开阀喷射对PFI发动机PN排放性能的影响

刘卫昌,杨殿钊

(1.长安福特汽车有限公司动力系统产品开发部,重庆 400010;2.重庆大学机械与运载工程学院,重庆 400044)

当前我国已实施国家第六阶段机动车污染物排放标准(简称国六排放标准),国六排放标准对发动机污染物排放提出了新的要求,尤其新增了对颗粒数(PN)排放的要求,这对企业提出了新的技术挑战。如果从硬件方面来进行改善,无论是改进发动机的燃烧还是增加新的尾气处理装置,都会对企业的开发成本和生产成本产生较大影响,因此,可从软件角度出发,研究OVI技术对PN排放特性的影响。

进气道喷射式汽油发动机的喷射模式根据燃油喷射过程中进气门是否开启可分为闭阀喷射模式和开阀喷射(Open Valve Injection,OVI)模式[1]。进气道燃油喷射(Port Fuel Injection,PFI)发动机的燃油喷射一般在进气门开启前完成,在气门打开后油气混合气进入气缸内,而OVI技术是一种在进气门开启后再进行燃油喷射的技术。

马宗正等研究发现,PFI发动机通过采用开阀燃油喷射的方式可实现一定程度的分层充气[1],且OVI技术对不同节气门开度下的发动机性能影响不同,在节气门开度较小时适当提前喷射时刻有助于提升发动机性能[2]。万滨等[3]研究发现,在全负荷低转速下工况中,OVI技术可使发动机动力性提升1%～2%,但碳氢化合物的总排放量(Total Hydrocarbon,THC)可保持与闭阀喷射同等水平,而在最高转速下,闭阀喷射的动力性能较佳。王晓瑜等[4]发现,在怠速工况下采用OVI技术可提高缸内燃油量,且由于怠速工况下气流速度较低,对燃油喷射效果影响较小,所以大部分燃油可直接喷入缸内并随即蒸发,从而更有利于减少附壁油膜量和增加缸内燃油蒸气量。然而,有研究发现OVI技术对发动机性能也存在一些负面影响：由于分层充气的不稳定性,发动机在低负荷工况下会出现较严重的燃烧问题和碳氢化合物(Hydrocarbon,HC)排放偏高问题,其次,发动机在冷机工况下会出现机油稀释现象[5]。

由上述研究可知,对OVI技术的研究目前多集中在发动机性能、油耗及HC等气体排放方面,而在对PN排放性能影响方面的研究较少。此外,由于OVI技术对发动机存在负面影响,因此PFI发动机在实际应用中很少采用OVI技术。通过原理分析可知,OVI技术在部分工况下可以改善发动机的炭烟排放,且暂未发现有学者在实际量产的产品中采用该技术来改善PN排放,故本研究提出了一种OVI系统的控制逻辑和标定方法,研究了喷射时刻对PN排放特性的影响,最后在WLTC工况下试验验证了本研究控制逻辑下的OVI技术在改善PN排放方面的有效性以及系统的可靠性。

1 OVI控制系统开发

1.1 系统开发

OVI系统开发基于已有的发动机系统,对发动机硬件无特别要求,OVI系统的开发主要包括控制逻辑和标定方法的设计开发。

OVI喷射过程发生在进气冲程内。喷射结束时刻(End of Injection,EOI)是喷射时刻计算的基准,一般在压缩上止点后350°～530°。喷射开始时刻的计算方式为EOI减喷射持续时间,具体的喷射时刻需根据理论、试验数据及实际VCT进气门开度等来确定。

由于在发动机冷机情况下OVI易引起机油稀释及燃烧不充分问题,故OVI技术策略需在发动机热机后使用;同时,由于发动机处于中等转速大负荷工况时的排放较高,故选择在热机大负荷的工况下应用OVI控制策略。表1列出不同工况对应的使能条件情况,其中1表示使能,0表示禁止。

表1 不同工况的OVI使能条件

为保证系统稳定性,需使转速和负荷达到要求后再持续零点几秒的时间,否则系统在实际运行时会出现一定幅度的振荡。

OVI喷射发生在气门开启后,考虑到气门开启一般在压缩上止点后350°～530°,经分析和测试研究,最终选择300°,350°,360°,370°,400°(不同发动机气门重叠角不同,故不同发动机选择的喷射角也不同)5个喷射角作为研究对象。

发动机工况多以转速和负荷为衡量基准,所以实际软件中EOI也多以发动机转速和负荷为参照进行标定,不同转速和负荷下的EOI均可进行标定。EOI标定结果如表2所示。

表2 EOI标定结果

此外,系统要求在OVI工作时动力控制系统不能有进气、喷射、氧传感器、点火、转速、相位和水温传感器等故障,因为这些故障将加剧系统的不稳定性,引发一些无法预知的问题。

