汽油直喷发动机排放研究与优化

张鹏飞， 刘甲一， 林万国， 葛林杉， 杜立东

（一汽奔腾轿车有限公司奔腾开发院， 吉林 长春 130012）

《轻型汽车污染物排放限值及测量方法》 于2016年12月23日正式发布， 于2020年7月1日在全国范围内实施。 同时为响应国家政策打赢蓝天保卫战， 国内的一些一线城市已于2019年7月1日起在部分地区率先实施， 从限值来看， 与国V 排 放 标 准 相 比， 第1 类 汽 油 车 国VI a 的CO 限 值 加 严30%， 其 他 污 染 物 的 限 值 不 变； 国VI b 的CO、 THC 和NMHC限值都降低了50%， NOx限值下降42%， PM限值下降33%。 且 自2020 年7 月1 日 起， 颗 粒 物 数 量 （Particulate Number， PN） 由过渡期的6×1012更新至6×1011， 在排放和油耗法规的双重影响下， 小排量汽油直喷增压发动机（Gasoline Direct Injection Turbo， GDIT） 的生存环境愈发艰难， 尤其是质量和阻力相对较大的车辆排放达标压力更大。

本文通过对某搭载小排量直喷增压发动机的SUV车型进行研究分析， 对整车控制参数进行优化， 最终满足国VI b气态排放物和颗粒物排放法规要求。

1 排放数据分析

1.1 WLTC工况分析

WLTC （ Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cycle） 循环被认为是反映车辆实际行驶情况的， 由4部分组成： 低速段、 中速段、 高速段和超高速段。 持续时间1800s， 理论行驶里程23.27km， 最高车速131.3km/h， 最大加速度1.67m/s， 平均车速46.5km/h， 详细工况如图1所示。

图1 WLTC工况

低速阶段平均车速为19km/h， 高速阶段平均车速为56.6km/h， 超高速阶段平均车速为92.3km/h， 这3个阶段的平均车速是RDE工况下CO特征曲线的参考点。

1.2 发动机运行工况分析

由于WLTC循环瞬态工况较多， 对单位质量功率偏低的车辆非常不利， 表1为测试车辆相关参数， 不难看出该车型单位质量功率偏低，该车辆在WLTC工况下的发动机运行散点图如图2所示， 发动机转速主要集中在3000r/min 以 下，部分工况发动机负荷已经接近该发动机外特性区间， 对排放控制非常不利。

图2 发动机运行散点图

表1 试验车辆相关参数

1.3 排放数据及控制参数分析

排放数据分析通常采用积分分析法和瞬态分析法两种方法相结合的方式对排放秒采数据进行分析。 积分分析法主要用于分析各阶段总量占比和总体情况， 瞬态分析法主要用于锁定具体的问题工况。

整车排放分析重点关注3个典型工况： 第1个典型工况是催化器起燃前的车辆起动及原始排放阶段， 其特点是该阶段由于催化器未达到起燃温度， 排放污染物全部来自于发动机原始排放； 第2个典型工况是闭环控制， 该工况的特点在于所有的控制都是围绕理论空燃比 （即催化器转化效率最高的窗口中心） 进行控制； 第3个特征工况是驾驶过程中必要的开环控制阶段， 如减速断油、 断油清氧等工况。

积分分析法可以从整体上把握污染物整体走势和各阶段分布情况。 如图3所示， 通过气态污染物积分值可以得出以下结论： ①CO总量全程都相对较高， 起动阶段CO约占总量的1/3左右， 通常情况下， 起动阶段CO约占总量的2/3～4/5，且在超高速阶段有显著增加； ②起动阶段其他气态污染物约占总量的4/5， 从总量上看基本处于合理范围。 如图4所示，颗粒物数量积分值全程增量都比较多， 在超高速阶段有突变， 需要重点关注并进行优化。

图3 气态污染物积分值

图4 颗粒物积分值

根据积分分析结果对瞬态工况进行分析， 如图5所示，由于三元催化器在起动阶段未起燃， 一般情况下起动阶段气态排放污染物偏高， 是正常现象， 但是整体上ppm较高，有优化空间， 同时THC和NMHC也偏高， 说明在该阶段混合气偏浓。 如图6所示， PN在起动阶段和加速阶段也偏高，对照图5不难看出PN的产生和CO有相似的规律， 说明有可能是空燃比偏浓， 导致PN和CO偏高， 具体需要结合控制单元内部变量进行分析。

