開閥噴射對PFI發(fā)動機PN排放性能的影響

劉衛(wèi)昌,楊殿釗

(1.長安福特汽車有限公司動力系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)部,重慶 400010;2.重慶大學(xué)機械與運載工程學(xué)院,重慶 400044)

當前我國已實施國家第六階段機動車污染物排放標準(簡稱國六排放標準),國六排放標準對發(fā)動機污染物排放提出了新的要求,尤其新增了對顆粒數(shù)(PN)排放的要求,這對企業(yè)提出了新的技術(shù)挑戰(zhàn)。如果從硬件方面來進行改善,無論是改進發(fā)動機的燃燒還是增加新的尾氣處理裝置,都會對企業(yè)的開發(fā)成本和生產(chǎn)成本產(chǎn)生較大影響,因此,可從軟件角度出發(fā),研究OVI技術(shù)對PN排放特性的影響。

進氣道噴射式汽油發(fā)動機的噴射模式根據(jù)燃油噴射過程中進氣門是否開啟可分為閉閥噴射模式和開閥噴射(Open Valve Injection,OVI)模式[1]。進氣道燃油噴射(Port Fuel Injection,PFI)發(fā)動機的燃油噴射一般在進氣門開啟前完成,在氣門打開后油氣混合氣進入氣缸內(nèi),而OVI技術(shù)是一種在進氣門開啟后再進行燃油噴射的技術(shù)。

馬宗正等研究發(fā)現(xiàn),PFI發(fā)動機通過采用開閥燃油噴射的方式可實現(xiàn)一定程度的分層充氣[1],且OVI技術(shù)對不同節(jié)氣門開度下的發(fā)動機性能影響不同,在節(jié)氣門開度較小時適當提前噴射時刻有助于提升發(fā)動機性能[2]。萬濱等[3]研究發(fā)現(xiàn),在全負荷低轉(zhuǎn)速下工況中,OVI技術(shù)可使發(fā)動機動力性提升1%～2%,但碳氫化合物的總排放量(Total Hydrocarbon,THC)可保持與閉閥噴射同等水平,而在最高轉(zhuǎn)速下,閉閥噴射的動力性能較佳。王曉瑜等[4]發(fā)現(xiàn),在怠速工況下采用OVI技術(shù)可提高缸內(nèi)燃油量,且由于怠速工況下氣流速度較低,對燃油噴射效果影響較小,所以大部分燃油可直接噴入缸內(nèi)并隨即蒸發(fā),從而更有利于減少附壁油膜量和增加缸內(nèi)燃油蒸氣量。然而,有研究發(fā)現(xiàn)OVI技術(shù)對發(fā)動機性能也存在一些負面影響：由于分層充氣的不穩(wěn)定性,發(fā)動機在低負荷工況下會出現(xiàn)較嚴重的燃燒問題和碳氫化合物(Hydrocarbon,HC)排放偏高問題,其次,發(fā)動機在冷機工況下會出現(xiàn)機油稀釋現(xiàn)象[5]。

由上述研究可知,對OVI技術(shù)的研究目前多集中在發(fā)動機性能、油耗及HC等氣體排放方面,而在對PN排放性能影響方面的研究較少。此外,由于OVI技術(shù)對發(fā)動機存在負面影響,因此PFI發(fā)動機在實際應(yīng)用中很少采用OVI技術(shù)。通過原理分析可知,OVI技術(shù)在部分工況下可以改善發(fā)動機的炭煙排放,且暫未發(fā)現(xiàn)有學(xué)者在實際量產(chǎn)的產(chǎn)品中采用該技術(shù)來改善PN排放,故本研究提出了一種OVI系統(tǒng)的控制邏輯和標定方法,研究了噴射時刻對PN排放特性的影響,最后在WLTC工況下試驗驗證了本研究控制邏輯下的OVI技術(shù)在改善PN排放方面的有效性以及系統(tǒng)的可靠性。

1 OVI控制系統(tǒng)開發(fā)

1.1 系統(tǒng)開發(fā)

OVI系統(tǒng)開發(fā)基于已有的發(fā)動機系統(tǒng),對發(fā)動機硬件無特別要求,OVI系統(tǒng)的開發(fā)主要包括控制邏輯和標定方法的設(shè)計開發(fā)。

