基于NEDC循環(huán)的增壓直噴汽油機(jī)顆粒物排放控制*

張 毅 李基鳳 馬冠欽 楊萬里 王瑞平，2（-寧波吉利羅佑發(fā)動機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 353362-浙江吉利羅佑發(fā)動機(jī)有限公司）

引言

渦輪增壓直噴汽油機(jī)（TGDI）與傳統(tǒng)的氣道多點(diǎn)噴射汽油機(jī)相比具有更高的效率及更好的響應(yīng)性，已經(jīng)成為汽油發(fā)動機(jī)發(fā)展的必然趨勢[1]。噴油方式的改變以及油氣混合氣形成的時間較短導(dǎo)致了顆粒物排放明顯高于傳統(tǒng)汽油機(jī)[2]。粒徑10μm以上的顆粒物，會被擋在人的鼻子外面；粒徑在2.5μm至10μm之間的顆粒物，能夠進(jìn)入上呼吸道，但部分可通過痰液等排出體外，另外也會被鼻腔內(nèi)部的絨毛阻擋，對人體健康危害相對較小；而粒徑在2.5μm以下的細(xì)顆粒物，不易被阻擋，被吸入人體后會直接進(jìn)入支氣管，干擾肺部的氣體交換，引發(fā)哮喘、支氣管炎和心血管病等方面的疾病[3]。因此展開車輛匹配TGDI發(fā)動機(jī)顆粒物排放控制的研究具有重要意義。

本文主要針對乘用車歐六B排放法規(guī)與發(fā)動機(jī)開發(fā)目標(biāo)，以一款1.5 LTGDI發(fā)動機(jī)為研究對象，研究該款發(fā)動機(jī)匹配整車NEDC循環(huán)時，PM（Particle Matter，顆粒物質(zhì)量）與PN（Particle Number，顆粒物數(shù)量）產(chǎn)生的主要工況，并對PM與PN產(chǎn)生的工況進(jìn)行優(yōu)化，通過二次噴射，優(yōu)化啟動階段空燃比，優(yōu)化三元催化器加熱時間與軌壓壓力等綜合措施，最終使發(fā)動機(jī)滿足開發(fā)目標(biāo)，滿足歐六B法規(guī)要求，并具有滿足歐六C的潛力。本研究對于增壓直噴汽油機(jī)PM及PN排放控制具有參考意義。

1 歐六排放法規(guī)要求與發(fā)動機(jī)顆粒物排放開發(fā)目標(biāo)

1.1 排放法規(guī)分析

隨著全球經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展，車輛保有量的與日俱增，大氣污染日益嚴(yán)重。為了緩解能源與環(huán)境之間的矛盾，各國政府紛紛出臺更加嚴(yán)厲的排放法規(guī)控制車輛排放。歐盟共同體2012年公布了歐六排放法規(guī)。M1類車輛歐六排放限值與歐五排放限值對比如表1所示。

表1 乘用車歐六與歐五排放限值對比

歐六與歐五排放限值的變化在于控制顆粒物上的變化，其余排放物的限值沒有變化。歐六首次提出了缸內(nèi)直噴汽油機(jī)（GDI）PN的限值，并分階段執(zhí)行，PM限值均為4.5 mg/km。

歐洲排放循環(huán)采用歐盟共同體制定的NEDC循環(huán)，該循環(huán)由4個ECE（市區(qū)）循環(huán)與1個EUDC（郊區(qū)）循環(huán)組成，共計1 180 s，行駛里程為11.02 km，平均時速為33.62 km/h。行駛循環(huán)如圖1所示。

圖1 NEDC循環(huán)

1.2 發(fā)動機(jī)顆粒物排放開發(fā)目標(biāo)

研究發(fā)動機(jī)為一款渦輪增壓中冷缸內(nèi)直噴汽油機(jī)，采用雙VVT（進(jìn)排氣可變氣門正時），采用GPF（汽油機(jī)顆粒捕捉器）。車輛NEDC循環(huán)時，顆粒物排放開發(fā)目標(biāo)如表2所示。

表2 整車顆粒物排放開發(fā)目標(biāo)

文中研究的發(fā)動機(jī)處于開發(fā)階段，尚未選定GPF，且GPF的捕捉率能保持90%以上水平，源排（不經(jīng)過GPF后的排放）達(dá)標(biāo)，尾排（經(jīng)過GPF后的排放）即可達(dá)標(biāo)，因此試驗均基于源排進(jìn)行分析。

