缸內直噴式汽油機在實際行駛排放條件下的顆粒物排放

【德】 S．BUSCH H．ZELLBECK

1 型式認證的新方法

近10年來，廢氣排放法規的限值對發動機的開發起到了決定性的影響，而轎車的產品型式認證必須滿足排放要求，這也促使了目前法定的排放認證發生重大變化。主要變化包括試驗規程由全球統一的輕型車試驗程序（WLTP）替代了新歐洲行駛循環（NEDC），同時還需查明實際行駛排放（RDE）的情況。這對當前的發動機開發提出了更大的挑戰，而隨著法規的實施，促使眾多車型被淘汰。除此之外，歐洲從2007年9月1日起開始實施轎車最終的顆粒數（PN）排放限值為6×1011／km。在現代汽油機上，將燃油直接噴入燃燒室中是制造商目前采用的主要技術。與進氣道噴射相比，缸內直接噴射提供的可變性大幅增加，但缸內混合氣形成也導致了大的顆粒物（PM）排放，因此近幾年德累斯頓理工大學內燃機專業在基準車輛上對各種影響排放因素進行了全面的試驗研究［1］。

2 方法和測量程序

試驗研究的目的是定性和定量地判斷不同的RDE運行條件對PN排放的影響，其中除了PN之外特別將PM尺寸分布作為描述PM特性的方法具有重要的意義［2－3］。由發動機燃燒產生的PM形成了尺寸、結構和成分有很大差異的聚合彌散系統［4］。可以肯定的是，減小PM尺寸可以降低對人體的傷害［5］。為了檢測發動機廢氣中的PN數值，曾使用過各種測量儀器和技術，除了傳統的廢氣測量技術之外，還使用了顆粒尺寸光譜儀TSI 3090EEPS、凝聚核心計數器TSI 3022A、汽車尾氣檢測系統AVL M．O．V．E和 AVL M．O．V．E PN、汽車尾氣檢測系統 Horiba OBS－One GS和 Horibo OBS－One－PN、透射電子顯微鏡Zeiss Libra 200MC。

在1臺具有代表性的試驗車上進行轉鼓試驗臺測試，由于其所搭載的發動機及其技術功能模塊廣泛應用于A～C級車型，因而是極具代表性的汽油機類型。表1列出了這種試驗車的主要技術數據。為了能獲得全面的結論，在試驗程序中，在關注RDE運行條件的同時，還要進行用于評估PN排放的認證循環。圖1表示排放認證時與溫度范圍相關的各種因素，以及所進行的相關試驗。試驗的目標是研究即使在低氣溫下影響PN排放的主要因素。

表1 試驗車主要技術數據

圖1 廢氣轉鼓試驗臺上的試驗程序與型式認證時法定范圍的比較

3 WLTP替代NEDC

圖2示出了從NEDC轉換到WLTP行駛循環法規規定的WLTC中對排放的影響因素。為了能評估行駛循環變化的影響，在試驗臺上選擇了相同的溫度（23℃）和負荷調節等邊界條件，而且并不要求完整地開展認證程序，查明的廢氣排放值用于與行駛循環進行比較。PN濃度曲線（CN）表明，在非穩態運行狀況下會引起較高的PN排放，其中在寬廣的運行范圍內WLTC行駛循環的峰值明顯高于NEDC行駛循環的峰值，其原因是較高的行駛動力學可以使所需的功率在發動機特性曲線場內運行工況點有較大變化。總體而言，比較圖2（a）的PN曲線的積分值（Nintegral）可以看出，WLTC行駛循環中的PN排放量幾乎是NEDC行駛循環的3倍。正如圖2（b）中的單位計值所表明的那樣，CO2排放幾乎沒有太大的差異，按照曲線走向WLTC的CO2排放低1．3%，其中行駛里程較長所帶來的好處超過了WLTC行駛循環中較高動力學所引起的不利影響，而PN曲線則明顯顯示出WLTC行駛循環的單位里程PN排放要比NEDC行駛循環的高約80%。

