直喷汽油机燃油喷射时刻对经济性与PN 排放的影响

2021-10-29邓志坤耿培林邹雄辉王力辉

小型内燃机与车辆技术 2021年4期

邓志坤耿培林邹雄辉刘乐王力辉

（中国汽车技术研究中心有限公司天津 300300）

引言

GB18352.6-2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》（以下简称国六）中，要求车辆在WLTC 循环中排放的PN 数不得超过6×1011[1]。随着国六排放标准在全国逐渐实施，越来越多的汽车生产厂家需要对自己车型的动力系统进行升级或更新换代。在硬件方面，很多汽车生产厂家更换了更多喷孔的喷油器，用来改善燃油雾化效果，同时加装了GPF（汽油机颗粒捕集器）来过滤颗粒物[2]。GDI 发动机使用更高压力的高压油泵以降低PN 的生成量[3-5]。从发动机的控制策略上来讲，对于喷油策略的调整是必不可少的[6]。相较于国五车型发动机台架试验着重于油耗的控制策略，国六车型开发过程中，需要考虑到颗粒排放物的情况。本文针对一款国六车型开发过程中遇到PN 排放较高的现象，在发动机台架上进行扫点，完成了对喷油时刻的优化。

1 试验台搭建与数据采集

拟进行优化的车辆参数见表1。

表1 车辆参数

车辆搭载的发动机为1.8L 直列四缸双VVT GDI 汽油机，发动机参数见表2。

表2 发动机参数

根据国六排放标准及相关燃料消耗量限值标准[7]，需要满足的相关标准排放限值见表3。

表3 排放限值

台架使用AVL 测功机及其PUMA 控制台，PN测量设备为Cambustion DMS500，搭建的发动机台架示意图见图1。

图1 发动机台架布置示意图

试验中，将发动机进排气系统各个压力温度点测得的气体污染物以及PN 值、燃烧分析仪测得的平均指示压力与Heat Release 输入PUMA 控制台。另外，使用INCA 连接ECU，读取内部信号。

试验中，热机后通过台架的恒温系统将机油温度与水温均控制在90℃左右。通过PUMA 控制发动机的转速，通过INCA 控制发动机转矩需求，使发动机稳定在某一工况。当发动机工况稳定后，测量一组10s 的稳态数据。

试验结果均是基于最佳点火提前角、当量比混合气。在同一工况下，采用相同的VVT。

2 试验结果与分析

2.1 发动机运行工况分析

在车辆开发阶段，标准对车辆的Ⅰ型排放评价使用的是WLTC 循环，而对车辆的油耗评价使用的是NEDC 循环。采集本车辆在NEDC 循环与WLTC循环中的相关数据，绘制出相应循环中发动机运行的工况，其中，NEDC 工况用蓝色标示，WLTC 工况用橙色标示，见图2。

图2 发动机运行工况对比

从图2 可以发现，WLTC 循环中，发动机运行工况主要集中在：

1）1 000～2 250 r/min，0～50 N·m 的中低转速低负荷工况。

2）1 500 r/min、1 750 r/min 的全部负荷工况。

为图2 中红色边框标示部分。

相较于NEDC 循环，WLTC 循环用到2 000～2 500 r/min，0～50 N·m 部分工况、1 500～1 750 r/min，200～250 N·m 部分工况以及2 000～3 000 r/min，50～300 N·m 部分工况。这些工况需要重点关注颗粒物的排放情况，图2 中以黄色边框标示。NEDC 单独用到的发动机工况，需要重点考虑油耗的状况，为图2中绿色边框标示部分。对于图2 中的黑色边框标示部分，既要考虑油耗也要考虑颗粒物排放。

2.2 台架扫点优化试验结果

本次台架试验针对图2 中黑色边框包括的相应工况，选取不同喷油起始时刻（SOI）进行扫点，喷油起始时刻相对于压缩上止点前（BTDC）计算。

2.2.1 发动机低负荷工况扫点结果

选取转速为1 000～2 250 r/min，转矩分别为20、40 N·m 的工况，对SOI 在280～320°CA BTDC 的范围内每隔5°CA 进行扫点试验，试验结果如图3 和图4 所示。

图3 为1 000～2 000 r/min，20 N·m 工况发动机PN 排放及油耗结果。

图3 1 000～2 000 r/min，20 N·m 工况发动机PN 排放及油耗结果

从图3a 可以看出，PN 排放基本在3 500～16 000#/cm3范围内。低转速下，PN 排放差距不明显。当转速上升到1 750 r/min 时，PN 排放明显升高。在2 000 r/min 时，SOI 对PN 排放产生了比较明显的影响。当SOI 在295°CA BTDC 和310°CA BTDC 时，PN排放整体较低。

从图3b 可以看出，转速为1 000 r/min 时，油耗最高。随着转速的升高，油耗呈现逐渐下降的趋势。SOI 对油耗有一定的影响，随着SOI 的提前，油耗为波动中有所下降，变化趋势不明显。对比不同工况下的油耗，SOI 在300°CA BTDC 与310°CA BTDC 时，油耗大多较低，SOI 在305°CA BTDC 时，油耗均较高。

