小排量汽油發(fā)動(dòng)機(jī)低溫排放性能試驗(yàn)研究

孫遠(yuǎn)濤，朱佳男，安永東，黃文強(qiáng)，李雨健，張海龍，張?zhí)┰?/p>

(黑龍江工程學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

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小排量汽油發(fā)動(dòng)機(jī)低溫排放性能試驗(yàn)研究

孫遠(yuǎn)濤，朱佳男，安永東，黃文強(qiáng)，李雨健，張海龍，張?zhí)┰?/p>

(黑龍江工程學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

結(jié)合我國(guó)北方冬季寒冷的氣候特點(diǎn)，針對(duì)小排量汽油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行低溫排放性能的研究。在分析低溫環(huán)境對(duì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能影響因素的基礎(chǔ)上，選取DA465QA型1.0 L汽油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行常溫(20 ℃)和溫度分別為-10 ℃、-20 ℃、-30 ℃下的CO、HC、NOx等排放污染物的濃度測(cè)試，并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合成曲線，進(jìn)而分析出低溫相對(duì)常溫排放污染物的變化特點(diǎn)。通過該試驗(yàn)的研究，對(duì)探討不同低溫下小排量汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的排放污染物特性及應(yīng)對(duì)措施具有重要意義。

小排量；汽油發(fā)動(dòng)機(jī)；低溫；排放性；試驗(yàn)

隨著汽車保有量的不斷增加，所產(chǎn)生的負(fù)面影響——排放污染給人們的日常生活帶來很大的影響。目前，對(duì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的排放研究比較多，但多數(shù)是在常溫狀態(tài)下的排放研究，而針對(duì)低溫環(huán)境下的排放研究卻很少報(bào)道。低溫環(huán)境可以對(duì)汽車中的機(jī)械、電子、儀器儀表等部件的性能和工作可靠性產(chǎn)生不良影響，尤其對(duì)汽車的運(yùn)行性能產(chǎn)生嚴(yán)重的危害[1-3]。

電噴汽油機(jī)廣泛采用電子控制燃油噴射和排氣催化反應(yīng)技術(shù)。其主要工作原理是利用進(jìn)氣流量傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)進(jìn)入氣缸的空氣量，控制噴油量來保證空燃比在理論空燃比附近，同時(shí)采用氧傳感器檢測(cè)排氣中的氧濃度，對(duì)空燃比進(jìn)行反饋控制，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制使三元催化反應(yīng)器工作在高轉(zhuǎn)化率區(qū)域，使排氣中的HC、CO的氧化凈化率和NOx的還原凈化率均處于較高的水平，從而使排氣中的有害成分大幅度下降。該系統(tǒng)具有自適應(yīng)性，即當(dāng)混合氣濃度由于某種原因偏離理論空燃比時(shí)，氧傳感器輸出信號(hào)被用來反饋控制空燃比，使混合氣濃度精確控制在理論空燃比附近。閉環(huán)控制能滿足汽油機(jī)工作的絕大多數(shù)工況的燃燒過程要求[4-6]。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)低溫下運(yùn)行的排放性研究很少，因此，針對(duì)北方地區(qū)冬季室外溫度低、低溫時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，分析低溫下排放的影響因素，通過對(duì)比不同低溫環(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)低溫與常溫排放性能試驗(yàn)，觀察并分析產(chǎn)生差別的現(xiàn)象及原因，對(duì)于制定低溫下汽油發(fā)動(dòng)機(jī)排放的應(yīng)對(duì)措施具有重要的意義。

1　低溫環(huán)境對(duì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能的影響因素

汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程是將燃料化學(xué)能經(jīng)燃燒轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的過程。燃燒中對(duì)排放污染物產(chǎn)生的影響因素比較多[7-9]，主要有以下幾種：

1)混合氣成分。汽油機(jī)是一種預(yù)混燃燒，其可燃混合氣濃度范圍比較窄，而且在怠速、滿負(fù)荷等工況下處于濃混合氣工作，因而混合氣成分是影響排放最重要的因素。

2)點(diǎn)火正時(shí)。點(diǎn)火提前角減小時(shí)(推遲點(diǎn)火)，后燃增加，膨脹時(shí)的溫度及排氣溫度均上升，促進(jìn)了未燃燒成分的氧化，這對(duì)降低HC很有利。同時(shí)減小點(diǎn)火提前角，可以降低燃燒最高溫度、減少燃燒反應(yīng)滯留時(shí)間，對(duì)降低NOx十分有利?？梢姡瑴p小點(diǎn)火提前角對(duì)降低NO及HC均有利，但以犧牲動(dòng)力為代價(jià)[10-11]。

