張冬冬

增壓直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)控制參數(shù)對(duì)排放影響的分析

張冬冬

（珠海市理工職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣東 珠海 519070）

發(fā)動(dòng)機(jī)噴油時(shí)刻、配氣正時(shí)、過量空氣系數(shù)、點(diǎn)火時(shí)刻等發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒控制參數(shù)對(duì)增壓直噴汽油機(jī)的缸內(nèi)壓力、缸內(nèi)平均溫度、燃燒放熱率、排氣顆粒物粒徑及濃度分布等會(huì)造成不同程度的影響，對(duì)汽車尾氣的排放產(chǎn)生一定的影響，通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各控制參數(shù)的調(diào)整，使發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到最佳的排放狀態(tài)。

增壓直噴汽油機(jī)；顆粒物；尾氣排放

前言

試驗(yàn)工況選取相當(dāng)于車輛常用行駛工況對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)工況，試驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)包括噴油時(shí)刻、配氣正時(shí)、過量空氣系數(shù)和點(diǎn)火時(shí)刻，試驗(yàn)參數(shù)通過發(fā)動(dòng)機(jī)ECU進(jìn)行調(diào)整控制。

1 噴油時(shí)刻對(duì)顆粒物排放的影響

噴油時(shí)刻指的是發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中，噴油器根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火的需要，按時(shí)的噴射汽油，和空氣進(jìn)行充分混合，在火花塞產(chǎn)生火花的作用下著火，推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)并做功?？刂茋娪蜁r(shí)刻對(duì)增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和排放有顯著的影響。噴油過早引起過多油液黏到氣缸壁，影響正常的燃燒，并且使混合氣比例降低，燃燒效果下降，直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能和排放性能。噴油時(shí)刻過晚，導(dǎo)致混合氣混合不均勻，局部過濃，容易引起爆震等現(xiàn)象，同時(shí)影響排放性能。

由圖1可知缸內(nèi)燃燒壓力和放熱效率大體遵循的規(guī)律是先升高后降低，根據(jù)不同的噴油角度所列曲線圖有所不同。這是因?yàn)橹眹娖蜋C(jī)缸內(nèi)混合氣的形成受噴油時(shí)刻的影響，噴油時(shí)刻過早，由于活塞距離上止點(diǎn)較近，容易造成燃油濕壁，噴油時(shí)刻過晚，混合氣混合時(shí)間變短，局部產(chǎn)生過濃區(qū)域，均使燃燒不完全。從圖1中可以看出，無論噴油時(shí)刻如何，缸內(nèi)燃燒最大壓力和最大放熱效率都在曲軸轉(zhuǎn)角0o左右，也就是發(fā)動(dòng)機(jī)某缸活塞的上止點(diǎn)位置進(jìn)行噴油和燃燒[1]。

圖1 不同噴油時(shí)刻缸內(nèi)壓力曲線

試驗(yàn)結(jié)果表明，噴油時(shí)刻對(duì)汽車排氣的顆粒物有較大的影響，過早的噴油時(shí)刻和過晚的噴油時(shí)刻都會(huì)產(chǎn)生不同的粒徑不同含量的廢氣物質(zhì)，影響汽車排放性能。合理的噴油時(shí)刻對(duì)排放顆粒的產(chǎn)生有明顯的影響，因此合理優(yōu)化的噴油時(shí)刻可以降低顆粒物的排放。

2 配氣正時(shí)對(duì)增壓壓力和顆粒物排放的影響

試驗(yàn)用增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)為CVVT連續(xù)可變氣門正時(shí)機(jī)構(gòu)[2]，CVVT的功能是在不同發(fā)動(dòng)機(jī)工況匹配最佳的氣門重疊角（氣門正時(shí)）。當(dāng)ECU接受到輸入信號(hào)時(shí)，會(huì)利用凸輪位置傳感器及曲軸位置感器，確定實(shí)際的進(jìn)氣凸輪的氣門正時(shí)。

