國六自動擋乘用車GDI發動機高瞬態HC原排分析

劉春濤，裴毅強，秦靜

摘要： 針對GDI發動機在部分瞬態工況下HC排放較高的問題，對一輛裝有GDI發動機的輕型車在底盤測功機上進行WLTC試驗，通過采集單缸瞬態HC排放、缸內燃燒壓力和ECU控制參數數據，研究了部分瞬態HC排放高的原因。試驗結果表明：發動機冷卻液升溫過程對發動機的HC排放沒有顯著影響，在WLTC試驗的各個駕駛速度段均出現了高HC排放；當發動機扭矩從高到低急劇變化時，可能出現缸內未斷油但進氣量急劇減少的情況，導致發生缸內失火或不完全燃燒，從而產生高HC排放；另外，當氣缸內連續幾個工作循環斷油后再噴油時，會導致缸內過量空氣系數偏離最佳范圍，使缸內燃燒狀況惡化，甚至發生失火或不完全燃燒，從而引起HC排放增加。

關鍵詞： 直噴式汽油機；碳氫化合物；失火

DOI： 10.3969/j.issn.1001-2222.2024.03.006

中圖分類號：TK421.5文獻標志碼： B文章編號： 1001-2222（2024）03-0036-06

在過去的幾十年中，隨著人們環保意識的不斷提高，排放法規的制定和實施越來越嚴格。這種趨勢推動了汽油直接噴射（gasoline direct injection，GDI）技術在乘用車動力系統中的廣泛應用［1］。與傳統的氣道燃油噴射（port fuel injection，PFI）技術不同，GDI技術的工作原理與柴油發動機類似，將燃油直接噴射到氣缸中，從而實現更加靈活且精確的燃油供給控制。因此，GDI技術具有燃油效率高和尾氣排放低的潛力［2］，已經成為汽車技術發展的重要方向之一。

GDI發動機在燃燒過程中會產生一些污染物排放，其中碳氫化合物（HC）是主要的一種。它主要來自于不完全燃燒，成分包括烷烴、芳烴和烯烴等，這些成分即使在低濃度下也會對人體器官產生一定的毒性傷害［3］，因此，HC的排放問題一直以來備受關注［4］。目前，關于點燃式汽油機HC形成和氧化機理已經有了大量的相關研究。造成HC排放的主要原因可歸納為失火、淬熄、狹隙效應、燃油機油交互、后燃不充分、氣門泄漏等［5-6］。尤其是在發動機冷起動階段，由于溫度低、轉速低，GDI發動機會排放大量的HC［7-9］，這是因為燃料蒸發和混合氣形成過程在此期間受到影響，火焰在傳播過程中靠近冷表面可能會熄滅（淬熄）。此外，燃油噴射過程中，一部分燃油附著在燃燒室的冷表面，使得燃油膜在燃燒前難以完全蒸發。據報道，在世界輕型車統一測試循環（world harmonized light vehicles test cycle，WLTC）中，催化劑起燃前HC排放比例可能超過90%［10］。另一項試驗研究也表明，瞬態冷起動條件下HC排放可以達到穩態條件下HC排放的10倍［11］。為了降低HC排放，科研工作者和汽車制造商不斷探索新的技術和方法，例如改善燃油噴射和燃燒控制系統、采用可變氣門正時技術等［12-16］。一些新技術（計算機模擬）的不斷應用和改進，使得GDI發動機的HC排放性能得到了顯著改善［17-20］。

發動機的瞬態HC排放與缸內燃燒狀態息息相關，然而，目前關于GDI發動機連續瞬態HC排放與缸內燃燒的聯合分析卻鮮有報導，這使得GDI發動機出現連續高瞬態排放的形成機理尚不明確。因此，本研究選擇在一輛符合國六排放標準的輕型車上進行試驗，安裝了高精度的缸壓傳感器和瞬態HC排放測量設備。同時，通過利用車輛OBD（on-board diagnostics）端口采集發動機ECU（electronic control unit）實時電控參數。這些參數對發動機的工作狀態有著至關重要的影響，對瞬態HC排放的控制與電控參數優化具有重要參考價值。通過本研究可以更好地理解發動機在連續瞬態工況下的燃燒過程和HC排放特性，為發動機設計和排放控制提供更為精確的理論依據和實踐指導。

1試驗裝置和方法

1.1試驗車輛及裝置

本次試驗選擇了一輛配備3缸GDI發動機的輕型轎車，該車輛的具體配置信息如表1所示。根據生產廠家推薦，車輛加注92號汽油，以保證試驗結果能夠真實反映車輛實際HC排放情況。試驗在轉鼓試驗室中進行，室內溫度和濕度與環境大氣溫度（20 ℃左右）和濕度保持一致。

