排气正时对汽油机冷起动及其排放性能影响的试验研究

王 巍，于秀敏，赵弘志，谭兴闻

(1.第一汽车股份有限公司技术中心，长春 130011;2.吉林大学汽车工程学院，长春 130022)

前言

随着汽车保有量的逐年激增，汽车尾气排放问题日益严峻，受到了所有汽车厂家和研究机构的高度重视。汽油机冷起动过程虽然持续时间短，但对汽油机排放将产生重要的影响。按照FTP-75测试规程计算，冷起动期间产生的未燃碳氢化合物和一氧化碳占整个测试规程的50% ～80%［1－3］。

降低冷起动过程排放量的研究一般从两方面入手:一是改善冷起动阶段的燃烧过程;二是加速催化转换器的起燃［4］。本文中主要从前者入手，采取改变排气门关闭时刻，以改变缸内残余废气系数，研究其对汽油机冷起动排放的影响。研究结果不仅为电控系统的控制策略提供依据，而且对冷起动工况排气正时的标定匹配工作具有一定的指导意义。

1 试验设备及方案

1.1 试验设备及研究机型

试验研究是在某型红旗轿车上进行，发动机主要技术参数:缸径为84mm，行程为75mm，排量为2 494mL，压缩比为10.4。图1是试验布置示意图。其中ETK-ECU为发动机管理系统的开发型电控单元，通过ES590接口模块建立起PC支持的测量和标定软件INCA与电控单元的连接。ES620是温度传感器信号测量装置。ES600为网络扩展模块，将各测量模块连接到一起，并为它们供电。LA4为空燃比仪。排放测试设备采用AVL DiGas 2200车载型五组份尾气排放分析仪，HC和CO的测量精度分别达到0.000 1%和0.01%。

1.2 试验方案

为保证试验的可重复性，每相邻两次试验的时间间隔均大于6h，且整车置于外部环境中，以使发动机各部件温度均为外界环境温度。试验中的冷却液温度和润滑油温度均为293K，大气压力为101.3kPa。每次试验固定进气正时不变，通过改变排气门关闭时刻(EVC)，改变缸内残余废气系数。喷油正时和点火正时均按原控制策略保持不变。

由于试验中采集的排放是瞬态浓度，只能反映变化趋势，为较全面地评价总体排放量，本文中引入平均排放浓度的概念，其定义为［5］

2 试验结果与分析

按照上述试验方案，排气门关闭角从343°CA开始(这里以1缸压缩上止点为基准，排气门升程达到1mm时所对应的曲轴转角)，每推迟10°CA进行一次试验，结果如图2～图7所示。各次试验条件下的排气门关闭时刻及气门重叠角见表1。

表1 排气正时及气门重叠角

2.1 不同排气正时对转速与过量空气系数的影响

不同排气门关闭时刻下的转速曲线走势基本一致，差别微小，如图2所示。而图3所示的过量空气系数曲线基本走势也大致相同，在最初的一段时间内，有明显的起动加浓过程。随着起动过程的结束，过量空气系数逐渐回归到理论空燃比附近。但在起动过程结束之后，时间为1s左右时，试验2、3、4、5的过量空气系数均出现了一次小的峰值，而试验1却没有出现，见图4。这是由于起动过程结束后，起动控制模块就停止了作用，接下来的控制转入起动后控制模块。由于起动控制模块的控制策略是喷入大量的燃油，转速逐渐上升后，油量也逐渐减小，当起动模块停止作用时，必然存在一个过量空气系数升高的过程。而其升高后又下降的原因是由于起动后控制模块检测到此时的喷油量不能使发动机转速迅速升高至起动过程转速峰值，所以又自动加大了喷油量，使过量空气系数在这两个模块切换的时刻出现了一次小的波动。而试验1没有出现波动的原因是:排气门关闭时刻最早，较多的残余废气被关闭在气缸内，由于残余废气中含有大量的未燃HC以及不完全燃烧产物CO，提高了缸内温度，减小了激冷层厚度，增加HC和CO的氧化，使转速升高率得到提高。在电控单元由起动控制模块向起动后控制模块切换之后，起动后控制模块检测到发动机转速升高速率较高，因此没有对喷油量进行补偿，所以试验1的过量空气系数曲线没有出现其他试验所示的波动。

