關(guān)于歐6直噴汽油機(jī)性能分析和可行性解決方案評(píng)價(jià)

2011年末頒布的歐6排放法規(guī)明確了未來(lái)幾年的需求框架。6.0×1011 km-1的顆粒數(shù)限值對(duì)直噴汽油機(jī)來(lái)說(shuō)是真正的挑戰(zhàn)。通過(guò)可視化單缸發(fā)動(dòng)機(jī)的研究，討論顆粒形成的因果關(guān)系，這可以為降低顆粒排放提出系統(tǒng)需求及功能定義。在1款歐5汽油機(jī)上進(jìn)行的可再現(xiàn)性研究成功降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的原始排放，為噴油器中央布置的汽油機(jī)達(dá)到歐6顆粒數(shù)限值確定了方向。

近年來(lái)，汽油機(jī)呈現(xiàn)直噴化趨勢(shì)，但還必須面對(duì)顆粒排放法規(guī)限值日益收緊的態(tài)勢(shì)。在歐洲，即將實(shí)施的歐6排放法規(guī)在顆粒排放質(zhì)量限值的基礎(chǔ)上，增加了顆粒數(shù)限值規(guī)定。本文將針對(duì)顆粒排放問(wèn)題，就相關(guān)排放法規(guī)、顆粒生成原因分析，以及為實(shí)現(xiàn)歐6目標(biāo)的直噴汽油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)相應(yīng)技術(shù)對(duì)策及評(píng)價(jià)結(jié)果等方面進(jìn)行討論。

圖1 歐6顆粒數(shù)限值實(shí)施步驟

1 歐6排放法規(guī)的顆粒數(shù)限值

發(fā)動(dòng)機(jī)排出的顆粒會(huì)對(duì)人類健康和大氣環(huán)境造成不利影響，因此，各國(guó)正在加強(qiáng)對(duì)粒徑100 nm以下顆粒排放的限制。2011年末，歐6排放法規(guī)將汽油機(jī)的顆粒數(shù)限值規(guī)定為6.0×1011 km-1，對(duì)直噴汽油機(jī)而言，這一限值是非常苛刻的。如圖1所示，上述排放限值將按照歐6b、歐6c的順序階段性地實(shí)施。另外，研究人員對(duì)在現(xiàn)有新歐洲行駛循環(huán)（NEDC）的基礎(chǔ)上增加實(shí)際行駛工況排放（RDE）也進(jìn)行探討，但因?yàn)闆](méi)有限定詳細(xì)的條件，在現(xiàn)階段還無(wú)法開(kāi)展具體的研究工作。在歐6之后，預(yù)計(jì)將在2020年，以全球統(tǒng)一輕型車測(cè)試循環(huán)（WLTC）為基礎(chǔ)，制定相應(yīng)的法規(guī)。本文主要關(guān)注達(dá)到歐6最終顆粒數(shù)限值（6.0×1011 km-1）的技術(shù)途徑。

2 汽油機(jī)排放顆粒的生成要因

要減少汽油機(jī)的顆粒排放，就必須了解顆粒的生成過(guò)程。圖2是以柴油機(jī)為對(duì)象進(jìn)行調(diào)查的結(jié)果，揭示了生成碳煙顆粒的氣體環(huán)境條件。由圖2可知，高溫與過(guò)濃混合氣是促進(jìn)生成碳煙顆粒的要因。由于均質(zhì)預(yù)混合汽油機(jī)在理論上不存在類似的過(guò)濃狀態(tài)，因此認(rèn)為，汽油機(jī)中的碳煙生成與缸內(nèi)燃油附著引起的局部過(guò)濃混合氣有關(guān)。

圖2 生成碳煙顆粒的氣體環(huán)境條件

圖3示出了直噴汽油機(jī)燃燒室內(nèi)可能生成碳煙的燃油附著區(qū)域。除了由于早期噴射而有明顯燃油附著的活塞頂面（圖3①）外，還有因進(jìn)氣門及進(jìn)氣門座上部的噴霧沖擊和擴(kuò)散引起的燃燒室頂部燃油附著（圖3②），因噴油引起的噴嘴端部燃油附著（圖3③），以及經(jīng)由氣缸壁面油膜的活塞環(huán)岸處燃油附著（圖3④）。

