降低發(fā)動(dòng)機(jī)催化器起燃工況下碳?xì)渑欧诺姆椒?/h1>
2017-08-17 03:18:18林思聰吳堅(jiān)李鈺懷秦博吳翔
汽車工程師 2017年10期
林思聰 吳堅(jiān) 李鈺懷 秦博 吳翔
（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院）
近年來(lái)我國(guó)乘用車銷量保持平穩(wěn)快速的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，與此同時(shí)，相應(yīng)的排放法規(guī)日益嚴(yán)格，2019年將實(shí)施第六階段排放標(biāo)準(zhǔn)[1]，WLTC（全球統(tǒng)一輕型車輛測(cè)試循環(huán)）中碳?xì)渑欧盼锵拗禐?00 mg/km。在WLTC中，發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)與暖機(jī)過(guò)程排出的碳?xì)淞客ǔＵ嫉娇偺細(xì)渑欧帕康?0%以上。研究人員已經(jīng)在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上通過(guò)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)控制參數(shù)進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)碳?xì)渑欧诺挠绊懸蛩匮芯?，得出了?jié)氣門(mén)開(kāi)度越大、點(diǎn)火提前角越小及混合氣越稀則碳?xì)渑欧旁降偷慕Y(jié)論，但這些結(jié)論是基于發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)工況試驗(yàn)結(jié)果得出的。文章根據(jù)WLTC的特點(diǎn)，對(duì)催化器起燃工況碳?xì)渑欧诺挠绊懸蛩剡M(jìn)行研究，通過(guò)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)獲取不同控制策略與碳?xì)渑欧诺年P(guān)系。
1 未燃碳?xì)涞纳膳c氧化
1.1 未燃碳?xì)涞纳蒣2-5]
1）發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中的縫隙、氣缸壁面的潤(rùn)滑油膜及燃燒室壁面的沉積物等，在進(jìn)氣與壓縮過(guò)程中會(huì)吸附混合氣或燃油蒸氣，使其無(wú)法參與燃燒，在膨脹行程的后期及排氣過(guò)程中釋放出來(lái)，形成未燃碳?xì)洌遣豢杀苊獾摹?/p>
2）可燃混合氣大容積的淬熄、失火或部分燃燒、氣缸中的液體燃料等也會(huì)產(chǎn)生未燃碳?xì)?。這部分未燃碳?xì)涫怯捎谌紵^(guò)程惡化與不穩(wěn)定，或燃燒速度緩慢，致使火焰?zhèn)鞑ゲ煌耆斐傻牟糠只蛉炕旌蠚馕磪⑴c燃燒，也會(huì)極大地增加碳?xì)渑欧牛枰M量避免。
1.2 未燃碳?xì)涞难趸痆6-8]
對(duì)于燃燒室中躲過(guò)燃燒過(guò)程的未燃碳?xì)?，在膨脹和排氣過(guò)程中不斷釋放出來(lái)，然后被卷入高溫的已燃?xì)怏w中并發(fā)生氧化反應(yīng)，這個(gè)氧化過(guò)程從未燃碳?xì)溽尫艜r(shí)刻開(kāi)始持續(xù)到溫度和氧濃度比較低時(shí)停止，因此氧化過(guò)程可能發(fā)生在缸內(nèi)、排氣道及排氣管甚至三元催化器中。
2 降低碳?xì)渑欧诺姆椒?/h2>
在WLTC中，由于催化器起燃前的碳?xì)渑欧艑?duì)測(cè)試結(jié)果影響巨大，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)會(huì)采用專門(mén)的催化器起燃控制策略，以達(dá)到降低整車排放的目的。文章重點(diǎn)論述了催化器起燃工況下降低碳?xì)渑欧诺姆椒ā?/p>
2.1 推遲點(diǎn)火提前角