图4 为1 000～2 000 r/min，40 N·m 工况发动机PN 排放及油耗结果。

图4 1 000～2 000 r/min，40 N·m 工况发动机PN 排放及油耗结果

从图4a 可以看出，PN 排放上升到了5E+03～1E+07#/cm3的范围。发动机消耗更多的燃油，意味着能够产生更多的PN。在转速为1 000 r/min 与1 250 r/min 时，随着SOI 的提前，PN 排放呈现出波动中上升的趋势。在转速为1 500、1 750、2 000 r/min 时，SOI对PN 排放的影响很大，能够相差1～2 个数量级。尤其是转速在1 750 r/min，当SOI 提前到300°CA BTDC 时，PN 排放迅速从1E+05#/cm3升到1E+07#/cm3。与转矩为20 N·m 时的PN 排放结果综合比较可知，转矩为40 N·m 时，SOI 为295°CA BTDC 对于降低PN排放来说是一个较好的选择，但对于降低油耗来说不是最佳选择。

从图4b 可以看出，相较于转矩为20 N·m 时，转矩为40 N·m 时，油耗下降了很多。同转矩为20 N·m时的情况相同，转速为1 000 r/min 时的油耗与其他转速时的油耗相差较多。随着转速的提高，油耗随之下降。这是因为发动机的实际功率占指示功率的比例提高了，而燃烧效率的影响不太明显。从SOI 的影响来看，同转矩为20 N·m 的情况类似，油耗在波动中有下降的趋势。SOI 提前，有利于油耗降低。

综合来看，PN 排放与油耗之间没有完全相符合的变化趋势，油耗较低的工况，PN 排放相对较高。由于不同的工况PN 排放相差很大，中间相差多个数量级。因此，在转矩为20 N·m 的工况，较小数量级的PN 排放对于排放的影响不会特别大。即使考虑到试验仪器的误差，PN 排放升高的趋势也并不明显，应该重点关注油耗情况。所以，对于转矩为20 N·m 的工况，SOI 可以选择为300 °CA BTDC 或者提前到310°CA BTDC 之前。对于转矩为40 N·m 的工况，由于PN 排放受SOI 的影响已经较大，SOI 为295°CA BTDC 比较合适，虽然转速为1 750 r/min 时的PN 排放较高，但是考虑到标定表格里的平顺性，应当避免追求每个工况下的最优选择。

2.2.2 发动机转速为1 750 r/min 时扫点结果

对于WLTC 循环中频繁用到的1 750 r/min 附近发动机工况，选取转速为1 750 r/min，转矩为60～160 N·m 的工况进行不同SOI 的扫点试验，试验结果如图5 所示。

图5 1 750 r/min，60～160 N·m 工况发动机PN 排放和油耗结果

从图5a 可以看出，在1 750 r/min，60～160 N·m工况下，PN 排放覆盖了105～108#/cm3的范围，变化程度较大。随着负荷的增加，PN 排放逐渐升高，同时SOI 对PN 排放有明显的影响。在60 N·m 时，相比于SOI 提前，SOI 推迟能使PN 排放降低2 个数量级。当SOI 提前到305°CA BTDC 时，PN 排放开始升高。更高负荷时，PN 排放的情况相差也较大。在100 N·m与120 N·m 时，随着SOI 的提前，PN 排放出现先升高后有所下降的趋势，PN 排放的最高值分别在SOI为285°CA BTDC 与295°CA BTDC。在140 N·m 与160 N·m 时，随着SOI 的提前，PN 排放出现升高的趋势，因此有必要针对PN 排放调整喷油策略。总体看来，较晚的喷油时刻，PN 排放较低。除了少数工况，随着SOI 的提前，PN 排放逐渐升高。为了改善PN 排放状况，应该考虑选用靠后的SOI。

从图5 b 可以看出，在转速为1 750 r/min 时，随着负荷的增加，发动机的比油耗先下降后上升，在100 N·m 与120 N·m 时，油耗较低。从每一负荷时的油耗变化趋势来看，随着SOI 的提前，油耗在波动中有所下降，但这个下降趋势在100 N·m 与120 N·m时表现不明显。

综合来看，随着喷油时刻的提前，油耗下降，PN排放升高。对于SOI 的选点，应当避免其落在PN 排放大幅度升高的区域的前提下尽可能靠前以降低油耗，SOI 选择在290°CA BTDC 比较合适。

2.2.3 发动机中等转速中高负荷工况扫点结果

相较于NEDC 循环，WLTC 循环用到了发动机更高转速更高负荷工况。考虑到这些工况气体流量大，高PN 排放会对排放结果产生更明显的影响，因此选取转速分别为2 250、2 500r/min，负荷分别为60、80、100、120、140、160N·m 的工况进行SOI 扫点试验。

