基于NEDC循环的增压直喷汽油机颗粒物排放控制*

张 毅 李基凤 马冠钦 杨万里 王瑞平，2（-宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江 宁波 353362-浙江吉利罗佑发动机有限公司）

引言

涡轮增压直喷汽油机（TGDI）与传统的气道多点喷射汽油机相比具有更高的效率及更好的响应性，已经成为汽油发动机发展的必然趋势[1]。喷油方式的改变以及油气混合气形成的时间较短导致了颗粒物排放明显高于传统汽油机[2]。粒径10μm以上的颗粒物，会被挡在人的鼻子外面；粒径在2.5μm至10μm之间的颗粒物，能够进入上呼吸道，但部分可通过痰液等排出体外，另外也会被鼻腔内部的绒毛阻挡，对人体健康危害相对较小；而粒径在2.5μm以下的细颗粒物，不易被阻挡，被吸入人体后会直接进入支气管，干扰肺部的气体交换，引发哮喘、支气管炎和心血管病等方面的疾病[3]。因此展开车辆匹配TGDI发动机颗粒物排放控制的研究具有重要意义。

本文主要针对乘用车欧六B排放法规与发动机开发目标，以一款1.5 LTGDI发动机为研究对象，研究该款发动机匹配整车NEDC循环时，PM（Particle Matter，颗粒物质量）与PN（Particle Number，颗粒物数量）产生的主要工况，并对PM与PN产生的工况进行优化，通过二次喷射，优化启动阶段空燃比，优化三元催化器加热时间与轨压压力等综合措施，最终使发动机满足开发目标，满足欧六B法规要求，并具有满足欧六C的潜力。本研究对于增压直喷汽油机PM及PN排放控制具有参考意义。

1 欧六排放法规要求与发动机颗粒物排放开发目标

1.1 排放法规分析

随着全球经济的日益发展，车辆保有量的与日俱增，大气污染日益严重。为了缓解能源与环境之间的矛盾，各国政府纷纷出台更加严厉的排放法规控制车辆排放。欧盟共同体2012年公布了欧六排放法规。M1类车辆欧六排放限值与欧五排放限值对比如表1所示。

表1 乘用车欧六与欧五排放限值对比

欧六与欧五排放限值的变化在于控制颗粒物上的变化，其余排放物的限值没有变化。欧六首次提出了缸内直喷汽油机（GDI）PN的限值，并分阶段执行，PM限值均为4.5 mg/km。

欧洲排放循环采用欧盟共同体制定的NEDC循环，该循环由4个ECE（市区）循环与1个EUDC（郊区）循环组成，共计1 180 s，行驶里程为11.02 km，平均时速为33.62 km/h。行驶循环如图1所示。

图1 NEDC循环

1.2 发动机颗粒物排放开发目标

研究发动机为一款涡轮增压中冷缸内直喷汽油机，采用双VVT（进排气可变气门正时），采用GPF（汽油机颗粒捕捉器）。车辆NEDC循环时，颗粒物排放开发目标如表2所示。

表2 整车颗粒物排放开发目标

文中研究的发动机处于开发阶段，尚未选定GPF，且GPF的捕捉率能保持90%以上水平，源排（不经过GPF后的排放）达标，尾排（经过GPF后的排放）即可达标，因此试验均基于源排进行分析。

2 试验设备与方法

2.1 试验设备

试验所采用的发动机为4缸直列1.6L TGDI发动机，电控系统为联电系统。燃料采用95#汽油，试验台架示意图如图2所示。台架测试系统为AVL Puma OpenV1.5.3，电力测功机为AVL INDY S22-2/0525-1BS-1，燃烧分析为AVL602，空燃比仪为LA4 ETAS630，油耗分析仪为AVL7351CST，PM、PN测试采用HORIBA MEXA-2100SPCS。尾气首先通过预分级器，其中PM1（直径为1 um的颗粒物）通过率大于99%，PM2.5～PM10（直径为2.5～10 um的颗粒物）通过率大于50%。测试排气中颗粒物的瞬时数量与质量（测量范围为2.5～10 um颗粒物至少99%通过测试通道，采样频率为10 Hz）。颗粒物采样完成后，利用空气对采样量进行稀释，利用HORIBA公司的MEXA-7400HLE型排放分析仪测量稀释后的PM。PN的测量利用稀释加热器、蒸发管和稀释冷却器组成的挥发性微粒去除装置去除可挥发的核态微粒，采用HORIBA公司的MEXA-1000SPCS型微粒计算器对固态的聚态微粒进行采集和测量。