推遲點(diǎn)火提前角可以降低排氣中的碳?xì)錆舛?，同時(shí)提高排氣溫度，如圖1所示。從圖1中可以看出，在保持相同負(fù)荷的前提下，點(diǎn)火提前角由-6°CA減小至-24°CA時(shí)，碳?xì)渑欧诺臐舛扔? 981×10-6降低至869×10-6，排氣溫度由484℃升高至771℃，可見(jiàn)點(diǎn)火提前角對(duì)碳?xì)渑欧排c排氣溫度有明顯的影響。這是因?yàn)楫?dāng)點(diǎn)火提前角推遲時(shí)，燃燒相位相應(yīng)推遲，活塞下行較多才開(kāi)始燃燒，缸內(nèi)氣體壓力降低，較低的缸內(nèi)壓力使進(jìn)入燃燒室縫隙與吸附在潤(rùn)滑油膜處的未燃碳?xì)涞臄?shù)量減少。同時(shí)由于燃燒推遲，燃燒持續(xù)到膨脹行程后期甚至是排氣行程，使得膨脹行程后期與排氣過(guò)程已燃?xì)怏w的溫度比較高，促進(jìn)了此階段釋放出來(lái)的未燃碳?xì)涞难趸饔?。這兩方面的原因?qū)е屡艢庵械奈慈继細(xì)錆舛鹊慕档汀?/p>
圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前角與排氣溫度和碳?xì)渑欧诺年P(guān)系曲線圖
2.2 提高發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩
提高發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩也可以降低排氣中的碳?xì)錆舛龋瑫r(shí)提高排氣溫度，圖2示出發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩與排氣溫度和碳?xì)渑欧诺年P(guān)系曲線圖。從圖2可以看出，在保持相同燃燒穩(wěn)定性的前提下，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩由10 N·m提高至28 N·m時(shí)，碳?xì)渑欧诺臐舛扔? 905×10-6降低至304×10-6，排氣溫度由510℃升高至875℃，可見(jiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩對(duì)碳?xì)渑欧排c排氣溫度也有明顯的影響。這是因?yàn)楫?dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩提高時(shí)，在維持相同燃燒穩(wěn)定性的前提下可以采用較遲的點(diǎn)火提前角，雖然缸內(nèi)氣體壓力升高，使進(jìn)入燃燒室縫隙與吸附在潤(rùn)滑油膜處的未燃碳?xì)涞臄?shù)量增多，但較高的燃燒溫度提高了燃燒室與氣缸壁面的溫度，減小了淬熄層厚度，從而減少了未燃碳?xì)?。更重要的是，缸?nèi)氣體溫度升高了，極大地加強(qiáng)了未燃碳?xì)涞难趸?/p>
圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩與排氣溫度和碳?xì)渑欧诺年P(guān)系曲線圖
2.3 提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速
發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)碳?xì)渑欧排c排氣溫度也是有影響的，提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以降低排氣中的碳?xì)錆舛炔⑻岣吲艢鉁囟?。圖3示出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與排氣溫度和碳?xì)渑欧诺年P(guān)系曲線圖。從圖3可以看出，在保持相同的點(diǎn)火提前角與負(fù)荷的前提下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由1 000 r/min提高至1 600 r/min時(shí)，碳?xì)渑欧诺臐舛扔? 301×10-6降低至308×10-6，排氣溫度由547℃升高至753℃。這是因?yàn)槲慈继細(xì)湓跐?rùn)滑油膜處吸附量與釋放量與時(shí)間相關(guān)，轉(zhuǎn)速提高后，循環(huán)時(shí)間減小了，因此通過(guò)潤(rùn)滑油膜產(chǎn)生的未燃碳?xì)涞臄?shù)量也相應(yīng)減少。另一方面，在相同點(diǎn)火提前角下，轉(zhuǎn)速提高后，由于燃燒時(shí)間基本保持不變，對(duì)應(yīng)的燃燒持續(xù)曲軸轉(zhuǎn)角變大了，同樣導(dǎo)致排氣溫度的提高，未燃碳?xì)溲趸饔眉訌?qiáng)。
圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與排氣溫度和碳?xì)渑欧诺年P(guān)系曲線圖
2.4 采用偏稀空燃比
過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)碳?xì)渑欧排c排氣溫度的影響也是非常明顯的。采用較大的過(guò)量空氣系數(shù)可以降低排氣中的碳?xì)錆舛?，同時(shí)提高排氣溫度。圖4示出過(guò)量空氣系數(shù)與排氣溫度和碳?xì)渑欧诺年P(guān)系曲線圖。
圖4 過(guò)量空氣系數(shù)與排氣溫度和碳?xì)渑欧诺年P(guān)系曲線圖
從圖4可以看出，在保持相同的點(diǎn)火提前角與負(fù)荷的前提下，過(guò)量空氣系數(shù)由0.75提高至1.05時(shí)，碳?xì)渑欧诺臐舛扔? 069×10-6降低至1 013×10-6，排氣溫度由498℃升高至694℃。這是因?yàn)?，一方面過(guò)量空氣系數(shù)提高后，空燃比變稀，燃燒速度變慢，使得排氣溫度升高，同時(shí)燃燒結(jié)束后的已燃?xì)怏w中的氧濃度變大，都對(duì)未燃碳?xì)涞难趸鸬郊訌?qiáng)作用。另一方面比較稀的空燃比，含有的未燃碳?xì)錆舛容^低，使得積蓄在燃燒室縫隙與吸附在潤(rùn)滑油膜處的未燃碳?xì)涞牧繙p小，因此總的未燃碳?xì)渑欧艤p少。
2.5 提高發(fā)動(dòng)機(jī)水溫
圖5示出發(fā)動(dòng)機(jī)水溫對(duì)碳?xì)渑欧诺挠绊懬€圖。
圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)水溫對(duì)碳?xì)渑欧诺挠绊懬€圖
從圖5中可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫由30℃升高至90℃時(shí)，碳?xì)渑欧诺臐舛认陆?0%左右。發(fā)動(dòng)機(jī)水溫決定了燃燒室與氣缸壁面的溫度，一方面減少了已燃?xì)怏w對(duì)壁面的傳熱量，從而提高了已燃?xì)怏w溫度；另一方面，改善了燃油的霧化效果，避免在缸內(nèi)出現(xiàn)液態(tài)燃油，有利于減少未燃碳?xì)涞纳膳c加強(qiáng)未燃碳?xì)涞难趸?/p>
3 結(jié)論
為解決整車排放測(cè)試中重點(diǎn)關(guān)注的冷機(jī)與暖機(jī)過(guò)程的碳?xì)渑欧?，?duì)發(fā)動(dòng)機(jī)催化器起燃工況進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)碳?xì)渑欧旁囼?yàn)。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，推遲點(diǎn)火提前角、控制偏稀空燃比及提高發(fā)動(dòng)機(jī)水溫等可以明顯減少碳?xì)渑欧牛惶岣甙l(fā)動(dòng)機(jī)扭矩與轉(zhuǎn)速也能達(dá)到降低碳?xì)渑欧诺哪康?。綜合運(yùn)用這些策略可以明顯地降低碳?xì)渑欧牛?，為了滿足國(guó)VI排放法規(guī)更嚴(yán)格的碳?xì)渑欧乓?，可能還需要配合催化器性能的提高。
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1 未燃碳?xì)涞纳膳c氧化
1.1 未燃碳?xì)涞纳蒣2-5]
1）發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中的縫隙、氣缸壁面的潤(rùn)滑油膜及燃燒室壁面的沉積物等，在進(jìn)氣與壓縮過(guò)程中會(huì)吸附混合氣或燃油蒸氣，使其無(wú)法參與燃燒，在膨脹行程的后期及排氣過(guò)程中釋放出來(lái)，形成未燃碳?xì)洌遣豢杀苊獾摹?/p>
2）可燃混合氣大容積的淬熄、失火或部分燃燒、氣缸中的液體燃料等也會(huì)產(chǎn)生未燃碳?xì)?。這部分未燃碳?xì)涫怯捎谌紵^(guò)程惡化與不穩(wěn)定，或燃燒速度緩慢，致使火焰?zhèn)鞑ゲ煌耆斐傻牟糠只蛉炕旌蠚馕磪⑴c燃燒，也會(huì)極大地增加碳?xì)渑欧牛枰M量避免。
1.2 未燃碳?xì)涞难趸痆6-8]