3)負(fù)荷。通過混合氣成分對(duì)燃燒產(chǎn)物中有害物質(zhì)發(fā)生影響。汽油機(jī)在怠速及小負(fù)荷工況運(yùn)行時(shí)，節(jié)氣門分別在幾乎關(guān)閉和小開度的位置，新氣量進(jìn)入少，廢氣相對(duì)增多，供給的混合氣偏濃，而且燃燒室溫度較低，燃燒速度慢，易引起不完全燃燒，使CO排出量增加。

4)轉(zhuǎn)速。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，混合氣經(jīng)過進(jìn)氣系統(tǒng)的流速及活塞運(yùn)動(dòng)速度也隨之升高，缸內(nèi)紊流加強(qiáng)，促進(jìn)混合，改善缸內(nèi)的燃燒，減少激冷層的厚度，使CO、HC排放減少。NOx的生成量與混合氣成分有關(guān)，當(dāng)用濃混合氣時(shí)，由于轉(zhuǎn)速升高，散熱時(shí)間相對(duì)縮短，缸內(nèi)燃燒溫度升高，使NOx生成量增加。當(dāng)用稀混合氣時(shí)，由于燃燒持續(xù)角增加，燃燒溫度反而會(huì)下降，使NOx生成量減少[12-13]。

5)工況。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)主要是在不穩(wěn)定工況下工作，包括怠速運(yùn)轉(zhuǎn)、加速運(yùn)轉(zhuǎn)、定速運(yùn)轉(zhuǎn)、減速運(yùn)轉(zhuǎn)等。不同工況由于混合氣濃度不同，有害物的排放量相差很大。

2　小排量汽油發(fā)動(dòng)機(jī)低溫排放性能試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)及試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)采用東安汽車動(dòng)力股份有限公司生產(chǎn)的小排量發(fā)動(dòng)機(jī)，其基本參數(shù)如表1所示，所用試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備基本參數(shù)如表2所示。

表1　發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

表2　試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備基本參數(shù)

DA465QA型發(fā)動(dòng)機(jī)及試驗(yàn)設(shè)備如圖1～圖4所示。

圖1　DA465QA型發(fā)動(dòng)機(jī)

圖2　低溫實(shí)驗(yàn)艙

圖3　發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)功機(jī)

圖4　排放分析儀

2.2試驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)北方的冬季低溫環(huán)境，依托“汽車與發(fā)動(dòng)機(jī)低溫實(shí)驗(yàn)室”中的低溫實(shí)驗(yàn)艙、發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)功機(jī)、DA465QA型汽油發(fā)動(dòng)機(jī)及排放分析儀等設(shè)備，通過速度特性模式，進(jìn)行低溫溫度分別為0 ℃、-10 ℃、-20 ℃、-30 ℃與常溫溫度為20 ℃下排放性(測(cè)取CO、HC、NOx)試驗(yàn)測(cè)試及對(duì)比分析。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集方式：用便攜式排放測(cè)試系統(tǒng)采集排放物。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法：常溫與低溫下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析。在明確試驗(yàn)內(nèi)容和充分了解標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法之后進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑囼?yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行科學(xué)合理的分析。

2.3試驗(yàn)過程

本試驗(yàn)主要研究DA465QA型汽油發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫環(huán)境下的排放性。試驗(yàn)步驟如下：

1)按照試驗(yàn)要求連接并調(diào)試好試驗(yàn)設(shè)備，將排放分析儀的取樣探頭插入尾氣排放的管路中；開啟排放分析儀，預(yù)熱10 min；

2)先進(jìn)行常溫(20 ℃)環(huán)境的測(cè)試，然后在低溫實(shí)驗(yàn)艙操控主界面設(shè)定其它測(cè)試溫度(分別為0 ℃，-10 ℃，-20 ℃，-30 ℃)，等待低溫實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度值；

3)選定8個(gè)轉(zhuǎn)速測(cè)量點(diǎn)，分別為1 200 r/min、1 300 r/min、1 400 r/min、1 500 r/min、1 600 r/min、1 700 r/min、1 800 r/min、1 900 r/min；

