直噴汽油機燃油噴射時刻對經(jīng)濟性與PN 排放的影響

鄧志坤 耿培林 鄒雄輝 劉 樂 王力輝

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司 天津 300300）

引言

GB18352.6-2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》（以下簡稱國六）中，要求車輛在WLTC 循環(huán)中排放的PN 數(shù)不得超過6×1011[1]。隨著國六排放標(biāo)準(zhǔn)在全國逐漸實施，越來越多的汽車生產(chǎn)廠家需要對自己車型的動力系統(tǒng)進行升級或更新?lián)Q代。在硬件方面，很多汽車生產(chǎn)廠家更換了更多噴孔的噴油器，用來改善燃油霧化效果，同時加裝了GPF（汽油機顆粒捕集器）來過濾顆粒物[2]。GDI 發(fā)動機使用更高壓力的高壓油泵以降低PN 的生成量[3-5]。從發(fā)動機的控制策略上來講，對于噴油策略的調(diào)整是必不可少的[6]。相較于國五車型發(fā)動機臺架試驗著重于油耗的控制策略，國六車型開發(fā)過程中，需要考慮到顆粒排放物的情況。本文針對一款國六車型開發(fā)過程中遇到PN 排放較高的現(xiàn)象，在發(fā)動機臺架上進行掃點，完成了對噴油時刻的優(yōu)化。

1 試驗臺搭建與數(shù)據(jù)采集

擬進行優(yōu)化的車輛參數(shù)見表1。

表1 車輛參數(shù)

車輛搭載的發(fā)動機為1.8L 直列四缸雙VVT GDI 汽油機，發(fā)動機參數(shù)見表2。

表2 發(fā)動機參數(shù)

根據(jù)國六排放標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)燃料消耗量限值標(biāo)準(zhǔn)[7]，需要滿足的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)排放限值見表3。

表3 排放限值

臺架使用AVL 測功機及其PUMA 控制臺，PN測量設(shè)備為Cambustion DMS500，搭建的發(fā)動機臺架示意圖見圖1。

圖1 發(fā)動機臺架布置示意圖

試驗中，將發(fā)動機進排氣系統(tǒng)各個壓力溫度點測得的氣體污染物以及PN 值、燃燒分析儀測得的平均指示壓力與Heat Release 輸入PUMA 控制臺。另外，使用INCA 連接ECU，讀取內(nèi)部信號。

試驗中，熱機后通過臺架的恒溫系統(tǒng)將機油溫度與水溫均控制在90℃左右。通過PUMA 控制發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，通過INCA 控制發(fā)動機轉(zhuǎn)矩需求，使發(fā)動機穩(wěn)定在某一工況。當(dāng)發(fā)動機工況穩(wěn)定后，測量一組10s 的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)。

試驗結(jié)果均是基于最佳點火提前角、當(dāng)量比混合氣。在同一工況下，采用相同的VVT。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 發(fā)動機運行工況分析

在車輛開發(fā)階段，標(biāo)準(zhǔn)對車輛的Ⅰ型排放評價使用的是WLTC 循環(huán)，而對車輛的油耗評價使用的是NEDC 循環(huán)。采集本車輛在NEDC 循環(huán)與WLTC循環(huán)中的相關(guān)數(shù)據(jù)，繪制出相應(yīng)循環(huán)中發(fā)動機運行的工況，其中，NEDC 工況用藍色標(biāo)示，WLTC 工況用橙色標(biāo)示，見圖2。

