排氣正時(shí)對(duì)汽油機(jī)冷起動(dòng)及其排放性能影響的試驗(yàn)研究

王 巍，于秀敏，趙弘志，譚興聞

(1.第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，長(zhǎng)春 130011;2.吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

前言

隨著汽車保有量的逐年激增，汽車尾氣排放問(wèn)題日益嚴(yán)峻，受到了所有汽車廠家和研究機(jī)構(gòu)的高度重視。汽油機(jī)冷起動(dòng)過(guò)程雖然持續(xù)時(shí)間短，但對(duì)汽油機(jī)排放將產(chǎn)生重要的影響。按照FTP-75測(cè)試規(guī)程計(jì)算，冷起動(dòng)期間產(chǎn)生的未燃碳?xì)浠衔锖鸵谎趸颊颊麄€(gè)測(cè)試規(guī)程的50% ～80%［1－3］。

降低冷起動(dòng)過(guò)程排放量的研究一般從兩方面入手:一是改善冷起動(dòng)階段的燃燒過(guò)程;二是加速催化轉(zhuǎn)換器的起燃［4］。本文中主要從前者入手，采取改變排氣門關(guān)閉時(shí)刻，以改變缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)，研究其對(duì)汽油機(jī)冷起動(dòng)排放的影響。研究結(jié)果不僅為電控系統(tǒng)的控制策略提供依據(jù)，而且對(duì)冷起動(dòng)工況排氣正時(shí)的標(biāo)定匹配工作具有一定的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及研究機(jī)型

試驗(yàn)研究是在某型紅旗轎車上進(jìn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù):缸徑為84mm，行程為75mm，排量為2 494mL，壓縮比為10.4。圖1是試驗(yàn)布置示意圖。其中ETK-ECU為發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)的開發(fā)型電控單元，通過(guò)ES590接口模塊建立起PC支持的測(cè)量和標(biāo)定軟件INCA與電控單元的連接。ES620是溫度傳感器信號(hào)測(cè)量裝置。ES600為網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展模塊，將各測(cè)量模塊連接到一起，并為它們供電。LA4為空燃比儀。排放測(cè)試設(shè)備采用AVL DiGas 2200車載型五組份尾氣排放分析儀，HC和CO的測(cè)量精度分別達(dá)到0.000 1%和0.01%。

1.2 試驗(yàn)方案

為保證試驗(yàn)的可重復(fù)性，每相鄰兩次試驗(yàn)的時(shí)間間隔均大于6h，且整車置于外部環(huán)境中，以使發(fā)動(dòng)機(jī)各部件溫度均為外界環(huán)境溫度。試驗(yàn)中的冷卻液溫度和潤(rùn)滑油溫度均為293K，大氣壓力為101.3kPa。每次試驗(yàn)固定進(jìn)氣正時(shí)不變，通過(guò)改變排氣門關(guān)閉時(shí)刻(EVC)，改變缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)。噴油正時(shí)和點(diǎn)火正時(shí)均按原控制策略保持不變。

由于試驗(yàn)中采集的排放是瞬態(tài)濃度，只能反映變化趨勢(shì)，為較全面地評(píng)價(jià)總體排放量，本文中引入平均排放濃度的概念，其定義為［5］

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

按照上述試驗(yàn)方案，排氣門關(guān)閉角從343°CA開始(這里以1缸壓縮上止點(diǎn)為基準(zhǔn)，排氣門升程達(dá)到1mm時(shí)所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角)，每推遲10°CA進(jìn)行一次試驗(yàn)，結(jié)果如圖2～圖7所示。各次試驗(yàn)條件下的排氣門關(guān)閉時(shí)刻及氣門重疊角見表1。

表1 排氣正時(shí)及氣門重疊角

2.1 不同排氣正時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)速與過(guò)量空氣系數(shù)的影響

