发动机排放测试技术在直喷型发动机开发中的应用

王君，于忠贵，徐思远，张凯，高永亮

发动机排放测试技术在直喷型发动机开发中的应用

王君，于忠贵，徐思远，张凯，高永亮

（哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司，黑龙江 哈尔滨 150060）

随着《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》即轻型车“国六排放”标准的发布，发动机排放情况成了各大车厂主要监测对象。由于测试工况较之国五发生巨大变化（过渡工况增加，稳态工况减少），发动机的动态排放情况更是监测的重点。该论文主要论述在发动机台架标定中，发动机排放测试技术在发动机排放监测上的应用，以及在发动机最佳排放点选取上的作用。从而实现不同工况下发动机的排放优化，进而降低整车排放状况以满足国六标准的要求，明确产品改进与研发方向。

国六排放；发动机标定；数据优化；排放测试设备

1 引言

汽车在人们生活中扮演着越来越重要的角色，随着汽车数量的增加，汽车排放污染也变得越来越严重，尤其是排气中的气体如碳氢化合物、一氧化碳和微小颗粒物等对人体会有所损害。汽车尾气排放污染成为人们都需要面对的难题和挑战。

随着国六排放标准的正式发布，各大车企都在研究应对法规的先进汽车技术。基于已经成型的发动机结构，燃油电控喷射等成为主要优化方向，其中发动机排放测试设备对数据优化起到至关重要的作用。

汽车排气污染物的主要产生原因为：一氧化碳为燃油不完全燃烧产生；碳氢为燃油未经燃烧或蒸发泄露的部分生成；氮氧化物为发动机负荷较大时氮气参与燃烧与氧气生成。针对发动机不同的工况，不同时刻产生污染物的种类与数量都不同。标定过程中就需要对应的进行调节优化。

2 本文的研究意义和内容

2.1 本文的研究意义

在国六工况中，由于大部分加减速等过渡工况，故发动机工作状态不明朗，排放情况波动较大，在国六WLTC曲线第二工况升降挡频繁，导致转速变化大，发动机缸内燃烧状况急剧变化，排放情况无法明确，本文主要针对DAE某款直喷发动机安装在台架和搭载在整车上，运行对应工况后，利用发动机排放测试设备实时监测发动机排放情况，并根据排放的数据进行分析，如何进行优化提升。

2.2 本文的主要研究内容

通过介绍发动机排放测试设备在发动机排放优化中的作用：1）针对发动机气态排放污染物，通过直接采样排放设备将汽车整工况排放情况进行测量记录，并生成秒采数据曲线，根据秒采数据曲线得出发动机运行工况中某一时刻排放情况不佳，然后进行参数更改直至最优；2）针对发动机碳烟度与微颗粒污染物，通过碳烟度计与颗粒物记数设备，测量在某一转速与负荷下，不同燃油喷射控制对其排放数量的影响，根据所得数据绘制曲线直观体现最佳排放点位。

图1 国六WLTP工况曲线（多过渡工况）

3 排放测试设备在试验中的应用

3.1 整车气态排放污染物的监测

3.1.1测试设备与原理

对于国六排放测试，可通过MEXA-7500D（汽车直采排放系统，HORIBA）设备直接进行汽车尾气的监测与采集；在生成数据曲线后，对试验发动机或车辆进行相关的数据优化以降低其排放状况。

3.1.2测试原始排放数据

满足国五排放标准的车辆在初次进行国六排放WLTP测试时，各阶段工况污染物排放结果均不理想，测试最终结果超过限值，如图2。

图2 DAE某款直喷发动机国六排放测试结果

其中CO的排放量已经超过排放限值的三倍，根据直采排放设备采集结果后，计算并绘制排放秒采曲线如图3，根据曲线可以看出在整个工况测试中，各阶段均有CO产生，并且“峰值”较高。

图3 发动机原始CO排放秒采数据

图4 第一次优化后发动机CO排放秒采数据

3.1.3中、高车速段排放优化

针对图2中的发动机排放情况进行分析，发现在车辆常温冷启动阶段也就是0-40s的时间里，为了启动成功，发动机喷油加浓导致CO排放量升高为正常现象，在超高速工况车速最高达到130km/h左右，并且升降速跨度大时间短，容易发生氧传感器开环控制。所以在第一次优化中，主要针对中、高速工况的开环与喷油加浓控制进行调节。调节后得到如图4的CO排放秒采曲线，由图可看出优化结果明显。

3.1.4启动喷油段排放优化

之后在启动加浓允许的条件下，对启动时刻的喷油加浓情况进行调整，获得如图5所示的优化启动喷油后的CO排放秒采曲线，前面已经提过由于启动段的CO排放是无法避免的，所以只能做到部分减少。

