劉亞奇，劉 剛，高定偉，劉國軍，蘇艷君

（1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北 保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071000）

隨著全球經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，汽車保有量急劇增加，但能源也在不斷枯竭，環(huán)境污染不斷加重。為了應(yīng)對日益嚴(yán)格的整車排放法規(guī)，人們對未來車用發(fā)動機(jī)性能及開發(fā)提出了更多的要求。增壓直噴發(fā)動機(jī)冷起動過程的HC排放在整個運(yùn)行工況的HC排放中占有很大比例，這主要是因?yàn)槔淦饎舆^程中三元催化器的作用還沒有發(fā)揮［1－2］。研究發(fā)現(xiàn)，汽油機(jī)冷起動的平均HC排放是熱怠速時的8～13倍，占到總測試循環(huán)HC排放的60%～80%［3］。因此，有效控制冷起動的HC排放，是發(fā)動機(jī)循環(huán)運(yùn)行HC排放值不超標(biāo)的關(guān)鍵途徑。

本研究主要針對冷起動的特點(diǎn)，基于發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺架進(jìn)行空燃比、點(diǎn)火策略、配氣相位、噴油策略等因素對HC排放影響測試，并利用仿真分析，研究以上因素對發(fā)動機(jī)冷啟過程瞬時最大HC排放影響程度，為后期發(fā)動機(jī)搭載整車滿足NEDC循環(huán)工況下HC排放法規(guī)要求提供參考。

1 臺架測試系統(tǒng)與研究對象

發(fā)動機(jī)臺架測試系統(tǒng)見圖1。臺架測試系統(tǒng)主要包括AVL電渦流測功機(jī)、IndiModul 621燃燒分析儀、AVL 439煙度計、HORIBA排放分析儀、缸內(nèi)直噴增壓發(fā)動機(jī)及電控系統(tǒng)等。主要測試數(shù)據(jù)包括發(fā)動機(jī)性能和燃燒數(shù)據(jù)、瞬態(tài)HC排放、中冷前后溫度和壓力、渦輪機(jī)前后溫度和壓力、三元催化器溫度等。試驗(yàn)要求冷起動前需要發(fā)動機(jī)本體冷態(tài)均勻，環(huán)境溫度20℃，HC排放測試按瞬態(tài)進(jìn)行。

本研究采用一款2.0L排量渦輪增壓直噴汽油發(fā)動機(jī)，其主要技術(shù)規(guī)格見表1。該發(fā)動機(jī)具有標(biāo)定功率高、燃油經(jīng)濟(jì)性好、本體緊湊、強(qiáng)度高等特點(diǎn)。為了達(dá)到高性能設(shè)計目標(biāo)，發(fā)動機(jī)采用了進(jìn)排氣DVVT技術(shù)。

表1 發(fā)動機(jī)主要技術(shù)規(guī)格

結(jié)合該渦輪增壓直噴汽油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，應(yīng)用商用軟件建立一維熱力學(xué)計算模型（見圖2），用以輔助分析冷起動工況下配氣相位與缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)的關(guān)系。

2 試驗(yàn)與仿真分析

2.1 整車狀態(tài)冷起動過程HC排放水平分析

發(fā)動機(jī)冷起動過程影響HC產(chǎn)生的因素很多。冷起動工況混合氣低溫反應(yīng)能量較小，反應(yīng)物化學(xué)鍵難以斷裂，缸內(nèi)燃燒非常不穩(wěn)定，產(chǎn)生較多需要進(jìn)一步氧化的自由基；起動過程噴油器噴射壓力較低，霧化效果差，加重了燃燒過程自由基的產(chǎn)生；較高的標(biāo)定功率需要匹配更大的靜態(tài)噴油器，小負(fù)荷霧化效果差進(jìn)一步加重；同時，較厚的壁面激冷層產(chǎn)生的淬息作用阻礙火焰的傳播，使HC排放大大增加。為準(zhǔn)確研究發(fā)動機(jī)臺架測試的工作過程，首先分析NEDC工況整車在轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺架的HC排放情況，以確定后期須重點(diǎn)研究的工況。圖3示出整車轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺架上NEDC循環(huán)工況下采集的HC排放。試驗(yàn)結(jié)果表明，冷起動前幾個循環(huán)的HC排放值最大，達(dá)到了10000×10－6，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1400r／min、節(jié)氣門開度為10%時的HC瞬時排放最大。

2.2 空燃比對HC排放的影響

汽油燃燒過程滯燃期的長短受空燃比影響，空燃比接近理論空燃比且混合氣微濃時，即空燃比為13.5～14時，燃燒滯燃期最短，燃燒最好，火焰溫度也最高［4］。在進(jìn)行空燃比的研究時，確定燃油噴射在壓縮沖程且為單次噴射，點(diǎn)火提前角為上止點(diǎn)前5°，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。冷起過程HC排放的最大值為7750×10－6，此時對應(yīng)空燃比為9.5，空燃比接近理論空燃比時，瞬時最大HC排放為4960×10－6；空燃比從9.5變化到12.5時，瞬時最大HC排放下降迅速，這主要是因?yàn)闈獾幕旌蠚鈱a(chǎn)生更多的中間自由基，且過量的噴油也導(dǎo)致缸內(nèi)溫度下降明顯，使HC生成急劇增多；當(dāng)空燃比變大時，燃燒溫度升高，中間自由基在燃燒后期大量氧化，有效降低了HC排放?？杖急葟?2.5到14.5的過程中，HC排放下降并不十分明顯，主要是因?yàn)楫?dāng)空燃比接近14.5時，燃燒室內(nèi)的混合氣已經(jīng)達(dá)到了適宜燃燒的理論空燃比附近，燃燒完全，HC生成少。

