劉春濤，裴毅強(qiáng)，秦靜

摘要： 針對(duì)GDI發(fā)動(dòng)機(jī)在部分瞬態(tài)工況下HC排放較高的問(wèn)題，對(duì)一輛裝有GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的輕型車在底盤測(cè)功機(jī)上進(jìn)行WLTC試驗(yàn)，通過(guò)采集單缸瞬態(tài)HC排放、缸內(nèi)燃燒壓力和ECU控制參數(shù)數(shù)據(jù)，研究了部分瞬態(tài)HC排放高的原因。試驗(yàn)結(jié)果表明：發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液升溫過(guò)程對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的HC排放沒(méi)有顯著影響，在WLTC試驗(yàn)的各個(gè)駕駛速度段均出現(xiàn)了高HC排放；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩從高到低急劇變化時(shí)，可能出現(xiàn)缸內(nèi)未斷油但進(jìn)氣量急劇減少的情況，導(dǎo)致發(fā)生缸內(nèi)失火或不完全燃燒，從而產(chǎn)生高HC排放；另外，當(dāng)氣缸內(nèi)連續(xù)幾個(gè)工作循環(huán)斷油后再噴油時(shí)，會(huì)導(dǎo)致缸內(nèi)過(guò)量空氣系數(shù)偏離最佳范圍，使缸內(nèi)燃燒狀況惡化，甚至發(fā)生失火或不完全燃燒，從而引起HC排放增加。

關(guān)鍵詞： 直噴式汽油機(jī)；碳?xì)浠衔?；失?/p>

DOI： 10.3969/j.issn.1001-2222.2024.03.006

中圖分類號(hào)：TK421.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B文章編號(hào)： 1001-2222（2024）03-0036-06

在過(guò)去的幾十年中，隨著人們環(huán)保意識(shí)的不斷提高，排放法規(guī)的制定和實(shí)施越來(lái)越嚴(yán)格。這種趨勢(shì)推動(dòng)了汽油直接噴射（gasoline direct injection，GDI）技術(shù)在乘用車動(dòng)力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用［1］。與傳統(tǒng)的氣道燃油噴射（port fuel injection，PFI）技術(shù)不同，GDI技術(shù)的工作原理與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)類似，將燃油直接噴射到氣缸中，從而實(shí)現(xiàn)更加靈活且精確的燃油供給控制。因此，GDI技術(shù)具有燃油效率高和尾氣排放低的潛力［2］，已經(jīng)成為汽車技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。

GDI發(fā)動(dòng)機(jī)在燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一些污染物排放，其中碳?xì)浠衔铮℉C）是主要的一種。它主要來(lái)自于不完全燃燒，成分包括烷烴、芳烴和烯烴等，這些成分即使在低濃度下也會(huì)對(duì)人體器官產(chǎn)生一定的毒性傷害［3］，因此，HC的排放問(wèn)題一直以來(lái)備受關(guān)注［4］。目前，關(guān)于點(diǎn)燃式汽油機(jī)HC形成和氧化機(jī)理已經(jīng)有了大量的相關(guān)研究。造成HC排放的主要原因可歸納為失火、淬熄、狹隙效應(yīng)、燃油機(jī)油交互、后燃不充分、氣門泄漏等［5-6］。尤其是在發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)階段，由于溫度低、轉(zhuǎn)速低，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)排放大量的HC［7-9］，這是因?yàn)槿剂险舭l(fā)和混合氣形成過(guò)程在此期間受到影響，火焰在傳播過(guò)程中靠近冷表面可能會(huì)熄滅（淬熄）。此外，燃油噴射過(guò)程中，一部分燃油附著在燃燒室的冷表面，使得燃油膜在燃燒前難以完全蒸發(fā)。據(jù)報(bào)道，在世界輕型車統(tǒng)一測(cè)試循環(huán)（world harmonized light vehicles test cycle，WLTC）中，催化劑起燃前HC排放比例可能超過(guò)90%［10］。另一項(xiàng)試驗(yàn)研究也表明，瞬態(tài)冷起動(dòng)條件下HC排放可以達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件下HC排放的10倍［11］。為了降低HC排放，科研工作者和汽車制造商不斷探索新的技術(shù)和方法，例如改善燃油噴射和燃燒控制系統(tǒng)、采用可變氣門正時(shí)技術(shù)等［12-16］。一些新技術(shù)（計(jì)算機(jī)模擬）的不斷應(yīng)用和改進(jìn)，使得GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的HC排放性能得到了顯著改善［17-20］。

