發(fā)動(dòng)機(jī)排放測(cè)試技術(shù)在直噴型發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)中的應(yīng)用

王君，于忠貴，徐思遠(yuǎn)，張凱，高永亮

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發(fā)動(dòng)機(jī)排放測(cè)試技術(shù)在直噴型發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)中的應(yīng)用

王君，于忠貴，徐思遠(yuǎn)，張凱，高永亮

（哈爾濱東安汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司，黑龍江 哈爾濱 150060）

隨著《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》即輕型車“國(guó)六排放”標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，發(fā)動(dòng)機(jī)排放情況成了各大車廠主要監(jiān)測(cè)對(duì)象。由于測(cè)試工況較之國(guó)五發(fā)生巨大變化（過(guò)渡工況增加，穩(wěn)態(tài)工況減少），發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)排放情況更是監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)。該論文主要論述在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架標(biāo)定中，發(fā)動(dòng)機(jī)排放測(cè)試技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)排放監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用，以及在發(fā)動(dòng)機(jī)最佳排放點(diǎn)選取上的作用。從而實(shí)現(xiàn)不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的排放優(yōu)化，進(jìn)而降低整車排放狀況以滿足國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)的要求，明確產(chǎn)品改進(jìn)與研發(fā)方向。

國(guó)六排放；發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定；數(shù)據(jù)優(yōu)化；排放測(cè)試設(shè)備

1 引言

汽車在人們生活中扮演著越來(lái)越重要的角色，隨著汽車數(shù)量的增加，汽車排放污染也變得越來(lái)越嚴(yán)重，尤其是排氣中的氣體如碳?xì)浠衔铩⒁谎趸己臀⑿☆w粒物等對(duì)人體會(huì)有所損害。汽車尾氣排放污染成為人們都需要面對(duì)的難題和挑戰(zhàn)。

隨著國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的正式發(fā)布，各大車企都在研究應(yīng)對(duì)法規(guī)的先進(jìn)汽車技術(shù)。基于已經(jīng)成型的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，燃油電控噴射等成為主要優(yōu)化方向，其中發(fā)動(dòng)機(jī)排放測(cè)試設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)優(yōu)化起到至關(guān)重要的作用。

汽車排氣污染物的主要產(chǎn)生原因?yàn)椋阂谎趸紴槿加筒煌耆紵a(chǎn)生；碳?xì)錇槿加臀唇?jīng)燃燒或蒸發(fā)泄露的部分生成；氮氧化物為發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷較大時(shí)氮?dú)鈪⑴c燃燒與氧氣生成。針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)不同的工況，不同時(shí)刻產(chǎn)生污染物的種類與數(shù)量都不同。標(biāo)定過(guò)程中就需要對(duì)應(yīng)的進(jìn)行調(diào)節(jié)優(yōu)化。

2 本文的研究意義和內(nèi)容

2.1 本文的研究意義

在國(guó)六工況中，由于大部分加減速等過(guò)渡工況，故發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)不明朗，排放情況波動(dòng)較大，在國(guó)六WLTC曲線第二工況升降擋頻繁，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速變化大，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒狀況急劇變化，排放情況無(wú)法明確，本文主要針對(duì)DAE某款直噴發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在臺(tái)架和搭載在整車上，運(yùn)行對(duì)應(yīng)工況后，利用發(fā)動(dòng)機(jī)排放測(cè)試設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)排放情況，并根據(jù)排放的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如何進(jìn)行優(yōu)化提升。

2.2 本文的主要研究?jī)?nèi)容

通過(guò)介紹發(fā)動(dòng)機(jī)排放測(cè)試設(shè)備在發(fā)動(dòng)機(jī)排放優(yōu)化中的作用：1）針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣態(tài)排放污染物，通過(guò)直接采樣排放設(shè)備將汽車整工況排放情況進(jìn)行測(cè)量記錄，并生成秒采數(shù)據(jù)曲線，根據(jù)秒采數(shù)據(jù)曲線得出發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況中某一時(shí)刻排放情況不佳，然后進(jìn)行參數(shù)更改直至最優(yōu)；2）針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)碳煙度與微顆粒污染物，通過(guò)碳煙度計(jì)與顆粒物記數(shù)設(shè)備，測(cè)量在某一轉(zhuǎn)速與負(fù)荷下，不同燃油噴射控制對(duì)其排放數(shù)量的影響，根據(jù)所得數(shù)據(jù)繪制曲線直觀體現(xiàn)最佳排放點(diǎn)位。

圖1 國(guó)六WLTP工況曲線（多過(guò)渡工況）

3 排放測(cè)試設(shè)備在試驗(yàn)中的應(yīng)用

3.1 整車氣態(tài)排放污染物的監(jiān)測(cè)