圖2 發(fā)動機運行工況對比

從圖2 可以發(fā)現(xiàn)，WLTC 循環(huán)中，發(fā)動機運行工況主要集中在：

1）1 000～2 250 r/min，0～50 N·m 的中低轉(zhuǎn)速低負荷工況。

2）1 500 r/min、1 750 r/min 的全部負荷工況。

為圖2 中紅色邊框標(biāo)示部分。

相較于NEDC 循環(huán)，WLTC 循環(huán)用到2 000～2 500 r/min，0～50 N·m 部分工況、1 500～1 750 r/min，200～250 N·m 部分工況以及2 000～3 000 r/min，50～300 N·m 部分工況。這些工況需要重點關(guān)注顆粒物的排放情況，圖2 中以黃色邊框標(biāo)示。NEDC 單獨用到的發(fā)動機工況，需要重點考慮油耗的狀況，為圖2中綠色邊框標(biāo)示部分。對于圖2 中的黑色邊框標(biāo)示部分，既要考慮油耗也要考慮顆粒物排放。

2.2 臺架掃點優(yōu)化試驗結(jié)果

本次臺架試驗針對圖2 中黑色邊框包括的相應(yīng)工況，選取不同噴油起始時刻（SOI）進行掃點，噴油起始時刻相對于壓縮上止點前（BTDC）計算。

2.2.1 發(fā)動機低負荷工況掃點結(jié)果

選取轉(zhuǎn)速為1 000～2 250 r/min，轉(zhuǎn)矩分別為20、40 N·m 的工況，對SOI 在280～320°CA BTDC 的范圍內(nèi)每隔5°CA 進行掃點試驗，試驗結(jié)果如圖3 和圖4 所示。

圖3 為1 000～2 000 r/min，20 N·m 工況發(fā)動機PN 排放及油耗結(jié)果。

圖3 1 000～2 000 r/min，20 N·m 工況發(fā)動機PN 排放及油耗結(jié)果

從圖3a 可以看出，PN 排放基本在3 500～16 000#/cm3范圍內(nèi)。低轉(zhuǎn)速下，PN 排放差距不明顯。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到1 750 r/min 時，PN 排放明顯升高。在2 000 r/min 時，SOI 對PN 排放產(chǎn)生了比較明顯的影響。當(dāng)SOI 在295°CA BTDC 和310°CA BTDC 時，PN排放整體較低。

從圖3b 可以看出，轉(zhuǎn)速為1 000 r/min 時，油耗最高。隨著轉(zhuǎn)速的升高，油耗呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。SOI 對油耗有一定的影響，隨著SOI 的提前，油耗為波動中有所下降，變化趨勢不明顯。對比不同工況下的油耗，SOI 在300°CA BTDC 與310°CA BTDC 時，油耗大多較低，SOI 在305°CA BTDC 時，油耗均較高。

圖4 為1 000～2 000 r/min，40 N·m 工況發(fā)動機PN 排放及油耗結(jié)果。

圖4 1 000～2 000 r/min，40 N·m 工況發(fā)動機PN 排放及油耗結(jié)果

從圖4a 可以看出，PN 排放上升到了5E+03～1E+07#/cm3的范圍。發(fā)動機消耗更多的燃油，意味著能夠產(chǎn)生更多的PN。在轉(zhuǎn)速為1 000 r/min 與1 250 r/min 時，隨著SOI 的提前，PN 排放呈現(xiàn)出波動中上升的趨勢。在轉(zhuǎn)速為1 500、1 750、2 000 r/min 時，SOI對PN 排放的影響很大，能夠相差1～2 個數(shù)量級。尤其是轉(zhuǎn)速在1 750 r/min，當(dāng)SOI 提前到300°CA BTDC 時，PN 排放迅速從1E+05#/cm3升到1E+07#/cm3。與轉(zhuǎn)矩為20 N·m 時的PN 排放結(jié)果綜合比較可知，轉(zhuǎn)矩為40 N·m 時，SOI 為295°CA BTDC 對于降低PN排放來說是一個較好的選擇，但對于降低油耗來說不是最佳選擇。