4)排放分析儀預(yù)熱完成后，開啟發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)功系統(tǒng)主控機(jī)；

5)起動(dòng)測(cè)功機(jī)(此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)與測(cè)功機(jī)相連，起動(dòng)測(cè)功機(jī)即可)，待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后開始低溫排放性試驗(yàn)；

6)在FC2000發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)功機(jī)系統(tǒng)操控界面上，將油門調(diào)成18%不加載負(fù)荷，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至1 900 r/min，由高到低逐漸降低至1 200 r/min；

7)先怠速40 s，不采集排放數(shù)據(jù)。觀察分析儀顯示屏，待顯示屏上示數(shù)穩(wěn)定后，記錄HC、NOx、CO的顯示數(shù)據(jù)；

8)保持油門18%不變，不加載負(fù)荷，將轉(zhuǎn)速降至1 800 r/min、1 700 r/min、1 600 r/min、1 500 r/min、1 400 r/min、1 300 r/min、1 200 r/min重復(fù)上述步驟；

9)在8個(gè)轉(zhuǎn)速測(cè)量點(diǎn)測(cè)量結(jié)束后，保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)；

10)整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制DA465QA型汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的排放特性曲線。

2.4試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容，按照試驗(yàn)過程進(jìn)行測(cè)試，得出各設(shè)定溫度下的排放特性數(shù)據(jù)，將其繪制成曲線，分別如圖5～圖7所示。

圖5　HC排放曲線

HC排放曲線如圖5所示，低溫曲線均分布在常溫(20 ℃)曲線之上。雖然曲線上下波動(dòng)，但由于HC排放單位為10-6，波動(dòng)可以忽略不計(jì)。HC排放曲線隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高呈小幅度上升趨勢(shì)。

由于HC的生成主要是燃油未完全燃燒所致，所以在低溫環(huán)境下，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室溫度降低，導(dǎo)致燃燒溫度下降，進(jìn)而導(dǎo)致生成的HC增加。根據(jù)各設(shè)定低溫環(huán)境及轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)的HC排放試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得知：在0 ℃和-10 ℃低溫環(huán)境時(shí)，HC的濃度較常溫(20 ℃)增加20%左右；在-20 ℃和-30 ℃低溫環(huán)境時(shí)，HC的濃度較常溫(20 ℃)增加10%左右。

CO排放曲線如圖6所示。相同轉(zhuǎn)速下，CO排放在低溫工況下明顯高于常溫(20 ℃)工況，隨著轉(zhuǎn)速的增加，CO的濃度呈上升趨勢(shì)。

圖6　CO排放曲線

低溫與常溫相對(duì)比，溫度降低，導(dǎo)致燃燒不充分，CO濃度增加。當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)溫度會(huì)隨之升高，使得CO2和H2O在高溫時(shí)裂解，轉(zhuǎn)速越高，溫度越高，裂解反應(yīng)越劇烈，生成的CO越多。根據(jù)各設(shè)定低溫環(huán)境及轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)的CO排放試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得知：在0 ℃和-10 ℃低溫環(huán)境時(shí)，HC的濃度較常溫(20 ℃)增加90%以上；在-20 ℃和-30 ℃低溫環(huán)境時(shí)，HC的濃度較常溫(20 ℃)增加50%左右。

NO排放曲線如圖7所示。常溫(20 ℃)曲線在低溫曲線上方，曲線變化起伏較為平坦。相同轉(zhuǎn)速下，常溫下NO排放比低溫下高。

圖7　NO排放曲線

發(fā)動(dòng)機(jī)排放的NOx主要是NO。NO的生成主要取決于燃燒溫度以及氧的濃度。當(dāng)溫度超過2 000 ℃時(shí)，氧分子會(huì)分解成氧原子，它和氮分子化合生成NO。參照澤耳多維奇(Zeldovich)反應(yīng)機(jī)理可知，燃燒溫度不高，氧的分解也很慢，NO生成濃度低。根據(jù)各設(shè)定低溫環(huán)境及轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)的NO排放試驗(yàn)數(shù)據(jù)可計(jì)算得知：在0 ℃和-10 ℃低溫環(huán)境時(shí)，NO的濃度較常溫(20 ℃)降低60%左右；在-20 ℃和-30 ℃低溫環(huán)境時(shí)，HC的濃度較常溫(20 ℃)降低30%左右。

