汽油機低燃油壓力對排放的影響

摘要：隨著排放法規(guī)以及生產一致性抽檢（COP）日益嚴格，監(jiān)管機構對在用車的排放抽檢日趨重視。而整車排放在公告量產后的排放約束及表現需要依靠各系統(tǒng)零部件的制造質量控制，諸如發(fā)動機、整車零部件制造偏差、裝配偏差累計達到一定程度將會導致發(fā)動機控制模塊無法通過自學習將一些影響排放的關鍵自學習值修正回來，這將帶來COP 一致性抽檢與在用車排放不合規(guī)的風險。本文將通過影響排放的關鍵因數之一燃油壓力偏差入手，通過調整燃油泵壓力，并采用全球統(tǒng)一輕型車排放測試循環(huán)（NEDC） 進行排放測試，通過標定軟件信號監(jiān)測及結果分析，對比探索汽油機燃油壓力對排放的影響。

關鍵詞：油壓；燃油自學習值；COP 一致性排放；在用車排放；燃油泵

中圖分類號：U466 文獻標識碼：A

0 引言

作為內燃機動力源的重要組成部分，汽油機的燃油壓力對發(fā)動機性能及排放特性有著深遠的影響。適當的燃油壓力能夠確保燃油與空氣充分混合，形成理想的空燃比，從而促進完全燃燒。這不僅可以提高發(fā)動機的熱效率，還能顯著減少未燃碳氫化合物（HC）、一氧化碳（CO）以及氮氧化物（NOx）等有害排放物的生成。本文旨在探討汽油機燃油壓力如何影響其排放水平，并深入研究汽油機燃油壓力對排放的影響機制，對于實現汽車工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本文將從理論分析和實驗研究兩個角度出發(fā)，全面剖析燃油壓力與排放之間的關系，通過這一研究，我們期望為減少汽車尾氣對環(huán)境的影響提供科學依據和新的思路。

1 空燃比定義及燃油壓力對空燃比和排放的影響

1.1 空燃比定義

可燃混合氣中，空氣質量與燃油質量之比為空燃比，空燃比A/F（A ：air- 空氣，F ：fuel- 燃料） 表示空氣和燃料的混合比?？杖急仁前l(fā)動機運轉時的一個重要參數，它對尾氣排放、發(fā)動機的動力性和經濟性都有很大的影響。

發(fā)動機工作時，燃料必須和吸進的空氣成適當的比例混合，才能形成可以燃燒的混合氣。理論上，每克燃料完全燃燒所需的最少的空氣克數，叫做理論空燃比[1]。各種燃料的理論空燃比不相同，汽油為14.7，柴油為14.3。

1.2 燃油壓力對空燃比和排放的影響

空燃比大于理論值的混合氣叫做稀混合氣，氣多油少燃燒完全，油耗低污染小但功率較小?？杖急刃∮诶碚撝档幕旌蠚饨凶鰸饣旌蠚?，氣少油多功率較大，但燃燒不完全油耗高污染大。

若燃油泵壓力過高，可能導致燃油噴射量增加，而燃燒室無法完全燃燒，因此造成燃油浪費。同時，也會增加燃油系統(tǒng)的負荷和損耗，并可能導致發(fā)動機噪聲、排氣排放增加。當燃油壓力過低時，燃油噴射系統(tǒng)無法將燃油充分霧化成細小的油滴，導致燃油與空氣的混合不均勻。這種不均勻的混合氣會影響燃燒過程，使得燃燒不完全，從而降低發(fā)動機的效率和性能。此外，不良的霧化還可能導致燃油在燃燒室內沉積，形成積碳，進一步惡化發(fā)動機的工作狀態(tài)。