2 試驗設(shè)備與方法

2.1 試驗設(shè)備

試驗所采用的發(fā)動機(jī)為4缸直列1.6L TGDI發(fā)動機(jī)，電控系統(tǒng)為聯(lián)電系統(tǒng)。燃料采用95#汽油，試驗臺架示意圖如圖2所示。臺架測試系統(tǒng)為AVL Puma OpenV1.5.3，電力測功機(jī)為AVL INDY S22-2/0525-1BS-1，燃燒分析為AVL602，空燃比儀為LA4 ETAS630，油耗分析儀為AVL7351CST，PM、PN測試采用HORIBA MEXA-2100SPCS。尾氣首先通過預(yù)分級器，其中PM1（直徑為1 um的顆粒物）通過率大于99%，PM2.5～PM10（直徑為2.5～10 um的顆粒物）通過率大于50%。測試排氣中顆粒物的瞬時數(shù)量與質(zhì)量（測量范圍為2.5～10 um顆粒物至少99%通過測試通道，采樣頻率為10 Hz）。顆粒物采樣完成后，利用空氣對采樣量進(jìn)行稀釋，利用HORIBA公司的MEXA-7400HLE型排放分析儀測量稀釋后的PM。PN的測量利用稀釋加熱器、蒸發(fā)管和稀釋冷卻器組成的揮發(fā)性微粒去除裝置去除可揮發(fā)的核態(tài)微粒，采用HORIBA公司的MEXA-1000SPCS型微粒計算器對固態(tài)的聚態(tài)微粒進(jìn)行采集和測量。

圖2 試驗臺架示意圖

2.2 試驗方法

以車輛、發(fā)動機(jī)、變速箱、輪胎的主要參數(shù)，計算車輛NEDC循環(huán)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速。

根據(jù)車輛速度平衡得車輛行駛速度[4]：

式中：u為車速，n為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，r為輪胎半徑。

根據(jù)車輛驅(qū)動力與阻力平衡得車輛驅(qū)動力[4]：

式中：Ft為車輛驅(qū)動力，F(xiàn)f為車輛滾動阻力，F(xiàn)i為風(fēng)阻，F(xiàn)w為坡道阻力，F(xiàn)j為加速阻力；

車驅(qū)動力與阻力平衡公式進(jìn)一步展開[4]：

式中：Tt為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩，ig為變速箱擋位速比，i0為主減速比，ηT為傳動系統(tǒng)效率，G為車輛重力，f為滾動摩擦系數(shù)，Cd為風(fēng)阻系數(shù)，A為迎風(fēng)面積，θ為道路坡度，δ為車輛旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。平直道路上，不存在坡度阻力，因此驅(qū)動力與車輛滑行阻力平衡。

式中：a，b，c為道路滑行阻力二次項、一次項和常數(shù)項。

該款1.5TGDI發(fā)動機(jī)匹配整車主要參數(shù)如表3所示。

表3 發(fā)動機(jī)匹配車輛主要參數(shù)

通過車輛速度平衡、驅(qū)動力與道路滑行阻力平衡兩個方程求解NEDC循環(huán)時發(fā)動機(jī)工況。

求解得到的發(fā)動機(jī)工況如圖3所示。

圖3 NEDC循環(huán)時發(fā)動機(jī)工況

根據(jù)圖3所示的循環(huán)測試發(fā)動機(jī)排放，試驗過程中，進(jìn)氣溫度控制為25℃，空氣濕度控制為50%。發(fā)動機(jī)啟動后，立即開始采樣進(jìn)行排放測試分析工作。

3 發(fā)動機(jī)初始狀態(tài)NEDC循環(huán)顆粒物分析

對顆粒物瞬時產(chǎn)生量與累計產(chǎn)生量進(jìn)行分析，包含PM與PN。

3.1 PM分析

圖4為顆粒物瞬時質(zhì)量流量，圖5給出了顆粒物密度流量，圖6為顆粒物質(zhì)量累積過程。

圖4 NEDC循環(huán)顆粒物瞬時質(zhì)量流量

圖5 NEDC循環(huán)顆粒物瞬時密度

圖6 NEDC循環(huán)顆粒物累積質(zhì)量

從圖4可以看出，顆粒物質(zhì)量流量在啟動后20 s內(nèi)最高。圖5說明，顆粒物瞬時密度在啟動10 s達(dá)到最高值110 mg/m3。圖6中顆粒物累積質(zhì)量分布說明4個ECE（城市工況）中產(chǎn)生的顆粒物質(zhì)量占NEDC循環(huán)的50%，其中90%產(chǎn)生于前195 s，即第一個ECE循環(huán)；EUDC貢獻(xiàn)了NEDC循環(huán)中另一半顆粒物質(zhì)量。

3.2 PN分析

圖7為顆粒物瞬時排放個數(shù)，圖8顯示了顆粒物累積排放個數(shù)。

圖7 NEDC循環(huán)顆粒物瞬時排放個數(shù)

