汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)排放研究與優(yōu)化

張鵬飛， 劉甲一， 林萬(wàn)國(guó)， 葛林杉， 杜立東

（一汽奔騰轎車(chē)有限公司奔騰開(kāi)發(fā)院， 吉林 長(zhǎng)春 130012）

《輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法》 于2016年12月23日正式發(fā)布， 于2020年7月1日在全國(guó)范圍內(nèi)實(shí)施。 同時(shí)為響應(yīng)國(guó)家政策打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)， 國(guó)內(nèi)的一些一線城市已于2019年7月1日起在部分地區(qū)率先實(shí)施， 從限值來(lái)看， 與國(guó)V 排 放 標(biāo) 準(zhǔn) 相 比， 第1 類(lèi) 汽 油 車(chē) 國(guó)VI a 的CO 限 值 加 嚴(yán)30%， 其 他 污 染 物 的 限 值 不 變； 國(guó)VI b 的CO、 THC 和NMHC限值都降低了50%， NOx限值下降42%， PM限值下降33%。 且 自2020 年7 月1 日 起， 顆 粒 物 數(shù) 量 （Particulate Number， PN） 由過(guò)渡期的6×1012更新至6×1011， 在排放和油耗法規(guī)的雙重影響下， 小排量汽油直噴增壓發(fā)動(dòng)機(jī)（Gasoline Direct Injection Turbo， GDIT） 的生存環(huán)境愈發(fā)艱難， 尤其是質(zhì)量和阻力相對(duì)較大的車(chē)輛排放達(dá)標(biāo)壓力更大。

本文通過(guò)對(duì)某搭載小排量直噴增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的SUV車(chē)型進(jìn)行研究分析， 對(duì)整車(chē)控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化， 最終滿(mǎn)足國(guó)VI b氣態(tài)排放物和顆粒物排放法規(guī)要求。

1 排放數(shù)據(jù)分析

1.1 WLTC工況分析

WLTC （ Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cycle） 循環(huán)被認(rèn)為是反映車(chē)輛實(shí)際行駛情況的， 由4部分組成： 低速段、 中速段、 高速段和超高速段。 持續(xù)時(shí)間1800s， 理論行駛里程23.27km， 最高車(chē)速131.3km/h， 最大加速度1.67m/s， 平均車(chē)速46.5km/h， 詳細(xì)工況如圖1所示。

圖1 WLTC工況

低速階段平均車(chē)速為19km/h， 高速階段平均車(chē)速為56.6km/h， 超高速階段平均車(chē)速為92.3km/h， 這3個(gè)階段的平均車(chē)速是RDE工況下CO特征曲線的參考點(diǎn)。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況分析

由于WLTC循環(huán)瞬態(tài)工況較多， 對(duì)單位質(zhì)量功率偏低的車(chē)輛非常不利， 表1為測(cè)試車(chē)輛相關(guān)參數(shù)， 不難看出該車(chē)型單位質(zhì)量功率偏低，該車(chē)輛在WLTC工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行散點(diǎn)圖如圖2所示， 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速主要集中在3000r/min 以 下，部分工況發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷已經(jīng)接近該發(fā)動(dòng)機(jī)外特性區(qū)間， 對(duì)排放控制非常不利。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行散點(diǎn)圖

表1 試驗(yàn)車(chē)輛相關(guān)參數(shù)

1.3 排放數(shù)據(jù)及控制參數(shù)分析

排放數(shù)據(jù)分析通常采用積分分析法和瞬態(tài)分析法兩種方法相結(jié)合的方式對(duì)排放秒采數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。 積分分析法主要用于分析各階段總量占比和總體情況， 瞬態(tài)分析法主要用于鎖定具體的問(wèn)題工況。

整車(chē)排放分析重點(diǎn)關(guān)注3個(gè)典型工況： 第1個(gè)典型工況是催化器起燃前的車(chē)輛起動(dòng)及原始排放階段， 其特點(diǎn)是該階段由于催化器未達(dá)到起燃溫度， 排放污染物全部來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)原始排放； 第2個(gè)典型工況是閉環(huán)控制， 該工況的特點(diǎn)在于所有的控制都是圍繞理論空燃比 （即催化器轉(zhuǎn)化效率最高的窗口中心） 進(jìn)行控制； 第3個(gè)特征工況是駕駛過(guò)程中必要的開(kāi)環(huán)控制階段， 如減速斷油、 斷油清氧等工況。

