電控168F汽油機(jī)燃燒與排放特性分析

劉勝吉， 韓維維， 曾瑾瑾， 王建

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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電控168F汽油機(jī)燃燒與排放特性分析

劉勝吉， 韓維維， 曾瑾瑾， 王建

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

自主開發(fā)了通用小型汽油機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)，通過柔性控制混合氣濃度優(yōu)化燃燒性能和發(fā)動機(jī)排放及其他綜合性能。將其應(yīng)用于168F汽油機(jī)，通過研究過量空氣系數(shù)(φa)對整機(jī)工作過程和排放特性的影響來制訂控制策略。為滿足美國EPA現(xiàn)行排放法規(guī)，標(biāo)定工況需使用比功率混合氣偏濃的混合氣減少NOx排放，部分負(fù)荷采用偏稀的混合氣控制CO和HC排放，同時需要控制發(fā)動機(jī)的循環(huán)波動。結(jié)合優(yōu)化點火提前角(θ)研究形成了整機(jī)匹配的最佳φa和θ并寫入MAP，汽油機(jī)整機(jī)動力性不變，排放和經(jīng)濟(jì)性能提高，能全面滿足用戶使用和美國EPAⅢ排放法規(guī)要求。

汽油機(jī)； 電控系統(tǒng)； 過量空氣系數(shù)； 排放控制

通用小型汽油機(jī)在我國是指功率在30 kW以下的小型發(fā)動機(jī),而歐洲和美國等國家及地區(qū)是指功率在19 kW以下的小型發(fā)動機(jī)[1]。其用途十分廣泛,可為發(fā)電機(jī)組、水泵、割草機(jī)、噴霧器、鏈鋸等設(shè)備提供動力,國際上的需求量非常大[2]。在生產(chǎn)過程中為了保證發(fā)動機(jī)的功率和工作穩(wěn)定性,化油器配給的混合氣濃度比較濃，必然導(dǎo)致HC和CO排放量加大。近年來美國等發(fā)達(dá)國家對發(fā)動機(jī)的排放限值不斷加嚴(yán),使用化油器供油的通用小型汽油機(jī)難以全面滿足排放限值和使用性能的要求，給我國出口通用小型汽油機(jī)帶來一定的困難。國內(nèi)外學(xué)者從代用燃料、合理燃燒過程以及尾氣后處理技術(shù)等方面作了大量的研究[3-10]，而對電控通用小型汽油機(jī)研究較少，已有報道的多為電控兩沖程小型汽油機(jī)[11]。據(jù)美國EPA官方網(wǎng)站[12]數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2014年通過EPA排放認(rèn)證的非道路用四沖程汽油機(jī)共計895種機(jī)型，其中98.7%仍是傳統(tǒng)化油器式。由于我國化油器和汽油機(jī)性能的生產(chǎn)一致性偏差較大，且用化油器式汽油機(jī)滿足排放性能后，兼顧經(jīng)濟(jì)性、起動性能和運(yùn)行穩(wěn)定性等使用性能有一定的難度，因此低排放高性能的電控化通用小型汽油機(jī)是未來發(fā)展的必然趨勢，因此開發(fā)針對四沖程通用小型汽油機(jī)的電子控制系統(tǒng)具有重要意義。

本研究以某168F汽油機(jī)為例，為其加裝電控系統(tǒng)，可以根據(jù)不同工況柔性控制混合氣濃度以及點火提前角，綜合優(yōu)化小型通用汽油機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性能和起動性能等。用測量的示功圖研究和判斷內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)燃燒工作狀態(tài)，評價分析燃燒過程[13]，研究燃燒對改善排放的效果。過量空氣系數(shù)和點火性能是影響通用小型汽油機(jī)排放的主要因素，已有研究表明兩者之中過量空氣系數(shù)是主要的影響因素[14]。

本研究探討將電控系統(tǒng)應(yīng)用于168F汽油機(jī)以實現(xiàn)不采用后處理技術(shù)滿足美國EPA第Ⅲ階段排放法規(guī)要求的可能性，主要研究電控噴油改變過量空氣系數(shù)對發(fā)動機(jī)燃燒過程和排放的影響。