不同排氣門關(guān)閉時(shí)刻下的轉(zhuǎn)速曲線走勢(shì)基本一致，差別微小，如圖2所示。而圖3所示的過(guò)量空氣系數(shù)曲線基本走勢(shì)也大致相同，在最初的一段時(shí)間內(nèi)，有明顯的起動(dòng)加濃過(guò)程。隨著起動(dòng)過(guò)程的結(jié)束，過(guò)量空氣系數(shù)逐漸回歸到理論空燃比附近。但在起動(dòng)過(guò)程結(jié)束之后，時(shí)間為1s左右時(shí)，試驗(yàn)2、3、4、5的過(guò)量空氣系數(shù)均出現(xiàn)了一次小的峰值，而試驗(yàn)1卻沒(méi)有出現(xiàn)，見圖4。這是由于起動(dòng)過(guò)程結(jié)束后，起動(dòng)控制模塊就停止了作用，接下來(lái)的控制轉(zhuǎn)入起動(dòng)后控制模塊。由于起動(dòng)控制模塊的控制策略是噴入大量的燃油，轉(zhuǎn)速逐漸上升后，油量也逐漸減小，當(dāng)起動(dòng)模塊停止作用時(shí)，必然存在一個(gè)過(guò)量空氣系數(shù)升高的過(guò)程。而其升高后又下降的原因是由于起動(dòng)后控制模塊檢測(cè)到此時(shí)的噴油量不能使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速迅速升高至起動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)速峰值，所以又自動(dòng)加大了噴油量，使過(guò)量空氣系數(shù)在這兩個(gè)模塊切換的時(shí)刻出現(xiàn)了一次小的波動(dòng)。而試驗(yàn)1沒(méi)有出現(xiàn)波動(dòng)的原因是:排氣門關(guān)閉時(shí)刻最早，較多的殘余廢氣被關(guān)閉在氣缸內(nèi)，由于殘余廢氣中含有大量的未燃HC以及不完全燃燒產(chǎn)物CO，提高了缸內(nèi)溫度，減小了激冷層厚度，增加HC和CO的氧化，使轉(zhuǎn)速升高率得到提高。在電控單元由起動(dòng)控制模塊向起動(dòng)后控制模塊切換之后，起動(dòng)后控制模塊檢測(cè)到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高速率較高，因此沒(méi)有對(duì)噴油量進(jìn)行補(bǔ)償，所以試驗(yàn)1的過(guò)量空氣系數(shù)曲線沒(méi)有出現(xiàn)其他試驗(yàn)所示的波動(dòng)。

2.2 不同排氣正時(shí)對(duì)起動(dòng)時(shí)間的影響

圖5為上述試驗(yàn)的起動(dòng)時(shí)間對(duì)比，其大致趨勢(shì)是隨排氣門關(guān)閉時(shí)刻的推遲，起動(dòng)時(shí)間隨之增長(zhǎng)。

因?yàn)榕艢忾T關(guān)閉時(shí)刻提前，更多的殘余廢氣被關(guān)閉在缸內(nèi)，增大了殘余廢氣系數(shù)，這部分殘余廢氣中包含了大量的未燃或者未完全燃燒的可燃成分，它們參與了下一循環(huán)的燃燒過(guò)程，改善了燃燒性能，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升更快，縮短了起動(dòng)時(shí)間。對(duì)于排氣門關(guān)閉時(shí)刻為383°CA時(shí)起動(dòng)時(shí)間又稍有縮短，其原因是此時(shí)的氣門重疊角較大，充量得到提高，使該條件下可燃混合氣的量增大，以致轉(zhuǎn)速升高更快;其次，此時(shí)排氣門的遲后關(guān)閉，減少了強(qiáng)制排氣損失。以上兩點(diǎn)原因共同作用的結(jié)果便是排氣門關(guān)閉時(shí)刻為383°CA時(shí)的起動(dòng)時(shí)間相對(duì)于排氣門關(guān)閉時(shí)刻為373°CA時(shí)稍有縮短，約為50ms。

