MPFI發(fā)動機顆粒物排放影響因素研究

李卓 孟凡騰 王森

摘 要：基于一臺進氣道噴射式雙VVT自然吸氣汽油機，利用排放測試設備對顆粒物排放（PN）與發(fā)動機進排氣VVT角度、燃油噴射比例和相位、氣態(tài)排放物（CO、NOx和THC）的相關(guān)性進行了研究。研究結(jié)果表明，進氣VVT角度的變化對PN影響較為敏感，排氣VVT與PN的相關(guān)性不明顯。采用二次噴射策略時，首次燃油噴射的截止時刻、首次燃油噴射比例、二次燃油噴射截止時刻與PN的相關(guān)性不明顯，噴射截止時刻和比例的變化不會顯著影響PN排放。氣態(tài)排放物中CO排放與PN的相關(guān)性不明顯，NOx和PN在低轉(zhuǎn)速高負荷時相關(guān)性最強，隨著轉(zhuǎn)速增大負荷降低相關(guān)性減弱。THC和顆粒物存在一定的相關(guān)性，降低THC排放，會對抑制顆粒物排放產(chǎn)生積極影響。

關(guān)鍵詞：汽油機;顆粒物排放;相關(guān)性分析

0 引言

為應對不斷升級的排放和油耗法規(guī)，對控制參數(shù)的標定工作要求更加精準。近些年基于模型的標定得到廣泛應用 [1，2]。多參數(shù)尋優(yōu)前，如了解其對優(yōu)化目標的影響程度，則可針對影響度敏感性高的控制參數(shù)進行試驗設計優(yōu)化，提高工作效率。國六排放法規(guī)實施以來，發(fā)動機的顆粒物排放控制逐漸成為研究熱點和難點。影響汽油機顆粒物排放的主要原因包括：冷機起動階段，不均勻液相燃燒和氣相加濃燃燒共同促進生成核態(tài)顆粒物。發(fā)動機穩(wěn)態(tài)運轉(zhuǎn)時，空燃比、進氣相位等控制均會對顆粒物排放產(chǎn)生影響[3]。本文基于發(fā)動機臺架試驗，分析發(fā)動機進排氣VVT角度、燃油噴射方式和相位等因素和顆粒物排放的相關(guān)性，同時對顆粒物排放與其他氣態(tài)排放污染物的相關(guān)性進行了分析。

1 試驗系統(tǒng)及方案

（1）試驗測試系統(tǒng)方案。試驗采用某2.0 L自然吸氣汽油機，其主要參數(shù)見表1。

（2）試驗方案設計。為探討發(fā)動機控制參數(shù)對顆粒物排放的影響規(guī)律，本文分別研究不同轉(zhuǎn)速和負荷區(qū)域內(nèi)，進排氣VVT角度對顆粒物排放的影響規(guī)律;燃油噴射截止時刻、兩次燃油噴射的噴射比例對顆粒物排放的影響規(guī)律。同時對于顆粒物排放與其他氣態(tài)排放物的相關(guān)性進行了研究。將此款發(fā)動機待優(yōu)化的6個性能目標作為輸出變量：BSFC（燃油消耗率）、PN（顆粒物）、THC（碳氫化合物）、CO（一氧化碳）、NOx（氮氧化物）、COV（燃燒穩(wěn)定性）;對發(fā)動機性能影響較大的5個參數(shù)作為輸入變量：iVVT（進氣VVT角度）、eVVT（排氣VVT角度）、EOIT（首次噴油截止時刻）、Split_Ratio（首次噴油比例）、EOIT_Trim（二次噴油截止時刻）。

（3）相關(guān)性分析方法。相關(guān)性分析是通過對兩個及兩個以上具有某種關(guān)聯(lián)的變量參數(shù)進行分析，從而得到參數(shù)之間的相關(guān)程度，進行相關(guān)性分析的各參數(shù)之間必須存在一定的聯(lián)系。相關(guān)性不是一種簡單的因果關(guān)系，它能夠用相關(guān)性系數(shù)R定量地表示各參數(shù)之間的相關(guān)密切程度。

i 表示第i 個樣本點，xi表示所研究的參數(shù)A在第i個樣本點下的大小，x是參數(shù)A在n個樣本點下的均值，yi是與A相關(guān)的另一參數(shù)B在第i個樣本點下的大小，y為其均值。R越接近于1，兩者相關(guān)性越強。

2 試驗結(jié)果及分析

利用發(fā)動機臺架測試設備，可以采集得到不同控制參數(shù)組合下的發(fā)動機排放數(shù)據(jù)，基于公式（1）可以計算不同控制參數(shù)之間的相關(guān)性。

