混合動力汽車柴油機快速起動燃燒排放特性研究

陳東東，王鐵，李國興，侯振寧，喬天佑

(太原理工大學車輛工程系，山西 太原 030024)

隨著能源安全問題日益顯現和排放法規日益嚴苛，人們開始關注傳統內燃機汽車所引起的能源消耗和環境污染問題。由于電池技術的局限，純電動汽車有續航里程短和能量密度低的缺陷。混合動力汽車有兩種及以上的動力裝置，它結合了傳統內燃機車和純電動車的優勢，是一個非線性、多變量、時變的復雜系統。

混合動力汽車發動機要求起動快速，其瞬態程度更高，勢必造成起動過程排放控制困難。國內外針對混合動力汽車發動機瞬態起停的研究表明：混合動力汽車汽油機燃燒開始的幾個循環與普通車用汽油機存在很大不同，對起動過程后續階段的燃燒有很大影響，直接影響發動機的燃燒穩定性[1-3]；混合動力汽車發動機在起動和停機時都會出現排放峰值，運行模式切換時其瞬態特性和動態特性更明顯[4-6]；ISG技術柴油機的起動著火轉速可達350 r/min以上，可以縮短起動時間，轉速過渡平滑，起動工況下的動力性、排放性有所提高[7]；高速拖動起動時的轉速瞬態特性小，油耗降低，起動過程前期的HC，CO和NOx排放減少[8-10]。

當前，關于混合動力汽車瞬態起停的研究主要是針對汽油機，對混合動力柴油機起動工況燃燒和排放特性的研究較少。本研究基于自行搭建的單軸并聯柴油混合動力試驗平臺，以不同電機轉速拖動發動機起動，研究不同起動瞬態變化條件下發動機的燃燒和排放特性，以期為混合動力汽車柴油發動機快速起動控制策略制定提供試驗依據。

1 試驗設備及方案

1.1 試驗設備

試驗基于單軸并聯式油電混合動力試驗室臺架進行，系統部件主要參數見表1，試驗樣機主要技術參數見表2，未對發動機做任何改造。試驗所用測試設備主要有：ET4000發動機測控系統、160 kW電力測功機、AVL SES-AM i60 FT多組份尾氣排放分析儀、AVL Micro Soot Sensor 483微炭煙排放測試系統、Kistler燃燒分析儀、Kistler 2614C角標儀、Kistler 6125B缸壓傳感器。臺架系統布置見圖1。

表1 臺架部件主要參數

表2 試驗樣機主要技術參數

1.2 試驗方案

試驗燃料為中石化國六0號柴油。分別用原機24 V起動、以電力測功機的電機轉速(相當于混合動力汽車的電動機)800 r/min，1 000 r/min和1 200 r/min拖動。根據國標GB/T 18297—2001《汽車發動機性能試驗方法》，熱機起動時發動機水溫為85 ℃。主要測量發動機燃燒特性參數和尾氣排放值。

所有儀器在試驗前都進行了標定和校準，以保證試驗的可靠性和結果的準確性。高速拖動的設備為電力測功機，當達到設定速度時斷開驅動轉為無負載模式。試驗過程中，發動機測試系統每0.5 s記錄一組數據，燃燒分析儀自動記錄起動前10 s和起動后200個循環的數據，25組分尾氣排放分析儀和微炭煙排放測試系統在起動過程中持續測量，試驗結果除去無效值。

圖1 測試系統示意圖

2 試驗結果分析

2.1 起動瞬態特性

圖2示出不同起動方式下瞬時轉速隨時間的變化。從圖2可以看出，拖動轉速越高，達到怠速的時間越長。拖動轉速800 r/min起動時發動機轉速達到怠速轉速的時間最短，約為1 s，但未達到穩定怠速；24 V原機起動與1 000 r/min拖動起動時達到穩定怠速的時間基本相等；1 200 r/min拖動起動時達到穩定怠速的時間最長，約為5 s。單從起動時間來看，800 r/min拖動起動是較好的起動方式。