2.3 不同排氣正時(shí)對(duì)排放的影響

圖6和圖7為上述試驗(yàn)的HC、CO排放隨時(shí)間變化的曲線。由圖可見，每次試驗(yàn)的HC和CO排放量趨勢(shì)基本一致，都是起動(dòng)之初迅速升高，達(dá)到峰值后逐漸降低。從圖上還可以看出，排氣門關(guān)閉時(shí)刻對(duì)HC排放影響較為明顯，對(duì)CO排放的影響并不是很大;而且HC排放在達(dá)到峰值后降低速度較慢，而CO排放達(dá)到峰值后的降低速度較快，約20s后即可降低到1%以下的水平。根據(jù)該特點(diǎn)，可將排放的曲線分成兩個(gè)明顯的階段，第1階段即起動(dòng)開始的前20s，而第2個(gè)階段為20～60s的時(shí)間段?？梢钥闯?，前20s時(shí)，HC、CO排放有相對(duì)明顯的差異;而經(jīng)過(guò)20s后，無(wú)論是HC還是CO排放，基本都達(dá)到了相對(duì)穩(wěn)定的階段，各次試驗(yàn)間的差異很小。此外，冷起動(dòng)第1階段的HC排放總量約占前60s排放總量的50%，而CO約占80%。

圖8和圖9為上述試驗(yàn)的排放平均濃度對(duì)比。由圖可見，排氣門關(guān)閉時(shí)刻為353°CA時(shí)，HC和CO排放的平均濃度最低。從這一關(guān)閉時(shí)刻起，無(wú)論是提前或是推遲排氣門關(guān)閉時(shí)刻，HC和CO排放都呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。由圖8還可見，排氣門關(guān)閉時(shí)刻分別為343、353、363、373°CA 時(shí)，各次試驗(yàn)間的 HC 排放平均濃度相差不多。排氣門關(guān)閉時(shí)刻為383°CA時(shí)，HC排放量最高，且增量較大，其前60s的平均濃度達(dá)到了0.028 9%。而排氣門關(guān)閉時(shí)刻為353°CA時(shí)，HC排放平均濃度為0.026 3%，相對(duì)于383°CA時(shí)降低了10.3%。由圖9可以看出，當(dāng)排氣門關(guān)閉時(shí)刻為383°CA時(shí)，CO排放量出現(xiàn)了降低。本試驗(yàn)下的最高CO排放出現(xiàn)在排氣門關(guān)閉時(shí)刻為373°CA時(shí)，其前60s的平均濃度達(dá)到了0.956%;排氣門關(guān)閉時(shí)刻為383°CA時(shí)，CO排放平均濃度為0.89%;而排氣門關(guān)閉時(shí)刻為353°CA時(shí)，CO排放平均濃度為0.757%，與該機(jī)原始排氣門關(guān)閉時(shí)刻(383°CA)相比降低了14.9%。

冷起動(dòng)階段HC排放量高的主要原因［6］如下。

(1)縫隙效應(yīng) 在壓縮和燃燒行程中，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力升高，可燃混合氣被擠入各縫隙中。當(dāng)火焰前鋒到達(dá)縫隙處時(shí)，由于淬熄作用不能進(jìn)入縫隙，造成此部分可燃混合氣未能完全氧化。直到排氣行程缸內(nèi)壓力下降，被擠入縫隙中的混合氣逐漸回流，但此時(shí)已是排氣行程，缸內(nèi)溫度已經(jīng)降低，氧的含量也不高，所以回流氣體僅有一小部分能再次被氧化，大部分被排出缸外，造成冷起動(dòng)階段HC排放量高。

(2)壁面激冷效應(yīng) 激冷效應(yīng)導(dǎo)致燃燒中斷，化學(xué)反應(yīng)變緩或者停止。結(jié)果，在燃燒室壁表面留下一層未燃或者未完全燃燒的淬熄層。尤其冷起動(dòng)工況下，溫度越低，淬熄層越厚，同時(shí)已燃?xì)怏w溫度降低以及缸內(nèi)混合氣較濃，對(duì)HC的后期氧化作用減弱，因此導(dǎo)致冷起動(dòng)工況下HC排放量高。