另外，燃油壓力低導致的不良霧化和空燃比偏離還會影響燃燒溫度。在富油條件下，由于油料需要汽化吸熱，燃燒溫度會降低，這雖然有助于減少NOx 的排放，但會增加碳粒和CO 的排放。而在貧油條件下，燃燒溫度可能會升高，但由于氧氣充足，NOx的排放量也會增加?？杖急绒D化效率如圖1 所示，不同空燃比條件下排氣污染物轉換效率，只有在λ= 1（A/F=14.7） 附近的情況下，HC、CO、NOx 三者的轉化效率才最高。因此必須借助安裝在排氣系統(tǒng)中的氧傳感器，利用其反饋信號，實現對λ 的閉環(huán)控制，將λ 的波動范圍精確地控制在“λ 窗”以內即λ=1±0.03[2]。從中可以看出，排氣污染物的最佳轉換效率是在0.997-0.999 區(qū)間，因此在進氣量、噴油脈寬及噴油系統(tǒng)管路、噴油器電器性能及物理尺寸沒有發(fā)生變化的情況下，燃油壓力波動對空燃比的影響是關鍵核心因素。

2 燃油壓力對空燃比的開環(huán)控制與閉環(huán)控制影響

2.1 空燃比開環(huán)控制

空燃比的開環(huán)控制是在空燃比達到閉環(huán)前，基于發(fā)動機水溫、進氣溫度對發(fā)動機的充氣與噴油進行預控，在保證起動安全同時兼顧快速起燃催化器、前氧傳感器快速過露點，并降低排放污染物數值的目的下，快速地使空燃比達到理論空燃比并進入閉環(huán)控制。因此，在冷起動時，基于預控充氣量計算出的預控噴油量對排放污染物的控制非常重要，油泵泵油壓力以及油泵的保壓能力都會對空燃比計算產生較大的影響，特別是在燃油壓力過低的情況下將會導致空燃比偏離理論空燃比，進而影響燃燒效率及其釋放的熱量積分[3]。在燃燒不充分的情況下，熱量積分的累加速度將會降低，這將會導致上下游氧傳感器露點置位時間延后，進而將使發(fā)動機長時間運行在開環(huán)控制的工況下，而不能快速地運行在空燃比為1 的理論空燃比附近，并導致發(fā)動機排放污染物增加。

2.2 空燃比閉環(huán)控制

閉環(huán)前空燃比的控制目的，是盡可能準確地控制需求空燃比，使催化器轉化效率最佳，從而降低排放[4]。閉環(huán)控制要能迅速、準確地修正空燃比偏離1 時的偏差?？杖急瓤刂苹诔錃忸A控和空燃比協(xié)調，空燃比控制的工作原理如圖2 所示。計算出當前進入發(fā)動機的空氣量，同時由理論空燃比計算出所需的噴油量，另一方面，空燃比協(xié)調計算出當前工況下的需求空燃比。兩者相除，得到預控的噴油量。前氧傳感器測量廢氣中的氧含量，根據氧含量反饋信號修正預控的噴油量；后氧傳感器用于更加精確的空燃比控制。后氧傳感器閉環(huán)可以偏移或微調前氧傳感器閉環(huán)的結果，因此閉環(huán)控制階段噴油壓力對噴油量的計算直接影響空燃比的表現，并因為燃油壓力波動導致空燃比信號振蕩對空燃比的調節(jié)帶來極大的不利影響，進而不利于排氣污染物的降低，同時將會帶來一定的燃燒扭矩的波動進而對駕駛體驗帶來負面的影響。

3 油泵油壓對空燃比及燃油自學習值的影響

3.1 油泵壓力對噴油器動態(tài)流量影響

根據噴油器額定動態(tài)流量特性曲線，定義動態(tài)流量公式：

式中：q dyn 為任意脈寬下噴油器的動態(tài)流量；Q stat 為噴油器的額定靜態(tài)流量，取 154 g/min（ 380 kPa 燃油壓力下）；t i 為噴油器工作脈寬；t i.E 為額定動態(tài)流量脈寬，取2.5 ms ；q dyn 為噴油器額定動態(tài)流量，取4.8 mg/lift。