對(duì)于燃燒室中躲過(guò)燃燒過(guò)程的未燃碳?xì)?，在膨脹和排氣過(guò)程中不斷釋放出來(lái)，然后被卷入高溫的已燃?xì)怏w中并發(fā)生氧化反應(yīng)，這個(gè)氧化過(guò)程從未燃碳?xì)溽尫艜r(shí)刻開(kāi)始持續(xù)到溫度和氧濃度比較低時(shí)停止，因此氧化過(guò)程可能發(fā)生在缸內(nèi)、排氣道及排氣管甚至三元催化器中。
2 降低碳?xì)渑欧诺姆椒?/h2>
在WLTC中，由于催化器起燃前的碳?xì)渑欧艑?duì)測(cè)試結(jié)果影響巨大，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)會(huì)采用專門(mén)的催化器起燃控制策略，以達(dá)到降低整車排放的目的。文章重點(diǎn)論述了催化器起燃工況下降低碳?xì)渑欧诺姆椒ā?/p>
2.1 推遲點(diǎn)火提前角
推遲點(diǎn)火提前角可以降低排氣中的碳?xì)錆舛?，同時(shí)提高排氣溫度，如圖1所示。從圖1中可以看出，在保持相同負(fù)荷的前提下，點(diǎn)火提前角由-6°CA減小至-24°CA時(shí)，碳?xì)渑欧诺臐舛扔? 981×10-6降低至869×10-6，排氣溫度由484℃升高至771℃，可見(jiàn)點(diǎn)火提前角對(duì)碳?xì)渑欧排c排氣溫度有明顯的影響。這是因?yàn)楫?dāng)點(diǎn)火提前角推遲時(shí)，燃燒相位相應(yīng)推遲，活塞下行較多才開(kāi)始燃燒，缸內(nèi)氣體壓力降低，較低的缸內(nèi)壓力使進(jìn)入燃燒室縫隙與吸附在潤(rùn)滑油膜處的未燃碳?xì)涞臄?shù)量減少。同時(shí)由于燃燒推遲，燃燒持續(xù)到膨脹行程后期甚至是排氣行程，使得膨脹行程后期與排氣過(guò)程已燃?xì)怏w的溫度比較高，促進(jìn)了此階段釋放出來(lái)的未燃碳?xì)涞难趸饔?。這兩方面的原因?qū)е屡艢庵械奈慈继細(xì)錆舛鹊慕档汀?/p>
圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前角與排氣溫度和碳?xì)渑欧诺年P(guān)系曲線圖
2.2 提高發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩
提高發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩也可以降低排氣中的碳?xì)錆舛龋瑫r(shí)提高排氣溫度，圖2示出發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩與排氣溫度和碳?xì)渑欧诺年P(guān)系曲線圖。從圖2可以看出，在保持相同燃燒穩(wěn)定性的前提下，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩由10 N·m提高至28 N·m時(shí)，碳?xì)渑欧诺臐舛扔? 905×10-6降低至304×10-6，排氣溫度由510℃升高至875℃，可見(jiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩對(duì)碳?xì)渑欧排c排氣溫度也有明顯的影響。這是因?yàn)楫?dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩提高時(shí)，在維持相同燃燒穩(wěn)定性的前提下可以采用較遲的點(diǎn)火提前角，雖然缸內(nèi)氣體壓力升高，使進(jìn)入燃燒室縫隙與吸附在潤(rùn)滑油膜處的未燃碳?xì)涞臄?shù)量增多，但較高的燃燒溫度提高了燃燒室與氣缸壁面的溫度，減小了淬熄層厚度，從而減少了未燃碳?xì)?。更重要的是，缸?nèi)氣體溫度升高了，極大地加強(qiáng)了未燃碳?xì)涞难趸?/p>
圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩與排氣溫度和碳?xì)渑欧诺年P(guān)系曲線圖
2.3 提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速