為了對發動機的實時氣缸壓力進行檢測，將原機的火花塞替換為集成了缸壓傳感器的火花塞（型號為KISTLER，6115BFD36）。該傳感器在火花塞結構基礎上將缸壓傳感器集成其中，且其電極尺寸與原火花塞電極尺寸基本相同，從而確保了火花放電過程的一致性。通過一個電荷放大器將氣缸內瞬態壓力信號傳輸至燃燒分析儀（型號為AVL Indimodule 622）。同時，燃燒分析儀也同步記錄了缸內瞬態壓力和ECU控制參數。值得注意的是，缸內壓力的記錄頻率設定為1 000 Hz，而車輛OBD（on-board diagnostics）端口傳輸的數據最高記錄頻率則為100 Hz。

瞬態HC排放是使用Cambustion快速響應分析儀（HFR 500）進行測量。該儀器數據記錄頻率為1 000 Hz，能夠捕捉到逐循環的HC排放特性。采樣探頭位于發動機排氣口，探頭尖端位于排氣門下游30 mm處，如圖1所示，這樣的布置基本排除了缸與缸之間的測量干擾問題。在本次試驗中，對第1缸進行了缸壓和HC排放的測量。

1.2試驗過程描述

根據國家第六階段輕型車排放標準的規定，試驗車輛在底盤測功機（AVL Roadsim 48″ Compact）上按照WLTC的車速要求進行駕駛，以此模擬實際道路交通狀況，車輛速度依次經歷低速段、中速段、高速段和超高速段。通過從車輛OBD端口獲取的數據流，能夠識別出車輛的行駛速度。試驗車輛的實際駕駛速度與排放測試標準所規定車速的符合程度較高，滿足測試要求。

2結果與分析

2.1HC排放分布

WLTC測試中，發動機第1缸的HC排放分布情況見圖2。試驗開始后，隨著時間的推移，發動機冷卻液溫度逐漸升高。大約300 s后，節溫器開啟，冷卻液溫度達到相對穩定的狀態，溫度范圍為80～90 ℃。通過觀察可以發現，在發動機冷卻液升溫階段出現了許多高HC排放峰值（超過10－2），這些峰值主要與缸內燃燒狀況不佳有關，因為在發動機冷卻液升溫階段，缸內氣體溫度和壁面溫度都相對較低。需要強調的是，高HC排放并不僅僅出現在發動機冷卻液升溫階段，在發動機冷卻液溫度穩定后WLTC的各個速度段也能觀察到。雖然催化劑起燃后大部分HC會被氧化掉，對尾氣排放的影響較小，但是降低HC原始排放對于提高燃燒效率是有積極作用的。為了深入理解WLTC中HC排放高的原因，選取了10個有代表性的HC排放峰值（編號已在圖2中標記）進行分析。

2.2高HC排放峰值分析

1號HC排放峰值出現在試驗開始后的22 s附近，此時，車輛的運行狀態處于低速段。與這一排放峰值相對應的，是圖3中顯示的發動機扭矩以及過量空氣系數數據。可以看到，在HC排放峰值出現之前，發動機扭矩出現了急劇下降，其最低值接近于0。從圖4的ECU控制參數的變化情況來看，發動機扭矩的變化是燃油噴射量減少導致的。在22.1 s附近，供油信號（具體含義見表2）的變化過程為0—3—1，說明第1缸出現了斷油現象。然而，在斷油前的兩個工作循環中，觀察到缸內出現失火或者不完全燃燒的現象，因為缸內的最高壓力與純壓縮壓力相差無幾，這與油氣混合惡化或點火延遲有關。在發動機冷卻液升溫階段，延遲點火能夠提高廢氣溫度和促進催化劑快速起燃［3，14-15］，但會導致缸內失火或燃料不完全燃燒，增加了廢氣通道內的HC量。另一個可能導致失火的原因為擋位切換，因為擋位切換過程中往往伴隨著油門的快速關閉和開啟，通常會導致富燃與貧燃的快速切換［22］。

2號HC排放峰值出現在WLTC測試的第39 s左右，如圖5所示，對應于車輛低速行駛狀態。這個峰值與1號HC排放峰值相似，同樣出現在發動機扭矩急劇下降之后。從供油信號的變化中可以看出，ECU在35.5～36.5 s之間沒有發出斷油信號（見圖6），發動機扭矩在這段時間內接近于0，這意味著混合氣燃燒做功很少或者幾乎沒有。因此，可以推斷在這段時間內缸內可能發生了連續失火或不完全燃燒。由于此時缸內溫度較低且不足以氧化和轉化掉氣缸內的HC，因此大量的HC在排氣門打開時進入排氣道，并被HC分析儀檢測到。