圖2 不同配氣相位排氣顆粒物分布

圖2是不同CVVT變化角度下物種提前角和推遲角的情況下排氣顆粒物分布曲線，五種情況下排氣顆粒物分布曲線趨勢(shì)大致相同，聚集態(tài)顆粒物近似呈單峰分布，核態(tài)顆粒物呈近似雙峰分布。由圖中曲線可以看出氣門重疊角最小時(shí)，排氣中顆粒物數(shù)濃度最高，這可能是由于發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速或大負(fù)荷工況下燃燒速度快，所需要的缸內(nèi)溫度和壓力高的原因，從而導(dǎo)致燃燒環(huán)境惡化，使混合氣不能夠充分的燃燒，從而造成未燃的碳?xì)浜吞紵煹纳闪吭黾恿?。由圖2曲線可以看出，有一定提前交和推遲角的工況，顆粒物數(shù)濃度有不同程度減小，在 40/-10和40/-25工況下聚集態(tài)顆粒物降低較明顯。但隨著Dp數(shù)值的減小，排氣門的遲開，致使核態(tài)顆粒物的濃度逐漸上升，這是因?yàn)闅忾T重疊角增大，缸內(nèi)的廢棄和進(jìn)的氣體發(fā)生沖突，導(dǎo)致廢氣每排完，新氣體不能夠完全進(jìn)入，從而導(dǎo)致燃燒環(huán)境惡化，不能夠充分燃燒，而造成排放顆粒物的增加。

由以上分析可知，不是提前角越大或越小越好，也不是推遲角越大或越小越好，而是提前角和推遲角達(dá)到較好的配合角度時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)便可以產(chǎn)生較高的燃燒效率和動(dòng)力，并且排放較少的廢氣顆粒物。

3 過量空氣系數(shù)對(duì)排放的影響

過量空氣系數(shù)是發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際空氣量與理論空氣量的比，過量空氣系數(shù)降低，排氣中CO增加，熱效率降低，過量空氣系數(shù)增大，不參與燃燒的冷空氣大量進(jìn)入氣缸，降低燃燒效率并伴隨煙氣排出，因此燃料燃燒后排放的顆粒物受過量空氣系數(shù)影響較大。

圖3 過量空氣系數(shù)與缸內(nèi)燃燒壓力（2000r/min）

由圖3可知，隨著過量空氣系數(shù)的逐漸變大，缸內(nèi)最高燃燒壓力和最大熱效率逐步變小。發(fā)動(dòng)機(jī)采用稀混合氣時(shí)，循環(huán)變動(dòng)增大，特別是在λ大于 1.1 時(shí)，循環(huán)變動(dòng)增加明顯，燃燒不穩(wěn)定性增加，在一定程度上影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒物排放。隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化，不同過量空氣系數(shù)對(duì)應(yīng)的缸內(nèi)平均溫度曲線的趨勢(shì)是類似的，隨著過量空氣系數(shù)的增加，缸內(nèi)平均溫度逐步下降，溫度越低對(duì)燃燒的效果影響越大，顆粒物的排放就越多。從整體趨勢(shì)來看，隨著混合氣加濃，缸內(nèi)溫度升高，過高的溫度又容易造成缸內(nèi)缺氧，從而導(dǎo)致HC等顆粒的排放物質(zhì)增加，降低排放性能。綜合來看，過濃或過稀的混合氣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能都有較大的影響，過量空氣系數(shù)在1附近的數(shù)值，整體排放狀況較好。

過量空氣系數(shù)是排氣顆粒物的重要影響因素，組織適當(dāng)?shù)南』旌蠚饪梢燥@著降低顆粒物排放，但是過稀混合氣也會(huì)引起排放顆粒物的增加，過量空氣系數(shù)在1.0附近時(shí)，排放狀況是較理想的。

4 點(diǎn)火時(shí)刻對(duì)顆粒物排放的影響

點(diǎn)火時(shí)刻指的是發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中，火花塞根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作的需要，噴出火花，點(diǎn)燃缸內(nèi)可燃混合氣，使發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)并做功。在發(fā)動(dòng)機(jī)上，點(diǎn)火時(shí)間一般表現(xiàn)為點(diǎn)火提前角，為了使發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出最大功率，應(yīng)使最高燃燒壓力出現(xiàn)在活塞運(yùn)行上止點(diǎn)后100-150o左右。