图5 气态污染物实时值

图6 颗粒物实时值

如图7所示， 通过排放秒采数据和控制单元内部变量综合分析可以看出， 颗粒物数量主要集中在加速过程和断油清氧过程的空燃比加浓阶段， 气态排放污染物较高的阶段主要集中在大负荷加速过程和减速断油过程及断油清氧过程。

图7 发动机控制参数和秒采数据联合分析

综上， 在控制方面可以通过优化起动过程、 加速过程、减速断油过程以及断油清氧过程的空燃比控制等来改善整车气态排放污染物和颗粒物排放污染物。

1.4 硬件分析

直喷发动机由于燃料直接喷入气缸内部， 受到气缸内运动件、 喷射压力、 油束形状以及进气滚流的影响使得缸内混合气体的形成和运动情况比较复杂， 分析的精确度也不高。

低温情况下， 燃油直接撞击活塞顶部、 气缸壁等导致的油膜形成、 雾化不充分等问题， 都会导致颗粒物排放量较高。 通过测量数据分析可以发现， 在大负荷喷油量较大的工况下， 排放污染物中PN的含量也较高。 如图8所示，从燃烧室的模拟仿真可以看出， 在活塞上行阶段且喷油量最大情况下， 由于油轨压力偏高， 喷油量较大， 油束贯穿力较大， 单次喷射的油束撞击活塞顶端的风险较大， 当燃油附着在活塞顶部或者活塞环上都会产生PN。 因此改善的方案可以通过优化活塞形状如图8所示， 也可以通过优化控制参数将大负荷工况下的单次喷射改为多次喷射来减小燃油油束贯穿力， 降低燃油油束撞击活塞顶部的风险， 从而达成降低PN的目标。

图8 燃烧室油束分析及改进方案

2 优化方案及结果

2.1 优化方案

根据汽油直喷发动机标定方法结合实验结果及数据分析， 可以针对性地对该车型进行优化， 详细描述如下。

1） 在保证起动安全性的前提下， 优化起动阶段的空燃比， 降低气态污染物和PN排放。

2） 优化大负荷工况下的喷射次数和喷射比例以及喷油提前角， 避免燃油油束直接喷射到活塞顶部和汽缸壁上。

3） 优化减速断油进入和退出条件， 避免频繁断油和断油清氧加浓。

4） 优化断油清氧工况理论空燃比， 避免空燃比偏浓引发的CO和PN偏高问题。

5） 优化过渡工况空燃比， 提高催化器对各种污染物的净化比例。

6） 必要时更改活塞顶部结构， 避免大负荷工况下油束直接喷射到活塞顶部。

2.2 WLTC优化结果

由于考虑到更改硬件周期费用较高的因素， 该项目仅通过更改发动机标定数据的方式实现气态污染物和PN优化。 具体采取以上方案1） ～5） 经过多轮次的数据优化， 如图9所示， 数据优化后起动阶段的气态污染物都在300ppm以下， 催化器起燃后， 气态污染物都在50ppm以下。

图9 优化后气态污染物实时值

如图10所示， 数据优化后颗粒物总量相比图4所示在起动阶段和各加速段都有大幅下降， 整个WLTC工况颗粒物总量下降约45%。

图10 优化后颗粒物排放积分值

2.3 一致性优化结果

根据排放法规要求， 针对不增加GPF的车型需要进行300km以内的生产一致性验证。 选取3台车进行一致性验证， 为了确定优化成果， 排除里程对实验结果的影响， 先进行优化后数据的实验。 分别采用优化后和优化前的数据进行试验， 验证结果见表2和表3。

表2 优化前主要排放污染物

表3 优化后主要排放污染物

如图11所示， 通过采取以上优化方案， 可以看出THC类气态排放污染物和PN平均下降50%以上， NOx总体保证不变。 其中， CO优化平均比例为55%， THC优化平均比例为50%， NMHC优化平均比例为52%， PN优化平均比例为60%。

图11 优化前后污染物变化情况

3 结论

本文通过对小排量汽油直喷发动机排放秒采数据及控制参数的研究， 采取优化各阶段控制参数的标定工作， 最终通过优化标定数据达成国VI b气态排放污染物和PN的要求。 可以得到如下结论。

1） 在保证起动安全性的前提下， 通过标定精确起动空燃比可以大幅降低起动阶段的气态污染物和PN排放。

2） 通过对喷射次数、 喷射比例、 喷油提前角等进行优化， 可使发动机原始排放大幅降低。

3） 优化减速断油进入和退出条件可以有效控制过渡工况的出现次数。

4） 优化断油清氧空燃比对于过渡工况碳氢类和PN的排放起到至关重要的作用。