發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)HC排放與缸內(nèi)燃燒狀態(tài)息息相關(guān)，然而，目前關(guān)于GDI發(fā)動(dòng)機(jī)連續(xù)瞬態(tài)HC排放與缸內(nèi)燃燒的聯(lián)合分析卻鮮有報(bào)導(dǎo)，這使得GDI發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)連續(xù)高瞬態(tài)排放的形成機(jī)理尚不明確。因此，本研究選擇在一輛符合國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的輕型車上進(jìn)行試驗(yàn)，安裝了高精度的缸壓傳感器和瞬態(tài)HC排放測(cè)量設(shè)備。同時(shí)，通過(guò)利用車輛OBD（on-board diagnostics）端口采集發(fā)動(dòng)機(jī)ECU（electronic control unit）實(shí)時(shí)電控參數(shù)。這些參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)有著至關(guān)重要的影響，對(duì)瞬態(tài)HC排放的控制與電控參數(shù)優(yōu)化具有重要參考價(jià)值。通過(guò)本研究可以更好地理解發(fā)動(dòng)機(jī)在連續(xù)瞬態(tài)工況下的燃燒過(guò)程和HC排放特性，為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和排放控制提供更為精確的理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

1試驗(yàn)裝置和方法

1.1試驗(yàn)車輛及裝置

本次試驗(yàn)選擇了一輛配備3缸GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的輕型轎車，該車輛的具體配置信息如表1所示。根據(jù)生產(chǎn)廠家推薦，車輛加注92號(hào)汽油，以保證試驗(yàn)結(jié)果能夠真實(shí)反映車輛實(shí)際HC排放情況。試驗(yàn)在轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)室中進(jìn)行，室內(nèi)溫度和濕度與環(huán)境大氣溫度（20 ℃左右）和濕度保持一致。

為了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)氣缸壓力進(jìn)行檢測(cè)，將原機(jī)的火花塞替換為集成了缸壓傳感器的火花塞（型號(hào)為KISTLER，6115BFD36）。該傳感器在火花塞結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上將缸壓傳感器集成其中，且其電極尺寸與原火花塞電極尺寸基本相同，從而確保了火花放電過(guò)程的一致性。通過(guò)一個(gè)電荷放大器將氣缸內(nèi)瞬態(tài)壓力信號(hào)傳輸至燃燒分析儀（型號(hào)為AVL Indimodule 622）。同時(shí)，燃燒分析儀也同步記錄了缸內(nèi)瞬態(tài)壓力和ECU控制參數(shù)。值得注意的是，缸內(nèi)壓力的記錄頻率設(shè)定為1 000 Hz，而車輛OBD（on-board diagnostics）端口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)最高記錄頻率則為100 Hz。

瞬態(tài)HC排放是使用Cambustion快速響應(yīng)分析儀（HFR 500）進(jìn)行測(cè)量。該儀器數(shù)據(jù)記錄頻率為1 000 Hz，能夠捕捉到逐循環(huán)的HC排放特性。采樣探頭位于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣口，探頭尖端位于排氣門下游30 mm處，如圖1所示，這樣的布置基本排除了缸與缸之間的測(cè)量干擾問(wèn)題。在本次試驗(yàn)中，對(duì)第1缸進(jìn)行了缸壓和HC排放的測(cè)量。

1.2試驗(yàn)過(guò)程描述

根據(jù)國(guó)家第六階段輕型車排放標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，試驗(yàn)車輛在底盤測(cè)功機(jī)（AVL Roadsim 48″ Compact）上按照WLTC的車速要求進(jìn)行駕駛，以此模擬實(shí)際道路交通狀況，車輛速度依次經(jīng)歷低速段、中速段、高速段和超高速段。通過(guò)從車輛OBD端口獲取的數(shù)據(jù)流，能夠識(shí)別出車輛的行駛速度。試驗(yàn)車輛的實(shí)際駕駛速度與排放測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定車速的符合程度較高，滿足測(cè)試要求。

