直喷汽油机恒转速增转矩工况燃烧与排放

胡宗杰， 李明龙， 刘 婷， 李理光，2

(1. 同济大学 汽车学院，上海 201804； 2. 同济大学 中德学院，上海 200092)

在实际运行过程中，尤其是在城市工况下，汽车多处于起动、加速、减速等瞬态工况，这些工况下的发动机性能与稳态工况下有较大差别[1-2].2016年我国发布了国六排放标准，引入了全球轻型车统一测试循环(WLTC)，也对汽油机颗粒物排放提出了更高的要求，并且增加了实际行驶排放测试(RDE)[3].由于这两个测试循环具有更多的瞬态工况，而且近年来市场上配置直喷汽油机的汽车的占比也不断增加，因此研究直喷汽油机瞬态工况的燃烧与排放控制具有很重要的实际意义.

目前普遍研究的典型瞬态工况包括：冷起动工况、恒转矩增转速工况、恒转速增转矩工况和转速转矩均增加的工况[4].王锐、赵世锋等研究了直喷汽油机冷起动下点火时刻和喷油时刻对颗粒物排放粒径和浓度的影响[5-6].李岳林等[7]研究了进气道喷射汽油机在恒转矩增转速工况下的燃烧过程，并与稳态工况进行对比，发现瞬态工况下的最高燃烧压力和平均指示压力均大于与之对应的稳态工况；瞬态工况下的放热过程超前于对应的稳态工况，且放热率的最大值较高.张龙平等[8]在一台增压中冷柴油机上选取典型恒转速增转矩工况，研究瞬变时间对发动机燃烧与排放响应特性的影响，发现进气量延迟是导致瞬变过程燃烧与排放恶化的主要因素.何江涛[9]研究了自由加速工况下汽油机的燃烧规律，发现在自由加速瞬态工况下，最高燃烧压力和平均指示压力低于其相应的稳态工况.苗志慧等[10]针对某1.4T GDI(汽油直喷)发动机低转速小负荷工况，分析了发动机瞬态工况下颗粒物数量浓度、质量浓度以及粒径分布特性.

目前针对直喷汽油机的瞬态工况研究较少，且多为瞬态工况下发动机的燃烧与排放特性的规律研究.本文针对某直喷汽油机，设计恒转速增转矩的瞬态工况，探究不同瞬变时间和不同转矩增量下各参数的动态响应，并提出基于比例积分(proportion and integral,PI)调节的过量空气系数(λ)闭环控制和节气门超调两种策略，来优化瞬态工况的燃烧和排放特性.

1 试验平台与试验工况

1.1 试验平台

本文试验系统如图1所示，主要包含发动机及其自主控制和数据采集系统、测功机系统、冷却液和进气恒温系统等，试验系统设备见表1.发动机为第二代EA888直喷汽油机，采用喷油器侧置式燃烧系统，发动机的基本参数见表2.

图1 发动机台架试验系统示意图

本文发动机控制单元是基于Compact RIO和LabVIEW软件自行开发的，可以实现喷油次数、喷油脉宽、喷油正时、点火时刻、气门升程、气门正时、进气量等参数的实时控制.在发动机控制中，通常是根据发动机转速、进气流量、氧传感器等信号，直接查表，根据发动机控制器(ECU)存储的标定数据调节喷油脉宽、点火时刻、喷油时刻等参数，而在本文的上位机控制模块中，首先进行基于进气歧管压力和发动机转速的基础喷油和点火提前角脉谱(MAP)的标定，满足过量空气系数λ=1.0，点火时刻为最佳点火提前角，另外本文根据氧传感器、进气流量信号等对喷油脉宽进行比例积分(PI)调节，实现了λ闭环控制(控制原理如图2所示)，基础的PI值(比例值、积分值)分别为P=0.1/I=0.4.

表1 试验系统设备

表2 试验发动机基本参数

图2 λ的PI闭环控制原理图

1.2 试验工况

在瞬变工况下，由于发动机的进气和喷油都在发生变化，容易造成缸内燃烧的不稳定[11-12]，这主要是由于瞬变过程中进气和喷油的响应速度不同，导致燃烧条件变化较大[13-14].

如表3所示，本文在1 500 r·min-1下选择了两个转矩增长工况：①节气门开度从10%增长到20%，简称为10→20工况；②节气门开度从6%增长到20%，简称为6→20工况.同时借鉴文献[8]，本文选择了3、5、7、10 s四个不同的瞬变时间.在每种转矩增长工况下，节气门开度都匀速增加.

表3 瞬变过程试验工况点

2 发动机燃烧、排放的动态变化

图3a和图3b所示分别为两种转矩增长工况下，发动机节气门开度、进气歧管相对压力、过量空气系数、发动机转矩、颗粒物数量浓度和碳氢(HC)排放的响应历程.

节气门开度

进气歧管相对压力

过量空气系数

转矩

颗粒物数量浓度

HC排放

a 6→20工况

节气门开度

进气歧管相对压力

过量空气系数

转矩

颗粒物数量浓度

HC排放

b 10→20工况

图3 1 500 r·min-1不同节气门切换耗时和切换幅度下发动机参数的响应特性

Fig.3Response characteristics of engine parameters with different throttle switch-duration and switch-amplitude rates at 1 500 r·min-1

从图3a和图3b中可以看出，在瞬变过程中节气门开度均近似呈线性变化.与节气门开度相比，进气歧管相对压力的响应有些滞后，这是气体流动比机电机构响应慢而导致的.随着切换耗时增加，进气歧管相对压力的滞后程度减小.由于进气歧管相对压力响应滞后，导致过量空气系数首先急速降低，而后逐渐恢复到λ=1.0.切换耗时越短，过量空气系数降低幅度越大，波动越剧烈.

