kok电子竞技

国五排放法规对多缸大排量汽油机的影响

为了满足越来越严格的环境保护要求，五项排放法律法规的执行已被列入议程，预计2013年将首次在北京实施。因此,为了满足该项法规,汽车生产厂需要采用许多新技术来改善机内净化,从而降低发动机本体排放。国五排放法规与国四排放法规相比,除了氮氧化合物(NOx)进一步降低以外,最重要的变化就是不单考核碳氢化合物总体排放量(THC),而且把其中对人体更为有害的非甲烷碳氢(NMHC)化合物排放抽出来加以单独考核,这样更有利于有害排放物的控制。针对多款大排量汽油机的试验结果表明,一氧化碳(CO)和氮氧化合物(NOx)排放较容易控制,国五排放的控制难点关键在于碳氢化合物的控制,特别是对非甲烷碳氢化合物的控制。因此,针对多缸大排量汽油发动机来说,碳氢排放更受关注。1催化剂的排放对于汽油发动机来说,碳氢化合物成分极其复杂,其中包含未参加燃烧的燃油碳氢化合物分子,有燃烧过程中高温分解和合成的中间产物和部分氧化物,如醛、烯及芳香族烃等,不完全燃烧产物以及润滑的碳氢化合物等成分。国五排放法规特别约束的非甲烷碳氢化合物主要成分是未燃烧的燃油碳氢化合物分子。众所周知,现今的催化剂完全起燃后的转化效率非常高,通常可以达到90%以上。因此,约80%~90%的CO、HC排放是在起动阶段和第一个循环产生的(如图1和图2所示V12发动机排放分布情况)。这一阶段:1)发动机处于低温状态,燃油蒸发差导致燃油雾化和油气混合不充分;2)运行于开环控制阶段,空燃比相对较浓,低温油膜控制不佳;3)低温状态下不完全燃烧、淬冷效应和三元催化反应器起燃慢等多种因素。因此,碳氢排放成因复杂,故也更难于控制,特别是对于多缸大排量汽油发动机则更加恶化。所以,如何来有效地控制发动机运行的初始阶段,即前100秒的碳氢排放,对达到国五排放开发工程目标至关重要。2发动机转速、lampda和thc排放的控制特点在排放标定优化过程中,也对两款国外大排量PFI汽油机车型进行了研究,了解其排放控制特点,这对自主机型排放开发起到很好的借鉴作用。一款日本车型采用12孔喷油器技术,排放水平很好,NMHC占总碳氢比例少于85%。另一款德国车型采用二次空气泵技术,也同样达到了很好的排放结果,NMHC占总碳氢比例低到81%。具体结果如下表1。图3和图4说明了这两款车型的发动机转速、Lambda和THC排放的控制特点。可以看到,对于日系此款车型,虽然冷机阶段空燃比控制较浓,前10秒的Lambda基本上小于1,最低Lambda接近于0.7,但10秒后基本稳定在理论空燃比附近。而此阶段的碳氢排放量并不是很高,平均在4000ppm左右,这得益于采用多孔喷油器使得燃油雾化较好、燃烧比较充分的结果。有关理论已经在其它的学术文献中有所阐述。而从发动机转速上可以明显看出三元催化转化器加热控制策略,以及与变速器换档规律相结合的、使三元催化转化器迅速起燃的控制策略。对于德系此款车型,二次空气的引入极大地抑制了冷机起动阶段的碳氢排放,其峰值点向后推迟很多,可借助三元催化转化器效率的提升。而在发动机转速上除了仅采用提高怠速控制策略以外,并无其它特殊措施,所以在NVH方面要好于上述的日系车型。总之,日系车型表现得中规中矩,采用了多项有益于PFI汽油机碳氢排放降低的控制技术,而德系车型更多依赖于二次空气泵技术,其它控制方面比较简化。笔者认为,对于我国自主开发车型可以走日本技术路线,比较经济实惠。但同时也要避免日本企业为追求利润最大化而体现高技术缓慢(诸如刹车门事件)的弊端。3大排量汽油发动机在一汽近期开发的几款豪华车型上,分别采用了V6、V8、V12多缸大排量汽油发动机。为满足国五排放开发工程目标,对采用什么样的技术和控制策略进行了大量研究。本文主要研究采用什么样的标定控制策略来满足开发目标要求,主要有以下几个方面。3.1提高三元催化剂用量在发动机起动初期阶段,由于排气温度较低,三元催化转化器起燃需要一定的时间,因此对有害排放物的转化效率也很低,导致绝大部分排放都是在此阶段产生。所以,如何使三元催化转化器快速起燃、尽快达到较高的转化效率是降低排放的有效手段之一。目前广泛采用的是紧耦合催化器、歧管催化器、金属载体催化器、双层隔热排气管等硬件改进措施,其目的无非是充分利用排气热量来尽快使三元催化转化器起燃,但这都属于被动手段。更主动的方式是提高发动机排气温度,其中提高发动机怠速转速是有效手段之一。然而,发动机怠速转速的提高同时也带来排放总量增大的负面影响,因此,这是一个折中优化过程。图5说明不同的发动机怠速转速对三元催化转化器起燃和排放的影响,可以看到发动机怠速转速在起动后几十秒内设定在1300r/min对THC降低是比较有利的。3.2燃油是少碳氢原始排放的原料通过调整起动后喷油起始相位,会影响燃油蒸发时间的长短,从而对排放产生影响。通过标定寻求某一喷油相位能有助于混合气更好地形成,减少碳氢原始排放。试验结果表明,较早地喷射燃油,增加了燃油蒸发时间,使得油气有时间进行充分的混合。