由圖4可以看出，低速高負(fù)荷工況，為了防止爆震產(chǎn)生，點(diǎn)火角度調(diào)節(jié)范圍較小，但仍然可以看到在較小范圍內(nèi)調(diào)節(jié)點(diǎn)火角度，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力及放熱率峰值變化比較明顯。隨點(diǎn)火提前角的增加，聚集態(tài)顆粒物和核態(tài)顆粒物數(shù)濃度大體呈逐漸增加的趨勢(shì)。從曲線可以看出，核態(tài)顆粒物呈單峰分布，濃度逐漸減小。提前點(diǎn)火導(dǎo)致缸內(nèi)缸內(nèi)最高溫度增加，而燃燒后期缸內(nèi)溫度迅速下降，不利于顆粒物后期氧化，這樣又促進(jìn)了聚集態(tài)顆粒物排放增加。低負(fù)荷時(shí)，點(diǎn)火過早會(huì)導(dǎo)致聚集態(tài)顆粒物排放迅速增加。

圖4 不同點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)壓力曲線

根據(jù)結(jié)果分析，推遲點(diǎn)火會(huì)引起不正常燃燒，導(dǎo)致顆粒物排放的增加。點(diǎn)火過早會(huì)導(dǎo)致燃燒不充分，影響動(dòng)力性的同時(shí)，排放顆粒物也不斷增加。針對(duì)所研究的增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)來說，適當(dāng)?shù)臏p小點(diǎn)火提前角，在中小負(fù)荷工況下不僅能保持其正常的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，也能維持排放顆粒濃度在一個(gè)比較好的狀態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文試驗(yàn)和分析了發(fā)動(dòng)機(jī)噴油時(shí)刻、配氣正時(shí)、過量空氣系數(shù)、點(diǎn)火時(shí)刻等發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒控制參數(shù)對(duì)增壓直噴汽油機(jī)的缸內(nèi)壓力、缸內(nèi)平均溫度、燃燒放熱率、排氣顆粒物粒徑及濃度分布等的影響。噴油時(shí)刻對(duì)汽車排氣的顆粒物有較大的影響，當(dāng)推遲角和提前角達(dá)到較好的配合時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)可以產(chǎn)生較高的燃燒效率，并且減少排氣顆粒物[3]；過量空氣系數(shù)是排氣顆粒物的重要影響因素，組織適當(dāng)?shù)南』旌蠚饪梢燥@著降低顆粒物排放，但是過稀混合氣也會(huì)引起排放顆粒物的增加，過量空氣系數(shù)在1.0附近時(shí)，排放狀況較為理想；推遲點(diǎn)火會(huì)引起不正常燃燒，導(dǎo)致顆粒物排放的增加，點(diǎn)火過早會(huì)導(dǎo)致燃燒不充分，影響動(dòng)力性的同時(shí)，排放顆粒物也不斷增加。應(yīng)適當(dāng)?shù)臏p小點(diǎn)火提前角，在中小負(fù)荷工況下保持正常的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)也使排氣顆粒濃度相對(duì)較低。

[1] 魏傳芳.進(jìn)氣道噴射與缸內(nèi)直噴組合汽油機(jī)微粒排放仿真研究[D].吉林大學(xué),2015.

[2] 潘鎖柱.缸內(nèi)直噴汽油機(jī)排氣微粒物理化學(xué)特征的研究[D].天津大學(xué),2012.

[3] 周文婷.缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒模擬及爆震預(yù)測(cè)[D].天津大學(xué), 2014.

Analysis of the Influence of Control Parameters of Supercharged Direct Injection Gasoline Engine on Emissions

Zhang Dongdong

( Zhuhai Polytechnic Vocational and Technical School, Guangdong Zhuhai 519070 )

Engine combustion control parameters such as engine fuel injection timing, valve timing, excess air coefficient, and ignition timing affect the cylinder pressure, average cylinder temperature, combustion heat release rate, exhaust particle size and concentration distribution of turbocharged direct injection gasoline engines It will cause varying degrees of impact and have a certain impact on the emission of automobile exhaust. Through the adjustment of various control parameters of the engine, the engine can achieve the best emission state.

Supercharged direct injection gasoline engine;Particulates;Emissions

A

1671-7988(2020)24-137-03

TK411

A

1671-7988(2020)24-137-03

張冬冬，碩士研究生，講師，就職于珠海市理工職業(yè)技術(shù)學(xué)校，研究方向：汽車維修領(lǐng)域。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2020.24.045

CLC NO.: TK411