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        直噴發(fā)動機(jī)顆粒物捕集器臺架碳煙標(biāo)定試驗研究

        2021-07-15 13:03:56李樹宇
        柴油機(jī)設(shè)計與制造 2021年2期
        關(guān)鍵詞:冷卻液載量修正

        李樹宇

        (奇瑞汽車股份有限公司,蕪湖 241000)

        0 引言

        目前,隨著國家排放法規(guī)的日趨加嚴(yán),發(fā)動機(jī)零部件供應(yīng)商及主機(jī)廠面臨的壓力,迫使他們進(jìn)行技術(shù)升級,減少顆粒物排放。而針對發(fā)動機(jī)內(nèi)部的優(yōu)化,無非是進(jìn)行油、氣、火三者之間的合理匹配。例如采用提高缸內(nèi)渦流強(qiáng)度,減少燃油濕壁并配合高壓油軌、合理的噴油角度、油束夾角、噴油孔數(shù)等,改善噴油霧化能力等措施[1-5。但對直噴汽油機(jī)而言,對噴油系統(tǒng)零部件的要求極高,既要耐高溫,又要耐腐蝕,以及承受高強(qiáng)度的壓力和熱應(yīng)力;另一方面,針對發(fā)動機(jī)內(nèi)部的優(yōu)化相應(yīng)地增加了成本的支出[6-9]。實際證明采用顆粒物捕集器(Gasoline particulate filter, GPF)可以減少90%以上的顆粒物排放量。這就需要發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)對GPF的狀態(tài)加以了解,對再生過程施以精確的控制。所以,在臺架上進(jìn)行發(fā)動機(jī)碳載量原排的數(shù)據(jù)采集及測試,以研究碳載量累碳模型規(guī)律具有重要的意義。

        1 試驗對象及設(shè)備

        試驗發(fā)動機(jī)為(Gasoline direct injection, GDI)直噴電控增壓中冷發(fā)動機(jī),其發(fā)動機(jī)基本性能參數(shù)見表1,GPF的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2,GPF載體為堇青石,封裝和載體由供應(yīng)商康寧提供。

        表1 GDI電控增壓直噴發(fā)動機(jī)基本技術(shù)參數(shù)

        表2 試驗匹配發(fā)動機(jī)的GPF主要參數(shù)

        發(fā)動機(jī)臺架為AVL臺架,采用的設(shè)備裝置有:AVL PUMA系統(tǒng),AVL測功機(jī),INCA軟件及上位機(jī)通訊采集設(shè)備,氣體排放分析儀,AVL 489顆粒計數(shù)器。

        2 數(shù)據(jù)采集及試驗方法

        2.1 采集數(shù)據(jù)

        在發(fā)動機(jī)試驗臺上,通過轉(zhuǎn)速和扭矩模式調(diào)整轉(zhuǎn)速、負(fù)荷,通過INCA軟件調(diào)整發(fā)動機(jī)空燃比和點(diǎn)火角,采集、記錄氣體排放、soot顆粒物排放以及發(fā)動機(jī)運(yùn)行的相關(guān)參數(shù)信息。試驗中GPF上安裝的傳感器信息如圖1所示。

        圖1 GPF傳感器布置

        2.2 試驗方法

        以不同模式soot數(shù)據(jù)處理為例,針對汽油機(jī)的排放窗口是處在理論空燃比為1的狹小空間。首先在臺架上,根據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷進(jìn)行掃描,轉(zhuǎn)速從1 500 r/min增加到5 500 r/min,間隔500 r/min,負(fù)荷從55%到105%,間隔10%;對部分負(fù)荷可以使空燃比維持在0.7~1.1,間隔0.2,且滿足發(fā)動機(jī)能夠正常運(yùn)行的條件,包括預(yù)催溫度、渦前溫度等邊界條件在合理范圍內(nèi),采集原始數(shù)據(jù),如轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、空燃比、點(diǎn)火角提前角、排放等參數(shù)。然后以空燃比為1和加濃測點(diǎn)空燃比為0.7的HOM(均質(zhì))模式下的數(shù)據(jù)采集,并使用平均值和線性擬合進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

        3 試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果

        3.1 HOM(均質(zhì))模式、HSP(多噴)模式soot質(zhì)量流量原排標(biāo)定

        圖2和圖3是空燃比為1的soot原始質(zhì)量流量,圖4和圖5是空燃比為0.7的soot原始質(zhì)量流量,因此空燃比為0.7的soot原始質(zhì)量流量曲線,相對空燃比為1的修正曲線如圖6所示。從而得到不同空燃比下soot質(zhì)量流量,由于發(fā)動機(jī)大部分工況空燃比維持在1附近,因此可以得到將不同空燃比下soot質(zhì)量流量除以空燃比為1下的soot質(zhì)量流量,就可以得到soot的空燃比修正系數(shù)。

