排氣正時對汽油機冷起動及其排放性能影響的試驗研究

王 巍，于秀敏，趙弘志，譚興聞

(1.第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，長春 130011;2.吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院，長春 130022)

前言

隨著汽車保有量的逐年激增，汽車尾氣排放問題日益嚴峻，受到了所有汽車廠家和研究機構(gòu)的高度重視。汽油機冷起動過程雖然持續(xù)時間短，但對汽油機排放將產(chǎn)生重要的影響。按照FTP-75測試規(guī)程計算，冷起動期間產(chǎn)生的未燃碳氫化合物和一氧化碳占整個測試規(guī)程的50% ～80%［1－3］。

降低冷起動過程排放量的研究一般從兩方面入手:一是改善冷起動階段的燃燒過程;二是加速催化轉(zhuǎn)換器的起燃［4］。本文中主要從前者入手，采取改變排氣門關(guān)閉時刻，以改變缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)，研究其對汽油機冷起動排放的影響。研究結(jié)果不僅為電控系統(tǒng)的控制策略提供依據(jù)，而且對冷起動工況排氣正時的標定匹配工作具有一定的指導(dǎo)意義。

1 試驗設(shè)備及方案

1.1 試驗設(shè)備及研究機型

試驗研究是在某型紅旗轎車上進行，發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù):缸徑為84mm，行程為75mm，排量為2 494mL，壓縮比為10.4。圖1是試驗布置示意圖。其中ETK-ECU為發(fā)動機管理系統(tǒng)的開發(fā)型電控單元，通過ES590接口模塊建立起PC支持的測量和標定軟件INCA與電控單元的連接。ES620是溫度傳感器信號測量裝置。ES600為網(wǎng)絡(luò)擴展模塊，將各測量模塊連接到一起，并為它們供電。LA4為空燃比儀。排放測試設(shè)備采用AVL DiGas 2200車載型五組份尾氣排放分析儀，HC和CO的測量精度分別達到0.000 1%和0.01%。

1.2 試驗方案

為保證試驗的可重復(fù)性，每相鄰兩次試驗的時間間隔均大于6h，且整車置于外部環(huán)境中，以使發(fā)動機各部件溫度均為外界環(huán)境溫度。試驗中的冷卻液溫度和潤滑油溫度均為293K，大氣壓力為101.3kPa。每次試驗固定進氣正時不變，通過改變排氣門關(guān)閉時刻(EVC)，改變缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)。噴油正時和點火正時均按原控制策略保持不變。

由于試驗中采集的排放是瞬態(tài)濃度，只能反映變化趨勢，為較全面地評價總體排放量，本文中引入平均排放濃度的概念，其定義為［5］

2 試驗結(jié)果與分析

按照上述試驗方案，排氣門關(guān)閉角從343°CA開始(這里以1缸壓縮上止點為基準，排氣門升程達到1mm時所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角)，每推遲10°CA進行一次試驗，結(jié)果如圖2～圖7所示。各次試驗條件下的排氣門關(guān)閉時刻及氣門重疊角見表1。

表1 排氣正時及氣門重疊角

2.1 不同排氣正時對轉(zhuǎn)速與過量空氣系數(shù)的影響

不同排氣門關(guān)閉時刻下的轉(zhuǎn)速曲線走勢基本一致，差別微小，如圖2所示。而圖3所示的過量空氣系數(shù)曲線基本走勢也大致相同，在最初的一段時間內(nèi)，有明顯的起動加濃過程。隨著起動過程的結(jié)束，過量空氣系數(shù)逐漸回歸到理論空燃比附近。但在起動過程結(jié)束之后，時間為1s左右時，試驗2、3、4、5的過量空氣系數(shù)均出現(xiàn)了一次小的峰值，而試驗1卻沒有出現(xiàn)，見圖4。這是由于起動過程結(jié)束后，起動控制模塊就停止了作用，接下來的控制轉(zhuǎn)入起動后控制模塊。由于起動控制模塊的控制策略是噴入大量的燃油，轉(zhuǎn)速逐漸上升后，油量也逐漸減小，當起動模塊停止作用時，必然存在一個過量空氣系數(shù)升高的過程。而其升高后又下降的原因是由于起動后控制模塊檢測到此時的噴油量不能使發(fā)動機轉(zhuǎn)速迅速升高至起動過程轉(zhuǎn)速峰值，所以又自動加大了噴油量，使過量空氣系數(shù)在這兩個模塊切換的時刻出現(xiàn)了一次小的波動。而試驗1沒有出現(xiàn)波動的原因是:排氣門關(guān)閉時刻最早，較多的殘余廢氣被關(guān)閉在氣缸內(nèi)，由于殘余廢氣中含有大量的未燃HC以及不完全燃燒產(chǎn)物CO，提高了缸內(nèi)溫度，減小了激冷層厚度，增加HC和CO的氧化，使轉(zhuǎn)速升高率得到提高。在電控單元由起動控制模塊向起動后控制模塊切換之后，起動后控制模塊檢測到發(fā)動機轉(zhuǎn)速升高速率較高，因此沒有對噴油量進行補償，所以試驗1的過量空氣系數(shù)曲線沒有出現(xiàn)其他試驗所示的波動。