图6 为2 250 r/min，60～160 N·m 工况发动机PN排放及油耗结果。

图6 2 250 r/min，60～160 N·m 工况发动机PN 排放和油耗结果

从图6a 可以看出，在60 N·m 和80 N·m 时，随着SOI 的提前，PN 排放逐渐升高。在SOI 提前较多时，PN 排放甚至超过了更高负荷工况。在100～160 N·m 范围内，当SOI 在275～295°CA BTDC 时，PN 排放基本没有变化，甚至有所下降。但当SOI 提前到300°CA BTDC 甚至更靠前时，PN 排放大幅升高。

从图6b 可以看出，随着负荷的增加，发动机油耗逐渐下降。从120N·m 到更大负荷，比油耗能够下降到240 g/（kw·h）以下。油耗对于SOI 的变化不敏感，基本维持在同一水平。在较高的负荷时，较晚的喷油时刻，油耗会更低。

从图7a 可以看出，在转速为2 500 r/min 时，除了60 N·m 时的PN 排放较低，其他负荷的PN 排放基本在同一数量级。PN 排放随SOI 的变化趋势与转速为2 250 r/min 时相似，较晚喷油时，对PN 排放对SOI 不敏感，当SOI 提前到一定时刻，PN 排放大幅升高。转速为2500 r/min 时，导致PN 排放升高的SOI较转速为2250 r/min 时更靠前，出现在315～320°CA BTDC。

图7 2 500 r/min，60～140 N·m 工况发动机PN 排放和油耗结果

从图7b 可以看出，转速为2 500 r/min 时的油耗变化趋势与转速为2 250 r/min 时类似，随着负荷的增加，比油耗逐渐下降。相比于转速为2 250 r/min时，转速为2 500 r/min 时，发动机油耗随SOI 的变化更不明显。

综合来看，在发动机中高转速中高负荷工况，SOI 对油耗的影响不明显，但是对PN 排放影响明显。因此，在SOI 选点过程中，可以选择SOI 较晚的点，比如280～290°CA BTDC。

2.3 结果分析

2.3.1 SOI 对油耗的影响

以上数据来看，油耗的变化不太明显。在低转速低负荷工况，随着SOI 的提前，油耗在波动中有所下降。随着发动机转速与负荷的增加，油耗随SOI 的变化更不明显。原因是：，

1）油耗仪有误差，当相邻2 个SOI 对油耗影响不明显时，油耗仪的误差会对结果产生误导。在中高转速中高负荷工况，发动机输出功率增加，单位时间内消耗的燃油量上升，油耗仪误差的影响有所下降，使得油耗的变化更平顺。

2）发动机更换工况、更换喷油时刻的同时会调整点火角等参数，使得发动机在此喷油时刻处于最佳状态，而这一过程到发动机工况稳定需要一定的时间。

3）低转速时，发动机运行稳定性稍差，如果测量过程中发动机稳定的程度不同，会对油耗产生影响。这也会影响到PN 的测量结果。

4）虽然SOI 扫点时VVT 组合固定不变，但是，在不同转速和负荷下，VVT 的开度是不同的，这反映了同转速不同负荷的工况下，油耗与PN 排放随着负荷的变化趋势并不明显，也一定程度上说明了在不同转速和负荷下，油耗与PN 排放随SOI 的变化趋势并不一致。

2.3.2 SOI 对PN 排放的影响

SOI 对PN 排放的影响主要取决于混合气的形成。混合气的形成，一部分受喷油时刻的影响，一部分受不同转速下进气滚流强度与速度的影响。从颗粒物形成的机理来看，部分较浓的混合气、未蒸发完全的油滴以及在缸壁与活塞顶形成的油膜都是颗粒排放物形成的原因。GDI 汽油机由于将燃油直接喷入气缸，混合气形成的时间较短，会造成更多颗粒物的排放。在低负荷区域，发动机需要的喷油量较少，此时较高的喷油压力会导致喷油脉宽很小，有可能进入喷油器的非线性区，导致实际的空燃比不在当量比附近，而降低轨压又会对PN 排放产生影响，需要综合考虑。

另外，在进气与压缩过程中，要考虑活塞的位置对喷油效果的影响。在低转速低负荷工况，当SOI 提前到295°CA BTDC 左右时，发动机处于进气行程活塞下行的状态。此时喷油会导致一部分燃油撞击在活塞顶上，如果SOI 再提前到330°CA BTDC 左右时，部分工况的PN 排放反而有所下降。这是因为，此时离进气门打开的时间较短，缸内气体平均湍动能较高，给了燃油更长的蒸发时间，有利于PN 排放的降低。

当发动机运行到中高转速中高负荷时，因较早喷油形成的活塞顶上的油膜对PN 排放的影响更加明显，更早喷油时PN 排放有所下降的现象不再出现。这是因为，发动机转速提高后，进气行程与压缩行程的时间变短，给油膜蒸发的时间也减少，未蒸发的油膜造成了PN 排放升高。另外，相比于转速为2 250 r/min，转速为2500 r/min 时，导致PN 排放升高的SOI 出现得更早，在320°CA BTDC。更高转速下，活塞运动速度加快，虽然喷油较早，但是活塞更高的运动速度避免了燃油在活塞顶形成油膜，PN 排放下降。这点在更高转速需要标定喷油时刻的时候可以作为参考。