從圖4b 可以看出，相較于轉(zhuǎn)矩為20 N·m 時，轉(zhuǎn)矩為40 N·m 時，油耗下降了很多。同轉(zhuǎn)矩為20 N·m時的情況相同，轉(zhuǎn)速為1 000 r/min 時的油耗與其他轉(zhuǎn)速時的油耗相差較多。隨著轉(zhuǎn)速的提高，油耗隨之下降。這是因為發(fā)動機的實際功率占指示功率的比例提高了，而燃燒效率的影響不太明顯。從SOI 的影響來看，同轉(zhuǎn)矩為20 N·m 的情況類似，油耗在波動中有下降的趨勢。SOI 提前，有利于油耗降低。

綜合來看，PN 排放與油耗之間沒有完全相符合的變化趨勢，油耗較低的工況，PN 排放相對較高。由于不同的工況PN 排放相差很大，中間相差多個數(shù)量級。因此，在轉(zhuǎn)矩為20 N·m 的工況，較小數(shù)量級的PN 排放對于排放的影響不會特別大。即使考慮到試驗儀器的誤差，PN 排放升高的趨勢也并不明顯，應(yīng)該重點關(guān)注油耗情況。所以，對于轉(zhuǎn)矩為20 N·m 的工況，SOI 可以選擇為300 °CA BTDC 或者提前到310°CA BTDC 之前。對于轉(zhuǎn)矩為40 N·m 的工況，由于PN 排放受SOI 的影響已經(jīng)較大，SOI 為295°CA BTDC 比較合適，雖然轉(zhuǎn)速為1 750 r/min 時的PN 排放較高，但是考慮到標(biāo)定表格里的平順性，應(yīng)當(dāng)避免追求每個工況下的最優(yōu)選擇。

2.2.2 發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 750 r/min 時掃點結(jié)果

對于WLTC 循環(huán)中頻繁用到的1 750 r/min 附近發(fā)動機工況，選取轉(zhuǎn)速為1 750 r/min，轉(zhuǎn)矩為60～160 N·m 的工況進行不同SOI 的掃點試驗，試驗結(jié)果如圖5 所示。

圖5 1 750 r/min，60～160 N·m 工況發(fā)動機PN 排放和油耗結(jié)果

從圖5a 可以看出，在1 750 r/min，60～160 N·m工況下，PN 排放覆蓋了105～108#/cm3的范圍，變化程度較大。隨著負荷的增加，PN 排放逐漸升高，同時SOI 對PN 排放有明顯的影響。在60 N·m 時，相比于SOI 提前，SOI 推遲能使PN 排放降低2 個數(shù)量級。當(dāng)SOI 提前到305°CA BTDC 時，PN 排放開始升高。更高負荷時，PN 排放的情況相差也較大。在100 N·m與120 N·m 時，隨著SOI 的提前，PN 排放出現(xiàn)先升高后有所下降的趨勢，PN 排放的最高值分別在SOI為285°CA BTDC 與295°CA BTDC。在140 N·m 與160 N·m 時，隨著SOI 的提前，PN 排放出現(xiàn)升高的趨勢，因此有必要針對PN 排放調(diào)整噴油策略?？傮w看來，較晚的噴油時刻，PN 排放較低。除了少數(shù)工況，隨著SOI 的提前，PN 排放逐漸升高。為了改善PN 排放狀況，應(yīng)該考慮選用靠后的SOI。

從圖5 b 可以看出，在轉(zhuǎn)速為1 750 r/min 時，隨著負荷的增加，發(fā)動機的比油耗先下降后上升，在100 N·m 與120 N·m 時，油耗較低。從每一負荷時的油耗變化趨勢來看，隨著SOI 的提前，油耗在波動中有所下降，但這個下降趨勢在100 N·m 與120 N·m時表現(xiàn)不明顯。

綜合來看，隨著噴油時刻的提前，油耗下降，PN排放升高。對于SOI 的選點，應(yīng)當(dāng)避免其落在PN 排放大幅度升高的區(qū)域的前提下盡可能靠前以降低油耗，SOI 選擇在290°CA BTDC 比較合適。

