降低發動機催化器起燃工況下碳氫排放的方法

林思聰 吳堅 李鈺懷 秦博 吳翔

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院）

近年來我國乘用車銷量保持平穩快速的增長態勢，與此同時，相應的排放法規日益嚴格，2019年將實施第六階段排放標準[1]，WLTC（全球統一輕型車輛測試循環）中碳氫排放物限值為100 mg/km。在WLTC中，發動機冷啟動與暖機過程排出的碳氫量通常占到總碳氫排放量的90%以上。研究人員已經在發動機試驗臺架上通過調整發動機控制參數進行了發動機碳氫排放的影響因素研究，得出了節氣門開度越大、點火提前角越小及混合氣越稀則碳氫排放越低的結論，但這些結論是基于發動機熱機工況試驗結果得出的。文章根據WLTC的特點，對催化器起燃工況碳氫排放的影響因素進行研究，通過調整發動機的運轉參數獲取不同控制策略與碳氫排放的關系。

1 未燃碳氫的生成與氧化

1.1 未燃碳氫的生成[2-5]

1）發動機燃燒室中的縫隙、氣缸壁面的潤滑油膜及燃燒室壁面的沉積物等，在進氣與壓縮過程中會吸附混合氣或燃油蒸氣，使其無法參與燃燒，在膨脹行程的后期及排氣過程中釋放出來，形成未燃碳氫，是不可避免的。

2）可燃混合氣大容積的淬熄、失火或部分燃燒、氣缸中的液體燃料等也會產生未燃碳氫。這部分未燃碳氫是由于燃燒過程惡化與不穩定，或燃燒速度緩慢，致使火焰傳播不完全造成的部分或全部混合氣未參與燃燒，也會極大地增加碳氫排放，需要盡量避免。

1.2 未燃碳氫的氧化[6-8]

對于燃燒室中躲過燃燒過程的未燃碳氫，在膨脹和排氣過程中不斷釋放出來，然后被卷入高溫的已燃氣體中并發生氧化反應，這個氧化過程從未燃碳氫釋放時刻開始持續到溫度和氧濃度比較低時停止，因此氧化過程可能發生在缸內、排氣道及排氣管甚至三元催化器中。

2 降低碳氫排放的方法

在WLTC中，由于催化器起燃前的碳氫排放對測試結果影響巨大，因此，發動機管理系統會采用專門的催化器起燃控制策略，以達到降低整車排放的目的。文章重點論述了催化器起燃工況下降低碳氫排放的方法。

2.1 推遲點火提前角

推遲點火提前角可以降低排氣中的碳氫濃度，同時提高排氣溫度，如圖1所示。從圖1中可以看出，在保持相同負荷的前提下，點火提前角由-6°CA減小至-24°CA時，碳氫排放的濃度由2 981×10-6降低至869×10-6，排氣溫度由484℃升高至771℃，可見點火提前角對碳氫排放與排氣溫度有明顯的影響。這是因為當點火提前角推遲時，燃燒相位相應推遲，活塞下行較多才開始燃燒，缸內氣體壓力降低，較低的缸內壓力使進入燃燒室縫隙與吸附在潤滑油膜處的未燃碳氫的數量減少。同時由于燃燒推遲，燃燒持續到膨脹行程后期甚至是排氣行程，使得膨脹行程后期與排氣過程已燃氣體的溫度比較高，促進了此階段釋放出來的未燃碳氫的氧化作用。這兩方面的原因導致排氣中的未燃碳氫濃度的降低。