圖3 汽油機(jī)中生成碳煙顆粒的潛在區(qū)域

上述燃油附著及碳煙生成情況可以通過(guò)圖4所示可視化單缸發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)攝影圖像、溫度曲線及放熱率曲線來(lái)加以證實(shí)。為滿足燃油耗方面的要求，汽油機(jī)的噴油定時(shí)被提前至340°CA BTDC，因此，在20°CA ATDC燃燒基本結(jié)束之后，活塞頂面仍然會(huì)殘留少量附著燃油。此時(shí)的氧濃度低于1%，計(jì)算所得的平均燃?xì)鉁囟燃s為2 000 K，這一條件與該部位燃油蒸發(fā)生成碳煙的條件基本一致。為此，在燃油附著處附近，可觀察到因放熱引起的發(fā)光現(xiàn)象。

圖4 基于曲軸轉(zhuǎn)角的燃燒過(guò)程及碳煙生成

生成碳煙的另一個(gè)原因是混合氣不均導(dǎo)致的局部混合氣過(guò)濃（圖3⑤）。新鮮空氣與燃油的混合不充分導(dǎo)致燃燒時(shí)的混合氣存在過(guò)濃區(qū)域，這也可能是導(dǎo)致生成碳煙顆粒的原因之一。

為了驗(yàn)證上述理論，對(duì)與顆粒有關(guān)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行研究。圖5為噴油定時(shí)對(duì)顆粒數(shù)變化趨勢(shì)的影響。如前文所述，噴油定時(shí)與燃油附著密切相關(guān)。從降低顆粒數(shù)的角度來(lái)看，為了避免活塞上的燃油附著，噴油定時(shí)應(yīng)盡量提前。

圖5 顆粒數(shù)與噴油始點(diǎn)的關(guān)系

燃油噴射壓力是影響噴油霧化和蒸發(fā)的重要參數(shù)。圖6表示燃油壓力和油霧粒徑的關(guān)系，圖7所示燃油壓力與顆粒數(shù)的關(guān)系顯示出與圖6相似的趨勢(shì)，這說(shuō)明提高噴油壓力有利于降低顆粒數(shù)。

圖6 通過(guò)提高燃油壓力降低油霧粒徑

圖7 通過(guò)提高燃油壓力降低顆粒數(shù)

3 滿足歐5排放法規(guī)的顆粒數(shù)水平

由于降低顆粒排放并不是車輛滿足歐5排放法規(guī)的重點(diǎn)，所以法規(guī)規(guī)定的顆粒數(shù)限值并不是能達(dá)到的最低值。但是，車輛的檢測(cè)值與作為課題的運(yùn)行條件幾乎相同。圖8是歐5認(rèn)證車輛在NEDC工況下進(jìn)行顆粒數(shù)測(cè)量的結(jié)果。冷態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)催化轉(zhuǎn)化器預(yù)熱過(guò)程中排放的顆粒數(shù)較高，這是因?yàn)楸诿娓街娜加驼舭l(fā)緩慢，并經(jīng)由前文所述過(guò)程生成碳煙顆粒。因此，關(guān)鍵是要盡量減少冷機(jī)時(shí)壁面附著的燃油。另外，車輛加速或高速行駛（高負(fù)荷）時(shí)的顆粒數(shù)也有明顯增加。因此，著重降低這些運(yùn)行條件下的排放顆粒數(shù)會(huì)取得較好的效果。

圖8 NEDC工況下現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)車輛的累計(jì)排放顆粒數(shù)

4 系統(tǒng)方法研究與各種運(yùn)轉(zhuǎn)工況下的評(píng)價(jià)

如前文所述，生成顆粒的主要原因是燃燒室內(nèi)附著燃油及混合氣的不均勻性。因此，本次研究采用以下技術(shù)對(duì)策：（1）改善噴油霧化，降低貫穿度；（2）優(yōu)化各油束的噴射方向及噴油量分配；（3）提高微小噴油量階段的噴油精度；（4）優(yōu)化靜態(tài)流量；（5）在整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)工況范圍內(nèi)優(yōu)化匹配。