2.2 不同排气正时对起动时间的影响

图5为上述试验的起动时间对比，其大致趋势是随排气门关闭时刻的推迟，起动时间随之增长。

因为排气门关闭时刻提前，更多的残余废气被关闭在缸内，增大了残余废气系数，这部分残余废气中包含了大量的未燃或者未完全燃烧的可燃成分，它们参与了下一循环的燃烧过程，改善了燃烧性能，从而使发动机转速上升更快，缩短了起动时间。对于排气门关闭时刻为383°CA时起动时间又稍有缩短，其原因是此时的气门重叠角较大，充量得到提高，使该条件下可燃混合气的量增大，以致转速升高更快;其次，此时排气门的迟后关闭，减少了强制排气损失。以上两点原因共同作用的结果便是排气门关闭时刻为383°CA时的起动时间相对于排气门关闭时刻为373°CA时稍有缩短，约为50ms。

2.3 不同排气正时对排放的影响

图6和图7为上述试验的HC、CO排放随时间变化的曲线。由图可见，每次试验的HC和CO排放量趋势基本一致，都是起动之初迅速升高，达到峰值后逐渐降低。从图上还可以看出，排气门关闭时刻对HC排放影响较为明显，对CO排放的影响并不是很大;而且HC排放在达到峰值后降低速度较慢，而CO排放达到峰值后的降低速度较快，约20s后即可降低到1%以下的水平。根据该特点，可将排放的曲线分成两个明显的阶段，第1阶段即起动开始的前20s，而第2个阶段为20～60s的时间段。可以看出，前20s时，HC、CO排放有相对明显的差异;而经过20s后，无论是HC还是CO排放，基本都达到了相对稳定的阶段，各次试验间的差异很小。此外，冷起动第1阶段的HC排放总量约占前60s排放总量的50%，而CO约占80%。

图8和图9为上述试验的排放平均浓度对比。由图可见，排气门关闭时刻为353°CA时，HC和CO排放的平均浓度最低。从这一关闭时刻起，无论是提前或是推迟排气门关闭时刻，HC和CO排放都呈现增加趋势。由图8还可见，排气门关闭时刻分别为343、353、363、373°CA 时，各次试验间的 HC 排放平均浓度相差不多。排气门关闭时刻为383°CA时，HC排放量最高，且增量较大，其前60s的平均浓度达到了0.028 9%。而排气门关闭时刻为353°CA时，HC排放平均浓度为0.026 3%，相对于383°CA时降低了10.3%。由图9可以看出，当排气门关闭时刻为383°CA时，CO排放量出现了降低。本试验下的最高CO排放出现在排气门关闭时刻为373°CA时，其前60s的平均浓度达到了0.956%;排气门关闭时刻为383°CA时，CO排放平均浓度为0.89%;而排气门关闭时刻为353°CA时，CO排放平均浓度为0.757%，与该机原始排气门关闭时刻(383°CA)相比降低了14.9%。

冷起动阶段HC排放量高的主要原因［6］如下。

(1)缝隙效应 在压缩和燃烧行程中，发动机缸内压力升高，可燃混合气被挤入各缝隙中。当火焰前锋到达缝隙处时，由于淬熄作用不能进入缝隙，造成此部分可燃混合气未能完全氧化。直到排气行程缸内压力下降，被挤入缝隙中的混合气逐渐回流，但此时已是排气行程，缸内温度已经降低，氧的含量也不高，所以回流气体仅有一小部分能再次被氧化，大部分被排出缸外，造成冷起动阶段HC排放量高。

