某車型發(fā)動(dòng)機(jī)碳煙排放分析及解決措施

陳 浩，梁宇詢，李金鴿，馮永超，劉新宇，郝學(xué)信

(寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司，浙江 寧波 315336)

0 引 言

在發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中，電噴件是影響發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的關(guān)重件，其中燃油供給系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣道內(nèi)混合氣的形成，以及在燃燒室燃燒有重要的作用，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能及排放有著決定性的意義。

汽車尾氣排放中的污染物主要有一氧化碳、碳?xì)浠衔铩⒌趸衔镆约皩?duì)人體產(chǎn)生不良的固體顆粒，如碳煙。應(yīng)全球法規(guī)加嚴(yán)，且城市種汽車保有量增加，汽油機(jī)的碳煙排放也備受關(guān)注。

某車型發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)碳煙排放超標(biāo)，針對(duì)此問題展開排查和分析， 找出問題真因，然后進(jìn)行方案驗(yàn)證鎖定解決對(duì)策，筆者主要針對(duì)碳煙排放展開論述。

1 噴油器工作原理

圖1為噴油器結(jié)構(gòu)圖，ECU根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況，計(jì)算合理的噴油脈寬，噴油器在接收到ECU提供的噴油信號(hào)后，線圈形成電磁力，將針閥組件吸起，針閥組件與閥座分離，燃油經(jīng)噴孔板霧化后噴出后進(jìn)入氣道，與進(jìn)氣形成混合氣，噴入燃燒室。

2 問題描述

臺(tái)架標(biāo)定發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷出現(xiàn)碳煙排放偏高，不能接受。經(jīng)評(píng)審，需對(duì)碳煙排放進(jìn)行優(yōu)化，來滿足國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)要求。測(cè)試所用噴油器技術(shù)狀態(tài)為：油束錐角15.5°，8噴孔，對(duì)應(yīng)下文方案1。圖2為此狀態(tài)噴油器對(duì)應(yīng)的排放測(cè)試結(jié)果。

圖1 噴油器結(jié)構(gòu)圖

圖2 碳煙排放

3 碳煙排放超標(biāo)原因分析

3.1 缸內(nèi)碳煙形成原因分析

混合氣燃燒產(chǎn)生的碳煙主要分為干碳煙(Dry soot)、可溶性有機(jī)物(Soluble Organic Fraction,SOF)和硫酸鹽[1]，干碳煙和可溶性有機(jī)物都是由燃油中的烴類物質(zhì)經(jīng)過一些列氧化產(chǎn)生，硫酸鹽則是由燃油中的硫元素和機(jī)油中的添加劑產(chǎn)生。

氣道噴射汽油機(jī)一般采用閉閥噴射,利用氣門及氣道較高的壁面溫度,提高燃油的霧化速度和質(zhì)量[2]。燃油與空氣混合不均勻是產(chǎn)生碳煙的主要原因，混合局部過濃，會(huì)造成局部產(chǎn)生類似柴油機(jī)的擴(kuò)散燃燒，其燃燒速度較預(yù)混燃燒較慢[3]。未充分混合氣或者液態(tài)燃油經(jīng)過氣門時(shí)，液態(tài)燃油滯留在氣門附近，無法完全的蒸發(fā)，局部混合氣過濃導(dǎo)致燃燒不充分，產(chǎn)生碳煙。

由于噴油器油束匹配設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致噴出來的燃油大部分附著于氣道壁面上，無法完全蒸發(fā)，當(dāng)進(jìn)氣門打開后，燃油在氣流的作用下流入到活塞間隙中，造成燃油堆積，局部混合氣過濃，從而產(chǎn)生碳煙。

3.2 對(duì)VVT相位進(jìn)行優(yōu)化

因受爆震影響，在點(diǎn)火提前角未調(diào)整的前提下，對(duì)VVT相位進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)對(duì)碳煙排放改變不大，分析認(rèn)為VVT相位對(duì)碳煙排放影響較小，詳見表1。

表1 不同VVT相位對(duì)應(yīng)碳煙

3.3 噴油器流量校核

懷疑噴油量設(shè)計(jì)不合理，對(duì)噴油器靜態(tài)流量進(jìn)行校核。按照發(fā)動(dòng)機(jī)油耗需求，通過燃油系統(tǒng)壓力及近期壓力，再修正后，留15%余量的前提下，噴油器靜態(tài)流量滿足設(shè)計(jì)要求。

3.4 噴油器油束校核

在進(jìn)行油束設(shè)計(jì)時(shí)，需要結(jié)合氣道布局進(jìn)行方案布置，在最優(yōu)貫穿距的布置設(shè)計(jì)要求下，以及物理油束的濕壁可接受條件下，進(jìn)行油束錐角設(shè)計(jì)；對(duì)噴油器油束進(jìn)行設(shè)計(jì)校核，通過對(duì)比其他項(xiàng)目及油束設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)油束錐角小、噴孔數(shù)越少對(duì)燃油霧化性越不利，易生成碳煙，分析認(rèn)為為碳煙排放超標(biāo)的主要原因?yàn)槿加挽F化差，油束錐角設(shè)計(jì)過小導(dǎo)致，圖3為噴油器油束布置示意圖。