1 試驗研究方案

1.1 試驗樣機(jī)及排放限值

以168F通用汽油機(jī)為研究對象,其主要參數(shù)見表1。1995年，美國EPA制定了世界上首個針對通用小型汽油機(jī)的排放法規(guī)，該法規(guī)第Ⅰ階段限值于1997年正式實施。2011年開始，EPA第Ⅲ階段排放法規(guī)逐步實施。中國和歐盟目前執(zhí)行第Ⅱ階段法規(guī)，其排放限值與EPA第Ⅱ階段排放限值相同，測試方法等基本一致。從第Ⅱ階段開始在使用壽命期內(nèi)進(jìn)行排放考核。EPA第Ⅲ階段排放法規(guī)是目前世界上最嚴(yán)格的通用小型汽油機(jī)排放法規(guī)，168F汽油機(jī)對應(yīng)的排放限值見表2。

表1 168F汽油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

表2 不同階段排放法規(guī)要求(100～225 cm3排量)

1.2 電控燃油噴射系統(tǒng)工作原理

電控燃油噴射系統(tǒng)使用傳感器獲得進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力、節(jié)氣門位置和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)判斷發(fā)動機(jī)工況，ECU根據(jù)當(dāng)前工況下進(jìn)入氣缸的空氣質(zhì)量及目標(biāo)空燃比計算所需基本噴油量。使用氣缸頭部溫度對基本噴油量進(jìn)行修正，得到最終噴油量。ECU根據(jù)噴油器特性及最終噴油量計算噴油脈寬，將該噴油脈寬信號傳輸給噴油器實現(xiàn)運(yùn)行工況的供油量控制。ECU確定噴油脈寬的控制流程見圖1。

圖1 ECU控制流程

1.3 試驗研究方案

圖2示出試驗系統(tǒng)示意。試驗是在電渦流測功機(jī)臺架上進(jìn)行，通過測功機(jī)調(diào)整樣機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷，獲得穩(wěn)定的預(yù)定測量工況，用KISTLER5117BFD17火花塞式壓力傳感器測取氣缸壓力信號輸入到燃燒分析儀，通過DEWETRON-800燃燒分析儀可以獲得氣缸壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化情況，即示功圖。測量發(fā)動機(jī)不點火時的壓縮線，用熱力學(xué)法分析求得汽油機(jī)熱力上止點位置。通過標(biāo)定軟件改變噴油持續(xù)期來改變運(yùn)行工況的過量空氣系數(shù)，測量不同過量空氣系數(shù)下的示功圖數(shù)據(jù)、汽油機(jī)功率、有效燃油消耗率和排放等，并確定綜合性能優(yōu)化的方案，對噴油脈寬標(biāo)定時汽油機(jī)保持18°點火提前角不變。

圖2 電控168F汽油機(jī)試驗系統(tǒng)示意

2 試驗內(nèi)容與結(jié)果分析

2.1 示功圖的測試與排放分析

在示功圖測試過程中，定義內(nèi)燃機(jī)在標(biāo)定轉(zhuǎn)速標(biāo)定功率下的負(fù)荷為100%負(fù)荷工況。試驗以1°轉(zhuǎn)角分辨率測量不同工況下發(fā)動機(jī)的示功圖。圖3示出由電控樣機(jī)3 600 r/min，100%負(fù)荷工況點示功圖計算得出的缸內(nèi)最高燃燒壓力、最高燃燒溫度以及NOx排放值隨過量空氣系數(shù)(φa)的變化關(guān)系。圖4示出不同過量空氣系數(shù)下瞬時放熱率和燃燒持續(xù)期(累計放熱率為10%和90%所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角的差值)的變化。通過電控系統(tǒng)改變噴油脈寬來控制φa在0.8～0.93之間。由圖中可以看出，φa為0.88時，發(fā)動機(jī)放熱率峰值最大，氣缸內(nèi)最高燃燒壓力最大，約為4.76MPa。此時發(fā)動機(jī)動力性最優(yōu)，混合氣濃度為功率混合氣。φa偏離0.88時，氣缸壓力和放熱率峰值均下降。φa在0.8～0.93之間缸內(nèi)燃燒溫度隨混合氣濃度變稀而降低，但都超過2 000K，φa大于0.88時，最高燃燒溫度下降變緩，說明氧含量增加不僅使燃燒更加完善，同時可以降低燃燒速度。氧含量增加有利于NOx的生成，因此隨φa增大NOx排放呈增加趨勢。

