MPFI發(fā)動機(jī)顆粒物排放影響因素研究

李卓 孟凡騰 王森

摘 要：基于一臺進(jìn)氣道噴射式雙VVT自然吸氣汽油機(jī)，利用排放測試設(shè)備對顆粒物排放（PN）與發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣VVT角度、燃油噴射比例和相位、氣態(tài)排放物（CO、NOx和THC）的相關(guān)性進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，進(jìn)氣VVT角度的變化對PN影響較為敏感，排氣VVT與PN的相關(guān)性不明顯。采用二次噴射策略時(shí)，首次燃油噴射的截止時(shí)刻、首次燃油噴射比例、二次燃油噴射截止時(shí)刻與PN的相關(guān)性不明顯，噴射截止時(shí)刻和比例的變化不會顯著影響PN排放。氣態(tài)排放物中CO排放與PN的相關(guān)性不明顯，NOx和PN在低轉(zhuǎn)速高負(fù)荷時(shí)相關(guān)性最強(qiáng)，隨著轉(zhuǎn)速增大負(fù)荷降低相關(guān)性減弱。THC和顆粒物存在一定的相關(guān)性，降低THC排放，會對抑制顆粒物排放產(chǎn)生積極影響。

關(guān)鍵詞：汽油機(jī);顆粒物排放;相關(guān)性分析

0 引言

為應(yīng)對不斷升級的排放和油耗法規(guī)，對控制參數(shù)的標(biāo)定工作要求更加精準(zhǔn)。近些年基于模型的標(biāo)定得到廣泛應(yīng)用 [1，2]。多參數(shù)尋優(yōu)前，如了解其對優(yōu)化目標(biāo)的影響程度，則可針對影響度敏感性高的控制參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化，提高工作效率。國六排放法規(guī)實(shí)施以來，發(fā)動機(jī)的顆粒物排放控制逐漸成為研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。影響汽油機(jī)顆粒物排放的主要原因包括：冷機(jī)起動階段，不均勻液相燃燒和氣相加濃燃燒共同促進(jìn)生成核態(tài)顆粒物。發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，空燃比、進(jìn)氣相位等控制均會對顆粒物排放產(chǎn)生影響[3]。本文基于發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)，分析發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣VVT角度、燃油噴射方式和相位等因素和顆粒物排放的相關(guān)性，同時(shí)對顆粒物排放與其他氣態(tài)排放污染物的相關(guān)性進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及方案

（1）試驗(yàn)測試系統(tǒng)方案。試驗(yàn)采用某2.0 L自然吸氣汽油機(jī)，其主要參數(shù)見表1。

（2）試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。為探討發(fā)動機(jī)控制參數(shù)對顆粒物排放的影響規(guī)律，本文分別研究不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷區(qū)域內(nèi)，進(jìn)排氣VVT角度對顆粒物排放的影響規(guī)律;燃油噴射截止時(shí)刻、兩次燃油噴射的噴射比例對顆粒物排放的影響規(guī)律。同時(shí)對于顆粒物排放與其他氣態(tài)排放物的相關(guān)性進(jìn)行了研究。將此款發(fā)動機(jī)待優(yōu)化的6個(gè)性能目標(biāo)作為輸出變量：BSFC（燃油消耗率）、PN（顆粒物）、THC（碳?xì)浠衔铮?、CO（一氧化碳）、NOx（氮氧化物）、COV（燃燒穩(wěn)定性）;對發(fā)動機(jī)性能影響較大的5個(gè)參數(shù)作為輸入變量：iVVT（進(jìn)氣VVT角度）、eVVT（排氣VVT角度）、EOIT（首次噴油截止時(shí)刻）、Split_Ratio（首次噴油比例）、EOIT_Trim（二次噴油截止時(shí)刻）。

（3）相關(guān)性分析方法。相關(guān)性分析是通過對兩個(gè)及兩個(gè)以上具有某種關(guān)聯(lián)的變量參數(shù)進(jìn)行分析，從而得到參數(shù)之間的相關(guān)程度，進(jìn)行相關(guān)性分析的各參數(shù)之間必須存在一定的聯(lián)系。相關(guān)性不是一種簡單的因果關(guān)系，它能夠用相關(guān)性系數(shù)R定量地表示各參數(shù)之間的相關(guān)密切程度。

i 表示第i 個(gè)樣本點(diǎn)，xi表示所研究的參數(shù)A在第i個(gè)樣本點(diǎn)下的大小，x是參數(shù)A在n個(gè)樣本點(diǎn)下的均值，yi是與A相關(guān)的另一參數(shù)B在第i個(gè)樣本點(diǎn)下的大小，y為其均值。R越接近于1，兩者相關(guān)性越強(qiáng)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

利用發(fā)動機(jī)臺架測試設(shè)備，可以采集得到不同控制參數(shù)組合下的發(fā)動機(jī)排放數(shù)據(jù)，基于公式（1）可以計(jì)算不同控制參數(shù)之間的相關(guān)性。