OVI噴射過程發(fā)生在進氣沖程內(nèi)。噴射結(jié)束時刻(End of Injection,EOI)是噴射時刻計算的基準,一般在壓縮上止點后350°～530°。噴射開始時刻的計算方式為EOI減噴射持續(xù)時間,具體的噴射時刻需根據(jù)理論、試驗數(shù)據(jù)及實際VCT進氣門開度等來確定。

由于在發(fā)動機冷機情況下OVI易引起機油稀釋及燃燒不充分問題,故OVI技術(shù)策略需在發(fā)動機熱機后使用;同時,由于發(fā)動機處于中等轉(zhuǎn)速大負荷工況時的排放較高,故選擇在熱機大負荷的工況下應(yīng)用OVI控制策略。表1列出不同工況對應(yīng)的使能條件情況,其中1表示使能,0表示禁止。

表1 不同工況的OVI使能條件

為保證系統(tǒng)穩(wěn)定性,需使轉(zhuǎn)速和負荷達到要求后再持續(xù)零點幾秒的時間,否則系統(tǒng)在實際運行時會出現(xiàn)一定幅度的振蕩。

OVI噴射發(fā)生在氣門開啟后,考慮到氣門開啟一般在壓縮上止點后350°～530°,經(jīng)分析和測試研究,最終選擇300°,350°,360°,370°,400°(不同發(fā)動機氣門重疊角不同,故不同發(fā)動機選擇的噴射角也不同)5個噴射角作為研究對象。

發(fā)動機工況多以轉(zhuǎn)速和負荷為衡量基準,所以實際軟件中EOI也多以發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷為參照進行標定,不同轉(zhuǎn)速和負荷下的EOI均可進行標定。EOI標定結(jié)果如表2所示。

表2 EOI標定結(jié)果

此外,系統(tǒng)要求在OVI工作時動力控制系統(tǒng)不能有進氣、噴射、氧傳感器、點火、轉(zhuǎn)速、相位和水溫傳感器等故障,因為這些故障將加劇系統(tǒng)的不穩(wěn)定性,引發(fā)一些無法預(yù)知的問題。

雖然排放多在大負荷工況下出現(xiàn),但為保證本研究的嚴謹,仍需在其他轉(zhuǎn)速和負荷下研究EOI對排放的具體影響,確定OVI適合的工作區(qū)域,因此對其他一些轉(zhuǎn)速負荷工況點下的PN排放特性進行了研究和測試。

1.2 系統(tǒng)標定

在完成控制邏輯設(shè)計后,還需進行系統(tǒng)的標定。

1.2.1 標定方案

在不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷下進行PN排放掃點以確定各工況最佳的PN排放：分別在0.7負荷@2 500 r/min,0.8負荷@2 500 r/min,0.7負荷@3 000 r/min,0.8負荷@3 000 r/min,0.7負荷@3 500 r/min,0.8負荷@3 500 r/min,0.7負荷@4 000 r/min和0.8負荷@4 000 r/min工況下進行掃點,各工況點下分別在300°,350°,360°,370°和400° 5個EOI噴射時刻進行掃點,以確定OVI工作區(qū)域和最佳EOI噴射時刻。

試驗系統(tǒng)包括：裝置有PFI發(fā)動機的某型號汽車(包含動力控制模塊和寬帶氧傳感器等)、開發(fā)PCM、汽車排放實驗室、汽車轉(zhuǎn)轂、尾氣采集和分析裝置、ATI標定工具、裝置有標定軟件(通過CAN通信與PCM進行數(shù)據(jù)交互)的上位機和尾氣溫度傳感器等。

具體標定方法：在穩(wěn)定工況下進行整車排放測試(以10 s內(nèi)的PN排放平均值作為排放輸出結(jié)果),確定OVI最佳的工作區(qū)域和EOI噴射時刻。具體驗證方法：將整車置于轉(zhuǎn)轂上并固定變速器擋位,并根據(jù)此傳動比將目標發(fā)動機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為車速;利用轉(zhuǎn)轂將車輪反拖動至目標車速;利用油門踏板和標定參數(shù)控制發(fā)動機負荷達到目標數(shù)值;利用尾氣采集裝置從車輛的排氣尾管收集尾氣,并使用排放測試設(shè)備按照國六排放階段輕型汽車污染物排放限值及測量方法[6],測試各組合工況下PN的排放數(shù)值。為了保證測試數(shù)據(jù)一致,試驗條件須保持一致,如VCT進氣門和排氣門開度、空燃比、排溫、點火角度和EGR率等。