發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)碳?xì)渑欧排c排氣溫度也是有影響的，提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以降低排氣中的碳?xì)錆舛炔⑻岣吲艢鉁囟?。圖3示出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與排氣溫度和碳?xì)渑欧诺年P(guān)系曲線圖。從圖3可以看出，在保持相同的點(diǎn)火提前角與負(fù)荷的前提下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由1 000 r/min提高至1 600 r/min時(shí)，碳?xì)渑欧诺臐舛扔? 301×10-6降低至308×10-6，排氣溫度由547℃升高至753℃。這是因?yàn)槲慈继細(xì)湓跐?rùn)滑油膜處吸附量與釋放量與時(shí)間相關(guān)，轉(zhuǎn)速提高后，循環(huán)時(shí)間減小了，因此通過(guò)潤(rùn)滑油膜產(chǎn)生的未燃碳?xì)涞臄?shù)量也相應(yīng)減少。另一方面，在相同點(diǎn)火提前角下，轉(zhuǎn)速提高后，由于燃燒時(shí)間基本保持不變，對(duì)應(yīng)的燃燒持續(xù)曲軸轉(zhuǎn)角變大了，同樣導(dǎo)致排氣溫度的提高，未燃碳?xì)溲趸饔眉訌?qiáng)。
圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與排氣溫度和碳?xì)渑欧诺年P(guān)系曲線圖
2.4 采用偏稀空燃比
過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)碳?xì)渑欧排c排氣溫度的影響也是非常明顯的。采用較大的過(guò)量空氣系數(shù)可以降低排氣中的碳?xì)錆舛?，同時(shí)提高排氣溫度。圖4示出過(guò)量空氣系數(shù)與排氣溫度和碳?xì)渑欧诺年P(guān)系曲線圖。
圖4 過(guò)量空氣系數(shù)與排氣溫度和碳?xì)渑欧诺年P(guān)系曲線圖
從圖4可以看出，在保持相同的點(diǎn)火提前角與負(fù)荷的前提下，過(guò)量空氣系數(shù)由0.75提高至1.05時(shí)，碳?xì)渑欧诺臐舛扔? 069×10-6降低至1 013×10-6，排氣溫度由498℃升高至694℃。這是因?yàn)?，一方面過(guò)量空氣系數(shù)提高后，空燃比變稀，燃燒速度變慢，使得排氣溫度升高，同時(shí)燃燒結(jié)束后的已燃?xì)怏w中的氧濃度變大，都對(duì)未燃碳?xì)涞难趸鸬郊訌?qiáng)作用。另一方面比較稀的空燃比，含有的未燃碳?xì)錆舛容^低，使得積蓄在燃燒室縫隙與吸附在潤(rùn)滑油膜處的未燃碳?xì)涞牧繙p小，因此總的未燃碳?xì)渑欧艤p少。
2.5 提高發(fā)動(dòng)機(jī)水溫
圖5示出發(fā)動(dòng)機(jī)水溫對(duì)碳?xì)渑欧诺挠绊懬€圖。
圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)水溫對(duì)碳?xì)渑欧诺挠绊懬€圖
從圖5中可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫由30℃升高至90℃時(shí)，碳?xì)渑欧诺臐舛认陆?0%左右。發(fā)動(dòng)機(jī)水溫決定了燃燒室與氣缸壁面的溫度，一方面減少了已燃?xì)怏w對(duì)壁面的傳熱量，從而提高了已燃?xì)怏w溫度；另一方面，改善了燃油的霧化效果，避免在缸內(nèi)出現(xiàn)液態(tài)燃油，有利于減少未燃碳?xì)涞纳膳c加強(qiáng)未燃碳?xì)涞难趸?/p>
3 結(jié)論
為解決整車排放測(cè)試中重點(diǎn)關(guān)注的冷機(jī)與暖機(jī)過(guò)程的碳?xì)渑欧?，?duì)發(fā)動(dòng)機(jī)催化器起燃工況進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)碳?xì)渑欧旁囼?yàn)。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，推遲點(diǎn)火提前角、控制偏稀空燃比及提高發(fā)動(dòng)機(jī)水溫等可以明顯減少碳?xì)渑欧牛惶岣甙l(fā)動(dòng)機(jī)扭矩與轉(zhuǎn)速也能達(dá)到降低碳?xì)渑欧诺哪康?。綜合運(yùn)用這些策略可以明顯地降低碳?xì)渑欧牛?，為了滿足國(guó)VI排放法規(guī)更嚴(yán)格的碳?xì)渑欧乓?，可能還需要配合催化器性能的提高。
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