发动机转矩响应也略有滞后，但与进气歧管相对压力相比，滞后程度较小.分析认为虽然进气有所滞后，但是喷油器可以实现循环级的响应速度，可以随节气门开度增加而迅速加大循环喷油量，使缸内燃烧做功的响应比较快，但毕竟存在进气延迟，转矩输出的响应仍略有滞后.在切换过程中，颗粒物数量浓度和HC排放均先增加，然后逐渐降低，最后趋于稳定.切换耗时越短，颗粒物数量浓度和HC排放的峰值越大.这是由于切换耗时越短，进气的滞后越明显，缸内混合气处于较为严重的缺氧状态，造成燃烧恶化.

对于不同的节气门切换幅度，对比图3a和图3b可以发现：在切换耗时相同时，6→20工况下过量空气系数的波动更为剧烈，转矩的增长过程的波动也较大，HC排放的浓度较高.在两种转矩增长幅度的工况下，颗粒物数量浓度的峰值差异不是很大，但6→20工况下的累积颗粒排放量略高.分析认为，切换耗时相同时，在6→20工况下，节气门开度的变化率较大，进气的滞后现象更加明显，使得缸内燃烧进一步恶化.

3 瞬态工况的控制策略优化

本文试验也发现，在恒转速增转矩工况下，进气量响应滞后是导致过量空气系数减小、排放恶化的主要因素，因此加快进气响应具有较为重要的意义.

为此本文尝试两种控制策略来优化进气响应：基于PI调节的λ闭环控制策略和节气门超调策略.

3.1 基于PI调节的λ闭环控制策略

本文已经设计了基于PI调节的过量空气系数闭环控制功能(图2)，可通过调整喷油控制策略改变瞬态工况的燃烧和排放.本试验选择发动机转速1 500 r·min-1，切换耗时5 s，节气门切换幅度6%→20%，设计了6组PI值，如表4所示(其中组合1为基准工况).

试验结果如图4所示，可见不同的PI值组合会影响节气门开度的响应过程，进而直接影响过量空气系数的响应特性，改变转矩响应、颗粒物数量浓度和HC排放变化过程.通过综合对比可以发现，在P=0.08/I=0.5的组合下，进气歧管相对压力响应较快，过量空气系数变化幅度较小(变化幅度为3%)，颗粒物数量和HC排放较低.但总体来说，表4中的PI组合所带来的差异不甚明显.

表4 PI组合

3.2 节气门超调策略

本试验先使节气门开度实际设定值大于目标值，然后再迅速回到目标值，研究该策略优化瞬态工况燃烧和排放的能力.

本试验也选择发动机转速为1 500 r·min-1，切换耗时为5 s，节气门切换幅度6%→20%，过量空气系数闭环控制的PI值也选择表3中的组合1(基准工况).本试验设计了两种节气门超调模式，如下表5所示，其中第一种作为基础模式，其瞬变过程与3.1节的基准工况相同.

图5是不同节气门超调策略下节气门开度的设定变化和实际变化曲线.进气歧管相对压力、过量空气系数、发动机转矩、颗粒物数量浓度和HC排放的响应历程如图6所示.

由图6可见，节气门超调可以有效地缩短进气歧管相对压力、转矩的响应时间，同时降低颗粒物和HC的排放.而且随着超调幅度的增加，响应时间缩短，颗粒物数量和HC排放更低.分析认为，超调幅度越大，节气门提前开启的角度越大，进气响应加快，过量空气系数甚至略微大于1.0，使得燃烧更为充分，改善了发动机的燃烧与瞬态排放性能.

a 节气门开度

b 进气歧管相对压力

c 过量空气系数

d 转矩

e 颗粒物数量浓度

f HC排放

图4 1 500 r·min-1，切换耗时5 s不同PI组合下发动参数的响应特性

Fig.4 Response characteristics of engine-parameter with different PI at 1 500 r·min-1and 5 s switch duration

表5 节气门超调工况

图5 不同节气门超调策略下节气门的开度变化曲线

a 进气歧管相对压力

b 过量空气系数

c 转矩

d 颗粒物数量浓度

e HC排放

图6 1 500 r·min-1，切换耗时5s不同超调工况下发动机参数的动态响应特性

Fig.6Response characteristics of engine-parameter with different throttle overshoot strategies at 1 500 r·min-1and 5s switch duration

4 结论

本文围绕恒转速增转矩工况，研究直喷汽油机在瞬态变化过程中的燃烧与排放特性，并研究了两种燃烧和排放优化策略，主要结论如下：

(1) 在恒转速增转矩的工况下，切换耗时越长，进气歧管相对压力、发动机转矩相对节气门开度的滞后越小，过量空气系数的波动、颗粒物数量浓度和HC排放的恶化程度得到改善.

(2) 在相同切换耗时情况下，转矩小幅度增长时，发动机各参数的响应滞后缩短，颗粒物数量浓度和HC排放较好.

(3) 进气的响应特性是影响发动机瞬态工况下燃烧与排放的主要因素.

(4) 通过优化λ闭环控制的PI值来提高喷油量的响应，可以改善发动机燃烧和排放，但效果不明显.

(5) 进气门超调策略可以有效地减小进气响应的滞后时间，甚至可以使得混合气浓度在瞬变初期处于偏稀的水平，使燃烧更充分，降低颗粒物数量浓度和HC排放.