图2 试验台架示意图

2.2 试验方法

以车辆、发动机、变速箱、轮胎的主要参数，计算车辆NEDC循环发动机转矩与转速。

根据车辆速度平衡得车辆行驶速度[4]：

式中：u为车速，n为发动机转速，r为轮胎半径。

根据车辆驱动力与阻力平衡得车辆驱动力[4]：

式中：Ft为车辆驱动力，Ff为车辆滚动阻力，Fi为风阻，Fw为坡道阻力，Fj为加速阻力；

车驱动力与阻力平衡公式进一步展开[4]：

式中：Tt为发动机转矩，ig为变速箱挡位速比，i0为主减速比，ηT为传动系统效率，G为车辆重力，f为滚动摩擦系数，Cd为风阻系数，A为迎风面积，θ为道路坡度，δ为车辆旋转质量换算系数。平直道路上，不存在坡度阻力，因此驱动力与车辆滑行阻力平衡。

式中：a，b，c为道路滑行阻力二次项、一次项和常数项。

该款1.5TGDI发动机匹配整车主要参数如表3所示。

表3 发动机匹配车辆主要参数

通过车辆速度平衡、驱动力与道路滑行阻力平衡两个方程求解NEDC循环时发动机工况。

求解得到的发动机工况如图3所示。

图3 NEDC循环时发动机工况

根据图3所示的循环测试发动机排放，试验过程中，进气温度控制为25℃，空气湿度控制为50%。发动机启动后，立即开始采样进行排放测试分析工作。

3 发动机初始状态NEDC循环颗粒物分析

对颗粒物瞬时产生量与累计产生量进行分析，包含PM与PN。

3.1 PM分析

图4为颗粒物瞬时质量流量，图5给出了颗粒物密度流量，图6为颗粒物质量累积过程。

图4 NEDC循环颗粒物瞬时质量流量

图5 NEDC循环颗粒物瞬时密度

图6 NEDC循环颗粒物累积质量

从图4可以看出，颗粒物质量流量在启动后20 s内最高。图5说明，颗粒物瞬时密度在启动10 s达到最高值110 mg/m3。图6中颗粒物累积质量分布说明4个ECE（城市工况）中产生的颗粒物质量占NEDC循环的50%，其中90%产生于前195 s，即第一个ECE循环；EUDC贡献了NEDC循环中另一半颗粒物质量。

3.2 PN分析

图7为颗粒物瞬时排放个数，图8显示了颗粒物累积排放个数。

图7 NEDC循环颗粒物瞬时排放个数

图8 NEDC循环颗粒物累积排放个数

图7表明瞬时颗粒物排放数量最多的工况为循环前195 s，即第一个ECE循环，其余3个ECE循环与EUDC循环瞬时颗粒物排放量较第一个ECE循环低一个数量级。图8中颗粒物累积数目说明，第一个ECE循环，颗粒物数目急剧上升，贡献NEDC循环50%的颗粒物数目，然后缓慢上升，贡献另外50%的颗粒物数目。

发动机初始状态NEDC循环PM与PN排放如表4所示。

表4 发动机初始状态颗粒物排放

表4说明，发动机初始状态下，颗粒物源排超标严重，其中PM超标35%，PN超标356%。

通过分析发动机初始状态下，颗粒物源排质量与数目得出以下3点结论：

1）颗粒物主要产生于发动机启动过程中；

2）催化器加热过程中产生一定颗粒物；

3）加速过程中产生少量颗粒物。

4 发动机NEDC循环颗粒物优化分析

针对初始状态发动机颗粒物产生的主要工况，对发动机标定进行优化，主要进行以下4个方面的优化，每次优化均基于前一种优化进行。

1）实现二次喷射；

2）优化过量空气系数；

3）优化三元催化器加热时间，并优化点火角；

4

）优化轨压压力。

4.1 实现二次喷射

初始状态发动机喷油方式为一次进气道喷射，喷油时刻为进气冲程始端。实现二次喷射后，预喷为进气冲程始端，二喷为压缩冲程末端。二次喷射前后，喷油时刻对比如图9所示。

图9 二次喷射喷油时刻

360°CA（Crank Angle）为上止点，0°CA为压缩上止点。

实现二次喷射后，NEDC循环颗粒物排放有显著下降。其中排气中颗粒物浓度变化如图10所示。

图10 二次喷射前后颗粒物浓度（PN）变化

NEDC循环颗粒物质量与数量如表5所示。

表5 发动机二次喷射后颗粒物排放

对比表5与表4说明实现二次喷射后，启动阶段，发动机颗粒物排放有了较大改善，具体如下:

1）ECE工况：PM下降了33%，EUDC工况：PM也有一定程度下降，下降了35%；

2）ECE工况：PN下降了35%，EUDC工况：PN也有一定程度下降，下降了32%；

3）NEDC工况：PM下降了35%，PN下降了34%。

4.2 优化过量空气系数

4.1中过量空气系数与发动机初始状态一致，优化NEDC循环中过量空气系数，即加速工况，少喷油，提高空燃比系数，减速工况，延迟断油，降低空燃比系数。过量空气系数优化前后对比如图11所示。

图11 过量空气系数对比

优化过量空气系数后，颗粒物排放有一定程度

降低。其中排气颗粒物浓度变化如图12所示。

图12 优化过量空气系数前后颗粒物浓度对比

NEDC循环颗粒物质量与数量如表6所示。

表6 发动机优化过量空气系数后颗粒物排放

对比表6与表5说明，优化过量空气系数后，启动阶段，发动机颗粒物排放有了较大改善，其中：

1）ECE工况：PM下降了48%，EUDC工况：PM也有一定程度下降，下降了14%；

2）ECE工况：PN下降了44%，EUDC工况：PN也有一定程度下降，下降了4%；

3）NEDC工况：PM下降了36%，PN下降了37%。

4.3 优化三元催化器加热时间与点火角

4.2中三元催化器加热时间与点火提前角与发动机初始状态一致，优化NEDC循环中三元催化器加热时间，使催化器温度迅速上升，快速起燃，同时优化前200 s点火提前角，使燃烧更加充分。优化三元催化器加热时间与点火角前后，三元催化器中心温度变化对比如图13所示，点火角对比如图14所示。

图13 催化器中心温度对比

图14 点火角对比

图13表明，优化催化器起燃过程后，起步阶段催化器中心温度上升较快，NEDC循环过程中，催化器中心温度较之前高接近100℃。

图14表明，优化点火角后，NEDC工况前150s点火角有一定延迟，有利于低温状态下发动机燃烧持续期的延长。

优化催化器加热时间与点火角后，颗粒物排放有所减低。其中颗粒物浓度变化如图15所示。

图15 优化三元催化器加热时间与点火角前后颗粒物浓度对比

NEDC循环颗粒物质量与数量变化如表7所示。

对比表7与表6说明，优化三元催化器加热时间与点火角后，NEDC循环发动机颗粒物排放有了很大改善，其中：

1）ECE工况：PM下降了52%，EUDC工况：PM也有一定程度下降，下降了5%；

2）ECE工况：PN下降了51%，EUDC工况：PN也有一定程度下降，下降了5%；

3）NEDC工况：PM下降了26%，PN下降了40%。

4.4 优化轨压压力

4.3中油轨轨压与发动机初始状态一致，优化启动阶段轨压压力，可以改善燃油雾化，改善混合气混合质量，改善燃烧，降低颗粒物生成。优化轨压压力前后，油轨轨压对比如图16所示。

优化轨压压力后，颗粒物排放有所降低。其中颗粒物浓度变化如图17所示。

图16 优化油轨轨压前后轨压对比

图17 优化轨压压力前后颗粒物浓度对比

NEDC循环颗粒物质量与数量变化如表8所示。

表8 发动机优化轨压压力前后颗粒物排放

对比表8与表7说明，优化轨压压力后，即将NEDC循环前50 s，轨压压力由0.6 MPa提高为0.8 MPa后，发动机颗粒物排放有了一定改善，主要表现为颗粒物个数的降低，其中：

1）ECE工况：PM保持不变，EUDC工况：PM下降了61%，下降十分显著；

2）ECE工况：PN下降了37%，EUDC工况：PN也有一定程度下降，下降了10%；

3）NEDC工况：PM下降了41%，PN下降了26%。

4）PM与PN并不具备同样的变化趋势。

满足表2所示的发动机开发目标，并具有达到欧六C，经过GPF后颗粒物数目小于3×1012的潜力。

5 结论

以一台1.5LTGDI发动机为对象，在测试台架上完成了发动机排放测试，并对燃油喷射方式、过量空气系数、催化器起燃时间、点火角、轨压压力等展开了优化工作，解决了该款发动机颗粒物排放超标的问题。结论如下：

1）颗粒物主要产生于发动机启动过程中，催化器加热过程中也会产生一定的颗粒物。此外，加速过渡工况也会产生少量的颗粒物。

2）采用二次喷射方式，降低过量空气系数，缩短三元催化器，适当提前点火角，适当提高轨压压力，可以有效降低颗粒物排量。

3）PM与PN两者之间并没有必然的同样变化趋势。