国六自动挡乘用车GDI发动机高瞬态HC原排分析

刘春涛，裴毅强，秦静

摘要： 针对GDI发动机在部分瞬态工况下HC排放较高的问题，对一辆装有GDI发动机的轻型车在底盘测功机上进行WLTC试验，通过采集单缸瞬态HC排放、缸内燃烧压力和ECU控制参数数据，研究了部分瞬态HC排放高的原因。试验结果表明：发动机冷却液升温过程对发动机的HC排放没有显著影响，在WLTC试验的各个驾驶速度段均出现了高HC排放；当发动机扭矩从高到低急剧变化时，可能出现缸内未断油但进气量急剧减少的情况，导致发生缸内失火或不完全燃烧，从而产生高HC排放；另外，当气缸内连续几个工作循环断油后再喷油时，会导致缸内过量空气系数偏离最佳范围，使缸内燃烧状况恶化，甚至发生失火或不完全燃烧，从而引起HC排放增加。

关键词： 直喷式汽油机；碳氢化合物；失火

DOI： 10.3969/j.issn.1001-2222.2024.03.006

中图分类号：TK421.5文献标志码： B文章编号： 1001-2222（2024）03-0036-06

在过去的几十年中，随着人们环保意识的不断提高，排放法规的制定和实施越来越严格。这种趋势推动了汽油直接喷射（gasoline direct injection，GDI）技术在乘用车动力系统中的广泛应用［1］。与传统的气道燃油喷射（port fuel injection，PFI）技术不同，GDI技术的工作原理与柴油发动机类似，将燃油直接喷射到气缸中，从而实现更加灵活且精确的燃油供给控制。因此，GDI技术具有燃油效率高和尾气排放低的潜力［2］，已经成为汽车技术发展的重要方向之一。

GDI发动机在燃烧过程中会产生一些污染物排放，其中碳氢化合物（HC）是主要的一种。它主要来自于不完全燃烧，成分包括烷烃、芳烃和烯烃等，这些成分即使在低浓度下也会对人体器官产生一定的毒性伤害［3］，因此，HC的排放问题一直以来备受关注［4］。目前，关于点燃式汽油机HC形成和氧化机理已经有了大量的相关研究。造成HC排放的主要原因可归纳为失火、淬熄、狭隙效应、燃油机油交互、后燃不充分、气门泄漏等［5-6］。尤其是在发动机冷起动阶段，由于温度低、转速低，GDI发动机会排放大量的HC［7-9］，这是因为燃料蒸发和混合气形成过程在此期间受到影响，火焰在传播过程中靠近冷表面可能会熄灭（淬熄）。此外，燃油喷射过程中，一部分燃油附着在燃烧室的冷表面，使得燃油膜在燃烧前难以完全蒸发。据报道，在世界轻型车统一测试循环（world harmonized light vehicles test cycle，WLTC）中，催化剂起燃前HC排放比例可能超过90%［10］。另一项试验研究也表明，瞬态冷起动条件下HC排放可以达到稳态条件下HC排放的10倍［11］。为了降低HC排放，科研工作者和汽车制造商不断探索新的技术和方法，例如改善燃油喷射和燃烧控制系统、采用可变气门正时技术等［12-16］。一些新技术（计算机模拟）的不断应用和改进，使得GDI发动机的HC排放性能得到了显著改善［17-20］。

发动机的瞬态HC排放与缸内燃烧状态息息相关，然而，目前关于GDI发动机连续瞬态HC排放与缸内燃烧的联合分析却鲜有报导，这使得GDI发动机出现连续高瞬态排放的形成机理尚不明确。因此，本研究选择在一辆符合国六排放标准的轻型车上进行试验，安装了高精度的缸压传感器和瞬态HC排放测量设备。同时，通过利用车辆OBD（on-board diagnostics）端口采集发动机ECU（electronic control unit）实时电控参数。这些参数对发动机的工作状态有着至关重要的影响，对瞬态HC排放的控制与电控参数优化具有重要参考价值。通过本研究可以更好地理解发动机在连续瞬态工况下的燃烧过程和HC排放特性，为发动机设计和排放控制提供更为精确的理论依据和实践指导。

1试验装置和方法

1.1试验车辆及装置

本次试验选择了一辆配备3缸GDI发动机的轻型轿车，该车辆的具体配置信息如表1所示。根据生产厂家推荐，车辆加注92号汽油，以保证试验结果能够真实反映车辆实际HC排放情况。试验在转鼓试验室中进行，室内温度和湿度与环境大气温度（20 ℃左右）和湿度保持一致。