圖3 不同φa下發(fā)動機(jī)最高燃燒壓力、最高燃燒溫度和NOx排放

圖4 不同φa下發(fā)動機(jī)放熱率、燃燒持續(xù)期和HC排放

按照美國EPA法規(guī)要求進(jìn)行測試循環(huán)，計算比排放量時不同工況設(shè)有不同的加權(quán)系數(shù)。汽油機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速下加權(quán)系數(shù)并不代表各工況尾氣排放中CO，HC，NOx的排放值占總排放量的比例,各工況排放值占總排放量的比例需引入單工況分擔(dān)率的概念[15]。利用分擔(dān)率對發(fā)動機(jī)的排放進(jìn)行分析,才能說明發(fā)動機(jī)各個工況排放量對整機(jī)排放值的貢獻(xiàn)和影響。100%,75%,50%負(fù)荷工況NOx的分擔(dān)率達(dá)89.5%[16]。因此中大負(fù)荷需控制過量空氣系數(shù)，降低NOx排放，重點優(yōu)化發(fā)動機(jī)排放性能。依據(jù)美國EPA法規(guī)，168F汽油機(jī)的HC+NOx排放限值為10g/(kW·h)，CO排放限值為610g/(kW·h)，參考已有研究結(jié)果[17-18]和電控系統(tǒng)測得的排放值,采用電控系統(tǒng)后，節(jié)氣門喉口直徑適當(dāng)加大，進(jìn)氣量增大，標(biāo)定功率提高的同時，HC排放值明顯低于采用化油器的結(jié)果(見圖4)，標(biāo)定工況點φa在0.86左右時，電控樣機(jī)有可能滿足法規(guī)限值要求。

圖5示出在3 600 r/min時電控樣機(jī)各排放物排放量和有效燃油消耗率隨φa的變化關(guān)系。由圖可以看出，隨著φa增加，HC和CO排放呈減小趨勢，NOx排放呈增大趨勢，有效燃油消耗率呈降低趨勢。在相同的φa下，CO和HC隨負(fù)荷變化不大，而NOx排放隨負(fù)荷增加呈快速增大趨勢。由NOx產(chǎn)生機(jī)理可知，當(dāng)負(fù)荷增大時燃燒溫度升高，促進(jìn)了NOx的生成。因此在大負(fù)荷工況下需要較小的φa來抑制NOx的產(chǎn)生。在50%以上負(fù)荷工況時可將φa設(shè)置在0.86～0.90之間，且隨著負(fù)荷增加逐步減小。

圖5 不同負(fù)荷下排放值和有效燃油消耗率隨φa的變化

2.2 燃燒循環(huán)波動研究

燃燒循環(huán)波動是汽油機(jī)燃燒過程的一大特征，它是指發(fā)動機(jī)在某一工況穩(wěn)定運(yùn)行時，相鄰循環(huán)燃燒過程的進(jìn)行情況不斷變化，具體表現(xiàn)在壓力曲線及發(fā)動機(jī)功率輸出均不相同[19]。小負(fù)荷時過量空氣系數(shù)過大會引起汽油機(jī)燃燒的循環(huán)波動大[20],造成工作穩(wěn)定性變差, 甚至造成汽油機(jī)的游車。

平均指示壓力(pi)的循環(huán)波動被認(rèn)為是評價燃燒循環(huán)變動的最佳參數(shù)，用pi的統(tǒng)計參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差SD(pi)、變動率(標(biāo)準(zhǔn)偏差/平均值)CV(pi)定量地評定循環(huán)變動的方法已為大家普遍采用[21]。本研究通過連續(xù)采集試驗工況下100個工作循環(huán)的示功圖，分析在低負(fù)荷和怠速工況時過量空氣系數(shù)對發(fā)動機(jī)燃燒循環(huán)波動的影響。平均指示壓力變動率計算由下式給出。

圖6 不同φa下發(fā)動機(jī)循環(huán)波動

2.3φa控制策略

從上述可知，發(fā)動機(jī)接近滿負(fù)荷時發(fā)動機(jī)熱負(fù)荷增加，此時需要降低φa來抑制NOx的生成，將φa設(shè)置在0.86左右，兼顧發(fā)動機(jī)動力性，此時NOx排放處于急速上升前期，排放值較低。在50%以下負(fù)荷時由于NOx排放量較小，過量空氣系數(shù)的確定應(yīng)以汽油機(jī)工作穩(wěn)定為前提，綜合考慮發(fā)動機(jī)排放等性能，可以將φa設(shè)置在0.90～0.96之間。對比3 600r/min時發(fā)動機(jī)各負(fù)荷的過量空氣系數(shù)，采用電控系統(tǒng)后發(fā)動機(jī)各負(fù)荷過量空氣系數(shù)均增大，且隨著負(fù)荷變化柔性控制。綜合考慮發(fā)動機(jī)各方面性能，樣機(jī)采用電控系統(tǒng)后標(biāo)定轉(zhuǎn)速φa控制策略見圖7。