虽然排放多在大负荷工况下出现,但为保证本研究的严谨,仍需在其他转速和负荷下研究EOI对排放的具体影响,确定OVI适合的工作区域,因此对其他一些转速负荷工况点下的PN排放特性进行了研究和测试。

1.2 系统标定

在完成控制逻辑设计后,还需进行系统的标定。

1.2.1 标定方案

在不同发动机转速和负荷下进行PN排放扫点以确定各工况最佳的PN排放：分别在0.7负荷@2 500 r/min,0.8负荷@2 500 r/min,0.7负荷@3 000 r/min,0.8负荷@3 000 r/min,0.7负荷@3 500 r/min,0.8负荷@3 500 r/min,0.7负荷@4 000 r/min和0.8负荷@4 000 r/min工况下进行扫点,各工况点下分别在300°,350°,360°,370°和400° 5个EOI喷射时刻进行扫点,以确定OVI工作区域和最佳EOI喷射时刻。

试验系统包括：装置有PFI发动机的某型号汽车(包含动力控制模块和宽带氧传感器等)、开发PCM、汽车排放实验室、汽车转毂、尾气采集和分析装置、ATI标定工具、装置有标定软件(通过CAN通信与PCM进行数据交互)的上位机和尾气温度传感器等。

具体标定方法：在稳定工况下进行整车排放测试(以10 s内的PN排放平均值作为排放输出结果),确定OVI最佳的工作区域和EOI喷射时刻。具体验证方法：将整车置于转毂上并固定变速器挡位,并根据此传动比将目标发动机转速转换为车速;利用转毂将车轮反拖动至目标车速;利用油门踏板和标定参数控制发动机负荷达到目标数值;利用尾气采集装置从车辆的排气尾管收集尾气,并使用排放测试设备按照国六排放阶段轻型汽车污染物排放限值及测量方法[6],测试各组合工况下PN的排放数值。为了保证测试数据一致,试验条件须保持一致,如VCT进气门和排气门开度、空燃比、排温、点火角度和EGR率等。

在世界轻型车辆测试循环(Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cycle,WLTC)下进行整车实际排放测试,具体测试方案如下：在转毂上设定整车的道路阻力,按照WLTC的驾驶循环进行测试,用排放测试设备按照国六排放阶段轻型汽车污染物排放限值及测量方法从尾气中采集尾排,经过尾气装置标准化处理后输出排放结果,整车排放验证完成后初步固化标定和软件控制。

为保证系统可靠性和稳健性,最后进行HC,NOx,CO排放等方面的验证,验证完成后将最终标定和控制固化。

1.2.2 OVI系统EOI标定

为方便表达,仅展示3 000 r/min、3 500 r/min和4 000 r/min 3个转速点在0.8负荷时350°、400°及OVI关闭3个喷射时刻的试验测试数据。利用排放测试设备测试了各组合工况下PN的排放数据,具体测试数据如图1所示。

图1 PN排放测试结果

由图1可知,采用OVI技术后PN排放有明显改善,不同喷射角对应的排放不同。EOI为400°时效果最好,PN排放相较未采用OVI技术可降低64%～78%。这是因为喷射时刻的微小推迟可增加气缸内的空气量,使分层混合更充分、燃烧更高效,从而更好地降低了PN的排放[7]。综上所述,将EOI喷射时刻标定为400°。

在PN测试的同时,也对燃烧过程进行了监控,发现在上述喷射角下燃烧也很正常。需要注意的是,对于不同的发动机,最佳喷射时刻可能略有差异,需进行具体的研究和测试。

1.2.3 OVI系统工作区域标定

为探究OVI技术对所有工况下发动机特性的影响,确定OVI系统适合的工作区域,也对部分其他工况进行了研究和测试。经研究发现,在某些工况下OVI技术并未显著改善PN排放(如0.7负荷@3 000 r/min),部分工况下OVI技术甚至会导致PN排放的恶化(如0.8负荷@2 500 r/min),部分数据如表3所示。表3数据说明在低进气量的情况下,采用OVI技术后混合气出现了混合和燃烧均未充分的情况。由此可知,OVI技术仅能在特定工况下应用,使用前应对目标工况点下的发动机性能进行详细测试。