（1）進(jìn)排氣VVT與PN排放的相關(guān)性分析。進(jìn)氣VVT角度（iVVT）對缸內(nèi)充量會產(chǎn)生較大影響，為充分研究iVVT的影響規(guī)律，針對不同工況區(qū)域的iVVT變化進(jìn)行分析。如圖1所示，可以看出萬有工況的中、低負(fù)荷（IMEP<1 000 kPa）區(qū)域，進(jìn)氣VVT角度的變化對PN影響較為敏感，高負(fù)荷工況區(qū)域兩者的相關(guān)性較弱。這是因?yàn)楦哓?fù)荷區(qū)域的進(jìn)氣VVT開度相對較小，否則會顯著降低外特性動力性能。如圖2所示，排氣VVT角度（eVVT）與PN排放的相關(guān)性顯著低于進(jìn)氣VVT角度。中、低轉(zhuǎn)速（1 200 rpm～3 500 rpm）中低負(fù)荷（IMEP<1 000 kPa）區(qū)域，排氣VVT與PN的相關(guān)性較弱。與圖1相比，可以發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣VVT與PN的相關(guān)性在此區(qū)域很強(qiáng)，由此可知，針對PN的標(biāo)定優(yōu)化過程中，可優(yōu)先選擇較多的進(jìn)氣VVT角度組合，較少排氣VVT角度組合的方式優(yōu)化工作量。

（2）兩次燃油噴射模式時(shí)噴射控制參數(shù)與PN排放相關(guān)性分析。采用二次噴射策略時(shí)，首次燃油噴射的截止時(shí)刻、燃油噴射比例、二次燃油噴射截止時(shí)刻與PN的相關(guān)性系數(shù)均在0.4以下，相關(guān)性不明顯。表明此款氣道噴射式汽油機(jī)的燃油的蒸發(fā)、霧化效果較好，同時(shí)噴射最晚時(shí)間設(shè)置在進(jìn)氣門開啟之前，充足的燃油蒸發(fā)和霧化時(shí)間可以有效保證混合氣相對均勻。燃油噴射控制參數(shù)的變化對PN的敏感度影響較小。

（3）PN排放與氣態(tài)排放物的相關(guān)性研究。

由圖3可知，CO排放與顆粒物的相關(guān)性不明顯，這是因?yàn)镃O的產(chǎn)生主要源于油氣混合氣的不完全燃燒，顆粒物的產(chǎn)生原因是液相燃油燃燒不充分導(dǎo)致的碳煙。由圖4可知，NOx和PN在低轉(zhuǎn)速高負(fù)荷時(shí)相關(guān)性最強(qiáng)，隨著轉(zhuǎn)速增大負(fù)荷減少相關(guān)性減弱。NOx產(chǎn)生主要是高溫富氧環(huán)境，此環(huán)境下顆粒物會被大量燃燒。高速低負(fù)荷工況，發(fā)動機(jī)在當(dāng)量空燃比燃燒，缸內(nèi)燃燒溫度降低，PN排放與NOx的相關(guān)性逐漸減弱。高速高負(fù)荷工況，受排溫保護(hù)策略影響，NOx排放隨空燃比降低顯著下降，因此與PN的相關(guān)性較弱。由圖5可知，THC和顆粒物存在一定的相關(guān)性，這是因?yàn)樘碱w粒與THC會互相附著，導(dǎo)致顆粒物質(zhì)量和直徑增加。由此可知，降低車輛的THC排放會對抑制顆粒物排放產(chǎn)生積極影響。

3 結(jié)論

（1）萬有工況的中、低負(fù)荷（IMEP<1 000 kPa）區(qū)域，進(jìn)氣VVT角度的變化對PN影響較為敏感，高負(fù)荷工況區(qū)域兩者的相關(guān)性不明顯。這是由于為保障發(fā)動力外特性動力性能，高負(fù)荷區(qū)域的進(jìn)氣VVT開度相對較小。中、低轉(zhuǎn)速（1 200 rpm～3 500 rpm）中低負(fù)荷（IMEP<1 000 kPa）區(qū)域， 排氣VVT與PN的相關(guān)性不明顯，進(jìn)氣VVT與PN的相關(guān)性在此區(qū)域較強(qiáng)，由此可知，針對顆粒物的標(biāo)定優(yōu)化過程中，可優(yōu)先選擇合適的進(jìn)氣VVT角度，較少排氣VVT的標(biāo)定優(yōu)化工作量。

（2）采用二次噴射策略時(shí)，首次燃油噴射截止時(shí)刻、首次燃油噴射比例、二次燃油噴射截止時(shí)刻與PN的相關(guān)性不明顯，表明噴射截止時(shí)刻和比例的變化不會顯著影響此發(fā)動機(jī)的PN排放。

（3）CO排放與顆粒物排放的相關(guān)性不明顯，這是因?yàn)镃O的產(chǎn)生主要源于油氣混合氣的不完全燃燒，顆粒物的產(chǎn)生原因是液相燃油燃燒不充分導(dǎo)致的碳煙。NOx和PN在低轉(zhuǎn)速高負(fù)荷時(shí)相關(guān)性最強(qiáng)，隨著轉(zhuǎn)速增大負(fù)荷減少相關(guān)性減弱。THC和顆粒物存在一定的相關(guān)性，這是因?yàn)樘碱w粒與THC會互相附著，導(dǎo)致顆粒物直徑增加。降低THC排放，可對抑制顆粒物排放產(chǎn)生積極影響。

參考文獻(xiàn)：

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[2]梁智，孫國強(qiáng)，衛(wèi)志農(nóng)，等.基于變量選擇與高斯過程回歸的短期負(fù)荷預(yù)測[J].電力建設(shè)，2017，38（2）：122-128.

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