(2)壁面激冷效应 激冷效应导致燃烧中断，化学反应变缓或者停止。结果，在燃烧室壁表面留下一层未燃或者未完全燃烧的淬熄层。尤其冷起动工况下，温度越低，淬熄层越厚，同时已燃气体温度降低以及缸内混合气较浓，对HC的后期氧化作用减弱，因此导致冷起动工况下HC排放量高。

(3)大容积淬熄 发动机冷起动工况下，因发动机温度低，燃油雾化差，燃烧不稳定，继而使火焰前锋面到达燃烧室壁面前就可能熄灭。这也是造成冷起动阶段HC排放量高的原因。

而CO排放量主要与燃烧温度和氧浓度有关。冷起动阶段燃烧温度低，偏浓的混合气又使氧含量降低，所以导致冷起动阶段CO排放量高。因此，一切能使缝隙效应、激冷效应减弱，使气缸内温度升高的措施都能使冷起动阶段HC和CO排放量降低。试验结果显示，由于提前排气门关闭时刻，使得排放量降低，其原因如下。首先，随着排气门关闭时刻的逐渐提前，被关闭在缸内的残余废气量逐渐增大，导致缸内残余废气系数增大。这些残余废气中包含大量的燃油蒸汽和焰前反应的中间产物，这些未燃或者未完全燃烧的混合气对缸内下一循环的过量空气系数有很大影响，它们的存在将导致下一循环的混合气变浓，改善了发动机冷态的着火性能。其次，排气门关闭时刻提前，更多的未燃或者未完全燃烧的混合气被关闭在缸内留至下一循环再次参与燃烧，这本身就在一定程度上降低了冷起动阶段的排放量。最后，被关闭在缸内的残余废气温度相对于新鲜充量温度高出许多，具有很强的热效应。当排气门关闭时刻提前，缸内的残余废气量增大，残余废气的热效应使缸内充量的初始温度提高，进而压缩终了时的温度和压力都得到提高，极大地改善了混合气的着火性能和燃烧性能，加快了燃烧速度，使燃烧更彻底。

3 结论

(1)通过提前排气门关闭时刻，适当增大缸内残余废气量，可以改善发动机冷起动阶段燃烧性能，使起动时间有所减短。

(2)在汽油机冷起动阶段，通过提前排气门关闭时刻，使部分残余废气留在缸内参与下一循环的燃烧过程，可有效降低排放量。但并非呈正比关系，而是存在一个最佳排气门关闭时刻，使排放量最低。本文的试验样机为353°CA。

(3)通过调节排气门关闭时刻，使更多的未燃或者未完全燃烧的混合气被关闭在缸内参与下一循环的燃烧，这在一定程度上降低了排放量;此外，被关闭在缸内的残余废气具有很强的热效应，使缸内充量的初始温度提高，进而使压缩终了的温度提高，极大地改善了混合气的着火性能和燃烧性能，减轻了后续循环的激冷效应和大容积淬熄。这对冷起动阶段排放量的降低是有利的。

［1］Hu Chunming，Liu Na，Li Wei，et al.Investigation on Rapid Lean-burning of Spark Ignition LPG Engines［C］.SAE Paper 2006－32－0079.

［2］Carter Robert N.Laboratory Evaluation of Ultra-short Metal Monolith Catalyst［C］.SAE Paper 980672.

［3］Kaiser Edward W，et al.Time-Resolved Measurement of Speciated Hydrocarbon Emissions During Cold Start of a Spark-Ignited Engine［C］.SAE Paper 940963.

［4］程勇，王建昕，等.电控汽油机起动及暖机工况燃烧状况的分析统计［J］.内燃机学报，2002，20(1):62 －66.

［5］姚春德，倪培永，姚广涛.进气预热降低汽油机冷起动排放的研究［J］.内燃机学报，2006，24(6):494 －499.

［6］周龙保.内燃机学［M］.北京:机械工业出版社，2005.