在世界輕型車輛測試循環(huán)(Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cycle,WLTC)下進行整車實際排放測試,具體測試方案如下：在轉(zhuǎn)轂上設(shè)定整車的道路阻力,按照WLTC的駕駛循環(huán)進行測試,用排放測試設(shè)備按照國六排放階段輕型汽車污染物排放限值及測量方法從尾氣中采集尾排,經(jīng)過尾氣裝置標準化處理后輸出排放結(jié)果,整車排放驗證完成后初步固化標定和軟件控制。

為保證系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)健性,最后進行HC,NOx,CO排放等方面的驗證,驗證完成后將最終標定和控制固化。

1.2.2 OVI系統(tǒng)EOI標定

為方便表達,僅展示3 000 r/min、3 500 r/min和4 000 r/min 3個轉(zhuǎn)速點在0.8負荷時350°、400°及OVI關(guān)閉3個噴射時刻的試驗測試數(shù)據(jù)。利用排放測試設(shè)備測試了各組合工況下PN的排放數(shù)據(jù),具體測試數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 PN排放測試結(jié)果

由圖1可知,采用OVI技術(shù)后PN排放有明顯改善,不同噴射角對應(yīng)的排放不同。EOI為400°時效果最好,PN排放相較未采用OVI技術(shù)可降低64%～78%。這是因為噴射時刻的微小推遲可增加氣缸內(nèi)的空氣量,使分層混合更充分、燃燒更高效,從而更好地降低了PN的排放[7]。綜上所述,將EOI噴射時刻標定為400°。

在PN測試的同時,也對燃燒過程進行了監(jiān)控,發(fā)現(xiàn)在上述噴射角下燃燒也很正常。需要注意的是,對于不同的發(fā)動機,最佳噴射時刻可能略有差異,需進行具體的研究和測試。

1.2.3 OVI系統(tǒng)工作區(qū)域標定

為探究OVI技術(shù)對所有工況下發(fā)動機特性的影響,確定OVI系統(tǒng)適合的工作區(qū)域,也對部分其他工況進行了研究和測試。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),在某些工況下OVI技術(shù)并未顯著改善PN排放(如0.7負荷@3 000 r/min),部分工況下OVI技術(shù)甚至?xí)?dǎo)致PN排放的惡化(如0.8負荷@2 500 r/min),部分數(shù)據(jù)如表3所示。表3數(shù)據(jù)說明在低進氣量的情況下,采用OVI技術(shù)后混合氣出現(xiàn)了混合和燃燒均未充分的情況。由此可知,OVI技術(shù)僅能在特定工況下應(yīng)用,使用前應(yīng)對目標工況點下的發(fā)動機性能進行詳細測試。

表3 PN排放測試結(jié)果

結(jié)合前文數(shù)據(jù)可確認OVI系統(tǒng)適合工作的區(qū)域(部分標定的工作區(qū)域見表1)。

2 OVI系統(tǒng)驗證

在標定完成后進行了系統(tǒng)的試驗驗證,首先進行PN排放的驗證,后進行其他方面的驗證。

2.1 整車WLTC排放驗證

為驗證本研究控制邏輯下的OVI技術(shù)在改善PN排放方面的有效性,在WLTC循環(huán)工況中采用A-B對比測試的方式對改善效果進行了試驗(在每種狀態(tài)下各做3次排放試驗)。為消除外界因素影響,在進行兩組測試時,選擇同一駕駛技術(shù)穩(wěn)定的駕駛員在同一輛車上進行測試,同時測試開始前電池SOC電量一致。

綜合排放測試結(jié)果(所有排放階段綜合排放結(jié)果)顯示PN排放降低了35%左右,3次實車測試結(jié)果如圖2所示(圖中虛線為企業(yè)內(nèi)部簽收限值,實線為國標排放限值),測試結(jié)果比較一致,也比較穩(wěn)定,采用OVI技術(shù)后PN排放均在3e+11以下。

圖2 WLTC循環(huán)PN排放測試結(jié)果

通過分析整個測試循環(huán)中各點實時排放數(shù)據(jù)得知,后期超高速階段時的PN排放改善效果較明顯,部分PN實時排放數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 WLTC循環(huán)PN排放測試實時排放數(shù)據(jù)

通過驗證最終確認EOI 400°為初步標定數(shù)據(jù)。OVI技術(shù)在不同的車輛應(yīng)用中實際的改善情況可能會有一定的差異,需要進行實際的驗證和測試。一般來說小排量的發(fā)動機應(yīng)用此技術(shù)改善更為明顯,因為小排量的發(fā)動機在實際循環(huán)中發(fā)動機負荷更高一點,更適合采用該技術(shù)。