而非常推迟的喷油,即在进气过程中依然保持喷油,利用进气的气体扰动也能使部分燃油蒸发,改善油气混合,见图6。但要注意的是,在进气门开启后依然喷油,气流会将未蒸发液体燃油带入气缸,存在打湿火花塞引起失火的危险,或粘附在气缸壁上引起排放更加恶化。因此,选择较早喷油是有利于碳氢排放的降低。3.3空燃比控制策略空燃比控制对排放的影响至关重要,也是排放标定的重点。毋庸置疑,尽快使发动机工作在理论空燃比是有效控制排放的目标之一。尽早进入空燃比闭环控制阶段,此时三元催化转化器对排放物的转化效率最高。所以,在三元催化转化器起燃后,无论怠速、稳速、加减速过渡工况,都尽量控制在Lambda=1,即使过渡工况最恶劣情况Lambda偏差也不能超出±10%(国外有的公司控制在±6%以内)。然而,正如前面所述,大量的排放是在三元催化转化器未起燃时产生的,所以,发动机起动后、进入闭环控制前的空燃比控制非常关键。空燃比偏浓,则CO和HC,特别是NMHC会急剧上升。理想的、满足国五排放要求的Lambda控制是起动后沉底不低于0.9,然后在1-2秒内快速达到1.0附近,如图7所示。当然,空燃比过稀会导致燃烧不稳定甚至失火,反而引起HC的急剧上升。所以空燃比控制要保证发动机起动、暖机怠速可靠,并对不同品质燃油有一定的适应性。当然,在硬件设计上充分考虑有利于燃油蒸发、增强进气扰动、改善油气混合,使所喷燃油充分燃烧,避免燃油直接排出机外才是根本解决方案。3.4点火提前角的影响在排放循环的冷起动初期阶段,点火提前角的优化对降低排放的作用是显而易见的。适当地推迟点火提前角有助于排气温度的尽快上升。一方面,满足三元催化转化器快速起燃的要求,尽快达到较高的转化效率;另一方面,使氧传感器尽快度过露点,尽早进入空燃比的闭环控制,从而降低发动机的本体排放。图9试验结果表明了不同的点火提前角对碳氢排放影响,可见作用还是非常显著的。过度推迟点火角会引起发动机燃烧不稳,甚至引起失火,反而造成排放的恶化。一般来讲,点火提前角介于0~5°曲轴转角之间比较合适。此外,冷机阶段的多次点火也是不错的尝试,也可增大点火能量以改善点火成功率。但是研究结果表明,只要硬件设计正确,这些措施对碳氢排放的降低作用微乎其微。3.5排气vct的关闭工程上来讲,在低温环境下,过多的内部EGR会造成发动机的燃烧不稳,甚至引起失火。因此,只有当发动机冷却液温度达到五六十度以上、进气温度达到几度以上才会开启VCT,让其参与工作。然而,通过恰当地控制进排气VCT,可以将一部分燃烧废气回流到进气侧,对冷的混合气进行加热,使得燃油进一步蒸发,改善了油气混合状况,从而使燃烧变得充分,降低一氧化碳和碳氢的排放。试验结果表明,进气VCT越提早开启,则废气回流越多,碳氢排放降低越明显。但随之而来的是内部EGR越多,所带来的发动机燃烧越不稳定,这是一个排放和舒适性折中优化的过程。排气VCT的推迟关闭,对排放的降低并没有益处,因此保持默认位置不变。表2显示了进气VCT开度对碳氢排放降低的效果,单位为占法规排放限制的百分比。3.6悬架的起燃时间控制通过优化变速器换档规律来改变发动机运行工况,以辅助降低发动机有害气体排放量是有效的方法之一。这会涉及到几个方面,其中最重要的、也最具有代表性的是在冷机起动和暖机阶段的换档规律控制,目的是使发动机快速升温和加快三元催化反应器的起燃速度。实现上述想法的基本原理就是让发动机工作在相对较高转速和负荷,以使发动机热负荷增加。针对该问题在变速器控制策略中会引入暖机功能(Warm‐Up),其激活条件比较苛刻,如车速低于18km/h(NEDC第一个驾驶循环是15km/h)、水温和进气温度覆盖‐7℃和20℃、初始挡位为驻车挡/空挡、起动后一段时间以内起作用等等,仅针对排放工况加以特殊处理。例如,在‐7±5℃的温度条件下测试了各kok电子竞技换挡规律在NEDC驾驶循环对触媒起燃时间的影响,测试结果对比如图10所示,测试统计结果见表3。从上面数据中可以看出,在Warm‐Up阶段中,1挡升2挡的车速越晚,三元催化反应器中心能达到的温度越高,起燃的时间也就越早。且在第一个15km/h驾驶完成后,三元催化反应器基本完全达到最高转化效率,在排放控制中起到了很好的作用。4我国机碳氢排放的硬件设计针对大排量汽油机,在冷机阶段通过上述的发动机目标怠速、闭环前空燃比、点火提前角、喷油相位、进排气VCT以及换档规律等优化,可以有效降低冷机阶段的发动机碳氢排放,从而无需采用特殊的硬件结构来满足国五排放开发目标。当然,发动机硬件方面也要设计合理,并且要尽量采用对降低排放有益的措施,诸如:汽油直喷、多孔喷油器、二次空气泵、紧耦合三元催化器、热容小的隔热排气管、进气滚流组织、油束选择和落点、有助于油气混合的燃烧室等等,这些硬件措施不在本文讨论范围之内。但单纯地依赖于通过电控标定优化来实现国五排放开发目标,难度是非常大的,也存在很大风险,所以应综合考虑软硬件进行排放开发,寻找最合理的解决方案。