（1）進排氣VVT與PN排放的相關(guān)性分析。進氣VVT角度（iVVT）對缸內(nèi)充量會產(chǎn)生較大影響，為充分研究iVVT的影響規(guī)律，針對不同工況區(qū)域的iVVT變化進行分析。如圖1所示，可以看出萬有工況的中、低負荷（IMEP<1 000 kPa）區(qū)域，進氣VVT角度的變化對PN影響較為敏感，高負荷工況區(qū)域兩者的相關(guān)性較弱。這是因為高負荷區(qū)域的進氣VVT開度相對較小，否則會顯著降低外特性動力性能。如圖2所示，排氣VVT角度（eVVT）與PN排放的相關(guān)性顯著低于進氣VVT角度。中、低轉(zhuǎn)速（1 200 rpm～3 500 rpm）中低負荷（IMEP<1 000 kPa）區(qū)域，排氣VVT與PN的相關(guān)性較弱。與圖1相比，可以發(fā)現(xiàn)進氣VVT與PN的相關(guān)性在此區(qū)域很強，由此可知，針對PN的標定優(yōu)化過程中，可優(yōu)先選擇較多的進氣VVT角度組合，較少排氣VVT角度組合的方式優(yōu)化工作量。

（2）兩次燃油噴射模式時噴射控制參數(shù)與PN排放相關(guān)性分析。采用二次噴射策略時，首次燃油噴射的截止時刻、燃油噴射比例、二次燃油噴射截止時刻與PN的相關(guān)性系數(shù)均在0.4以下，相關(guān)性不明顯。表明此款氣道噴射式汽油機的燃油的蒸發(fā)、霧化效果較好，同時噴射最晚時間設置在進氣門開啟之前，充足的燃油蒸發(fā)和霧化時間可以有效保證混合氣相對均勻。燃油噴射控制參數(shù)的變化對PN的敏感度影響較小。

（3）PN排放與氣態(tài)排放物的相關(guān)性研究。

由圖3可知，CO排放與顆粒物的相關(guān)性不明顯，這是因為CO的產(chǎn)生主要源于油氣混合氣的不完全燃燒，顆粒物的產(chǎn)生原因是液相燃油燃燒不充分導致的碳煙。由圖4可知，NOx和PN在低轉(zhuǎn)速高負荷時相關(guān)性最強，隨著轉(zhuǎn)速增大負荷減少相關(guān)性減弱。NOx產(chǎn)生主要是高溫富氧環(huán)境，此環(huán)境下顆粒物會被大量燃燒。高速低負荷工況，發(fā)動機在當量空燃比燃燒，缸內(nèi)燃燒溫度降低，PN排放與NOx的相關(guān)性逐漸減弱。高速高負荷工況，受排溫保護策略影響，NOx排放隨空燃比降低顯著下降，因此與PN的相關(guān)性較弱。由圖5可知，THC和顆粒物存在一定的相關(guān)性，這是因為碳顆粒與THC會互相附著，導致顆粒物質(zhì)量和直徑增加。由此可知，降低車輛的THC排放會對抑制顆粒物排放產(chǎn)生積極影響。

3 結(jié)論

（1）萬有工況的中、低負荷（IMEP<1 000 kPa）區(qū)域，進氣VVT角度的變化對PN影響較為敏感，高負荷工況區(qū)域兩者的相關(guān)性不明顯。這是由于為保障發(fā)動力外特性動力性能，高負荷區(qū)域的進氣VVT開度相對較小。中、低轉(zhuǎn)速（1 200 rpm～3 500 rpm）中低負荷（IMEP<1 000 kPa）區(qū)域， 排氣VVT與PN的相關(guān)性不明顯，進氣VVT與PN的相關(guān)性在此區(qū)域較強，由此可知，針對顆粒物的標定優(yōu)化過程中，可優(yōu)先選擇合適的進氣VVT角度，較少排氣VVT的標定優(yōu)化工作量。

（2）采用二次噴射策略時，首次燃油噴射截止時刻、首次燃油噴射比例、二次燃油噴射截止時刻與PN的相關(guān)性不明顯，表明噴射截止時刻和比例的變化不會顯著影響此發(fā)動機的PN排放。

（3）CO排放與顆粒物排放的相關(guān)性不明顯，這是因為CO的產(chǎn)生主要源于油氣混合氣的不完全燃燒，顆粒物的產(chǎn)生原因是液相燃油燃燒不充分導致的碳煙。NOx和PN在低轉(zhuǎn)速高負荷時相關(guān)性最強，隨著轉(zhuǎn)速增大負荷減少相關(guān)性減弱。THC和顆粒物存在一定的相關(guān)性，這是因為碳顆粒與THC會互相附著，導致顆粒物直徑增加。降低THC排放，可對抑制顆粒物排放產(chǎn)生積極影響。

參考文獻：

[1]姜坤，劉然，楊中華，等.基于DOE設計實現(xiàn)DVVT的高效臺架標定[J].小型內(nèi)燃機與車輛技術(shù)，2015（1）：59-63.

[2]梁智，孫國強，衛(wèi)志農(nóng)，等.基于變量選擇與高斯過程回歸的短期負荷預測[J].電力建設，2017，38（2）：122-128.

[3]Kayes，D.，Hochgreb，S.，Maricq，M.，Podsiadlik，D.et al.，“Particulate Matter Emission During Start-up and Transient Operation of a Spark-Ignition Engine （2）：Effect of Speed，Load，and Real-World Driving Cycles，”SAE Technical Paper 2000-01-1083，2000.