圖2 NEDC和 WLTC行駛循環關于PN排放和每公里PN與CO2總排放量的評估

4 RDE替代行駛循環中的溫度影響

在研究向RDE試驗程序的轉換時，對試驗的影響因素進行詳細的研究。主要的研究內容是在法規規定的行駛循環以及直至極端行駛條件和駕駛策略的自由行駛循環中廣泛的動力學變化和溫度變化，直至在－25℃的極端條件下進行試驗。除了認證試驗循環之外，還為試驗選擇了2種非標準化但是常用的被稱為RDE＿30的高動力學行駛循環，這種行駛譜示于圖3（a）。為了進行極限考察，行駛循環被選擇得略微超過RDE行駛法定的極限動力學［6］。發動機冷起動后300 s的情況示于圖3（b），顯然PN濃度CN溫度強烈依賴于環境溫度，在動態行駛過程期間隨著環境溫度的降低，PM濃度大大增加，而認證溫度（23℃）下的PM濃度明顯低于其他所有的試驗情況，最明顯的是后者的冷起動效果變差。TSI 3090EEPS PM尺寸光譜儀能按時間和尺寸的分布狀況采集PM，這樣就能判斷PM特性。圖3（b）中示出的PM 直徑（Dp－mittel）能夠按時間描述PM尺寸的分布狀況，圖3（c）中示出的局部放大曲線圖可以看出，隨著試驗溫度的降低，PM尺寸分布的平均直徑增大。值得注意的是，2張曲線圖中的曲線分布具有非常相似的走向。這些曲線表明了在低環境溫度運行期間將采取的發動機運行策略的轉換。如參考文獻［1］中所述，顯示了延遲點火時間等加熱措施與PN排放增加之間的關系。

圖3 在開發循環RDE＿30冷起動范圍及其整個行駛譜中溫度對PN排放的影響

冷起動之后總是存在著燃燒穩定性（或舒適性）、廢氣后處理系統的主動加熱和低PN排放之間的目標沖突。從圖4（a）可以看出，在冷起動溫度范圍內產生了較多的PN排放，溫度更低冷起動的PN排放會顯著增加，主要是由于濕度較低的燃燒室為了主動加熱催化轉化器而改變運行工況點，使本來較高的原始排放的氧化反應惡化，因此減少了冷起動期間的PN排放。根據圖4（b）可知，PN依賴于試驗溫度，隨著冷起動溫度的降低PN近似線性增加。

圖4 開發行駛循環RDE＿30相對值和與溫度關系的最終結果

5 動力學和溫度的總評價

圖5綜合比較了各種行駛循環下的PN試驗結果，并從低到高對行駛循環動力學進行分級，評價的基礎和基準是23℃時NEDC行駛循環的PN系數為1。根據所注明的百分比數據，就能看出單純提高行駛動力學使PN增加，從中查明了因行駛動力學提高而使PN增加了350%，而垂直線則表示溫度會對排放產生影響。引人注目的是在RDE＿30行駛譜中溫度具有非常大的影響，PN系數的最大值將達到25。

圖5 PN排放對行駛循環動力學和試驗溫度依賴關系的總評價

6 結論

在RDE行駛循環中，本文對PN最重要的影響因素行駛動力學和起動溫度進行了試驗研究，通過定性和定量作出了評價。在試驗中以NEDC行駛循環為基準，當行駛動力學增強時PN排放最多可增加350%，溫度的影響在于隨著起動溫度的降低PN排放顯著增加，而在RDE＿30中在極端情況下PN排放會增加440%，同時已確定PN排放對起動溫度呈近線性的關系，而且隨著溫度降低PM平均直徑顯著增大。不依賴于汽油機顆粒捕集器而優化發動機，力爭在PN方面獲得更多的優勢，因此依靠冷起動可以降低PN排放，這與快速暖機以及較低溫度下的燃燒穩定性之間的協調性對于未來具有重大的意義。