为了对发动机的实时气缸压力进行检测，将原机的火花塞替换为集成了缸压传感器的火花塞（型号为KISTLER，6115BFD36）。该传感器在火花塞结构基础上将缸压传感器集成其中，且其电极尺寸与原火花塞电极尺寸基本相同，从而确保了火花放电过程的一致性。通过一个电荷放大器将气缸内瞬态压力信号传输至燃烧分析仪（型号为AVL Indimodule 622）。同时，燃烧分析仪也同步记录了缸内瞬态压力和ECU控制参数。值得注意的是，缸内压力的记录频率设定为1 000 Hz，而车辆OBD（on-board diagnostics）端口传输的数据最高记录频率则为100 Hz。

瞬态HC排放是使用Cambustion快速响应分析仪（HFR 500）进行测量。该仪器数据记录频率为1 000 Hz，能够捕捉到逐循环的HC排放特性。采样探头位于发动机排气口，探头尖端位于排气门下游30 mm处，如图1所示，这样的布置基本排除了缸与缸之间的测量干扰问题。在本次试验中，对第1缸进行了缸压和HC排放的测量。

1.2试验过程描述

根据国家第六阶段轻型车排放标准的规定，试验车辆在底盘测功机（AVL Roadsim 48″ Compact）上按照WLTC的车速要求进行驾驶，以此模拟实际道路交通状况，车辆速度依次经历低速段、中速段、高速段和超高速段。通过从车辆OBD端口获取的数据流，能够识别出车辆的行驶速度。试验车辆的实际驾驶速度与排放测试标准所规定车速的符合程度较高，满足测试要求。

2结果与分析

2.1HC排放分布

WLTC测试中，发动机第1缸的HC排放分布情况见图2。试验开始后，随着时间的推移，发动机冷却液温度逐渐升高。大约300 s后，节温器开启，冷却液温度达到相对稳定的状态，温度范围为80～90 ℃。通过观察可以发现，在发动机冷却液升温阶段出现了许多高HC排放峰值（超过10－2），这些峰值主要与缸内燃烧状况不佳有关，因为在发动机冷却液升温阶段，缸内气体温度和壁面温度都相对较低。需要强调的是，高HC排放并不仅仅出现在发动机冷却液升温阶段，在发动机冷却液温度稳定后WLTC的各个速度段也能观察到。虽然催化剂起燃后大部分HC会被氧化掉，对尾气排放的影响较小，但是降低HC原始排放对于提高燃烧效率是有积极作用的。为了深入理解WLTC中HC排放高的原因，选取了10个有代表性的HC排放峰值（编号已在图2中标记）进行分析。

2.2高HC排放峰值分析

1号HC排放峰值出现在试验开始后的22 s附近，此时，车辆的运行状态处于低速段。与这一排放峰值相对应的，是图3中显示的发动机扭矩以及过量空气系数数据。可以看到，在HC排放峰值出现之前，发动机扭矩出现了急剧下降，其最低值接近于0。从图4的ECU控制参数的变化情况来看，发动机扭矩的变化是燃油喷射量减少导致的。在22.1 s附近，供油信号（具体含义见表2）的变化过程为0—3—1，说明第1缸出现了断油现象。然而，在断油前的两个工作循环中，观察到缸内出现失火或者不完全燃烧的现象，因为缸内的最高压力与纯压缩压力相差无几，这与油气混合恶化或点火延迟有关。在发动机冷却液升温阶段，延迟点火能够提高废气温度和促进催化剂快速起燃［3，14-15］，但会导致缸内失火或燃料不完全燃烧，增加了废气通道内的HC量。另一个可能导致失火的原因为挡位切换，因为挡位切换过程中往往伴随着油门的快速关闭和开启，通常会导致富燃与贫燃的快速切换［22］。

2号HC排放峰值出现在WLTC测试的第39 s左右，如图5所示，对应于车辆低速行驶状态。这个峰值与1号HC排放峰值相似，同样出现在发动机扭矩急剧下降之后。从供油信号的变化中可以看出，ECU在35.5～36.5 s之间没有发出断油信号（见图6），发动机扭矩在这段时间内接近于0，这意味着混合气燃烧做功很少或者几乎没有。因此，可以推断在这段时间内缸内可能发生了连续失火或不完全燃烧。由于此时缸内温度较低且不足以氧化和转化掉气缸内的HC，因此大量的HC在排气门打开时进入排气道，并被HC分析仪检测到。