2結(jié)果與分析

2.1HC排放分布

WLTC測(cè)試中，發(fā)動(dòng)機(jī)第1缸的HC排放分布情況見(jiàn)圖2。試驗(yàn)開(kāi)始后，隨著時(shí)間的推移，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度逐漸升高。大約300 s后，節(jié)溫器開(kāi)啟，冷卻液溫度達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，溫度范圍為80～90 ℃。通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液升溫階段出現(xiàn)了許多高HC排放峰值（超過(guò)10－2），這些峰值主要與缸內(nèi)燃燒狀況不佳有關(guān)，因?yàn)樵诎l(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液升溫階段，缸內(nèi)氣體溫度和壁面溫度都相對(duì)較低。需要強(qiáng)調(diào)的是，高HC排放并不僅僅出現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液升溫階段，在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度穩(wěn)定后WLTC的各個(gè)速度段也能觀察到。雖然催化劑起燃后大部分HC會(huì)被氧化掉，對(duì)尾氣排放的影響較小，但是降低HC原始排放對(duì)于提高燃燒效率是有積極作用的。為了深入理解WLTC中HC排放高的原因，選取了10個(gè)有代表性的HC排放峰值（編號(hào)已在圖2中標(biāo)記）進(jìn)行分析。

2.2高HC排放峰值分析

1號(hào)HC排放峰值出現(xiàn)在試驗(yàn)開(kāi)始后的22 s附近，此時(shí)，車輛的運(yùn)行狀態(tài)處于低速段。與這一排放峰值相對(duì)應(yīng)的，是圖3中顯示的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩以及過(guò)量空氣系數(shù)數(shù)據(jù)?？梢钥吹剑贖C排放峰值出現(xiàn)之前，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩出現(xiàn)了急劇下降，其最低值接近于0。從圖4的ECU控制參數(shù)的變化情況來(lái)看，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的變化是燃油噴射量減少導(dǎo)致的。在22.1 s附近，供油信號(hào)（具體含義見(jiàn)表2）的變化過(guò)程為0—3—1，說(shuō)明第1缸出現(xiàn)了斷油現(xiàn)象。然而，在斷油前的兩個(gè)工作循環(huán)中，觀察到缸內(nèi)出現(xiàn)失火或者不完全燃燒的現(xiàn)象，因?yàn)楦變?nèi)的最高壓力與純壓縮壓力相差無(wú)幾，這與油氣混合惡化或點(diǎn)火延遲有關(guān)。在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液升溫階段，延遲點(diǎn)火能夠提高廢氣溫度和促進(jìn)催化劑快速起燃［3，14-15］，但會(huì)導(dǎo)致缸內(nèi)失火或燃料不完全燃燒，增加了廢氣通道內(nèi)的HC量。另一個(gè)可能導(dǎo)致失火的原因?yàn)閾跷磺袚Q，因?yàn)閾跷磺袚Q過(guò)程中往往伴隨著油門的快速關(guān)閉和開(kāi)啟，通常會(huì)導(dǎo)致富燃與貧燃的快速切換［22］。

2號(hào)HC排放峰值出現(xiàn)在WLTC測(cè)試的第39 s左右，如圖5所示，對(duì)應(yīng)于車輛低速行駛狀態(tài)。這個(gè)峰值與1號(hào)HC排放峰值相似，同樣出現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩急劇下降之后。從供油信號(hào)的變化中可以看出，ECU在35.5～36.5 s之間沒(méi)有發(fā)出斷油信號(hào)（見(jiàn)圖6），發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩在這段時(shí)間內(nèi)接近于0，這意味著混合氣燃燒做功很少或者幾乎沒(méi)有。因此，可以推斷在這段時(shí)間內(nèi)缸內(nèi)可能發(fā)生了連續(xù)失火或不完全燃燒。由于此時(shí)缸內(nèi)溫度較低且不足以氧化和轉(zhuǎn)化掉氣缸內(nèi)的HC，因此大量的HC在排氣門打開(kāi)時(shí)進(jìn)入排氣道，并被HC分析儀檢測(cè)到。

根據(jù)圖5可以觀察到，在36～40 s這段時(shí)間內(nèi)，出現(xiàn)了幾次HC排放高峰，這些峰值出現(xiàn)的頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速密切相關(guān)，與排氣門的開(kāi)啟時(shí)刻對(duì)應(yīng)。值得注意的是，這段時(shí)間內(nèi)，HC排放峰值呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢(shì)。這種現(xiàn)象可以作如下解釋：噴油脈寬增加（見(jiàn)圖7），意味著燃油噴射量增多；同時(shí)節(jié)氣門開(kāi)度減小導(dǎo)致進(jìn)入氣缸的空氣量有所減少。然而，過(guò)量空氣系數(shù)并未減小，反而有所增加。這表明，空氣消耗減少，即燃油燃燒的比例降低，從而導(dǎo)致更多的未燃HC。當(dāng)發(fā)生連續(xù)失火時(shí)，缸內(nèi)殘余氣體占比越來(lái)越高，未燃HC的比例也會(huì)隨之逐漸升高［10］。