積分分析法可以從整體上把握污染物整體走勢(shì)和各階段分布情況。 如圖3所示， 通過(guò)氣態(tài)污染物積分值可以得出以下結(jié)論： ①CO總量全程都相對(duì)較高， 起動(dòng)階段CO約占總量的1/3左右， 通常情況下， 起動(dòng)階段CO約占總量的2/3～4/5，且在超高速階段有顯著增加； ②起動(dòng)階段其他氣態(tài)污染物約占總量的4/5， 從總量上看基本處于合理范圍。 如圖4所示，顆粒物數(shù)量積分值全程增量都比較多， 在超高速階段有突變， 需要重點(diǎn)關(guān)注并進(jìn)行優(yōu)化。

圖3 氣態(tài)污染物積分值

圖4 顆粒物積分值

根據(jù)積分分析結(jié)果對(duì)瞬態(tài)工況進(jìn)行分析， 如圖5所示，由于三元催化器在起動(dòng)階段未起燃， 一般情況下起動(dòng)階段氣態(tài)排放污染物偏高， 是正?，F(xiàn)象， 但是整體上ppm較高，有優(yōu)化空間， 同時(shí)THC和NMHC也偏高， 說(shuō)明在該階段混合氣偏濃。 如圖6所示， PN在起動(dòng)階段和加速階段也偏高，對(duì)照?qǐng)D5不難看出PN的產(chǎn)生和CO有相似的規(guī)律， 說(shuō)明有可能是空燃比偏濃， 導(dǎo)致PN和CO偏高， 具體需要結(jié)合控制單元內(nèi)部變量進(jìn)行分析。

圖5 氣態(tài)污染物實(shí)時(shí)值

圖6 顆粒物實(shí)時(shí)值

如圖7所示， 通過(guò)排放秒采數(shù)據(jù)和控制單元內(nèi)部變量綜合分析可以看出， 顆粒物數(shù)量主要集中在加速過(guò)程和斷油清氧過(guò)程的空燃比加濃階段， 氣態(tài)排放污染物較高的階段主要集中在大負(fù)荷加速過(guò)程和減速斷油過(guò)程及斷油清氧過(guò)程。

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)控制參數(shù)和秒采數(shù)據(jù)聯(lián)合分析

綜上， 在控制方面可以通過(guò)優(yōu)化起動(dòng)過(guò)程、 加速過(guò)程、減速斷油過(guò)程以及斷油清氧過(guò)程的空燃比控制等來(lái)改善整車(chē)氣態(tài)排放污染物和顆粒物排放污染物。

1.4 硬件分析

直噴發(fā)動(dòng)機(jī)由于燃料直接噴入氣缸內(nèi)部， 受到氣缸內(nèi)運(yùn)動(dòng)件、 噴射壓力、 油束形狀以及進(jìn)氣滾流的影響使得缸內(nèi)混合氣體的形成和運(yùn)動(dòng)情況比較復(fù)雜， 分析的精確度也不高。

低溫情況下， 燃油直接撞擊活塞頂部、 氣缸壁等導(dǎo)致的油膜形成、 霧化不充分等問(wèn)題， 都會(huì)導(dǎo)致顆粒物排放量較高。 通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)， 在大負(fù)荷噴油量較大的工況下， 排放污染物中PN的含量也較高。 如圖8所示，從燃燒室的模擬仿真可以看出， 在活塞上行階段且噴油量最大情況下， 由于油軌壓力偏高， 噴油量較大， 油束貫穿力較大， 單次噴射的油束撞擊活塞頂端的風(fēng)險(xiǎn)較大， 當(dāng)燃油附著在活塞頂部或者活塞環(huán)上都會(huì)產(chǎn)生PN。 因此改善的方案可以通過(guò)優(yōu)化活塞形狀如圖8所示， 也可以通過(guò)優(yōu)化控制參數(shù)將大負(fù)荷工況下的單次噴射改為多次噴射來(lái)減小燃油油束貫穿力， 降低燃油油束撞擊活塞頂部的風(fēng)險(xiǎn)， 從而達(dá)成降低PN的目標(biāo)。