3.2 燃油壓力對排放的影響

根據噴油器的動態(tài)流量公式可以看出，在基于發(fā)動機臺架及整車發(fā)動機噴油模型MAP 下的進氣模型固化后，因燃油泵實際壓力超出輸入給電噴控制系統(tǒng)邊界限值（油壓過高或過低）都會對噴油流量產生較大的波動影響，進而對發(fā)動機的排放性能和燃油經濟性產生負面影響。燃油泵壓力過低，導致燃油供應不足混合氣偏稀導致燃燒不充分，影響發(fā)動機的動力輸出和響應速度。這會導致發(fā)動機的性能下降，車輛加速不暢，甚至可能造成發(fā)動機工作不穩(wěn)定。如圖3 所示，同一輛車分別安裝340 kPa 壓力與380 kPa 壓力的燃油泵（燃油泵壓力標準：380±10 kPa），根據GB 18352.5—2013《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第五階段）》在室溫25 ℃環(huán)境下浸車24 h 進行常溫下冷起動后排氣污染物排放試驗，340 kPa 燃油泵與380 kPa 燃油泵在NEDC循環(huán)下冷起動時標定信號對比可以看出，在冷機怠速工況下，當燃油泵輸出壓力為340 kPa 壓力的燃油時，空燃比波動劇烈且噴油脈寬波動也較劇烈，然而當燃油泵輸出壓力為380 kPa 壓力的燃油時，空燃比波動幅度較小且噴油脈寬波動較平緩幾乎無波動。根據以上試驗觀察，燃油泵泵壓與標準值偏差較大時將會影響噴油脈寬的穩(wěn)定性進而影響空燃比的穩(wěn)定性。

同時為了進一步直觀分析，我們將安裝兩種不同燃油泵壓力的排放秒采數據導出，并結合圖3 所示進一步研究發(fā)現，由于不同燃油壓力下表現出不同的噴油脈寬與空燃比形態(tài)，進而導致排放污染物的生成也差生了巨大的差異表現。如圖4 和圖5 所示，在NEDC 循環(huán)中從發(fā)動機起動后100 s 內，裝有340kPa 低壓油泵與裝有380 kPa 標準壓力油泵的THC 與NOx 排放實際秒采圖。

根據以上THC 與NOx 排放污染物的秒采數據可以看出，340 kPa低壓油泵由于油壓不足，導致空燃比波動較大。這是因為較低的燃油壓力使得燃油噴射系統(tǒng)無法精確控制噴油量，進而影響了混合氣的均勻性。當混合氣過稀或過濃時，燃燒過程會受到影響，從而導致THC（總碳氫化合物）和NOx（氮氧化物）的排放波動加劇。相比之下，裝配380 kPa 標準燃油壓力的燃油泵能夠提供更穩(wěn)定的燃油壓力，從而保持較為恒定的空燃比。這有助于優(yōu)化燃燒過程，減少排放污染物的波動幅度。

另外在冷起動階段，催化器尚未達到最大催化轉換效率溫度，此時THC 的差異尤為明顯。裝配340 kPa 低壓燃油泵的車輛在冷起動時的THC 排放值幾乎是裝配380 kPa 標準燃油壓力泵的6 倍。這表明，在冷起動條件下，較高的燃油壓力對于控制THC 排放至關重要，其次NOx 的排放也受到燃油壓力的影響。雖然數據中沒有直接提到NOx 的具體數值差異，但可以推測，由于340 kPa低壓油泵導致的空燃比波動，可能會增加NOx 的排放量，這是因為在富氧條件下，高溫燃燒容易產生大量的NOx。由于340KPa低壓油泵導致的排放污染物波動幅度大且峰值區(qū)間寬，很可能超過了相關法規(guī)的限值。這意味著該配置可能無法滿足現行的排放標準。相反，裝配380 kPa 標準燃油壓力的燃油泵則表現出較好的穩(wěn)定性，其排放污染物的水平更有可能符合法規(guī)要求?？梢钥闯鋈加捅脡毫κ欠襁_到設計要求，對排放污染物的控制有很大的影響。

4 燃油自學習對燃油壓力的修正

基于以上燃油泵制造散差以及組裝散差引起的生產一致性偏差，導致整車排放超出法規(guī)限值的情況，我們引入了燃油自學習值進行修正。燃油自學習值體現了車輛散差情況，正常范圍內的自學習值是發(fā)動機控制模塊（ECU）對車輛散差的補償控制。