3～7號(hào)和9號(hào)的HC排放峰值出現(xiàn)的工況及形成規(guī)律與1號(hào)相似，文中不再對(duì)它們進(jìn)行分析和描述。

8號(hào)HC排放峰值出現(xiàn)在WLTC測(cè)試的1 410 s附近，此時(shí)車輛駕駛狀態(tài)處于高速階段。在出現(xiàn)這個(gè)高HC排放峰值之前，已經(jīng)歷經(jīng)了幾個(gè)循環(huán)的高HC排放峰值，如圖8所示。在這些排放峰值中，有一部分是由于扭矩急劇下降引發(fā)的高HC排放，另一部分則是過(guò)量空氣系數(shù)過(guò)大（超過(guò)5）導(dǎo)致混合氣過(guò)稀、燃燒不良引發(fā)的。然而，8號(hào)HC排放峰值的形成過(guò)程與前面幾個(gè)峰值不同，因?yàn)榈?缸在經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間斷油之后，突然進(jìn)行供油，這時(shí)，缸內(nèi)混合氣的過(guò)量空氣系數(shù)還未完全恢復(fù)到最佳范圍，由此引發(fā)了缸內(nèi)失火或燃燒不充分的問(wèn)題。隨后，隨著排氣門的開(kāi)啟，大量未燃HC被排出。根據(jù)過(guò)量空氣系數(shù)的變化情況來(lái)看，部分工作循環(huán)的過(guò)量空氣系數(shù)超過(guò)了1.3。除此之外，點(diǎn)火延遲也可能是造成缸內(nèi)失火或燃燒不充分的原因之一，如圖9所示。

10號(hào)HC排放峰值出現(xiàn)在WLTC的1 786～1 787 s之間，車輛駕駛處于超高速段。與8號(hào)HC排放峰值類似，在它之前也因?yàn)檫^(guò)量空氣系數(shù)過(guò)大出現(xiàn)了幾個(gè)循環(huán)的高HC排放峰值，如圖10所示。此外，在10號(hào)HC排放峰值之前有兩個(gè)與10號(hào)相似的HC排放峰值出現(xiàn)，這兩個(gè)HC排放峰值出現(xiàn)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩、過(guò)量空氣系數(shù)和HC排放濃度與10號(hào)HC排放峰值相近，推測(cè)它們的形成原因是相似的：主要原因是點(diǎn)火時(shí)刻過(guò)晚（見(jiàn)圖11）導(dǎo)致失火或燃燒不充分。催化劑起燃后，可以通過(guò)優(yōu)化點(diǎn)火策略改善缸內(nèi)燃燒，不需要再通過(guò)延遲點(diǎn)火提高排氣溫度。在10號(hào)HC排放峰值附近發(fā)生了幾次斷油事件（供油信號(hào)不為0）引起了缸內(nèi)的空燃比波動(dòng)，惡化了缸內(nèi)混合氣的燃燒，對(duì)應(yīng)的過(guò)量空氣系數(shù)出現(xiàn)了幾次峰值（最高超過(guò)2），如圖10所示。

3結(jié)論

a） 在WLTC中任何一個(gè)駕駛速度段都有可能出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)高HC排放，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液升溫是否完成對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的HC原排影響不大；

b） 發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩從高到低急劇變化時(shí)，有的氣缸未斷油，但發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開(kāi)度減小導(dǎo)致進(jìn)氣量減少，易造成缸內(nèi)失火或不完全燃燒，產(chǎn)生大量HC排放；

c） 氣缸內(nèi)連續(xù)幾個(gè)工作循環(huán)斷油后再噴油會(huì)導(dǎo)致缸內(nèi)過(guò)量空氣系數(shù)偏離最佳范圍，使燃燒惡化和HC排放增加；

d） 當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)連續(xù)低扭矩運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)刻過(guò)晚會(huì)導(dǎo)致缸內(nèi)發(fā)生連續(xù)失火或不完全燃燒，催化劑起燃后可以通過(guò)調(diào)整點(diǎn)火策略等改善缸內(nèi)燃料的燃燒。

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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

［編輯： 袁曉燕］