3.5 原因分析及總結(jié)

只改變VVT相位對(duì)碳煙排放基本上沒有改善；

噴油器流量是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗需求匹配的，此靜態(tài)流量是無法更改的，如果更改會(huì)造成噴油過濃或者足的缺陷。

理論分析，油束的噴射角度和油束噴孔數(shù)量的優(yōu)化可以有效的增強(qiáng)噴射燃油的霧化效果，降低大量油束打濕氣道的風(fēng)險(xiǎn)，從而降低碳煙的生成，此僅為理論分析，具體效果需進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證。

圖3 噴油器油束布置示意圖

4 方案驗(yàn)證

4.1 方案詳述

通過以上原因分析，制作不同方案的噴油器樣件進(jìn)行碳煙排放驗(yàn)證，在靜態(tài)流量不變的前提下，主要增加噴油器噴孔數(shù)和增大油束錐角來提升霧化效果，噴油器方案如表2所列。

表2 噴油器方案

4.2 方案碳煙排放驗(yàn)證

使用同一種標(biāo)定數(shù)據(jù)對(duì)5個(gè)噴油器方案進(jìn)行驗(yàn)證，5個(gè)噴油器方案選取部分負(fù)荷工況對(duì)應(yīng)的燃油消耗率一致，選取故障發(fā)生模式的工況進(jìn)行碳煙排放測(cè)試，數(shù)據(jù)如圖4所示。

可以看出方案3、4、5改善效果較1、2明顯，其中方案5為優(yōu)化效果最為突出；通過初步驗(yàn)證可選取方案5作為最優(yōu)方案，進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證。需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和油路模型精度方面進(jìn)行標(biāo)定檢查驗(yàn)證，目的是在不改變標(biāo)定策略的前提下，保證發(fā)動(dòng)機(jī)性能不受影響。

由碳煙排放測(cè)試對(duì)比可知，在噴油器靜態(tài)流量不變、標(biāo)定 策略一致的前提下，燃油霧化越好，越有利于碳煙排放。而油束錐角和噴孔設(shè)計(jì)的合理性是影響燃油霧化的重要因素；但油束錐角不能無限制增大，此方面還需要結(jié)合噴油器生產(chǎn)工藝進(jìn)行評(píng)估；經(jīng)噴油器供應(yīng)商評(píng)估，工藝可實(shí)現(xiàn)對(duì)8孔，油束錐角20°油束錐角生產(chǎn)要求。

圖4 碳煙對(duì)比

4.3 發(fā)動(dòng)機(jī)性能驗(yàn)證

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行復(fù)試，5種方案的噴油器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩基本上無影響，所以在噴油器流量不變的前提下，只更改油束錐角和噴孔個(gè)數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能無影響。這為我們?cè)诤笃谧鰢娪推饔褪O(shè)計(jì)時(shí)提供重要的指導(dǎo)方向。此可以作為解決碳煙排放的最終該方案，圖5為五種方案對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩對(duì)比視圖。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩

4.4 油路模型驗(yàn)證

使用8孔，20°錐角油束方案的噴油器對(duì)油路模型進(jìn)行標(biāo)定驗(yàn)證，驗(yàn)證數(shù)據(jù)詳見圖6，可以看出油路模型無偏移等異常，噴油器優(yōu)化方案對(duì)油路模型精度無影響，無需調(diào)整噴油策略及標(biāo)定數(shù)據(jù)。

4.5 方案驗(yàn)證小結(jié)

噴油器油束方案選用8孔20°錐角，可以保證良好的霧化效果，且此參數(shù)在噴油器生產(chǎn)工藝方面可以得到保證。

噴油器優(yōu)化方案可以有效降低碳煙排放，且對(duì)油路模型精度沒有影響；

噴油器優(yōu)化方案對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能方面沒有影響。

綜上所述，最終選擇燃油霧化效果最好、碳煙排放最優(yōu)的方案5作為最終方案，可以有效的解決碳煙排放超標(biāo)問題。

圖6 油路模型測(cè)試

5 結(jié) 語

由于噴油器油束匹配設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致噴出來的燃油大部分附著于氣道壁面上，無法完全蒸發(fā)，當(dāng)進(jìn)氣門打開后，燃油在氣流的作用下流入到活塞間隙中，造成燃油堆積，局部混合氣過濃，從而產(chǎn)生碳煙。

在噴油器靜態(tài)流量和發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定策略不變的前提下，適當(dāng)增加噴孔數(shù)量和油束錐角的方式對(duì)噴油器進(jìn)行優(yōu)化，提升噴油良好的霧化性；通過試驗(yàn)驗(yàn)證，此方案可以有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)碳煙排放，且不會(huì)犧牲發(fā)動(dòng)機(jī)性能；油路模型控制精度滿足要求。

此案例為后續(xù)噴油器油束設(shè)計(jì)開發(fā)提供寶貴的指導(dǎo)意義。在進(jìn)行油束設(shè)計(jì)時(shí)需要?dú)獾琅浜贤皆O(shè)計(jì)，主要對(duì)物理油束進(jìn)行空間布置，在濕壁盡可能小的前提下，適當(dāng)增加噴孔數(shù)量和油束錐角來提升燃油霧化性能。