降低发动机催化器起燃工况下碳氢排放的方法

林思聪 吴坚 李钰怀 秦博 吴翔

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院）

近年来我国乘用车销量保持平稳快速的增长态势，与此同时，相应的排放法规日益严格，2019年将实施第六阶段排放标准[1]，WLTC（全球统一轻型车辆测试循环）中碳氢排放物限值为100 mg/km。在WLTC中，发动机冷启动与暖机过程排出的碳氢量通常占到总碳氢排放量的90%以上。研究人员已经在发动机试验台架上通过调整发动机控制参数进行了发动机碳氢排放的影响因素研究，得出了节气门开度越大、点火提前角越小及混合气越稀则碳氢排放越低的结论，但这些结论是基于发动机热机工况试验结果得出的。文章根据WLTC的特点，对催化器起燃工况碳氢排放的影响因素进行研究，通过调整发动机的运转参数获取不同控制策略与碳氢排放的关系。

1 未燃碳氢的生成与氧化

1.1 未燃碳氢的生成[2-5]

1）发动机燃烧室中的缝隙、气缸壁面的润滑油膜及燃烧室壁面的沉积物等，在进气与压缩过程中会吸附混合气或燃油蒸气，使其无法参与燃烧，在膨胀行程的后期及排气过程中释放出来，形成未燃碳氢，是不可避免的。

2）可燃混合气大容积的淬熄、失火或部分燃烧、气缸中的液体燃料等也会产生未燃碳氢。这部分未燃碳氢是由于燃烧过程恶化与不稳定，或燃烧速度缓慢，致使火焰传播不完全造成的部分或全部混合气未参与燃烧，也会极大地增加碳氢排放，需要尽量避免。

1.2 未燃碳氢的氧化[6-8]

对于燃烧室中躲过燃烧过程的未燃碳氢，在膨胀和排气过程中不断释放出来，然后被卷入高温的已燃气体中并发生氧化反应，这个氧化过程从未燃碳氢释放时刻开始持续到温度和氧浓度比较低时停止，因此氧化过程可能发生在缸内、排气道及排气管甚至三元催化器中。

2 降低碳氢排放的方法

在WLTC中，由于催化器起燃前的碳氢排放对测试结果影响巨大，因此，发动机管理系统会采用专门的催化器起燃控制策略，以达到降低整车排放的目的。文章重点论述了催化器起燃工况下降低碳氢排放的方法。

2.1 推迟点火提前角

推迟点火提前角可以降低排气中的碳氢浓度，同时提高排气温度，如图1所示。从图1中可以看出，在保持相同负荷的前提下，点火提前角由-6°CA减小至-24°CA时，碳氢排放的浓度由2 981×10-6降低至869×10-6，排气温度由484℃升高至771℃，可见点火提前角对碳氢排放与排气温度有明显的影响。这是因为当点火提前角推迟时，燃烧相位相应推迟，活塞下行较多才开始燃烧，缸内气体压力降低，较低的缸内压力使进入燃烧室缝隙与吸附在润滑油膜处的未燃碳氢的数量减少。同时由于燃烧推迟，燃烧持续到膨胀行程后期甚至是排气行程，使得膨胀行程后期与排气过程已燃气体的温度比较高，促进了此阶段释放出来的未燃碳氢的氧化作用。这两方面的原因导致排气中的未燃碳氢浓度的降低。

图1 发动机点火提前角与排气温度和碳氢排放的关系曲线图

2.2 提高发动机扭矩

提高发动机扭矩也可以降低排气中的碳氢浓度，同时提高排气温度，图2示出发动机扭矩与排气温度和碳氢排放的关系曲线图。从图2可以看出，在保持相同燃烧稳定性的前提下，发动机扭矩由10 N·m提高至28 N·m时，碳氢排放的浓度由1 905×10-6降低至304×10-6，排气温度由510℃升高至875℃，可见发动机扭矩对碳氢排放与排气温度也有明显的影响。这是因为当发动机扭矩提高时，在维持相同燃烧稳定性的前提下可以采用较迟的点火提前角，虽然缸内气体压力升高，使进入燃烧室缝隙与吸附在润滑油膜处的未燃碳氢的数量增多，但较高的燃烧温度提高了燃烧室与气缸壁面的温度，减小了淬熄层厚度，从而减少了未燃碳氢。更重要的是，缸内气体温度升高了，极大地加强了未燃碳氢的氧化。

图2 发动机扭矩与排气温度和碳氢排放的关系曲线图

2.3 提高发动机转速

发动机转速对碳氢排放与排气温度也是有影响的，提高发动机转速可以降低排气中的碳氢浓度并提高排气温度。图3示出发动机转速与排气温度和碳氢排放的关系曲线图。从图3可以看出，在保持相同的点火提前角与负荷的前提下，发动机转速由1 000 r/min提高至1 600 r/min时，碳氢排放的浓度由1 301×10-6降低至308×10-6，排气温度由547℃升高至753℃。这是因为未燃碳氢在润滑油膜处吸附量与释放量与时间相关，转速提高后，循环时间减小了，因此通过润滑油膜产生的未燃碳氢的数量也相应减少。另一方面，在相同点火提前角下，转速提高后，由于燃烧时间基本保持不变，对应的燃烧持续曲轴转角变大了，同样导致排气温度的提高，未燃碳氢氧化作用加强。

图3 发动机转速与排气温度和碳氢排放的关系曲线图

2.4 采用偏稀空燃比

过量空气系数对碳氢排放与排气温度的影响也是非常明显的。采用较大的过量空气系数可以降低排气中的碳氢浓度，同时提高排气温度。图4示出过量空气系数与排气温度和碳氢排放的关系曲线图。

图4 过量空气系数与排气温度和碳氢排放的关系曲线图

从图4可以看出，在保持相同的点火提前角与负荷的前提下，过量空气系数由0.75提高至1.05时，碳氢排放的浓度由7 069×10-6降低至1 013×10-6，排气温度由498℃升高至694℃。这是因为，一方面过量空气系数提高后，空燃比变稀，燃烧速度变慢，使得排气温度升高，同时燃烧结束后的已燃气体中的氧浓度变大，都对未燃碳氢的氧化起到加强作用。另一方面比较稀的空燃比，含有的未燃碳氢浓度较低，使得积蓄在燃烧室缝隙与吸附在润滑油膜处的未燃碳氢的量减小，因此总的未燃碳氢排放减少。

2.5 提高发动机水温

图5示出发动机水温对碳氢排放的影响曲线图。

图5 发动机水温对碳氢排放的影响曲线图

从图5中可以看出，发动机水温由30℃升高至90℃时，碳氢排放的浓度下降50%左右。发动机水温决定了燃烧室与气缸壁面的温度，一方面减少了已燃气体对壁面的传热量，从而提高了已燃气体温度；另一方面，改善了燃油的雾化效果，避免在缸内出现液态燃油，有利于减少未燃碳氢的生成与加强未燃碳氢的氧化。

3 结论

为解决整车排放测试中重点关注的冷机与暖机过程的碳氢排放，对发动机催化器起燃工况进行了发动机碳氢排放试验。试验结果说明，推迟点火提前角、控制偏稀空燃比及提高发动机水温等可以明显减少碳氢排放；提高发动机扭矩与转速也能达到降低碳氢排放的目的。综合运用这些策略可以明显地降低碳氢排放，但是，为了满足国VI排放法规更严格的碳氢排放要求，可能还需要配合催化器性能的提高。