燃油自學習分為油路乘法自學習與油路加法自學習[5]，其中油路乘法自學習值一般是油路相關零件引起的散差，如油泵、噴油器、軌壓等零部件。正常范圍是0.95 ～ 1.05，最好在0.97 ～ 1.03 ；學習范圍為穩(wěn)態(tài)工況，一般為50 ～ 130 km/h 區(qū)間學習，穩(wěn)態(tài)中大負荷，轉速1 500 ～ 3 000 r/min。乘法燃油自學習值會對整個油路控制基準產生影響，比如0.95 表示會對此時整個油路控制減稀5%，相反1.05 則表示會對此時整個油路控制加濃5%。因此對起動及起動后空燃比影響較大。另外油路加法自學習一般是由于P 路低負荷區(qū)域不準造成的誤差。正常范圍是-2% ～ 2%，比如2% 就是在此時油路基礎噴油上加2%，相反則減2%。一般對起動和起動后空燃比較大影響，例如正常起動后如果相對燃油質量為30，此時加法燃油自學習值等于3%，就會造成10% 的空燃比偏差。

以上無論是油路乘法自學習還是油路加法自學習，都不能超出ECU 自學習修正的范圍，超出范圍的自學習值將是無法學習回正常 范圍，進而會導致排放污染物超出法規(guī)限值。超出范圍的燃油自學習值，一般是車輛硬件散差造成的，需要排查具體工況和車輛問題，避免超出正常范圍的自學習值。如果出現自學習值較大的情況，可以清除自學習值，同時觀察排放中學習較快的工況是否正常。通過以上試驗及數據分析可以看出，燃油壓力的波動對發(fā)動機的排放產生至關重要的影響。雖然ECU 會通過燃油自學習功能將燃油自學習值學習至趨于合理的范圍，但如果超出圖紙及標定定義的偏差將是無法學習至合理的范圍，必然會導致排放污染物超出限值。特別是包括中國在內的各個國家環(huán)境保護部門，無論是公告認證階段還是批產上市后的階段，對汽車污染物監(jiān)管一致性抽檢將會日益趨嚴。因此諸如油泵、噴油器等影響燃燒均勻性及空燃比的關鍵零部件的生產一致性，必須要通過嚴格的質量管理工具進行日常監(jiān)管，才能通過環(huán)保法規(guī)的考驗。

5 結束語

本文系統(tǒng)地探討了汽油機燃油壓力對排放特性的影響，并通過理論分析與實驗驗證，揭示了燃油壓力與發(fā)動機排放之間的復雜關系。研究表明，適當的燃油壓力對于確保燃油與空氣的充分混合、促進完全燃燒、提高熱效率以及減少有害排放物（如HC、CO 和NOx）的生成至關重要。過低的燃油壓力會對燃燒過程產生不利影響，導致排放惡化。綜上所述，深入研究汽油機燃油壓力對排放的影響，開發(fā)高效的燃油壓力控制策略和技術，對于實現汽車工業(yè)的綠色發(fā)展具有重要的理論價值和實踐意義。我們期待這些研究成果能夠激發(fā)更多的技術創(chuàng)新，推動汽車行業(yè)向著更加環(huán)保、高效的方向發(fā)展。

【參考文獻】

[1] 陳浩， 王巖松. 汽車理論[M]. 北京： 清華大學出版社，2015.

[2] 龔金科. 汽車排放及控制技術[M]. 北京： 人民交通出版社，2007.

[3] 解茂昭， 賈明. 內燃機計算燃燒學[M]. 第三版. 科學出版社，2016.

[4] 德國BOSCH 公司.BOSCH 汽車工程手冊[M]. 中文第3 版. 魏春源， 譯. 北京： 北京理大出版社，2012.

[5] 胡云峰. 汽油發(fā)動機電控系統(tǒng)核心控制算法[M]. 北京： 機械工業(yè)出版社，2022.

作者簡介：

范永鵬，本科，工程師，研究方向為汽油機整車標定及OBD 診斷。