2.2 不同排氣正時對起動時間的影響

圖5為上述試驗的起動時間對比，其大致趨勢是隨排氣門關(guān)閉時刻的推遲，起動時間隨之增長。

因為排氣門關(guān)閉時刻提前，更多的殘余廢氣被關(guān)閉在缸內(nèi)，增大了殘余廢氣系數(shù)，這部分殘余廢氣中包含了大量的未燃或者未完全燃燒的可燃成分，它們參與了下一循環(huán)的燃燒過程，改善了燃燒性能，從而使發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升更快，縮短了起動時間。對于排氣門關(guān)閉時刻為383°CA時起動時間又稍有縮短，其原因是此時的氣門重疊角較大，充量得到提高，使該條件下可燃混合氣的量增大，以致轉(zhuǎn)速升高更快;其次，此時排氣門的遲后關(guān)閉，減少了強制排氣損失。以上兩點原因共同作用的結(jié)果便是排氣門關(guān)閉時刻為383°CA時的起動時間相對于排氣門關(guān)閉時刻為373°CA時稍有縮短，約為50ms。

2.3 不同排氣正時對排放的影響

圖6和圖7為上述試驗的HC、CO排放隨時間變化的曲線。由圖可見，每次試驗的HC和CO排放量趨勢基本一致，都是起動之初迅速升高，達到峰值后逐漸降低。從圖上還可以看出，排氣門關(guān)閉時刻對HC排放影響較為明顯，對CO排放的影響并不是很大;而且HC排放在達到峰值后降低速度較慢，而CO排放達到峰值后的降低速度較快，約20s后即可降低到1%以下的水平。根據(jù)該特點，可將排放的曲線分成兩個明顯的階段，第1階段即起動開始的前20s，而第2個階段為20～60s的時間段?？梢钥闯?，前20s時，HC、CO排放有相對明顯的差異;而經(jīng)過20s后，無論是HC還是CO排放，基本都達到了相對穩(wěn)定的階段，各次試驗間的差異很小。此外，冷起動第1階段的HC排放總量約占前60s排放總量的50%，而CO約占80%。

圖8和圖9為上述試驗的排放平均濃度對比。由圖可見，排氣門關(guān)閉時刻為353°CA時，HC和CO排放的平均濃度最低。從這一關(guān)閉時刻起，無論是提前或是推遲排氣門關(guān)閉時刻，HC和CO排放都呈現(xiàn)增加趨勢。由圖8還可見，排氣門關(guān)閉時刻分別為343、353、363、373°CA 時，各次試驗間的 HC 排放平均濃度相差不多。排氣門關(guān)閉時刻為383°CA時，HC排放量最高，且增量較大，其前60s的平均濃度達到了0.028 9%。而排氣門關(guān)閉時刻為353°CA時，HC排放平均濃度為0.026 3%，相對于383°CA時降低了10.3%。由圖9可以看出，當排氣門關(guān)閉時刻為383°CA時，CO排放量出現(xiàn)了降低。本試驗下的最高CO排放出現(xiàn)在排氣門關(guān)閉時刻為373°CA時，其前60s的平均濃度達到了0.956%;排氣門關(guān)閉時刻為383°CA時，CO排放平均濃度為0.89%;而排氣門關(guān)閉時刻為353°CA時，CO排放平均濃度為0.757%，與該機原始排氣門關(guān)閉時刻(383°CA)相比降低了14.9%。

冷起動階段HC排放量高的主要原因［6］如下。

(1)縫隙效應(yīng) 在壓縮和燃燒行程中，發(fā)動機缸內(nèi)壓力升高，可燃混合氣被擠入各縫隙中。當火焰前鋒到達縫隙處時，由于淬熄作用不能進入縫隙，造成此部分可燃混合氣未能完全氧化。直到排氣行程缸內(nèi)壓力下降，被擠入縫隙中的混合氣逐漸回流，但此時已是排氣行程，缸內(nèi)溫度已經(jīng)降低，氧的含量也不高，所以回流氣體僅有一小部分能再次被氧化，大部分被排出缸外，造成冷起動階段HC排放量高。