2.2.3 發(fā)動機中等轉(zhuǎn)速中高負荷工況掃點結(jié)果

相較于NEDC 循環(huán)，WLTC 循環(huán)用到了發(fā)動機更高轉(zhuǎn)速更高負荷工況?？紤]到這些工況氣體流量大，高PN 排放會對排放結(jié)果產(chǎn)生更明顯的影響，因此選取轉(zhuǎn)速分別為2 250、2 500r/min，負荷分別為60、80、100、120、140、160N·m 的工況進行SOI 掃點試驗。

圖6 為2 250 r/min，60～160 N·m 工況發(fā)動機PN排放及油耗結(jié)果。

圖6 2 250 r/min，60～160 N·m 工況發(fā)動機PN 排放和油耗結(jié)果

從圖6a 可以看出，在60 N·m 和80 N·m 時，隨著SOI 的提前，PN 排放逐漸升高。在SOI 提前較多時，PN 排放甚至超過了更高負荷工況。在100～160 N·m 范圍內(nèi)，當(dāng)SOI 在275～295°CA BTDC 時，PN 排放基本沒有變化，甚至有所下降。但當(dāng)SOI 提前到300°CA BTDC 甚至更靠前時，PN 排放大幅升高。

從圖6b 可以看出，隨著負荷的增加，發(fā)動機油耗逐漸下降。從120N·m 到更大負荷，比油耗能夠下降到240 g/（kw·h）以下。油耗對于SOI 的變化不敏感，基本維持在同一水平。在較高的負荷時，較晚的噴油時刻，油耗會更低。

從圖7a 可以看出，在轉(zhuǎn)速為2 500 r/min 時，除了60 N·m 時的PN 排放較低，其他負荷的PN 排放基本在同一數(shù)量級。PN 排放隨SOI 的變化趨勢與轉(zhuǎn)速為2 250 r/min 時相似，較晚噴油時，對PN 排放對SOI 不敏感，當(dāng)SOI 提前到一定時刻，PN 排放大幅升高。轉(zhuǎn)速為2500 r/min 時，導(dǎo)致PN 排放升高的SOI較轉(zhuǎn)速為2250 r/min 時更靠前，出現(xiàn)在315～320°CA BTDC。

圖7 2 500 r/min，60～140 N·m 工況發(fā)動機PN 排放和油耗結(jié)果

從圖7b 可以看出，轉(zhuǎn)速為2 500 r/min 時的油耗變化趨勢與轉(zhuǎn)速為2 250 r/min 時類似，隨著負荷的增加，比油耗逐漸下降。相比于轉(zhuǎn)速為2 250 r/min時，轉(zhuǎn)速為2 500 r/min 時，發(fā)動機油耗隨SOI 的變化更不明顯。

綜合來看，在發(fā)動機中高轉(zhuǎn)速中高負荷工況，SOI 對油耗的影響不明顯，但是對PN 排放影響明顯。因此，在SOI 選點過程中，可以選擇SOI 較晚的點，比如280～290°CA BTDC。

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 SOI 對油耗的影響

以上數(shù)據(jù)來看，油耗的變化不太明顯。在低轉(zhuǎn)速低負荷工況，隨著SOI 的提前，油耗在波動中有所下降。隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速與負荷的增加，油耗隨SOI 的變化更不明顯。原因是：，

1）油耗儀有誤差，當(dāng)相鄰2 個SOI 對油耗影響不明顯時，油耗儀的誤差會對結(jié)果產(chǎn)生誤導(dǎo)。在中高轉(zhuǎn)速中高負荷工況，發(fā)動機輸出功率增加，單位時間內(nèi)消耗的燃油量上升，油耗儀誤差的影響有所下降，使得油耗的變化更平順。

2）發(fā)動機更換工況、更換噴油時刻的同時會調(diào)整點火角等參數(shù)，使得發(fā)動機在此噴油時刻處于最佳狀態(tài)，而這一過程到發(fā)動機工況穩(wěn)定需要一定的時間。