圖8 NEDC循環(huán)顆粒物累積排放個數(shù)

圖7表明瞬時顆粒物排放數(shù)量最多的工況為循環(huán)前195 s，即第一個ECE循環(huán)，其余3個ECE循環(huán)與EUDC循環(huán)瞬時顆粒物排放量較第一個ECE循環(huán)低一個數(shù)量級。圖8中顆粒物累積數(shù)目說明，第一個ECE循環(huán)，顆粒物數(shù)目急劇上升，貢獻(xiàn)NEDC循環(huán)50%的顆粒物數(shù)目，然后緩慢上升，貢獻(xiàn)另外50%的顆粒物數(shù)目。

發(fā)動機(jī)初始狀態(tài)NEDC循環(huán)PM與PN排放如表4所示。

表4 發(fā)動機(jī)初始狀態(tài)顆粒物排放

表4說明，發(fā)動機(jī)初始狀態(tài)下，顆粒物源排超標(biāo)嚴(yán)重，其中PM超標(biāo)35%，PN超標(biāo)356%。

通過分析發(fā)動機(jī)初始狀態(tài)下，顆粒物源排質(zhì)量與數(shù)目得出以下3點(diǎn)結(jié)論：

1）顆粒物主要產(chǎn)生于發(fā)動機(jī)啟動過程中；

2）催化器加熱過程中產(chǎn)生一定顆粒物；

3）加速過程中產(chǎn)生少量顆粒物。

4 發(fā)動機(jī)NEDC循環(huán)顆粒物優(yōu)化分析

針對初始狀態(tài)發(fā)動機(jī)顆粒物產(chǎn)生的主要工況，對發(fā)動機(jī)標(biāo)定進(jìn)行優(yōu)化，主要進(jìn)行以下4個方面的優(yōu)化，每次優(yōu)化均基于前一種優(yōu)化進(jìn)行。

1）實現(xiàn)二次噴射；

2）優(yōu)化過量空氣系數(shù)；

3）優(yōu)化三元催化器加熱時間，并優(yōu)化點(diǎn)火角；

4

）優(yōu)化軌壓壓力。

4.1 實現(xiàn)二次噴射

初始狀態(tài)發(fā)動機(jī)噴油方式為一次進(jìn)氣道噴射，噴油時刻為進(jìn)氣沖程始端。實現(xiàn)二次噴射后，預(yù)噴為進(jìn)氣沖程始端，二噴為壓縮沖程末端。二次噴射前后，噴油時刻對比如圖9所示。

圖9 二次噴射噴油時刻

360°CA（Crank Angle）為上止點(diǎn)，0°CA為壓縮上止點(diǎn)。

實現(xiàn)二次噴射后，NEDC循環(huán)顆粒物排放有顯著下降。其中排氣中顆粒物濃度變化如圖10所示。

圖10 二次噴射前后顆粒物濃度（PN）變化

NEDC循環(huán)顆粒物質(zhì)量與數(shù)量如表5所示。

表5 發(fā)動機(jī)二次噴射后顆粒物排放

對比表5與表4說明實現(xiàn)二次噴射后，啟動階段，發(fā)動機(jī)顆粒物排放有了較大改善，具體如下:

1）ECE工況：PM下降了33%，EUDC工況：PM也有一定程度下降，下降了35%；

2）ECE工況：PN下降了35%，EUDC工況：PN也有一定程度下降，下降了32%；

3）NEDC工況：PM下降了35%，PN下降了34%。

4.2 優(yōu)化過量空氣系數(shù)

4.1中過量空氣系數(shù)與發(fā)動機(jī)初始狀態(tài)一致，優(yōu)化NEDC循環(huán)中過量空氣系數(shù)，即加速工況，少噴油，提高空燃比系數(shù)，減速工況，延遲斷油，降低空燃比系數(shù)。過量空氣系數(shù)優(yōu)化前后對比如圖11所示。