(2)壁面激冷效應(yīng) 激冷效應(yīng)導(dǎo)致燃燒中斷，化學(xué)反應(yīng)變緩或者停止。結(jié)果，在燃燒室壁表面留下一層未燃或者未完全燃燒的淬熄層。尤其冷起動工況下，溫度越低，淬熄層越厚，同時已燃氣體溫度降低以及缸內(nèi)混合氣較濃，對HC的后期氧化作用減弱，因此導(dǎo)致冷起動工況下HC排放量高。

(3)大容積淬熄 發(fā)動機冷起動工況下，因發(fā)動機溫度低，燃油霧化差，燃燒不穩(wěn)定，繼而使火焰前鋒面到達燃燒室壁面前就可能熄滅。這也是造成冷起動階段HC排放量高的原因。

而CO排放量主要與燃燒溫度和氧濃度有關(guān)。冷起動階段燃燒溫度低，偏濃的混合氣又使氧含量降低，所以導(dǎo)致冷起動階段CO排放量高。因此，一切能使縫隙效應(yīng)、激冷效應(yīng)減弱，使氣缸內(nèi)溫度升高的措施都能使冷起動階段HC和CO排放量降低。試驗結(jié)果顯示，由于提前排氣門關(guān)閉時刻，使得排放量降低，其原因如下。首先，隨著排氣門關(guān)閉時刻的逐漸提前，被關(guān)閉在缸內(nèi)的殘余廢氣量逐漸增大，導(dǎo)致缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)增大。這些殘余廢氣中包含大量的燃油蒸汽和焰前反應(yīng)的中間產(chǎn)物，這些未燃或者未完全燃燒的混合氣對缸內(nèi)下一循環(huán)的過量空氣系數(shù)有很大影響，它們的存在將導(dǎo)致下一循環(huán)的混合氣變濃，改善了發(fā)動機冷態(tài)的著火性能。其次，排氣門關(guān)閉時刻提前，更多的未燃或者未完全燃燒的混合氣被關(guān)閉在缸內(nèi)留至下一循環(huán)再次參與燃燒，這本身就在一定程度上降低了冷起動階段的排放量。最后，被關(guān)閉在缸內(nèi)的殘余廢氣溫度相對于新鮮充量溫度高出許多，具有很強的熱效應(yīng)。當排氣門關(guān)閉時刻提前，缸內(nèi)的殘余廢氣量增大，殘余廢氣的熱效應(yīng)使缸內(nèi)充量的初始溫度提高，進而壓縮終了時的溫度和壓力都得到提高，極大地改善了混合氣的著火性能和燃燒性能，加快了燃燒速度，使燃燒更徹底。

3 結(jié)論

(1)通過提前排氣門關(guān)閉時刻，適當增大缸內(nèi)殘余廢氣量，可以改善發(fā)動機冷起動階段燃燒性能，使起動時間有所減短。

(2)在汽油機冷起動階段，通過提前排氣門關(guān)閉時刻，使部分殘余廢氣留在缸內(nèi)參與下一循環(huán)的燃燒過程，可有效降低排放量。但并非呈正比關(guān)系，而是存在一個最佳排氣門關(guān)閉時刻，使排放量最低。本文的試驗樣機為353°CA。

(3)通過調(diào)節(jié)排氣門關(guān)閉時刻，使更多的未燃或者未完全燃燒的混合氣被關(guān)閉在缸內(nèi)參與下一循環(huán)的燃燒，這在一定程度上降低了排放量;此外，被關(guān)閉在缸內(nèi)的殘余廢氣具有很強的熱效應(yīng)，使缸內(nèi)充量的初始溫度提高，進而使壓縮終了的溫度提高，極大地改善了混合氣的著火性能和燃燒性能，減輕了后續(xù)循環(huán)的激冷效應(yīng)和大容積淬熄。這對冷起動階段排放量的降低是有利的。

［1］Hu Chunming，Liu Na，Li Wei，et al.Investigation on Rapid Lean-burning of Spark Ignition LPG Engines［C］.SAE Paper 2006－32－0079.

［2］Carter Robert N.Laboratory Evaluation of Ultra-short Metal Monolith Catalyst［C］.SAE Paper 980672.

［3］Kaiser Edward W，et al.Time-Resolved Measurement of Speciated Hydrocarbon Emissions During Cold Start of a Spark-Ignited Engine［C］.SAE Paper 940963.

［4］程勇，王建昕，等.電控汽油機起動及暖機工況燃燒狀況的分析統(tǒng)計［J］.內(nèi)燃機學(xué)報，2002，20(1):62 －66.

［5］姚春德，倪培永，姚廣濤.進氣預(yù)熱降低汽油機冷起動排放的研究［J］.內(nèi)燃機學(xué)報，2006，24(6):494 －499.

［6］周龍保.內(nèi)燃機學(xué)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2005.