3.1.1測(cè)試設(shè)備與原理

對(duì)于國(guó)六排放測(cè)試，可通過(guò)MEXA-7500D（汽車直采排放系統(tǒng)，HORIBA）設(shè)備直接進(jìn)行汽車尾氣的監(jiān)測(cè)與采集；在生成數(shù)據(jù)曲線后，對(duì)試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)或車輛進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)優(yōu)化以降低其排放狀況。

3.1.2測(cè)試原始排放數(shù)據(jù)

滿足國(guó)五排放標(biāo)準(zhǔn)的車輛在初次進(jìn)行國(guó)六排放WLTP測(cè)試時(shí)，各階段工況污染物排放結(jié)果均不理想，測(cè)試最終結(jié)果超過(guò)限值，如圖2。

圖2 DAE某款直噴發(fā)動(dòng)機(jī)國(guó)六排放測(cè)試結(jié)果

其中CO的排放量已經(jīng)超過(guò)排放限值的三倍，根據(jù)直采排放設(shè)備采集結(jié)果后，計(jì)算并繪制排放秒采曲線如圖3，根據(jù)曲線可以看出在整個(gè)工況測(cè)試中，各階段均有CO產(chǎn)生，并且“峰值”較高。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)原始CO排放秒采數(shù)據(jù)

圖4 第一次優(yōu)化后發(fā)動(dòng)機(jī)CO排放秒采數(shù)據(jù)

3.1.3中、高車速段排放優(yōu)化

針對(duì)圖2中的發(fā)動(dòng)機(jī)排放情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在車輛常溫冷啟動(dòng)階段也就是0-40s的時(shí)間里，為了啟動(dòng)成功，發(fā)動(dòng)機(jī)噴油加濃導(dǎo)致CO排放量升高為正常現(xiàn)象，在超高速工況車速最高達(dá)到130km/h左右，并且升降速跨度大時(shí)間短，容易發(fā)生氧傳感器開環(huán)控制。所以在第一次優(yōu)化中，主要針對(duì)中、高速工況的開環(huán)與噴油加濃控制進(jìn)行調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)后得到如圖4的CO排放秒采曲線，由圖可看出優(yōu)化結(jié)果明顯。

3.1.4啟動(dòng)噴油段排放優(yōu)化

之后在啟動(dòng)加濃允許的條件下，對(duì)啟動(dòng)時(shí)刻的噴油加濃情況進(jìn)行調(diào)整，獲得如圖5所示的優(yōu)化啟動(dòng)噴油后的CO排放秒采曲線，前面已經(jīng)提過(guò)由于啟動(dòng)段的CO排放是無(wú)法避免的，所以只能做到部分減少。

圖5 第二次優(yōu)化后發(fā)動(dòng)機(jī)CO排放秒采數(shù)據(jù)

圖6 最終優(yōu)化后發(fā)動(dòng)機(jī)CO排放秒采數(shù)據(jù)

3.1.5超高速段排放優(yōu)化

最后對(duì)超高速段氧傳感器開環(huán)進(jìn)行控制，關(guān)閉部分排溫保護(hù)，調(diào)節(jié)點(diǎn)火控制與噴油提前角，試驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)全程排溫情況，在排溫可接受的情況下反復(fù)微調(diào)超高速段控制策略，最終根據(jù)直采排放設(shè)備記錄數(shù)據(jù)繪制如圖6所示曲線，從圖中可以看出，全工況下CO較原始排放結(jié)果已經(jīng)全部降低，測(cè)試總結(jié)果均滿足國(guó)六限值要求。

同樣的該監(jiān)測(cè)與優(yōu)化方法對(duì)THC與NOX也同樣適用。

圖7 優(yōu)化后發(fā)動(dòng)機(jī)國(guó)六排放測(cè)試結(jié)果

3.2 整車顆粒排放污染物的監(jiān)測(cè)

3.2.1測(cè)試設(shè)備與原理

在國(guó)六顆粒物排放監(jiān)測(cè)中，主要通過(guò)SPCS-2000（顆粒物采集計(jì)數(shù)系統(tǒng)，HORIBA）設(shè)備與MEXA-1230soot（碳煙度計(jì)，HORIBA）針對(duì)同一狀態(tài)、不同控制參數(shù)下發(fā)動(dòng)機(jī)排放情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)與采集，根據(jù)所得數(shù)據(jù)繪制曲線圖或雷達(dá)圖，選取最優(yōu)發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物排放點(diǎn)。