由于低溫排放試驗(yàn)是在同一工況、不同溫度、不加負(fù)荷的條件下進(jìn)行的，所以發(fā)動(dòng)機(jī)排放產(chǎn)生變化的原因主要是溫度和轉(zhuǎn)速。對(duì)于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)而言，低溫排放高的根本原因是在低溫環(huán)境時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室本身溫度降低，從而使燃燒溫度較低，進(jìn)而使可燃混合氣形成質(zhì)量差，采用機(jī)內(nèi)凈化措施雖然也可以大幅度降低低溫排放，但起動(dòng)性能會(huì)變差。目前，普遍的做法是采用后處理技術(shù)來滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求。另外，在一些中高檔的進(jìn)口汽車還采取安裝加熱器的方法，通過給發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液加熱的辦法，給發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱，以達(dá)到降低發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染的目的[14-15]。

3　結(jié)　論

通過對(duì)小排量汽油發(fā)動(dòng)機(jī)低溫排放性影響因素的分析，結(jié)合我國(guó)北方冬季低溫環(huán)境的特點(diǎn)，進(jìn)行了針對(duì)DA465QA型小排量汽油發(fā)動(dòng)機(jī)低溫與常溫下排放特性的試驗(yàn)，主要測(cè)試了HC、NO、CO等排放污染物，通過試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，得出如下結(jié)論：

1)在低溫環(huán)境下，溫度降低，導(dǎo)致燃燒室內(nèi)的溫度降低，燃燒溫度下降，生成的HC增加。在0 ℃和-10 ℃低溫環(huán)境時(shí)，HC的濃度較常溫(20 ℃)增加20%左右；在-20 ℃和-30 ℃低溫環(huán)境時(shí)，HC的濃度較常溫(20 ℃)增加10%左右。

2)在低溫環(huán)境下，溫度降低會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中的燃油燃燒不充分，CO濃度增加。在0 ℃和-10 ℃低溫環(huán)境時(shí)，CO的濃度較常溫(20 ℃)增加90%以上；在-20 ℃和-30 ℃低溫環(huán)境時(shí)，HC的濃度較常溫(20 ℃)增加50%左右。

3)在低溫環(huán)境下，燃燒室內(nèi)燃燒溫度降低，并且氧的分解也很慢，NO生成濃度低。在0 ℃和-10 ℃低溫環(huán)境時(shí)，NO的濃度較常溫(20 ℃)降低60%左右；在-20 ℃和-30 ℃低溫環(huán)境時(shí)，HC的濃度較常溫(20 ℃)降低30%左右。

通過對(duì)DA465QA型小排量汽油發(fā)動(dòng)機(jī)低溫與常溫下排放特性的對(duì)比試驗(yàn)研究，得出了HC、NOx、CO等主要排放污染物的變化規(guī)律，對(duì)于研究降低北方冬季小排量汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的排放污染物具有重要的意義。

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[責(zé)任編輯：郝麗英]

Experiment research on the emission performance of small-displacement petrol engine at low temperature

SUN Yuantao, ZHU Jianan, AN Yongdong, HUANG Wenqiang, LI Yujian, ZHANG Hailong, ZHANG Ttaiyue

(College of Automobile and Traffic Engineering, Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050, China)

In this paper, combining with the climatic characteristics of cold winter in the north of China, the emission performance of small-displacement petrol engine is researched at low temperature. Based on the analysis of influencing factors about the emission performance of small-displacement petrol engine at low temperature, selecting 1.0L petrol engine named DA465QA as the research object, the concentration test of the vehicle emissions which included CO, HC, NOx etal is implemented under the condition of normal temperature (20 ℃)and low temperature that included -10 ℃, -20 ℃,-30 ℃ respectively, and drawing curve on the basis of test data. The characteristics of pollutants emission are revealed under the condition of low temperatures, relative to normal temperature. The study has a great significance for researching the emission performance of small-displacement petrol engine under the condition of different low temperature and corresponding measures.

small displacement; petrol engine; low temperature; emission performance; experiment

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2016.04.006

2016-05-09

黑龍江工程學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目(201411802063)

孫遠(yuǎn)濤(1983- )，男，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，工學(xué)博士，研究方向：混合動(dòng)力汽車控制與測(cè)試技術(shù).

TK417.1

A

1671-4679(2016)04-0028-05