圖2 起動轉速對比

2.2 拖動轉速對燃燒特性的影響

2.2.1 缸壓峰值

采用不同拖動轉速起動時的瞬態特性不同，瞬態特性的改變造成發動機起動時的控制策略有所改變，進而導致燃燒邊界條件發生變化，燃燒特性也發生變化。

缸內壓力峰值是表征內燃機缸內燃燒狀況的重要參考指標，壓力峰值越高，發動機動力性能就越好，但是壓力峰值過高會導致不好的狀況發生[11]。圖3示出不同拖動轉速時起動過程中的各循環燃燒壓力峰值的對比。從圖3可以看出，隨著拖動轉速的升高，缸內壓力峰值趨于穩定的循環數增多。隨著循環數的增大，24 V原機起動時，壓力峰值先升高后降低，在第8個循環趨于穩定。800 r/min拖動起動時，缸壓峰值先升高后降低再升高，在第23個循環趨于穩定。1 000 r/min和1 200 r/min拖動起動時，缸壓峰值在第2個循環升高后迅速回落，分別在第32個循環和第41個循環趨于穩定。主要是因為在第2個循環的時候達到起動條件，開始噴油著火，著火后又因為轉速迅速升高使其脫離著火條件，停止噴油，然后一直處于電機拖動但不燃燒的狀態。這與原機ECU的起動策略有關，這也說明，混合動力柴油機與常規柴油機的控制策略是不同的，需要開發專門的混合動力柴油機控制系統。高速起動時，缸壓峰值都會有回落和超調的情況發生，主要是拖動電機脫開瞬間負荷加大，而噴油量不變，缸壓峰值會瞬間降低，然后加大噴油量，缸壓峰值增大，然后速度回調趨于穩定。缸內噴油量、進氣量和發動機轉速都會影響燃燒始點和燃燒放熱率。

圖3 缸壓峰值對比

2.2.2 平均有效壓力

平均有效壓力的主要影響因素是缸內參與燃燒做功的工質的量。圖4示出平均有效壓力隨循環數的變化規律。由圖4可以看出，平均有效壓力隨著拖動轉速的升高趨于穩定的循環數增多。高速拖動起動時，在第2個循環達到峰值，主要是此循環噴油量大，燃燒劇烈。1 000 r/min和1 200 r/min拖動起動時，在第3個循環開始停止噴油，發動機失火，電機拖動發動機運轉，分別在第24個循環和第34個循環開始噴油，工質開始參與燃燒。怠速時平均有效壓力均值在0.15 MPa左右。800 r/min拖動起動時，從第2個循環開始噴油，一直持續到穩定燃燒怠速工況，前15個循環波動較大，主要是因為噴油量不同。

圖4 平均有效壓力對比

2.2.3 燃燒持續期

燃燒持續期也是評價燃燒質量的一個指標，燃燒持續期過長會使燃燒效率下降、排氣溫度升高、熱效率下降。圖5示出燃燒持續期隨循環數的變化情況。24 V原機起動和800 r/min拖動起動時，從第8個循環開始，變化趨勢一樣。24 V原機起動在第7個循環時，起動機脫離，發動機主動輸出動力。1 000 r/min和1 200 r/min拖動起動時，燃燒持續期隨循環數的變化趨勢一致，都在第2個循環達到最大值，分別在第24個循環和第34個循環開始增大，缸內噴油開始燃燒。

圖5 燃燒持續期對比

2.3 拖動轉速對排放特性的影響

2.3.1 CO排放

內燃機排氣中的CO是烴燃料在燃燒過程中生成的中間產物，是燃油在氣缸中不充分燃燒所致。由于柴油機具有燃油與空氣混合不均勻的特性，其燃燒時總有局部缺氧和低溫的地方，并且燃燒時間較短，導致不充分燃燒，從而生成CO。

圖6示出不同拖動轉速起動時CO排放隨時間的變化。由圖6可以看出，隨著拖動轉速的升高，起動過程中的CO排放降低，4種起動策略的CO排放穩定值都是135×10-6，24 V原機起動的CO排放峰值是218×10-6，800 r/min拖動起動時的CO排放峰值是202×10-6，1 000 r/min和1 200 r/min拖動起動過程中CO排放始終低于穩定值。主要原因是原機起動瞬態特性強，發動機需要通過加濃噴射來保證加速成功，起動早期混合氣過濃，CO排放增加。24 V原機起動和800 r/min拖動起動時的CO排放值隨著時間變化先升高后降低，兩者的變化規律一樣。1 000 r/min和1 200 r/min拖動時，CO排放隨著時間的變化而升高，在第5 s時突然升高，可能是由于此時對應的是起動后的第2個循環，由前述的燃燒特性可知，在第2循環噴油著火，然后失火拖動，之后再噴油燃燒起動到達怠速。24 V原機起動和800 r/min拖動起動過程中的CO排放量明顯高于 1 000 r/min和1 200 r/min拖動起動，且比怠速時的CO排放量高。當發動機進入穩定的怠速工況后，不同起動方式的發動機噴油量都一樣，且進氣質量也幾乎一樣(相對于早期都有所減少)，因此CO排放量相近。