        圖2 空燃比為1的不同轉(zhuǎn)速下的soot流量

        圖3 空燃比為1的不同轉(zhuǎn)速下的soot流量

        圖4 空燃比為0.7的不同轉(zhuǎn)速的soot流量

        圖5 空燃比為0.7的不同轉(zhuǎn)速的soot流量

        圖6 空燃比修正曲線圖

        針對空燃比曲線選取(1/4,3/4)數(shù)據(jù)求得平均值,即為該空燃比為0.7的修正系數(shù),該系數(shù)值為4.950 13。從而可以得到各空燃比間隔點(diǎn)的修正系數(shù),通過對臨界空燃比之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,即得HOM原始排放的修正曲線如圖7所示,同時得到HOM模式下的原排結(jié)果,填入到以轉(zhuǎn)速和負(fù)荷為坐標(biāo)的二維表中。同理,HSP模式的原始排放也是同樣的處理方法,此文中不在累贅。

        圖7 不同空燃比的修正值曲線

        3.2 暖機(jī)水溫修正標(biāo)定

        首先待發(fā)動機(jī)冷卻至環(huán)境溫度,即冷卻液溫度與環(huán)境溫度相同,步驟1、倒拖至1 500 r/min,負(fù)荷為60%,然后恢復(fù)供油、保持空燃比為1;步驟2、倒拖至3 000 r/min,負(fù)荷為80%,然后恢復(fù)供油,保持空燃比為1;步驟3、倒拖至4 000 r/min, 負(fù)荷為120%,然后恢復(fù)供油,保持空燃比為1;采集冷卻液溫度從環(huán)境溫度到最大溫度時的soot質(zhì)量流量,得到不同冷卻液溫度下的soot質(zhì)量流量,如圖8所示。針對冷卻液溫度90℃的soot質(zhì)量流量求得平均值為A,其他溫度點(diǎn)的soot質(zhì)量流量除以A即得到不同冷卻液溫度的修正系數(shù),然后指數(shù)擬合外推到其他溫度點(diǎn),得到圖9所示的溫度對soot質(zhì)量流量的修正曲線,填入curve曲線中。

        圖8 不同冷卻液溫度下soot質(zhì)量流量

        圖9 冷卻液溫度下的修正系數(shù)值

        3.3 催化劑加熱修正標(biāo)定

        1)發(fā)動機(jī)水溫油溫冷卻至常溫;

        2)分別對1 500 r/min,2 000 r/min,2 500 r/min中等負(fù)荷、進(jìn)行倒拖運(yùn)行,然后恢復(fù)供油;

        3)在催化器加熱和不加熱的情況下采集soot流量,每組測量3次,然后在相同轉(zhuǎn)速下,將催化器加熱的原排流量除以不加熱的原排流量并求得3次結(jié)果平均值,為該轉(zhuǎn)速的催化器加熱修正系數(shù),見圖10。對3次結(jié)果再次求得平均值,即得到催化器加熱修正值為0.763。

        圖10 不同轉(zhuǎn)速下的催化器加熱修正系數(shù)值

        3.4 背壓修正系數(shù)標(biāo)定

        首先測量空載下GPF壓差P1,然后分別測量出15 g灰分量下快速累碳0 g、5.47 g、18.7 g下的壓差P2,然后取P2/P1的(1/4,3/4)范圍內(nèi)的平均值,即可得到該碳載量下的修正系數(shù),圖11為15 g灰分量下不同碳載量的線性擬合曲線。同理,也可得到0 g、30 g灰分量不同碳載量的線性擬合曲線(如圖12和圖13所示),從而在不同灰分量下,線性擬合算出0 g、5 g、10 g、20 g碳載量下的一系列修正系數(shù)值,填入二者對應(yīng)的二維表MAP中。

        圖11 15 g灰分量下不同碳載量擬合曲線

        圖12 0 g灰分量下不同碳載量擬合曲線

        圖13 30 g灰分量不下不同碳載量擬合曲線

        4 結(jié)論

        通過此次GPF臺架專項試驗的研究,分析了soot碳載量原排及修正數(shù)據(jù)的處理方法。主要研究了碳載量原排,催化劑加熱模式,背壓、冷卻液溫度修正下的累碳處理方法,采用數(shù)學(xué)模型中的線性擬合和平均值的處理方法,建立了直噴汽油機(jī)累碳模型,有助于對EMS發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)對碳載量的累積和再生過程進(jìn)行精確控制,更好地指導(dǎo)GPF臺架標(biāo)定工程師進(jìn)行GPF的臺架標(biāo)定匹配工作。

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