根据图5可以观察到，在36～40 s这段时间内，出现了几次HC排放高峰，这些峰值出现的频率与发动机转速密切相关，与排气门的开启时刻对应。值得注意的是，这段时间内，HC排放峰值呈现出逐渐升高的趋势。这种现象可以作如下解释：喷油脉宽增加（见图7），意味着燃油喷射量增多；同时节气门开度减小导致进入气缸的空气量有所减少。然而，过量空气系数并未减小，反而有所增加。这表明，空气消耗减少，即燃油燃烧的比例降低，从而导致更多的未燃HC。当发生连续失火时，缸内残余气体占比越来越高，未燃HC的比例也会随之逐渐升高［10］。

3～7号和9号的HC排放峰值出现的工况及形成规律与1号相似，文中不再对它们进行分析和描述。

8号HC排放峰值出现在WLTC测试的1 410 s附近，此时车辆驾驶状态处于高速阶段。在出现这个高HC排放峰值之前，已经历经了几个循环的高HC排放峰值，如图8所示。在这些排放峰值中，有一部分是由于扭矩急剧下降引发的高HC排放，另一部分则是过量空气系数过大（超过5）导致混合气过稀、燃烧不良引发的。然而，8号HC排放峰值的形成过程与前面几个峰值不同，因为第1缸在经历了长时间断油之后，突然进行供油，这时，缸内混合气的过量空气系数还未完全恢复到最佳范围，由此引发了缸内失火或燃烧不充分的问题。随后，随着排气门的开启，大量未燃HC被排出。根据过量空气系数的变化情况来看，部分工作循环的过量空气系数超过了1.3。除此之外，点火延迟也可能是造成缸内失火或燃烧不充分的原因之一，如图9所示。

10号HC排放峰值出现在WLTC的1 786～1 787 s之间，车辆驾驶处于超高速段。与8号HC排放峰值类似，在它之前也因为过量空气系数过大出现了几个循环的高HC排放峰值，如图10所示。此外，在10号HC排放峰值之前有两个与10号相似的HC排放峰值出现，这两个HC排放峰值出现时的发动机扭矩、过量空气系数和HC排放浓度与10号HC排放峰值相近，推测它们的形成原因是相似的：主要原因是点火时刻过晚（见图11）导致失火或燃烧不充分。催化剂起燃后，可以通过优化点火策略改善缸内燃烧，不需要再通过延迟点火提高排气温度。在10号HC排放峰值附近发生了几次断油事件（供油信号不为0）引起了缸内的空燃比波动，恶化了缸内混合气的燃烧，对应的过量空气系数出现了几次峰值（最高超过2），如图10所示。

3结论

a） 在WLTC中任何一个驾驶速度段都有可能出现发动机高HC排放，发动机冷却液升温是否完成对于发动机的HC原排影响不大；

b） 发动机扭矩从高到低急剧变化时，有的气缸未断油，但发动机节气门开度减小导致进气量减少，易造成缸内失火或不完全燃烧，产生大量HC排放；

c） 气缸内连续几个工作循环断油后再喷油会导致缸内过量空气系数偏离最佳范围，使燃烧恶化和HC排放增加；

d） 当发动机连续低扭矩运行时，发动机点火时刻过晚会导致缸内发生连续失火或不完全燃烧，催化剂起燃后可以通过调整点火策略等改善缸内燃料的燃烧。

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Analysis on High Transient HC Raw Emission of GDI Engine for China Ⅵ Automatic Passenger Car

LIU Chuntao1，PEI Yiqiang1，2，QIN Jing2

（1.School of Mechanical Engineering，Tianjin Renai College，Tianjin301636，China;2.School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin300072，China）

Abstract： For the phenomenon of high HC raw emission of GDI engine under partial transient conditions， a WLTC（world harmonized light vehicles test cycle） test was carried out on a light vehicle equipped with a GDI engine by using the chassis dynamometer. The transient HC emission， in-cylinder pressure and ECU control parameters of single cylinder were collected， and the reasons of high HC emission were studied. The results show that the warm-up of engine coolant has no significant effect on the raw HC emission， and the high HC emission segments appear in each driving speed segment of WLTC. When the engine torque changes sharply from high to low， the intake air sharply reduced， but the fuel may be not cut off in the cylinder， and in-cylinder misfire or incomplete combustion occur and results in high HC emission. In addition， when the fuel injects again after the cutoff of several continuous working cycles， the in-cylinder excess air coefficient may deviate from the optimal range， the in-cylinder combustion worsens， and then misfire or incomplete combustion occurs， and hence HC emission increases.

Key words： gasoline direct injection engine;hydrocarbon;misfire

［编辑： 袁晓燕］