增壓直噴汽油發動機控制參數對排放影響的分析

張冬冬

增壓直噴汽油發動機控制參數對排放影響的分析

張冬冬

（珠海市理工職業技術學校，廣東 珠海 519070）

發動機噴油時刻、配氣正時、過量空氣系數、點火時刻等發動機燃燒控制參數對增壓直噴汽油機的缸內壓力、缸內平均溫度、燃燒放熱率、排氣顆粒物粒徑及濃度分布等會造成不同程度的影響，對汽車尾氣的排放產生一定的影響，通過對發動機各控制參數的調整，使發動機達到最佳的排放狀態。

增壓直噴汽油機；顆粒物；尾氣排放

前言

試驗工況選取相當于車輛常用行駛工況對應的發動機工況，試驗的發動機參數包括噴油時刻、配氣正時、過量空氣系數和點火時刻，試驗參數通過發動機ECU進行調整控制。

1 噴油時刻對顆粒物排放的影響

噴油時刻指的是發動機在運行過程中，噴油器根據發動機點火的需要，按時的噴射汽油，和空氣進行充分混合，在火花塞產生火花的作用下著火，推動發動機正常運轉并做功?？刂茋娪蜁r刻對增壓直噴發動機的性能和排放有顯著的影響。噴油過早引起過多油液黏到氣缸壁，影響正常的燃燒，并且使混合氣比例降低，燃燒效果下降，直接影響發動機的動力性能和排放性能。噴油時刻過晚，導致混合氣混合不均勻，局部過濃，容易引起爆震等現象，同時影響排放性能。

由圖1可知缸內燃燒壓力和放熱效率大體遵循的規律是先升高后降低，根據不同的噴油角度所列曲線圖有所不同。這是因為直噴汽油機缸內混合氣的形成受噴油時刻的影響，噴油時刻過早，由于活塞距離上止點較近，容易造成燃油濕壁，噴油時刻過晚，混合氣混合時間變短，局部產生過濃區域，均使燃燒不完全。從圖1中可以看出，無論噴油時刻如何，缸內燃燒最大壓力和最大放熱效率都在曲軸轉角0o左右，也就是發動機某缸活塞的上止點位置進行噴油和燃燒[1]。

圖1 不同噴油時刻缸內壓力曲線

試驗結果表明，噴油時刻對汽車排氣的顆粒物有較大的影響，過早的噴油時刻和過晚的噴油時刻都會產生不同的粒徑不同含量的廢氣物質，影響汽車排放性能。合理的噴油時刻對排放顆粒的產生有明顯的影響，因此合理優化的噴油時刻可以降低顆粒物的排放。

2 配氣正時對增壓壓力和顆粒物排放的影響

試驗用增壓直噴發動機為CVVT連續可變氣門正時機構[2]，CVVT的功能是在不同發動機工況匹配最佳的氣門重疊角（氣門正時）。當ECU接受到輸入信號時，會利用凸輪位置傳感器及曲軸位置感器，確定實際的進氣凸輪的氣門正時。

圖2 不同配氣相位排氣顆粒物分布

圖2是不同CVVT變化角度下物種提前角和推遲角的情況下排氣顆粒物分布曲線，五種情況下排氣顆粒物分布曲線趨勢大致相同，聚集態顆粒物近似呈單峰分布，核態顆粒物呈近似雙峰分布。由圖中曲線可以看出氣門重疊角最小時，排氣中顆粒物數濃度最高，這可能是由于發動機在高轉速或大負荷工況下燃燒速度快，所需要的缸內溫度和壓力高的原因，從而導致燃燒環境惡化，使混合氣不能夠充分的燃燒，從而造成未燃的碳氫和碳煙的生成量增加了。由圖2曲線可以看出，有一定提前交和推遲角的工況，顆粒物數濃度有不同程度減小，在 40/-10和40/-25工況下聚集態顆粒物降低較明顯。但隨著Dp數值的減小，排氣門的遲開，致使核態顆粒物的濃度逐漸上升，這是因為氣門重疊角增大，缸內的廢棄和進的氣體發生沖突，導致廢氣每排完，新氣體不能夠完全進入，從而導致燃燒環境惡化，不能夠充分燃燒，而造成排放顆粒物的增加。

由以上分析可知，不是提前角越大或越小越好，也不是推遲角越大或越小越好，而是提前角和推遲角達到較好的配合角度時，發動機便可以產生較高的燃燒效率和動力，并且排放較少的廢氣顆粒物。

3 過量空氣系數對排放的影響

過量空氣系數是發動機實際空氣量與理論空氣量的比，過量空氣系數降低，排氣中CO增加，熱效率降低，過量空氣系數增大，不參與燃燒的冷空氣大量進入氣缸，降低燃燒效率并伴隨煙氣排出，因此燃料燃燒后排放的顆粒物受過量空氣系數影響較大。