圖6 CO排放對比

2.3.2 NOx排放

內燃機排氣中的NOx主要有NO和NO2，通常主要研究高溫富氧條件下產生的熱NO。

圖7示出不同拖動轉速起動時NOx排放隨時間的變化。由圖7可知，隨著拖動轉速的升高，起動過程中的NOx排放降低，4種起動策略的NOx排放穩定值都是150×10-6， 24 V原機起動的NOx排放峰值是685×10-6，800 r/min拖動起動時NOx排放峰值為220×10-6，降低68%。1 000 r/min和1 200 r/min拖動起動過程中NOx排放始終低于穩定值。24 V原機起動和800 r/min拖動起動時的NOx排放值隨著時間的變化先升高后降低然后趨于平穩，起動過程中的NOx排放高于怠速時的排放。1 000 r/min和1 200 r/min拖動時，NOx排放值隨著時間的變化而逐漸升高然后平穩變化，第5 s時升高，同樣是因為第2循環噴油著火。

相比24 V原機起動，高速拖動起動的瞬態NOx排放明顯減少。究其原因：24 V原機起動時需要缸內燃燒做功使得轉速到達怠速，而高速拖動起動時不需要缸內燃燒做功。起動初期，24 V原機起動時缸內燃燒的混合氣質量大，初期燃燒放熱多，缸內溫度高，產生較多的NOx排放。當發動機達到穩定怠速工況后，缸內噴油量和進氣量趨于穩定，NOx排放也趨于穩定。

圖7 NOx排放對比

2.3.3 Soot排放

柴油機顆粒物(PM)的主要成分是炭煙(Soot)，炭煙主要是長碳鏈分子在特定環境下裂解形成的，產生炭煙的條件是高溫缺氧的環境。

圖8示出不同拖動轉速起動時Soot排放隨時間的變化。由圖8可以看出，隨著拖動轉速的升高，起動過程中的Soot排放值降低，但降低幅度變小。隨著時間的變化，Soot排放先升高后降低然后趨于平緩。24 V原機起動的Soot排放峰值是1.897 mg/m3，800 r/min拖動起動時的Soot排放峰值是0.999 mg/m3，1 000 r/min拖動起動時的Soot排放峰值是0.444 mg/m3，1 200 r/min拖動起動時的Soot排放峰值是0.198 mg/m3，4種起動策略的Soot排放穩定值都在0.423 mg/m3附近。相比24 V原機起動，800 r/min，1 000 r/min和1 200 r/min起動過程中的Soot排放峰值分別降低47%，77%和90%。這主要是因為24 V原機起動需要缸內燃燒做功來加速發動機起動，而電機高速拖動起動時不需要。

圖8 炭煙排放對比

3 結論

a) 相比24 V原機起動，以電機800 r/min，1 000 r/min和1 200 r/min拖動起動時，隨著拖動轉速的升高，起動過程中的缸壓峰值、平均有效壓力和燃燒持續期均有所降低，1 000 r/min和1 200 r/min拖動起動時的燃燒特性變化趨勢基本一樣，800 r/min和1 000 r/min拖動起動時的燃燒特性明顯不同，需要更進一步做基于兩轉速之間拖動起動的試驗研究；

b) 24 V原機起動時在第8個循環燃燒趨于穩定，800 r/min拖動起動時在第23個循環燃燒趨于穩定，1 000 r/min拖動起動時在第32個循環燃燒趨于穩定，其中第3個到第24個循環不噴油燃燒，1 200 r/min拖動起動時在第41個循環燃燒趨于穩定，其中第3個到第34個循環不噴油燃燒，所有起動方式首循環都不噴油燃燒，這與原機ECU的起動策略有關系；

c) 相比24 V原機起動，高速拖動起動時的CO排放、NOx排放和Soot排放都明顯降低，并且隨著拖動轉速的升高，常規污染物排放值均有所降低，但升高相同的拖動轉速其排放值降幅會減小，也證明了混合動力汽車在起動時應該采用電機拖動起動；

d) 1 000 r/min和1 200 r/min拖動起動時，在起動第2個循環會單循環著火，然后發動機停止噴油拖動運轉，綜合燃燒和排放分析， 800～1 000 r/min是混合動力汽車柴油機較好的拖動起動轉速，但需要重新優化起動時的噴油策略，在拖動到固定恒轉速之前不噴油燃燒，以達到節油和降低排放的目的。