圖7 兩種控制方式下負(fù)荷特性比較(n=3 600 r/min)

2.4 電控汽油機(jī)與原機(jī)性能對比

為了對比電控168F汽油機(jī)與原機(jī)的整機(jī)性能，對其進(jìn)行外特性試驗，結(jié)果見圖8。從圖8可看出，168F汽油機(jī)使用電控燃油系統(tǒng)后，在保證動力性的前提下改善了經(jīng)濟(jì)性。標(biāo)定工況有效燃油消耗率為343.9 g/(kW·h)，比原機(jī)降低了1.3%；在轉(zhuǎn)速為3 200 r/min時，有效燃油消耗率達(dá)到最低值，僅為324.7 g/(kW·h)，比原機(jī)降低了3.4%。

圖8 168F汽油機(jī)全負(fù)荷速度特性對比曲線

對以上設(shè)定φa控制目標(biāo)的電控樣機(jī)，結(jié)合優(yōu)化后的點火提前角進(jìn)行排放測試，并與化油器式原機(jī)進(jìn)行對比，測試結(jié)果見表3。采用電控系統(tǒng)后發(fā)動機(jī)CO排放值為240.3g/(kW·h)，HC+NOx排放值為5.61g/(kW·h)，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)限值，有足夠的劣化余量滿足排放法規(guī)要求。CO排放值較原機(jī)降低41.4%，HC和NOx排放相對于原機(jī)分別降低了64.2%和32.3%。在不使用后處理技術(shù)時原機(jī)的HC+NOx排放無法滿足EPAⅢ階段排放限值，而電控樣機(jī)達(dá)到了EPAⅢ階段排放限值要求。

表3 采用電控系統(tǒng)后與原機(jī)排放物對比 g/(kW·h)

3 結(jié)論

a) 采用電控系統(tǒng)后發(fā)動機(jī)各工況φa可實現(xiàn)柔性控制；168F汽油機(jī)標(biāo)定工況點φa為0.88時缸內(nèi)是功率混合氣，氣缸壓力和放熱率峰值均最大，混合氣變稀氧含量增加使燃燒更加完善，燃燒速度降低；標(biāo)定工況φa在0.80～0.93之間，NOx排放隨φa增大呈增加趨勢；而部分負(fù)荷時，φa增大有利于HC，CO排放和燃油消耗率的降低，NOx排放略有增大，有利于整機(jī)HC+NOx的降低；發(fā)動機(jī)在3 600r/min時，φa宜控制在0.86～0.96之間，且隨著負(fù)荷增加逐步減?。?/p>

b) 使用設(shè)定的φa控制目標(biāo)結(jié)合優(yōu)化后的點火提前角，電控汽油機(jī)整機(jī)CO排放值為240.3g/(kW·h)，HC+NOx排放值為5.61g/(kW·h)，整機(jī)排放值較原機(jī)明顯降低，經(jīng)濟(jì)性得到顯著提高，不使用后處理技術(shù)能達(dá)到美國EPAⅢ階段排放限值要求，且有潛力滿足更加嚴(yán)格的排放法規(guī)。

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[編輯： 潘麗麗]

Combustion and Emission Characteristics of 168F Electronic Controlled Gasoline Engine

LIU Shengji, HAN Weiwei, ZENG Jinjin, WANG Jian

(School of Automotive and Traffic Engineering, Jiangsu University， Zhenjiang 212013, China)

The electronic control fuel injection system of universal small gasoline engine was self-developed and the combustion, emission and other comprehensive performance were optimized through controlling the mixture concentration flexibly. The system was applied to 168F gasoline engine and its control strategy was determined according to the influences of excess air coefficient(φa)onengineworkingprocessandemissioncharacteristics.InordertomeetthecurrentemissionstandardofUnitedStatesEnvironmentalProtectionAgency(EPA),therichermixturewasusedtoreduceNOxemissioninratedconditions,theleanmixturewasusedtoreduceCOandHCemissions,andthecyclicfluctuationofengineshouldbecontrolled.Theoptimalφaand θ were determined by introducing the optimized ignition advance angle and were written into the MAP. Accordingly, the power of the gasoline engine kept unchanged and the emission and economy improved, which met the user application requirements and EPAⅢ emission standard.

gasoline engine； electronic control unit； excess air coefficient； emission control

2015-08-27；

2015-11-09

劉勝吉(1958—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為中小功率內(nèi)燃機(jī)工作過程研究與性能優(yōu)化；liusj@ujs.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.01.011

TK411.5

B

1001-2222(2016)01-0058-05