王振喜 馮朋朋 王謀舉 劉蘭松 劉道遠 欣白宇

（1.中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長春 130013；2.汽車振動噪聲與安全控制綜合技術(shù)國家重點實驗室，長春 130013）

主題詞：顆粒物 冷起動 多次噴射 噴油壓力 噴油時刻

1 前言

國家第六階段機動車污染物排放標準已于2019年7 月1 日起在部分地區(qū)率先實施，且自2020 年7 月1日起，全國范圍內(nèi)I 型試驗增加顆粒物排放數(shù)量限值要求[1]。在“國六”排放標準中，測試循環(huán)由新歐洲駕駛循環(huán)（New European Driving Cycle，NEDC）變更為全球輕型汽車測試循環(huán)（World Light Vehicle Test Procedure，WLTC），相對于NEDC，WLTC 強調(diào)車輛動力系統(tǒng)的獨特性[2]，車速更高，發(fā)動機運行工況范圍更廣。

W.Demmelbauer-Ebner 等人[3]的研究表明，主機廠對于傳統(tǒng)內(nèi)燃機的整車匹配策略正在由小排量增壓向適當增加排量的方向過渡，以降低發(fā)動機工作負荷，從而降低污染物排放量。小排量發(fā)動機的生存環(huán)境愈發(fā)艱難，尤其是匹配整車質(zhì)量和阻力相對較大的車輛時排放達標壓力巨大。

本文對某搭載1.2 L 渦輪增壓直噴（Gasoline Direct Injection Turbo，GDIT）發(fā)動機的SUV車型顆粒物排放超標問題進行分析和優(yōu)化，使顆粒物數(shù)量（Particulate Number，PN）滿足排放法規(guī)限值要求。

2 WLTC工況顆粒物排放分析

2.1 整車及發(fā)動機參數(shù)

為深入探究WLTC 工況顆粒物排放特性，選用一款匹配1.2 L GDIT 發(fā)動機和匹配1.5 L GDIT 發(fā)動機的同款試驗樣車進行對比研究，前者整車及發(fā)動機參數(shù)如表1所示。

2.2 WLTC工況

WLTC工況如圖1所示，包括低速、中速、高速、超高速共4 個階段，總時長1 800 s。相對于NEDC 工況，WLTC工況下發(fā)動機運行轉(zhuǎn)速及負荷都相應(yīng)增大。

表1 試驗樣車整車及發(fā)動機參數(shù)

圖1 WLTC工況[1]

2.3 WLTC工況顆粒物排放分析

相比于氣道噴射發(fā)動機，缸內(nèi)直噴發(fā)動機雖然有較好的燃油經(jīng)濟性，但由于燃料直接噴入缸內(nèi)導致的油氣混合不均勻、燃油濕壁現(xiàn)象以及燃油撞擊活塞頂造成的油膜形成、霧化不充分的問題，都會導致顆粒物排放量較高[4-6]。

1.2 L GDIT 發(fā)動機WLTC 工況顆粒物排放超限值50%以上，1.5 L GDIT 發(fā)動機WLTC 工況顆粒物排放量為限值的50%。

圖2所示為WLTC 工況測試過程顆粒物排放情況，1.5 L GDIT 發(fā)動機顆粒物排放高的區(qū)域集中在冷起動及超高速段，1.2 L GDIT發(fā)動機全程顆粒物排放量均較多。二者冷起動階段排放水平相當，第50～1 800 s時間段1.2 L GDIT發(fā)動機整體性能較1.5 L GDIT發(fā)動機差。

圖2 WLTC工況顆粒物排放量時間歷程

2.4 發(fā)動機運行工況分析

圖3所示為2款發(fā)動機在WLTC工況下的負荷分布情況，1.2 L GDIT 發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和負荷都更高。圖4 所示為1.2 L GDIT發(fā)動機顆粒物排放MAP，轉(zhuǎn)速和負荷越高，顆粒物排放量越高。因此，1.2 L GDIT 發(fā)動機整車排放達標壓力更大。