(3)大容積淬熄 發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)工況下，因發(fā)動(dòng)機(jī)溫度低，燃油霧化差，燃燒不穩(wěn)定，繼而使火焰前鋒面到達(dá)燃燒室壁面前就可能熄滅。這也是造成冷起動(dòng)階段HC排放量高的原因。

而CO排放量主要與燃燒溫度和氧濃度有關(guān)。冷起動(dòng)階段燃燒溫度低，偏濃的混合氣又使氧含量降低，所以導(dǎo)致冷起動(dòng)階段CO排放量高。因此，一切能使縫隙效應(yīng)、激冷效應(yīng)減弱，使氣缸內(nèi)溫度升高的措施都能使冷起動(dòng)階段HC和CO排放量降低。試驗(yàn)結(jié)果顯示，由于提前排氣門關(guān)閉時(shí)刻，使得排放量降低，其原因如下。首先，隨著排氣門關(guān)閉時(shí)刻的逐漸提前，被關(guān)閉在缸內(nèi)的殘余廢氣量逐漸增大，導(dǎo)致缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)增大。這些殘余廢氣中包含大量的燃油蒸汽和焰前反應(yīng)的中間產(chǎn)物，這些未燃或者未完全燃燒的混合氣對(duì)缸內(nèi)下一循環(huán)的過(guò)量空氣系數(shù)有很大影響，它們的存在將導(dǎo)致下一循環(huán)的混合氣變濃，改善了發(fā)動(dòng)機(jī)冷態(tài)的著火性能。其次，排氣門關(guān)閉時(shí)刻提前，更多的未燃或者未完全燃燒的混合氣被關(guān)閉在缸內(nèi)留至下一循環(huán)再次參與燃燒，這本身就在一定程度上降低了冷起動(dòng)階段的排放量。最后，被關(guān)閉在缸內(nèi)的殘余廢氣溫度相對(duì)于新鮮充量溫度高出許多，具有很強(qiáng)的熱效應(yīng)。當(dāng)排氣門關(guān)閉時(shí)刻提前，缸內(nèi)的殘余廢氣量增大，殘余廢氣的熱效應(yīng)使缸內(nèi)充量的初始溫度提高，進(jìn)而壓縮終了時(shí)的溫度和壓力都得到提高，極大地改善了混合氣的著火性能和燃燒性能，加快了燃燒速度，使燃燒更徹底。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)提前排氣門關(guān)閉時(shí)刻，適當(dāng)增大缸內(nèi)殘余廢氣量，可以改善發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)階段燃燒性能，使起動(dòng)時(shí)間有所減短。

(2)在汽油機(jī)冷起動(dòng)階段，通過(guò)提前排氣門關(guān)閉時(shí)刻，使部分殘余廢氣留在缸內(nèi)參與下一循環(huán)的燃燒過(guò)程，可有效降低排放量。但并非呈正比關(guān)系，而是存在一個(gè)最佳排氣門關(guān)閉時(shí)刻，使排放量最低。本文的試驗(yàn)樣機(jī)為353°CA。

(3)通過(guò)調(diào)節(jié)排氣門關(guān)閉時(shí)刻，使更多的未燃或者未完全燃燒的混合氣被關(guān)閉在缸內(nèi)參與下一循環(huán)的燃燒，這在一定程度上降低了排放量;此外，被關(guān)閉在缸內(nèi)的殘余廢氣具有很強(qiáng)的熱效應(yīng)，使缸內(nèi)充量的初始溫度提高，進(jìn)而使壓縮終了的溫度提高，極大地改善了混合氣的著火性能和燃燒性能，減輕了后續(xù)循環(huán)的激冷效應(yīng)和大容積淬熄。這對(duì)冷起動(dòng)階段排放量的降低是有利的。

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