表3 PN排放测试结果

结合前文数据可确认OVI系统适合工作的区域(部分标定的工作区域见表1)。

2 OVI系统验证

在标定完成后进行了系统的试验验证,首先进行PN排放的验证,后进行其他方面的验证。

2.1 整车WLTC排放验证

为验证本研究控制逻辑下的OVI技术在改善PN排放方面的有效性,在WLTC循环工况中采用A-B对比测试的方式对改善效果进行了试验(在每种状态下各做3次排放试验)。为消除外界因素影响,在进行两组测试时,选择同一驾驶技术稳定的驾驶员在同一辆车上进行测试,同时测试开始前电池SOC电量一致。

综合排放测试结果(所有排放阶段综合排放结果)显示PN排放降低了35%左右,3次实车测试结果如图2所示(图中虚线为企业内部签收限值,实线为国标排放限值),测试结果比较一致,也比较稳定,采用OVI技术后PN排放均在3e+11以下。

图2 WLTC循环PN排放测试结果

通过分析整个测试循环中各点实时排放数据得知,后期超高速阶段时的PN排放改善效果较明显,部分PN实时排放数据如图3所示。

图3 WLTC循环PN排放测试实时排放数据

通过验证最终确认EOI 400°为初步标定数据。OVI技术在不同的车辆应用中实际的改善情况可能会有一定的差异,需要进行实际的验证和测试。一般来说小排量的发动机应用此技术改善更为明显,因为小排量的发动机在实际循环中发动机负荷更高一点,更适合采用该技术。

2.2 其他方面验证

由于OVI技术的负面作用,该技术必须在特定的工况下应用。同时,一项技术在实际产品应用前须验证其各方面性能。本研究还对使用OVI技术的特定工况进行了燃烧稳定性、失火率、机油稀释、HC,NOx,CO排放和驾驶性等方面的测试验证。另外,考虑到高原地区的充气情况,对高原驾驶性进行了相关验证。在完成验证后需固化最终标定数据和控制逻辑。

通过失火验证发现,在WLTC循环工况中的高速和超高速阶段只发生了一次失火,失火率为0.05%,失火率满足企业内部标准和国家标准。

图4示出在WLTC循环工况下的THC和CO排放数据,满足企业内部标准和国家标准(实线为国标排放限值)。图5示出在WLTC循环工况下的NMHC和NOx排放数据,同样满足企业内部标准和国家标准(实线为国标排放限值)。

图4 THC和CO排放结果

图5 NMHC和NOx排放结果

通过上述验证并未发现问题,且相关验证指标均满足企业和国家标准要求,说明OVI技术在特定工况下在改善PN排放的同时并不会带来其他问题。

2.3 OVI改善排放理论分析

由于发动机在大负荷工况下易出现燃油混合不充分现象,故容易在排放的尾气中包含颗粒。本研究旨在探究OVI技术是否可以改善这些工况的颗粒排放,针对试验结果进行了以下分析。

在进气门开启后,空气通过进气门进入气缸,在进气过程中同时进行燃油喷射,大部分的燃油和空气将在气缸内发生混合。中等转速高负荷工况下的进气量较大,在此类工况下进行OVI喷射可实现油气的分层混合[5]：早期进入的混合气被后期进入的空气逐渐推至下层,这会造成上层混合气略浓(靠近火花塞),下层混合气略稀。点火时上层略浓的混合气首先燃烧,后扩散至下层略稀的混合气,故可实现一定程度的分层燃烧,燃烧将更充分[8],从而可降低PN排放。

在进气门开启状态下进行燃油喷射时,进气道内气体处于运动状态,进气气流会加速燃油粒子的运动。当发动机转速达到3 000 r/min时,虽然较大燃油粒子的速度增加不明显,但进气流速远大于燃油喷射速度,燃油粒子会在进气气流的作用下直接进入缸内并加速燃油雾化[9-11]。另外,采用OVI模式时,气缸内部高温燃气的回流与喷雾相互作用,促进了燃油的挥发,燃油空间挥发油量增大[12-13]。以上两种因素均会使混合气更为均匀,燃烧更充分,从而降低PN排放。

此外,在进气门开启后喷油,燃油将随高速气流进入气缸,这有助于减少燃油碰壁现象的发生,可避免严重的油膜附壁现象发生[14-15],从而减少PN排放。

3 结束语

通过研究OVI技术对发动机PN排放特性的影响,提出了一个新的解决方案,可在不改变车辆硬件情况下低成本地改善PN排放。

阐述了OVI技术改善PN排放的原理与该系统的开发流程,提出了一种OVI系统的控制逻辑和标定方法,研究了喷射时刻对PN排放特性的影响,并试验验证了该控制逻辑下OVI技术在改善PN排放方面的有效性与系统的可靠性。研究结果表明,OVI技术在发动机热机、中等转速和高负荷的特定工况下可明显改善PN排放,具有较强的实际应用价值。