圖4 1.2 L GDIT發(fā)動機顆粒物排放MAP

3 發(fā)動機原始排放優(yōu)化

3.1 發(fā)動機臺架試驗優(yōu)化

針對1.2 L GDIT 發(fā)動機在臺架上進行穩(wěn)態(tài)工況參數(shù)優(yōu)化，使用AVL 公司的顆粒計數(shù)器采集顆粒物排放量數(shù)據(jù)。

3.1.1 優(yōu)化工況點選擇

在前期標定過程中，為了保證發(fā)動機噴油器在流量線性區(qū)工作，每次噴油脈沖寬度應(yīng)大于1 ms，因此噴油壓力受到限制，顆粒物排放量相對較高。為解決此問題，開發(fā)了小流量控制模塊，可將最小噴油脈沖寬度降至0.35 ms，噴油壓力可進一步提升。因此需對噴油壓力、噴油時刻、噴油次數(shù)、噴油比例進行優(yōu)化。針對WLTC發(fā)動機運行工況，選取16個工況點進行優(yōu)化，如表2所示。

表2 優(yōu)化工況

3.1.2 優(yōu)化過程

以發(fā)動機轉(zhuǎn)速2 000 r/min、相對充氣量100%工況為例，給出顆粒物排放優(yōu)化過程。

圖5 單次噴射噴油壓力、噴油時刻優(yōu)化結(jié)果

圖5 所示為單次噴射的噴油壓力和噴油時刻優(yōu)化結(jié)果。隨著噴油壓力的增大，燃油在缸內(nèi)霧化和燃燒都更加充分，顆粒物排放量有下降趨勢。燃油在進氣行程噴入缸內(nèi)，隨著噴油時刻推遲，油束與活塞頂部的距離增大，減少了油束撞擊活塞頂面的風險，但隨著噴射時刻的推遲，也縮短了燃油的霧化時間，綜合上述因素可知，噴油時刻在上止點前（Before Top Desd Center，BT?DC）230°CA附近對應(yīng)的顆粒物排放量最優(yōu)。

大部分發(fā)動機第1 次噴油時刻在260～300°CA BTDC范圍內(nèi)，由于該1.2 L發(fā)動機缸徑、沖程較小，燃油更容易碰壁，噴油時刻需推遲至230°CA BTDC附近。

圖6 所示為采用2 次噴射時，第2 次噴油時刻和第2 次噴油比例的優(yōu)化結(jié)果。第1 次噴油時刻采用單次噴射優(yōu)化出的最佳時刻230°CA BTDC，第2次噴油在壓縮行程。第2次噴油時刻對顆粒物排放量的影響較大，而第2 次噴油比例對顆粒物排放量的影響較小。隨著活塞上行，缸內(nèi)滾流加劇、溫度升高，有利于燃油霧化混合，減少了燃油撞擊活塞頂面的風險。若噴油時刻過晚，大量燃油撞擊活塞頂面后無法揮發(fā)，導致顆粒物排放量急劇上升。因此，第2 次噴油最佳時刻在120～100°CA BTDC 范圍內(nèi)，優(yōu)化結(jié)果為110°CA BTDC 時顆粒物排放量最低。

圖6 2次噴射時第2次噴油時刻、噴油比例優(yōu)化結(jié)果

圖7所示為采用3次噴射時，第2次噴油時刻及第2次、第3次噴油合計比例的優(yōu)化結(jié)果。第1次噴油時刻確定為230°CA BTDC，第3 次噴油時刻為確定110°CA BTDC，則第2次噴油時刻對顆粒物排放量的影響較大，而第2次、第3次噴油合計比例對顆粒物排放量的影響較小。第2次噴油時刻在180～140°CA BTDC范圍內(nèi)顆粒物排放量較高，因為該時間范圍內(nèi)缸內(nèi)滾流較差、溫度較低，不利于燃油霧化混合，導致燃油撞擊活塞頂面現(xiàn)象嚴重。

圖7 3次噴射時噴油比例、第2次噴油時刻優(yōu)化

相對于優(yōu)化前，噴油壓力、噴油時刻及噴油比例都有較大調(diào)整。表3 所示為優(yōu)化前3 次噴射及優(yōu)化后單次、2次、3次噴射模式下的噴油時刻。