圖1 發動機點火提前角與排氣溫度和碳氫排放的關系曲線圖

2.2 提高發動機扭矩

提高發動機扭矩也可以降低排氣中的碳氫濃度，同時提高排氣溫度，圖2示出發動機扭矩與排氣溫度和碳氫排放的關系曲線圖。從圖2可以看出，在保持相同燃燒穩定性的前提下，發動機扭矩由10 N·m提高至28 N·m時，碳氫排放的濃度由1 905×10-6降低至304×10-6，排氣溫度由510℃升高至875℃，可見發動機扭矩對碳氫排放與排氣溫度也有明顯的影響。這是因為當發動機扭矩提高時，在維持相同燃燒穩定性的前提下可以采用較遲的點火提前角，雖然缸內氣體壓力升高，使進入燃燒室縫隙與吸附在潤滑油膜處的未燃碳氫的數量增多，但較高的燃燒溫度提高了燃燒室與氣缸壁面的溫度，減小了淬熄層厚度，從而減少了未燃碳氫。更重要的是，缸內氣體溫度升高了，極大地加強了未燃碳氫的氧化。

圖2 發動機扭矩與排氣溫度和碳氫排放的關系曲線圖

2.3 提高發動機轉速

發動機轉速對碳氫排放與排氣溫度也是有影響的，提高發動機轉速可以降低排氣中的碳氫濃度并提高排氣溫度。圖3示出發動機轉速與排氣溫度和碳氫排放的關系曲線圖。從圖3可以看出，在保持相同的點火提前角與負荷的前提下，發動機轉速由1 000 r/min提高至1 600 r/min時，碳氫排放的濃度由1 301×10-6降低至308×10-6，排氣溫度由547℃升高至753℃。這是因為未燃碳氫在潤滑油膜處吸附量與釋放量與時間相關，轉速提高后，循環時間減小了，因此通過潤滑油膜產生的未燃碳氫的數量也相應減少。另一方面，在相同點火提前角下，轉速提高后，由于燃燒時間基本保持不變，對應的燃燒持續曲軸轉角變大了，同樣導致排氣溫度的提高，未燃碳氫氧化作用加強。

圖3 發動機轉速與排氣溫度和碳氫排放的關系曲線圖

2.4 采用偏稀空燃比

過量空氣系數對碳氫排放與排氣溫度的影響也是非常明顯的。采用較大的過量空氣系數可以降低排氣中的碳氫濃度，同時提高排氣溫度。圖4示出過量空氣系數與排氣溫度和碳氫排放的關系曲線圖。

圖4 過量空氣系數與排氣溫度和碳氫排放的關系曲線圖

從圖4可以看出，在保持相同的點火提前角與負荷的前提下，過量空氣系數由0.75提高至1.05時，碳氫排放的濃度由7 069×10-6降低至1 013×10-6，排氣溫度由498℃升高至694℃。這是因為，一方面過量空氣系數提高后，空燃比變稀，燃燒速度變慢，使得排氣溫度升高，同時燃燒結束后的已燃氣體中的氧濃度變大，都對未燃碳氫的氧化起到加強作用。另一方面比較稀的空燃比，含有的未燃碳氫濃度較低，使得積蓄在燃燒室縫隙與吸附在潤滑油膜處的未燃碳氫的量減小，因此總的未燃碳氫排放減少。

2.5 提高發動機水溫

圖5示出發動機水溫對碳氫排放的影響曲線圖。

圖5 發動機水溫對碳氫排放的影響曲線圖

從圖5中可以看出，發動機水溫由30℃升高至90℃時，碳氫排放的濃度下降50%左右。發動機水溫決定了燃燒室與氣缸壁面的溫度，一方面減少了已燃氣體對壁面的傳熱量，從而提高了已燃氣體溫度；另一方面，改善了燃油的霧化效果，避免在缸內出現液態燃油，有利于減少未燃碳氫的生成與加強未燃碳氫的氧化。

3 結論

為解決整車排放測試中重點關注的冷機與暖機過程的碳氫排放，對發動機催化器起燃工況進行了發動機碳氫排放試驗。試驗結果說明，推遲點火提前角、控制偏稀空燃比及提高發動機水溫等可以明顯減少碳氫排放；提高發動機扭矩與轉速也能達到降低碳氫排放的目的。綜合運用這些策略可以明顯地降低碳氫排放，但是，為了滿足國VI排放法規更嚴格的碳氫排放要求，可能還需要配合催化器性能的提高。