3.2.2測(cè)試原始排放情況

在進(jìn)行國(guó)六試驗(yàn)時(shí)利用SPCS-2000設(shè)備進(jìn)行秒采顆粒物采集，根據(jù)所測(cè)得數(shù)據(jù)繪制排放曲線，如圖8。從圖中可以看出與CO相同，在啟動(dòng)段與超高速段顆粒物排放量“峰值”較高，可以得出發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)與氧傳感器開環(huán)控制狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生顆粒物的部分原因。

圖8 試驗(yàn)排放總量數(shù)據(jù)輸出

但在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)噴油優(yōu)化與閉環(huán)控制后，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物排放情況略有改善但不明顯，所以使用煙度計(jì)進(jìn)行顆粒物“掃點(diǎn)”優(yōu)化。

3.2.3發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下顆粒物排放測(cè)量

圖9 轉(zhuǎn)速—發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物排放曲線

驗(yàn)證同一時(shí)刻不同轉(zhuǎn)速對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物排放的影響，例如在發(fā)動(dòng)機(jī)100N·m的負(fù)荷下，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?000r到5500r的拉升，使用碳煙度計(jì)每500r記錄一個(gè)點(diǎn)，最后通過(guò)所記錄的數(shù)據(jù)繪制曲線，如圖9，可以看出發(fā)動(dòng)機(jī)在2000- 3000r顆粒物排放量比較低。據(jù)此可選取該負(fù)荷下最佳檔位點(diǎn)。

3.2.4發(fā)動(dòng)機(jī)不同噴油相位下顆粒物排放測(cè)量

驗(yàn)證同一時(shí)刻不同噴油相位對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物排放的影響，例如：在發(fā)動(dòng)機(jī)2000r、100N·m條件下，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)噴油相位從110°到350°的變化，使用碳煙度計(jì)每10°記錄一個(gè)點(diǎn)，根據(jù)所得數(shù)據(jù)繪制曲線，如圖10。該曲線趨勢(shì)不夠明顯，舍棄不佳顆粒物排放點(diǎn)后得到如圖11所示曲線，可以明顯看出該工況下300°噴油相位角為最佳狀態(tài)。

圖10 噴油相位角—發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物排放曲線

圖11 優(yōu)化后噴油相位角—發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物排放曲線

3.2.4全工況優(yōu)化

按照以上方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)全工況、全負(fù)荷進(jìn)行“掃點(diǎn)”類測(cè)量，最后得出整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物排放特性對(duì)應(yīng)的MAP圖，據(jù)此進(jìn)行優(yōu)化。

優(yōu)化后發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行國(guó)六試驗(yàn)顆粒物排放秒采排放結(jié)果如圖12，對(duì)比后可看到整個(gè)工況中顆粒物排放量“峰值”全部消失，最終測(cè)量結(jié)果也滿足國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)限值。

圖12 直接采樣計(jì)算結(jié)果與稀釋采樣測(cè)試結(jié)果對(duì)比

4 總結(jié)與展望

本文就目前日益加嚴(yán)的汽車排放限值，介紹了依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)排放測(cè)試設(shè)備針對(duì)不同發(fā)動(dòng)機(jī)污染物排放情況進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、記錄和處理，最后依據(jù)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行深入優(yōu)化，以保證產(chǎn)品排放滿足國(guó)家要求。

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的排放問(wèn)題，一直是人們關(guān)心的重點(diǎn)，那么發(fā)動(dòng)機(jī)排放物如何產(chǎn)生，在什么情況下產(chǎn)生的，理應(yīng)是我們研究的方向，揚(yáng)湯止沸不如釜底抽薪，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并在根源上解決問(wèn)題才是我們技術(shù)人員應(yīng)該具備的基本能力，只有這樣我們才能開拓更廣闊的天地。

Application of Engine Emission Testing Technology in the Development of Direct Injection Engine

Wang Jun, Yu Zhonggui, Xu Siyuan, Zhang Kai, Gao Yongliang

（Harbin DongAn Automotive Engine Manufacturing Co., Ltd, Heilongjiang Harbin 150060）

With the release of the emission limits and measurement methods for pollutants in light vehicles (China's sixth phase), namely the " national six emission standards" for light vehicles, engine emissions have become the main monitoring objects of major automakers. The dynamic emission of the engine is the focus of monitoring, because the test condition has changed greatly compared with that in national 5 (the transition condition increases and the steady-state condition decrea- ses).This paper mainly discusses the application of engine emission testing technology in engine emission monitoring in engine bench calibration, as well as the role in selecting the best emission point of engine.In this way, the engine emission optimization under different working conditions can be realized, and the vehicle emission can be reduced to meet the require- ments of the national six standards, and the direction of product improvement and research and development can be defined.

National six emission standards; Engine calibration; Data optimization; Emission testing equipment

U464

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1671-7988(2019)07-145-03

王君，就職于哈爾濱東安汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司。

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1671-7988(2019)07-145-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.07.049