圖11 過量空氣系數(shù)對比

優(yōu)化過量空氣系數(shù)后，顆粒物排放有一定程度

降低。其中排氣顆粒物濃度變化如圖12所示。

圖12 優(yōu)化過量空氣系數(shù)前后顆粒物濃度對比

NEDC循環(huán)顆粒物質(zhì)量與數(shù)量如表6所示。

表6 發(fā)動機(jī)優(yōu)化過量空氣系數(shù)后顆粒物排放

對比表6與表5說明，優(yōu)化過量空氣系數(shù)后，啟動階段，發(fā)動機(jī)顆粒物排放有了較大改善，其中：

1）ECE工況：PM下降了48%，EUDC工況：PM也有一定程度下降，下降了14%；

2）ECE工況：PN下降了44%，EUDC工況：PN也有一定程度下降，下降了4%；

3）NEDC工況：PM下降了36%，PN下降了37%。

4.3 優(yōu)化三元催化器加熱時間與點(diǎn)火角

4.2中三元催化器加熱時間與點(diǎn)火提前角與發(fā)動機(jī)初始狀態(tài)一致，優(yōu)化NEDC循環(huán)中三元催化器加熱時間，使催化器溫度迅速上升，快速起燃，同時優(yōu)化前200 s點(diǎn)火提前角，使燃燒更加充分。優(yōu)化三元催化器加熱時間與點(diǎn)火角前后，三元催化器中心溫度變化對比如圖13所示，點(diǎn)火角對比如圖14所示。

圖13 催化器中心溫度對比

圖14 點(diǎn)火角對比

圖13表明，優(yōu)化催化器起燃過程后，起步階段催化器中心溫度上升較快，NEDC循環(huán)過程中，催化器中心溫度較之前高接近100℃。

圖14表明，優(yōu)化點(diǎn)火角后，NEDC工況前150s點(diǎn)火角有一定延遲，有利于低溫狀態(tài)下發(fā)動機(jī)燃燒持續(xù)期的延長。

優(yōu)化催化器加熱時間與點(diǎn)火角后，顆粒物排放有所減低。其中顆粒物濃度變化如圖15所示。

圖15 優(yōu)化三元催化器加熱時間與點(diǎn)火角前后顆粒物濃度對比

NEDC循環(huán)顆粒物質(zhì)量與數(shù)量變化如表7所示。

對比表7與表6說明，優(yōu)化三元催化器加熱時間與點(diǎn)火角后，NEDC循環(huán)發(fā)動機(jī)顆粒物排放有了很大改善，其中：

1）ECE工況：PM下降了52%，EUDC工況：PM也有一定程度下降，下降了5%；

2）ECE工況：PN下降了51%，EUDC工況：PN也有一定程度下降，下降了5%；

3）NEDC工況：PM下降了26%，PN下降了40%。

4.4 優(yōu)化軌壓壓力

4.3中油軌軌壓與發(fā)動機(jī)初始狀態(tài)一致，優(yōu)化啟動階段軌壓壓力，可以改善燃油霧化，改善混合氣混合質(zhì)量，改善燃燒，降低顆粒物生成。優(yōu)化軌壓壓力前后，油軌軌壓對比如圖16所示。

優(yōu)化軌壓壓力后，顆粒物排放有所降低。其中顆粒物濃度變化如圖17所示。

圖16 優(yōu)化油軌軌壓前后軌壓對比

圖17 優(yōu)化軌壓壓力前后顆粒物濃度對比

NEDC循環(huán)顆粒物質(zhì)量與數(shù)量變化如表8所示。

表8 發(fā)動機(jī)優(yōu)化軌壓壓力前后顆粒物排放

對比表8與表7說明，優(yōu)化軌壓壓力后，即將NEDC循環(huán)前50 s，軌壓壓力由0.6 MPa提高為0.8 MPa后，發(fā)動機(jī)顆粒物排放有了一定改善，主要表現(xiàn)為顆粒物個數(shù)的降低，其中：

1）ECE工況：PM保持不變，EUDC工況：PM下降了61%，下降十分顯著；

2）ECE工況：PN下降了37%，EUDC工況：PN也有一定程度下降，下降了10%；

3）NEDC工況：PM下降了41%，PN下降了26%。

4）PM與PN并不具備同樣的變化趨勢。

滿足表2所示的發(fā)動機(jī)開發(fā)目標(biāo)，并具有達(dá)到歐六C，經(jīng)過GPF后顆粒物數(shù)目小于3×1012的潛力。

5 結(jié)論

以一臺1.5LTGDI發(fā)動機(jī)為對象，在測試臺架上完成了發(fā)動機(jī)排放測試，并對燃油噴射方式、過量空氣系數(shù)、催化器起燃時間、點(diǎn)火角、軌壓壓力等展開了優(yōu)化工作，解決了該款發(fā)動機(jī)顆粒物排放超標(biāo)的問題。結(jié)論如下：

1）顆粒物主要產(chǎn)生于發(fā)動機(jī)啟動過程中，催化器加熱過程中也會產(chǎn)生一定的顆粒物。此外，加速過渡工況也會產(chǎn)生少量的顆粒物。

2）采用二次噴射方式，降低過量空氣系數(shù)，縮短三元催化器，適當(dāng)提前點(diǎn)火角，適當(dāng)提高軌壓壓力，可以有效降低顆粒物排量。

3）PM與PN兩者之間并沒有必然的同樣變化趨勢。