表3 優(yōu)化前、后噴油參數(shù)

優(yōu)化后進行臺架試驗，結(jié)果表明，單次噴射相對于優(yōu)化前顆粒物排放量降低了52%，2 次噴射和3 次噴射顆粒物排放水平相當，相對于優(yōu)化前均降低了78%。

3.1.3 優(yōu)化結(jié)果

圖8 優(yōu)化后顆粒物排放量及降幅

圖8 所示為16 個工況點3 次噴射優(yōu)化后顆粒物數(shù)量降幅，顆粒物排放量最大降幅為90.7%，最小降幅為28.1%，12個工況點降幅超過50%。

3.2 缸內(nèi)噴霧模擬

采用計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）軟件STAR-CD對缸內(nèi)噴霧過程進行模擬，分析噴油策略對顆粒物排放量的影響規(guī)律。計算工況為發(fā)動機轉(zhuǎn)速2 000 r/min、相對充氣量100%。計算方案如表4所示。

表4 缸內(nèi)噴霧計算方案

圖9所示為活塞頂面燃油撞壁量計算結(jié)果，對比方案1 與方案2，采用2 次噴射能顯著減小活塞頂面燃油撞壁量。對比方案2 與方案3，將第1 次噴油時刻由280°CA BTDC推遲至230°CA BTDC，活塞頂面燃油撞壁量也明顯降低。仿真結(jié)果與優(yōu)化后發(fā)動機臺架試驗結(jié)果趨勢一致。

圖9 各方案活塞頂面燃油撞壁量計算結(jié)果

圖10所示為活塞燃油撞壁量最大時缸內(nèi)燃油液滴分布情況，采用2次噴射及推遲第1次噴油時刻能顯著降低活塞頂面附近燃油分布量和撞壁量。

圖10 各方案缸內(nèi)燃油液滴分布情況計算結(jié)果

圖11、圖12 所示分別為缸內(nèi)滾流比和缸內(nèi)溫度仿真結(jié)果，180～140°CA BTDC 范圍內(nèi)缸內(nèi)滾流和缸內(nèi)溫度都處于較低水平，因此，若在此時間范圍噴油，燃油霧化混合較差，燃油撞擊活塞頂面嚴重，顆粒物排放量升高。與發(fā)動機臺架優(yōu)化過程中2次噴射和3次噴射方案180～140°CA BTDC時顆粒物排放量較高的趨勢一致。

圖11 各方案缸內(nèi)滾流比計算結(jié)果

圖12 各方案缸內(nèi)溫度計算結(jié)果

4 整車WLTC工況優(yōu)化

4.1 冷起動階段優(yōu)化

4.1.1 噴射次數(shù)優(yōu)化

冷起動階段，由于缸內(nèi)溫度較低，燃油霧化效果較差，燃油撞壁后不易揮發(fā)，采用多次噴射能夠有效降低油束的撞壁量，從而改善顆粒物排放量。

大部分主機廠在冷起動階段采用2次或3次噴射降低顆粒物排放量。在發(fā)動機臺架穩(wěn)態(tài)工況下驗證4次、5次噴射相對于3次噴射是否有降低顆粒物排放量的效果，但瞬態(tài)加速過程缸內(nèi)流場急劇變化，導致缸內(nèi)燃油分布及燃油撞壁量與穩(wěn)態(tài)過程差異較大。為進一步研究瞬態(tài)加速過程4 次、5 次噴射相對3 次噴射是否有進一步降低顆粒物排放量的潛力，本文增加4次、5次噴射策略。圖13所示為冷起動階段3次噴射、4次噴射、5次噴射對應(yīng)的噴油時刻示意。

圖13 3次噴射、4次噴射、5次噴射噴油時刻示意

圖14所示為冷起動階段3次噴射、4次噴射、5次噴射對應(yīng)的顆粒物排放量試驗結(jié)果。使用4 次、5 次噴射相對于單次噴射可降低冷起動階段顆粒物排放量50%以上，5次噴射效果最好。