图5 第二次优化后发动机CO排放秒采数据

图6 最终优化后发动机CO排放秒采数据

3.1.5超高速段排放优化

最后对超高速段氧传感器开环进行控制，关闭部分排温保护，调节点火控制与喷油提前角，试验过程中监测全程排温情况，在排温可接受的情况下反复微调超高速段控制策略，最终根据直采排放设备记录数据绘制如图6所示曲线，从图中可以看出，全工况下CO较原始排放结果已经全部降低，测试总结果均满足国六限值要求。

同样的该监测与优化方法对THC与NOX也同样适用。

图7 优化后发动机国六排放测试结果

3.2 整车颗粒排放污染物的监测

3.2.1测试设备与原理

在国六颗粒物排放监测中，主要通过SPCS-2000（颗粒物采集计数系统，HORIBA）设备与MEXA-1230soot（碳烟度计，HORIBA）针对同一状态、不同控制参数下发动机排放情况进行监测与采集，根据所得数据绘制曲线图或雷达图，选取最优发动机颗粒物排放点。

3.2.2测试原始排放情况

在进行国六试验时利用SPCS-2000设备进行秒采颗粒物采集，根据所测得数据绘制排放曲线，如图8。从图中可以看出与CO相同，在启动段与超高速段颗粒物排放量“峰值”较高，可以得出发动机冷启动与氧传感器开环控制状态时产生颗粒物的部分原因。

图8 试验排放总量数据输出

但在对发动机进行启动喷油优化与闭环控制后，发现发动机颗粒物排放情况略有改善但不明显，所以使用烟度计进行颗粒物“扫点”优化。

3.2.3发动机不同转速下颗粒物排放测量

图9 转速—发动机颗粒物排放曲线

验证同一时刻不同转速对发动机颗粒物排放的影响，例如在发动机100N·m的负荷下，通过发动机转速从1000r到5500r的拉升，使用碳烟度计每500r记录一个点，最后通过所记录的数据绘制曲线，如图9，可以看出发动机在2000- 3000r颗粒物排放量比较低。据此可选取该负荷下最佳档位点。

3.2.4发动机不同喷油相位下颗粒物排放测量

验证同一时刻不同喷油相位对发动机颗粒物排放的影响，例如：在发动机2000r、100N·m条件下，通过发动机喷油相位从110°到350°的变化，使用碳烟度计每10°记录一个点，根据所得数据绘制曲线，如图10。该曲线趋势不够明显，舍弃不佳颗粒物排放点后得到如图11所示曲线，可以明显看出该工况下300°喷油相位角为最佳状态。

图10 喷油相位角—发动机颗粒物排放曲线

图11 优化后喷油相位角—发动机颗粒物排放曲线

3.2.4全工况优化

按照以上方法对发动机全工况、全负荷进行“扫点”类测量，最后得出整个发动机颗粒物排放特性对应的MAP图，据此进行优化。

优化后发动机进行国六试验颗粒物排放秒采排放结果如图12，对比后可看到整个工况中颗粒物排放量“峰值”全部消失，最终测量结果也满足国六排放标准限值。

图12 直接采样计算结果与稀释采样测试结果对比

4 总结与展望

本文就目前日益加严的汽车排放限值，介绍了依据发动机排放测试设备针对不同发动机污染物排放情况进行数据监测、记录和处理，最后依据所得数据进行深入优化，以保证产品排放满足国家要求。

对于发动机的排放问题，一直是人们关心的重点，那么发动机排放物如何产生，在什么情况下产生的，理应是我们研究的方向，扬汤止沸不如釜底抽薪，发现问题并在根源上解决问题才是我们技术人员应该具备的基本能力，只有这样我们才能开拓更广阔的天地。

Application of Engine Emission Testing Technology in the Development of Direct Injection Engine

Wang Jun, Yu Zhonggui, Xu Siyuan, Zhang Kai, Gao Yongliang

（Harbin DongAn Automotive Engine Manufacturing Co., Ltd, Heilongjiang Harbin 150060）

With the release of the emission limits and measurement methods for pollutants in light vehicles (China's sixth phase), namely the " national six emission standards" for light vehicles, engine emissions have become the main monitoring objects of major automakers. The dynamic emission of the engine is the focus of monitoring, because the test condition has changed greatly compared with that in national 5 (the transition condition increases and the steady-state condition decrea- ses).This paper mainly discusses the application of engine emission testing technology in engine emission monitoring in engine bench calibration, as well as the role in selecting the best emission point of engine.In this way, the engine emission optimization under different working conditions can be realized, and the vehicle emission can be reduced to meet the require- ments of the national six standards, and the direction of product improvement and research and development can be defined.

National six emission standards; Engine calibration; Data optimization; Emission testing equipment

U464

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1671-7988(2019)07-145-03

王君，就职于哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司。

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1671-7988(2019)07-145-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.07.049