2.2 其他方面驗證

由于OVI技術(shù)的負面作用,該技術(shù)必須在特定的工況下應(yīng)用。同時,一項技術(shù)在實際產(chǎn)品應(yīng)用前須驗證其各方面性能。本研究還對使用OVI技術(shù)的特定工況進行了燃燒穩(wěn)定性、失火率、機油稀釋、HC,NOx,CO排放和駕駛性等方面的測試驗證。另外,考慮到高原地區(qū)的充氣情況,對高原駕駛性進行了相關(guān)驗證。在完成驗證后需固化最終標定數(shù)據(jù)和控制邏輯。

通過失火驗證發(fā)現(xiàn),在WLTC循環(huán)工況中的高速和超高速階段只發(fā)生了一次失火,失火率為0.05%,失火率滿足企業(yè)內(nèi)部標準和國家標準。

圖4示出在WLTC循環(huán)工況下的THC和CO排放數(shù)據(jù),滿足企業(yè)內(nèi)部標準和國家標準(實線為國標排放限值)。圖5示出在WLTC循環(huán)工況下的NMHC和NOx排放數(shù)據(jù),同樣滿足企業(yè)內(nèi)部標準和國家標準(實線為國標排放限值)。

圖4 THC和CO排放結(jié)果

圖5 NMHC和NOx排放結(jié)果

通過上述驗證并未發(fā)現(xiàn)問題,且相關(guān)驗證指標均滿足企業(yè)和國家標準要求,說明OVI技術(shù)在特定工況下在改善PN排放的同時并不會帶來其他問題。

2.3 OVI改善排放理論分析

由于發(fā)動機在大負荷工況下易出現(xiàn)燃油混合不充分現(xiàn)象,故容易在排放的尾氣中包含顆粒。本研究旨在探究OVI技術(shù)是否可以改善這些工況的顆粒排放,針對試驗結(jié)果進行了以下分析。

在進氣門開啟后,空氣通過進氣門進入氣缸,在進氣過程中同時進行燃油噴射,大部分的燃油和空氣將在氣缸內(nèi)發(fā)生混合。中等轉(zhuǎn)速高負荷工況下的進氣量較大,在此類工況下進行OVI噴射可實現(xiàn)油氣的分層混合[5]：早期進入的混合氣被后期進入的空氣逐漸推至下層,這會造成上層混合氣略濃(靠近火花塞),下層混合氣略稀。點火時上層略濃的混合氣首先燃燒,后擴散至下層略稀的混合氣,故可實現(xiàn)一定程度的分層燃燒,燃燒將更充分[8],從而可降低PN排放。

在進氣門開啟狀態(tài)下進行燃油噴射時,進氣道內(nèi)氣體處于運動狀態(tài),進氣氣流會加速燃油粒子的運動。當發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到3 000 r/min時,雖然較大燃油粒子的速度增加不明顯,但進氣流速遠大于燃油噴射速度,燃油粒子會在進氣氣流的作用下直接進入缸內(nèi)并加速燃油霧化[9-11]。另外,采用OVI模式時,氣缸內(nèi)部高溫燃氣的回流與噴霧相互作用,促進了燃油的揮發(fā),燃油空間揮發(fā)油量增大[12-13]。以上兩種因素均會使混合氣更為均勻,燃燒更充分,從而降低PN排放。

此外,在進氣門開啟后噴油,燃油將隨高速氣流進入氣缸,這有助于減少燃油碰壁現(xiàn)象的發(fā)生,可避免嚴重的油膜附壁現(xiàn)象發(fā)生[14-15],從而減少PN排放。

3 結(jié)束語

通過研究OVI技術(shù)對發(fā)動機PN排放特性的影響,提出了一個新的解決方案,可在不改變車輛硬件情況下低成本地改善PN排放。

闡述了OVI技術(shù)改善PN排放的原理與該系統(tǒng)的開發(fā)流程,提出了一種OVI系統(tǒng)的控制邏輯和標定方法,研究了噴射時刻對PN排放特性的影響,并試驗驗證了該控制邏輯下OVI技術(shù)在改善PN排放方面的有效性與系統(tǒng)的可靠性。研究結(jié)果表明,OVI技術(shù)在發(fā)動機熱機、中等轉(zhuǎn)速和高負荷的特定工況下可明顯改善PN排放,具有較強的實際應(yīng)用價值。