2.3 點(diǎn)火時刻對HC排放的影響

火花塞點(diǎn)火時的缸內(nèi)混合氣溫度和壓力決定了燃燒過程滯燃期的長短，點(diǎn)火時混合氣溫度和壓力越高，滯燃期越短，著火后混合氣燃燒越穩(wěn)定且燃燒溫度越高，HC排放越低。本次試驗(yàn)研究的點(diǎn)火提前角設(shè)為上止點(diǎn)前5°和10°。試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)點(diǎn)火提前角為上止點(diǎn)前5°時，瞬時最大 HC排放為4960×10－6，當(dāng)點(diǎn)火提前角為上止點(diǎn)前10°時，瞬時最大HC排放為3937×10－6。這是因?yàn)辄c(diǎn)火越早，燃燒過程越接近于壓縮上止點(diǎn)，溫度和壓力越高，50%已燃質(zhì)量分?jǐn)?shù)對應(yīng)的燃燒更接近于等容燃燒，熱效率越高［5］。但在整車排放標(biāo)定時，往往將點(diǎn)火提前角設(shè)置在點(diǎn)火上止點(diǎn)后，目的是實(shí)現(xiàn)后燃提高排氣溫度，使三元催化器快速起燃，這與本次試驗(yàn)的結(jié)果呈現(xiàn)不同結(jié)論，主要原因在于本次試驗(yàn)是考察發(fā)動機(jī)的原始排放，這說明在整車排放標(biāo)定過程需要折中考慮HC原始排放與三元催化器快速起燃的矛盾。

2.4 缸內(nèi)殘余廢氣對HC排放的影響

缸內(nèi)殘余廢氣對燃燒火焰?zhèn)鞑ァ⑷紵€(wěn)定性及排放有很大影響［6］，研究缸內(nèi)殘余廢氣的影響對實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)的起動、穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)運(yùn)行的穩(wěn)定控制很有必要。燃燒過程中由于廢氣會加劇褶皺作用，已燃廢氣將未燃混合氣包圍而降低燃燒速率，使燃燒的溫度和壓力降低，將促進(jìn)缸內(nèi)HC排放的升高。本試驗(yàn)采用3個方案，分別為進(jìn)氣凸輪軸安裝角不變、排氣凸輪軸安裝角提前與滯后15°，具體配氣方案見表2。

表2 進(jìn)排氣配氣方案

利用熱力學(xué)計算模型分析了發(fā)動機(jī)瞬時最大HC排放對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)工況點(diǎn)，即轉(zhuǎn)速1400r／min，節(jié)氣門開度10%的工況，從而得到缸內(nèi)的殘余廢氣系數(shù)（見如5）。當(dāng)固定進(jìn)氣凸輪軸安裝角時，排氣凸輪軸安裝角提前意味著缸內(nèi)廢氣排出不完全，排氣凸輪軸安裝角滯后意味著進(jìn)排氣重疊角增大，排氣道廢氣倒流，即排氣凸輪軸安裝相位提前或滯后均會增加缸內(nèi)殘余廢氣，故存在一個最小的殘余廢氣值。

對表2所列3個方案進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)過程空燃比為12.5，燃油噴射時刻在壓縮沖程，且為單次噴射，點(diǎn)火提前角為上止點(diǎn)前10°，HC排放結(jié)果見圖6。

從圖6可以看出，隨著殘余廢氣系數(shù)的增加，冷起動瞬時最大HC排放逐漸升高，殘余廢氣系數(shù)最低時為初始狀態(tài)，此時瞬時最大HC排放為3937×10－6。

2.5 噴油策略對HC排放的影響

噴油策略的影響主要體現(xiàn)在是否實(shí)現(xiàn)了混合氣的均勻混合及是否有效減少燃油碰壁［7］。本次研究的燃油噴射策略包括噴油壓力和噴油提前角對HC排放的影響。噴油壓力由原來的10MPa改為5.5MPa，瞬時最大 HC排放由3937×10－6減低到3539×10－6，這主要因?yàn)閲娚鋲毫档涂s短了燃油噴射貫穿距，減少了碰壁的可能性，但這樣會導(dǎo)致噴霧的索特直徑變大，不利于霧化，HC排放減少說明燃油碰壁是主要影響因素。

表3列出噴射時刻對發(fā)動機(jī)臺架HC排放瞬時最大值的影響。數(shù)據(jù)顯示，在壓縮沖程進(jìn)行單次噴射，冷起動過程瞬時最大HC排放最優(yōu)，而采用單次在進(jìn)氣沖程噴射時，瞬時最大HC排放最差，而在進(jìn)氣與壓縮沖程采用二次噴射，對HC排放的最大值影響有限。圖7示出最優(yōu)的HC排放隨冷起動過程的變化。由圖7可看出，冷起動階段瞬時最大HC排放值為3539×10－6。值得注意的是，在HC排放穩(wěn)定后，其值仍然比較高，但整車三元催化器已經(jīng)啟動，無需考慮該階段HC排放的具體變化。

表3 噴油時刻對HC排放的影響

3 結(jié)束語

結(jié)合發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺架與模擬仿真，分析了發(fā)動機(jī)冷起動過程HC排放特性，結(jié)果表明，冷起動過程發(fā)動機(jī)空燃比、點(diǎn)火策略、缸內(nèi)殘余廢氣、噴油策略等因素對冷起動前期瞬時最大HC排放有一定影響，排除試驗(yàn)誤差的影響，可以確定較稀的混合氣、提前點(diǎn)火、較少的缸內(nèi)殘余廢氣和適當(dāng)?shù)膰娪筒呗跃梢允顾矔r最大HC排放減小，這為后期整車滿足HC排放法規(guī)提供了重要的參考。

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