根據圖5可以觀察到，在36～40 s這段時間內，出現了幾次HC排放高峰，這些峰值出現的頻率與發動機轉速密切相關，與排氣門的開啟時刻對應。值得注意的是，這段時間內，HC排放峰值呈現出逐漸升高的趨勢。這種現象可以作如下解釋：噴油脈寬增加（見圖7），意味著燃油噴射量增多；同時節氣門開度減小導致進入氣缸的空氣量有所減少。然而，過量空氣系數并未減小，反而有所增加。這表明，空氣消耗減少，即燃油燃燒的比例降低，從而導致更多的未燃HC。當發生連續失火時，缸內殘余氣體占比越來越高，未燃HC的比例也會隨之逐漸升高［10］。

3～7號和9號的HC排放峰值出現的工況及形成規律與1號相似，文中不再對它們進行分析和描述。

8號HC排放峰值出現在WLTC測試的1 410 s附近，此時車輛駕駛狀態處于高速階段。在出現這個高HC排放峰值之前，已經歷經了幾個循環的高HC排放峰值，如圖8所示。在這些排放峰值中，有一部分是由于扭矩急劇下降引發的高HC排放，另一部分則是過量空氣系數過大（超過5）導致混合氣過稀、燃燒不良引發的。然而，8號HC排放峰值的形成過程與前面幾個峰值不同，因為第1缸在經歷了長時間斷油之后，突然進行供油，這時，缸內混合氣的過量空氣系數還未完全恢復到最佳范圍，由此引發了缸內失火或燃燒不充分的問題。隨后，隨著排氣門的開啟，大量未燃HC被排出。根據過量空氣系數的變化情況來看，部分工作循環的過量空氣系數超過了1.3。除此之外，點火延遲也可能是造成缸內失火或燃燒不充分的原因之一，如圖9所示。

10號HC排放峰值出現在WLTC的1 786～1 787 s之間，車輛駕駛處于超高速段。與8號HC排放峰值類似，在它之前也因為過量空氣系數過大出現了幾個循環的高HC排放峰值，如圖10所示。此外，在10號HC排放峰值之前有兩個與10號相似的HC排放峰值出現，這兩個HC排放峰值出現時的發動機扭矩、過量空氣系數和HC排放濃度與10號HC排放峰值相近，推測它們的形成原因是相似的：主要原因是點火時刻過晚（見圖11）導致失火或燃燒不充分。催化劑起燃后，可以通過優化點火策略改善缸內燃燒，不需要再通過延遲點火提高排氣溫度。在10號HC排放峰值附近發生了幾次斷油事件（供油信號不為0）引起了缸內的空燃比波動，惡化了缸內混合氣的燃燒，對應的過量空氣系數出現了幾次峰值（最高超過2），如圖10所示。

3結論

a） 在WLTC中任何一個駕駛速度段都有可能出現發動機高HC排放，發動機冷卻液升溫是否完成對于發動機的HC原排影響不大；

b） 發動機扭矩從高到低急劇變化時，有的氣缸未斷油，但發動機節氣門開度減小導致進氣量減少，易造成缸內失火或不完全燃燒，產生大量HC排放；

c） 氣缸內連續幾個工作循環斷油后再噴油會導致缸內過量空氣系數偏離最佳范圍，使燃燒惡化和HC排放增加；

d） 當發動機連續低扭矩運行時，發動機點火時刻過晚會導致缸內發生連續失火或不完全燃燒，催化劑起燃后可以通過調整點火策略等改善缸內燃料的燃燒。

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Analysis on High Transient HC Raw Emission of GDI?Engine for China Ⅵ Automatic Passenger Car

LIU Chuntao1，PEI Yiqiang1，2，QIN Jing2

（1.School of Mechanical Engineering，Tianjin Renai College，Tianjin301636，China;2.School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin300072，China）

Abstract： For the phenomenon of high HC raw emission of GDI engine under partial transient conditions， a WLTC（world harmonized light vehicles test cycle） test was carried out on a light vehicle equipped with a GDI engine by using the chassis dynamometer. The transient HC emission， in-cylinder pressure and ECU control parameters of single cylinder were collected， and the reasons of high HC emission were studied. The results show that the warm-up of engine coolant has no significant effect on the raw HC emission， and the high HC emission segments appear in each driving speed segment of WLTC. When the engine torque changes sharply from high to low， the intake air sharply reduced， but the fuel may be not cut off in the cylinder， and in-cylinder misfire or incomplete combustion occur and results in high HC emission. In addition， when the fuel injects again after the cutoff of several continuous working cycles， the in-cylinder excess air coefficient may deviate from the optimal range， the in-cylinder combustion worsens， and then misfire or incomplete combustion occurs， and hence HC emission increases.

Key words： gasoline direct injection engine;hydrocarbon;misfire

［編輯： 袁曉燕］