圖8 燃燒室油束分析及改進(jìn)方案

2 優(yōu)化方案及結(jié)果

2.1 優(yōu)化方案

根據(jù)汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定方法結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析， 可以針對(duì)性地對(duì)該車(chē)型進(jìn)行優(yōu)化， 詳細(xì)描述如下。

1） 在保證起動(dòng)安全性的前提下， 優(yōu)化起動(dòng)階段的空燃比， 降低氣態(tài)污染物和PN排放。

2） 優(yōu)化大負(fù)荷工況下的噴射次數(shù)和噴射比例以及噴油提前角， 避免燃油油束直接噴射到活塞頂部和汽缸壁上。

3） 優(yōu)化減速斷油進(jìn)入和退出條件， 避免頻繁斷油和斷油清氧加濃。

4） 優(yōu)化斷油清氧工況理論空燃比， 避免空燃比偏濃引發(fā)的CO和PN偏高問(wèn)題。

5） 優(yōu)化過(guò)渡工況空燃比， 提高催化器對(duì)各種污染物的凈化比例。

6） 必要時(shí)更改活塞頂部結(jié)構(gòu)， 避免大負(fù)荷工況下油束直接噴射到活塞頂部。

2.2 WLTC優(yōu)化結(jié)果

由于考慮到更改硬件周期費(fèi)用較高的因素， 該項(xiàng)目?jī)H通過(guò)更改發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定數(shù)據(jù)的方式實(shí)現(xiàn)氣態(tài)污染物和PN優(yōu)化。 具體采取以上方案1） ～5） 經(jīng)過(guò)多輪次的數(shù)據(jù)優(yōu)化， 如圖9所示， 數(shù)據(jù)優(yōu)化后起動(dòng)階段的氣態(tài)污染物都在300ppm以下， 催化器起燃后， 氣態(tài)污染物都在50ppm以下。

圖9 優(yōu)化后氣態(tài)污染物實(shí)時(shí)值

如圖10所示， 數(shù)據(jù)優(yōu)化后顆粒物總量相比圖4所示在起動(dòng)階段和各加速段都有大幅下降， 整個(gè)WLTC工況顆粒物總量下降約45%。

圖10 優(yōu)化后顆粒物排放積分值

2.3 一致性?xún)?yōu)化結(jié)果

根據(jù)排放法規(guī)要求， 針對(duì)不增加GPF的車(chē)型需要進(jìn)行300km以?xún)?nèi)的生產(chǎn)一致性驗(yàn)證。 選取3臺(tái)車(chē)進(jìn)行一致性驗(yàn)證， 為了確定優(yōu)化成果， 排除里程對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響， 先進(jìn)行優(yōu)化后數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)。 分別采用優(yōu)化后和優(yōu)化前的數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)， 驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表2和表3。

表2 優(yōu)化前主要排放污染物

表3 優(yōu)化后主要排放污染物

如圖11所示， 通過(guò)采取以上優(yōu)化方案， 可以看出THC類(lèi)氣態(tài)排放污染物和PN平均下降50%以上， NOx總體保證不變。 其中， CO優(yōu)化平均比例為55%， THC優(yōu)化平均比例為50%， NMHC優(yōu)化平均比例為52%， PN優(yōu)化平均比例為60%。

圖11 優(yōu)化前后污染物變化情況

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)小排量汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)排放秒采數(shù)據(jù)及控制參數(shù)的研究， 采取優(yōu)化各階段控制參數(shù)的標(biāo)定工作， 最終通過(guò)優(yōu)化標(biāo)定數(shù)據(jù)達(dá)成國(guó)VI b氣態(tài)排放污染物和PN的要求。 可以得到如下結(jié)論。

1） 在保證起動(dòng)安全性的前提下， 通過(guò)標(biāo)定精確起動(dòng)空燃比可以大幅降低起動(dòng)階段的氣態(tài)污染物和PN排放。

2） 通過(guò)對(duì)噴射次數(shù)、 噴射比例、 噴油提前角等進(jìn)行優(yōu)化， 可使發(fā)動(dòng)機(jī)原始排放大幅降低。

3） 優(yōu)化減速斷油進(jìn)入和退出條件可以有效控制過(guò)渡工況的出現(xiàn)次數(shù)。

4） 優(yōu)化斷油清氧空燃比對(duì)于過(guò)渡工況碳?xì)漕?lèi)和PN的排放起到至關(guān)重要的作用。