圖14 多次噴射顆粒物排放量對比

4.1.2 可變氣門正時使用角度優(yōu)化

圖15 所示為可變氣門正時（Variable Valve Timing，VVT）使用角度優(yōu)化試驗結(jié)果，原始VVT 角度為0°CA。隨著VVT使用角度增大，顆粒物排放量略有降低，但效果不明顯。

圖15 VVT使用角度優(yōu)化結(jié)果

4.2 低水溫工況優(yōu)化

4.2.1 噴射次數(shù)優(yōu)化

圖16 所示為水溫在80 ℃以下時采用3 次噴射和4次噴射對顆粒物排放量影響的試驗結(jié)果。同冷起動階段相似，在水溫較低時，缸內(nèi)溫度也相對較低，影響燃油霧化，增加噴射次數(shù)可以有效減少燃油撞壁量，采用4次噴射時的顆粒物排放量較3次噴射更低，降幅達50%以上。

圖16 4次噴射優(yōu)化結(jié)果

4.2.2 節(jié)溫器開啟溫度優(yōu)化

圖17所示為節(jié)溫器布置示意，整機采用缸體、缸蓋分體冷卻方案，水溫超過57 ℃后，缸體節(jié)溫器開啟，缸體水循環(huán)由小循環(huán)切換為大循環(huán)。為加快暖機時間，嘗試將缸體節(jié)溫器開啟溫度調(diào)整為70 ℃，驗證對顆粒物排放量的影響，結(jié)果如圖20所示。

圖17 節(jié)溫器布置示意

由圖18 可知，第260 s 時水溫達到70 ℃，此時節(jié)溫器開啟，顆粒物排放試驗結(jié)果惡化。節(jié)溫器開啟溫度越高，開啟時缸壁受到的冷、熱沖擊越大，導致燃油霧化蒸發(fā)變差，顆粒物排放量升高。

圖18 節(jié)溫器開啟溫度調(diào)整驗證

4.3 熱機工況優(yōu)化

圖19 所示為熱機狀態(tài)下，發(fā)動機臺架優(yōu)化結(jié)果在WLTC 工況下的驗證結(jié)果。使用發(fā)動機臺架優(yōu)化得到最佳噴油參數(shù)，對不同的第1次噴油時刻進行驗證。結(jié)果表明，第1 次噴油時刻為230°CA BTDC 時，顆粒物排放量最低，與發(fā)動機臺架原始排放優(yōu)化結(jié)果一致。

圖19 熱機優(yōu)化結(jié)果

4.4 優(yōu)化過程小結(jié)

圖20所示為優(yōu)化前、后顆粒物排放量結(jié)果，顆粒物排放量降幅達56.3%，滿足排放法規(guī)限值要求。

圖20 最終顆粒物排放結(jié)果

5 行駛里程對顆粒物排放量影響

圖21 所示為3 臺配置相同樣車的顆粒物排放量與行駛里程的關(guān)系，隨著行駛程的增加，發(fā)動機本體及排氣系統(tǒng)的清潔度得到提升，顆粒物排放量出現(xiàn)了不同程度的降低。

圖21 行駛里程對顆粒物排放量的影響

6 結(jié)束語

本文以WLTC 工況為基礎(chǔ)，研究了不同階段顆粒物的分布特性，對發(fā)動機原始顆粒物排放進行優(yōu)化，并在整車WLTC 工況下進行驗證和進一步優(yōu)化，得到以下結(jié)論：

a.通過對噴油時刻、噴油壓力、噴油比例、噴油次數(shù)等進行優(yōu)化，可使發(fā)動機原始排放大幅降低。

b.通過發(fā)動機原始排放優(yōu)化，以及在冷起動階段使用5次噴射，低水溫（80 ℃以下）時使用4次噴射等策略能夠大幅降低顆粒物排放量，滿足國家第六階段機動車污染物排放標準要求。

c.車輛行駛里程對顆粒物排放有較大影響，隨著里程增加，顆粒物排放呈下降趨勢。