乎一樣(相對(duì)于早期都有所減少)，因此CO排放量相近。

圖6 CO排放對(duì)比

2.3.2 NOx排放

內(nèi)燃機(jī)排氣中的NOx主要有NO和NO2，通常主要研究高溫富氧條件下產(chǎn)生的熱NO。

圖7示出不同拖動(dòng)轉(zhuǎn)速起動(dòng)時(shí)NOx排放隨時(shí)間的變化。由圖7可知，隨著拖動(dòng)轉(zhuǎn)速的升高，起動(dòng)過(guò)程中的NOx排放降低，4種起動(dòng)策略的NOx排放穩(wěn)定值都是150×10-6， 24 V原機(jī)起動(dòng)的NOx排放峰值是685×10-6，800 r/min拖動(dòng)起動(dòng)時(shí)NOx排放峰值為220×10-6，降低68%。1 000 r/min和1 200 r/min拖動(dòng)起動(dòng)過(guò)程中NOx排放始終低于穩(wěn)定值。24 V原機(jī)起動(dòng)和800 r/min拖動(dòng)起動(dòng)時(shí)的NOx排放值隨著時(shí)間的變化先升高后降低然后趨于平穩(wěn)，起動(dòng)過(guò)程中的NOx排放高于怠速時(shí)的排放。1 000 r/min和1 200 r/min拖動(dòng)時(shí)，NOx排放值隨著時(shí)間的變化而逐漸升高然后平穩(wěn)變化，第5 s時(shí)升高，同樣是因?yàn)榈?循環(huán)噴油著火。

相比24 V原機(jī)起動(dòng)，高速拖動(dòng)起動(dòng)的瞬態(tài)NOx排放明顯減少。究其原因：24 V原機(jī)起動(dòng)時(shí)需要缸內(nèi)燃燒做功使得轉(zhuǎn)速到達(dá)怠速，而高速拖動(dòng)起動(dòng)時(shí)不需要缸內(nèi)燃燒做功。起動(dòng)初期，24 V原機(jī)起動(dòng)時(shí)缸內(nèi)燃燒的混合氣質(zhì)量大，初期燃燒放熱多，缸內(nèi)溫度高，產(chǎn)生較多的NOx排放。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到穩(wěn)定怠速工況后，缸內(nèi)噴油量和進(jìn)氣量趨于穩(wěn)定，NOx排放也趨于穩(wěn)定。

圖7 NOx排放對(duì)比

2.3.3 Soot排放

柴油機(jī)顆粒物(PM)的主要成分是炭煙(Soot)，炭煙主要是長(zhǎng)碳鏈分子在特定環(huán)境下裂解形成的，產(chǎn)生炭煙的條件是高溫缺氧的環(huán)境。

圖8示出不同拖動(dòng)轉(zhuǎn)速起動(dòng)時(shí)Soot排放隨時(shí)間的變化。由圖8可以看出，隨著拖動(dòng)轉(zhuǎn)速的升高，起動(dòng)過(guò)程中的Soot排放值降低，但降低幅度變小。隨著時(shí)間的變化，Soot排放先升高后降低然后趨于平緩。24 V原機(jī)起動(dòng)的Soot排放峰值是1.897 mg/m3，800 r/min拖動(dòng)起動(dòng)時(shí)的Soot排放峰值是0.999 mg/m3，1 000 r/min拖動(dòng)起動(dòng)時(shí)的Soot排放峰值是0.444 mg/m3，1 200 r/min拖動(dòng)起動(dòng)時(shí)的Soot排放峰值是0.198 mg/m3，4種起動(dòng)策略的Soot排放穩(wěn)定值都在0.423 mg/m3附近。相比24 V原機(jī)起動(dòng)，800 r/min，1 000 r/min和1 200 r/min起動(dòng)過(guò)程中的Soot排放峰值分別降低47%，77%和90%。這主要是因?yàn)?4 V原機(jī)起動(dòng)需要缸內(nèi)燃燒做功來(lái)加速發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，而電機(jī)高速拖動(dòng)起動(dòng)時(shí)不需要。

圖8 炭煙排放對(duì)比

3 結(jié)論

a) 相比24 V原機(jī)起動(dòng)，以電機(jī)800 r/min，1 000 r/min和1 200 r/min拖動(dòng)起動(dòng)時(shí)，隨著拖動(dòng)轉(zhuǎn)速的升高，起動(dòng)過(guò)程中的缸壓峰值、平均有效壓力和燃燒持續(xù)期均有所降低，1 000 r/min和1 200 r/min拖動(dòng)起動(dòng)時(shí)的燃燒特性變化趨勢(shì)基本一樣，800 r/min和1 000 r/min拖動(dòng)起動(dòng)時(shí)的燃燒特性明顯不同，需要更進(jìn)一步做基于兩轉(zhuǎn)速之間拖動(dòng)起動(dòng)的試驗(yàn)研究；

b) 24 V原機(jī)起動(dòng)時(shí)在第8個(gè)循環(huán)燃燒趨于穩(wěn)定，800 r/min拖動(dòng)起動(dòng)時(shí)在第23個(gè)循環(huán)燃燒趨于穩(wěn)定，1 000 r/min拖動(dòng)起動(dòng)時(shí)在第32個(gè)循環(huán)燃燒趨于穩(wěn)定，其中第3個(gè)到第24個(gè)循環(huán)不噴油燃燒，1 200 r/min拖動(dòng)起動(dòng)時(shí)在第41個(gè)循環(huán)燃燒趨于穩(wěn)定，其中第3個(gè)到第34個(gè)循環(huán)不噴油燃燒，所有起動(dòng)方式首循環(huán)都不噴油燃燒，這與原機(jī)ECU的起動(dòng)策略有關(guān)系；

c) 相比24 V原機(jī)起動(dòng)，高速拖動(dòng)起動(dòng)時(shí)的CO排放、NOx排放和Soot排放都明顯降低，并且隨著拖動(dòng)轉(zhuǎn)速的升高，常規(guī)污染物排放值均有所降低，但升高相同的拖動(dòng)轉(zhuǎn)速其排放值降幅會(huì)減小，也證明了混合動(dòng)力汽車(chē)在起動(dòng)時(shí)應(yīng)該采用電機(jī)拖動(dòng)起動(dòng)；

d) 1 000 r/min和1 200 r/min拖動(dòng)起動(dòng)時(shí)，在起動(dòng)第2個(gè)循環(huán)會(huì)單循環(huán)著火，然后發(fā)動(dòng)機(jī)停止噴油拖動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，綜合燃燒和排放分析， 800～1 000 r/min是混合動(dòng)力汽車(chē)柴油機(jī)較好的拖動(dòng)起動(dòng)轉(zhuǎn)速，但需要重新優(yōu)化起動(dòng)時(shí)的噴油策略，在拖動(dòng)到固定恒轉(zhuǎn)速之前不噴油燃燒，以達(dá)到節(jié)油和降低排放的目的。