圖3 過量空氣系數與缸內燃燒壓力（2000r/min）

由圖3可知，隨著過量空氣系數的逐漸變大，缸內最高燃燒壓力和最大熱效率逐步變小。發動機采用稀混合氣時，循環變動增大，特別是在λ大于 1.1 時，循環變動增加明顯，燃燒不穩定性增加，在一定程度上影響到發動機的顆粒物排放。隨曲軸轉角的變化，不同過量空氣系數對應的缸內平均溫度曲線的趨勢是類似的，隨著過量空氣系數的增加，缸內平均溫度逐步下降，溫度越低對燃燒的效果影響越大，顆粒物的排放就越多。從整體趨勢來看，隨著混合氣加濃，缸內溫度升高，過高的溫度又容易造成缸內缺氧，從而導致HC等顆粒的排放物質增加，降低排放性能。綜合來看，過濃或過稀的混合氣對發動機排放性能都有較大的影響，過量空氣系數在1附近的數值，整體排放狀況較好。

過量空氣系數是排氣顆粒物的重要影響因素，組織適當的稀混合氣可以顯著降低顆粒物排放，但是過稀混合氣也會引起排放顆粒物的增加，過量空氣系數在1.0附近時，排放狀況是較理想的。

4 點火時刻對顆粒物排放的影響

點火時刻指的是發動機在運行過程中，火花塞根據發動機工作的需要，噴出火花，點燃缸內可燃混合氣，使發動機正常運轉并做功。在發動機上，點火時間一般表現為點火提前角，為了使發動機發出最大功率，應使最高燃燒壓力出現在活塞運行上止點后100-150o左右。

由圖4可以看出，低速高負荷工況，為了防止爆震產生，點火角度調節范圍較小，但仍然可以看到在較小范圍內調節點火角度，缸內最大爆發壓力及放熱率峰值變化比較明顯。隨點火提前角的增加，聚集態顆粒物和核態顆粒物數濃度大體呈逐漸增加的趨勢。從曲線可以看出，核態顆粒物呈單峰分布，濃度逐漸減小。提前點火導致缸內缸內最高溫度增加，而燃燒后期缸內溫度迅速下降，不利于顆粒物后期氧化，這樣又促進了聚集態顆粒物排放增加。低負荷時，點火過早會導致聚集態顆粒物排放迅速增加。

圖4 不同點火時刻缸內壓力曲線

根據結果分析，推遲點火會引起不正常燃燒，導致顆粒物排放的增加。點火過早會導致燃燒不充分，影響動力性的同時，排放顆粒物也不斷增加。針對所研究的增壓直噴發動機來說，適當的減小點火提前角，在中小負荷工況下不僅能保持其正常的動力性和經濟性，也能維持排放顆粒濃度在一個比較好的狀態。

5 結語

本文試驗和分析了發動機噴油時刻、配氣正時、過量空氣系數、點火時刻等發動機燃燒控制參數對增壓直噴汽油機的缸內壓力、缸內平均溫度、燃燒放熱率、排氣顆粒物粒徑及濃度分布等的影響。噴油時刻對汽車排氣的顆粒物有較大的影響，當推遲角和提前角達到較好的配合時，發動機可以產生較高的燃燒效率，并且減少排氣顆粒物[3]；過量空氣系數是排氣顆粒物的重要影響因素，組織適當的稀混合氣可以顯著降低顆粒物排放，但是過稀混合氣也會引起排放顆粒物的增加，過量空氣系數在1.0附近時，排放狀況較為理想；推遲點火會引起不正常燃燒，導致顆粒物排放的增加，點火過早會導致燃燒不充分，影響動力性的同時，排放顆粒物也不斷增加。應適當的減小點火提前角，在中小負荷工況下保持正常的動力性和經濟性，同時也使排氣顆粒濃度相對較低。

[1] 魏傳芳.進氣道噴射與缸內直噴組合汽油機微粒排放仿真研究[D].吉林大學,2015.

[2] 潘鎖柱.缸內直噴汽油機排氣微粒物理化學特征的研究[D].天津大學,2012.

[3] 周文婷.缸內直噴發動機的燃燒模擬及爆震預測[D].天津大學, 2014.

Analysis of the Influence of Control Parameters of Supercharged Direct Injection Gasoline Engine on Emissions

Zhang Dongdong

( Zhuhai Polytechnic Vocational and Technical School, Guangdong Zhuhai 519070 )

Engine combustion control parameters such as engine fuel injection timing, valve timing, excess air coefficient, and ignition timing affect the cylinder pressure, average cylinder temperature, combustion heat release rate, exhaust particle size and concentration distribution of turbocharged direct injection gasoline engines It will cause varying degrees of impact and have a certain impact on the emission of automobile exhaust. Through the adjustment of various control parameters of the engine, the engine can achieve the best emission state.

Supercharged direct injection gasoline engine;Particulates;Emissions

A

1671-7988(2020)24-137-03

TK411

A

1671-7988(2020)24-137-03

張冬冬，碩士研究生，講師，就職于珠海市理工職業技術學校，研究方向：汽車維修領域。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2020.24.045

CLC NO.: TK411