3）低轉(zhuǎn)速時，發(fā)動機運行穩(wěn)定性稍差，如果測量過程中發(fā)動機穩(wěn)定的程度不同，會對油耗產(chǎn)生影響。這也會影響到PN 的測量結(jié)果。

4）雖然SOI 掃點時VVT 組合固定不變，但是，在不同轉(zhuǎn)速和負荷下，VVT 的開度是不同的，這反映了同轉(zhuǎn)速不同負荷的工況下，油耗與PN 排放隨著負荷的變化趨勢并不明顯，也一定程度上說明了在不同轉(zhuǎn)速和負荷下，油耗與PN 排放隨SOI 的變化趨勢并不一致。

2.3.2 SOI 對PN 排放的影響

SOI 對PN 排放的影響主要取決于混合氣的形成。混合氣的形成，一部分受噴油時刻的影響，一部分受不同轉(zhuǎn)速下進氣滾流強度與速度的影響。從顆粒物形成的機理來看，部分較濃的混合氣、未蒸發(fā)完全的油滴以及在缸壁與活塞頂形成的油膜都是顆粒排放物形成的原因。GDI 汽油機由于將燃油直接噴入氣缸，混合氣形成的時間較短，會造成更多顆粒物的排放。在低負荷區(qū)域，發(fā)動機需要的噴油量較少，此時較高的噴油壓力會導(dǎo)致噴油脈寬很小，有可能進入噴油器的非線性區(qū)，導(dǎo)致實際的空燃比不在當(dāng)量比附近，而降低軌壓又會對PN 排放產(chǎn)生影響，需要綜合考慮。

另外，在進氣與壓縮過程中，要考慮活塞的位置對噴油效果的影響。在低轉(zhuǎn)速低負荷工況，當(dāng)SOI 提前到295°CA BTDC 左右時，發(fā)動機處于進氣行程活塞下行的狀態(tài)。此時噴油會導(dǎo)致一部分燃油撞擊在活塞頂上，如果SOI 再提前到330°CA BTDC 左右時，部分工況的PN 排放反而有所下降。這是因為，此時離進氣門打開的時間較短，缸內(nèi)氣體平均湍動能較高，給了燃油更長的蒸發(fā)時間，有利于PN 排放的降低。

當(dāng)發(fā)動機運行到中高轉(zhuǎn)速中高負荷時，因較早噴油形成的活塞頂上的油膜對PN 排放的影響更加明顯，更早噴油時PN 排放有所下降的現(xiàn)象不再出現(xiàn)。這是因為，發(fā)動機轉(zhuǎn)速提高后，進氣行程與壓縮行程的時間變短，給油膜蒸發(fā)的時間也減少，未蒸發(fā)的油膜造成了PN 排放升高。另外，相比于轉(zhuǎn)速為2 250 r/min，轉(zhuǎn)速為2500 r/min 時，導(dǎo)致PN 排放升高的SOI 出現(xiàn)得更早，在320°CA BTDC。更高轉(zhuǎn)速下，活塞運動速度加快，雖然噴油較早，但是活塞更高的運動速度避免了燃油在活塞頂形成油膜，PN 排放下降。這點在更高轉(zhuǎn)速需要標(biāo)定噴油時刻的時候可以作為參考。

3 結(jié)論

1）較早的噴油時刻會導(dǎo)致燃油噴射到活塞頂形成油膜，導(dǎo)致PN 排放大幅升高。因此噴油開始時刻不能提前太多。

2）考慮到不同轉(zhuǎn)速下活塞運動速度的不同，如果其他方面對發(fā)動機噴油時刻有需求，SOI 可以隨著轉(zhuǎn)速升高稍微提前。

3）發(fā)動機低負荷時的影響因素較多，PN 排放與油耗的變化趨勢不一致，應(yīng)根據(jù)實際試驗綜合考慮各方面的因素來進行SOI 選點。