4.1 激光加工噴油器噴孔

傳統(tǒng)的噴油器噴孔加工采用放電加工工藝，這種方法具有一定的實(shí)用優(yōu)勢(shì)及可靠性，但在加工自由度及工件表面品質(zhì)方面存在一定限制。為此，研究人員開(kāi)發(fā)了激光加工工藝，并取得良好效果。相比放電加工工藝，激光加工工藝可以改善工件表面的精度，同時(shí)，可將噴孔入口的端面形狀加工得更為精確、整齊（圖9）。

圖9 分別由放電加工工藝和激光加工工藝制成的噴孔入口邊緣形狀

噴孔入口邊緣形狀更為精確可以使燃油在流入噴孔時(shí)形成強(qiáng)烈的紊流，由此在每個(gè)油束中產(chǎn)生劇烈破碎作用，從而降低貫穿度。圖10為相同形狀的噴嘴經(jīng)放電加工和激光加工后的油束比較，可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)激光加工后，油束角度更大。

圖10 分別經(jīng)放電加工和激光加工工藝制成的噴孔油束形狀

另外，采用激光加工工藝，還可以加工出不同直徑的噴孔，從而實(shí)現(xiàn)燃燒室內(nèi)燃油噴霧的自由分配。圖11為噴油器側(cè)置的直噴汽油機(jī)噴霧實(shí)例，采用這一型式的噴油器，可以實(shí)現(xiàn)壁面燃油附著量及混合氣均勻性的優(yōu)化。

圖11 不同直徑的噴孔產(chǎn)生的噴霧形狀

4.2 微小噴油量階段的噴油量控制

要將降低貫穿度所必需的燃油量噴射到燃燒室內(nèi)正確的位置，就必須在微小噴油量階段實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的噴射。在通電時(shí)間較短的運(yùn)行區(qū)域，噴油器針閥在到達(dá)全行程前就要關(guān)閉，其運(yùn)動(dòng)軌跡呈放射線形狀。與全行程區(qū)域不同，在這一區(qū)域，即使是相同結(jié)構(gòu)的噴油器，其不同個(gè)體之間針閥的運(yùn)動(dòng)也會(huì)有很大差異，而細(xì)微的制造偏差會(huì)影響針閥的開(kāi)啟時(shí)間。為此，開(kāi)發(fā)了基于發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元（ECU）軟件的閉環(huán)控制方法：通過(guò)檢測(cè)各噴嘴的開(kāi)閉時(shí)刻，控制針閥開(kāi)啟時(shí)間，使其接近平均值。圖12為實(shí)施閉環(huán)控制后的針閥升程改善結(jié)果。通過(guò)采用這種方法，可以抑制整個(gè)使用壽命期內(nèi)針閥動(dòng)作的偏差。

圖12 有無(wú)閉環(huán)控制的噴油器針閥升程曲線

4.3 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)和催化轉(zhuǎn)化器預(yù)熱

采用激光加工噴孔的噴油器和微小噴油量階段的閉環(huán)控制方法，對(duì)噴油器中央布置的直噴汽油機(jī)的起動(dòng)性能及催化轉(zhuǎn)化器預(yù)熱性能進(jìn)行研究。圖13為歐5標(biāo)準(zhǔn)的汽油機(jī)排放顆粒數(shù)的檢測(cè)結(jié)果。在起動(dòng)后約30 s的時(shí)間內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)是在催化轉(zhuǎn)化器預(yù)熱模式下運(yùn)轉(zhuǎn)的。這里所說(shuō)的“催化轉(zhuǎn)化器預(yù)熱模式”，是指為實(shí)現(xiàn)催化轉(zhuǎn)化器的快速升溫，進(jìn)行多次噴射，第2次噴射在臨近點(diǎn)火前進(jìn)行，以確保燃燒穩(wěn)定性，并盡可能延遲點(diǎn)火定時(shí)。

圖13 歐5汽油機(jī)在起動(dòng)及催化轉(zhuǎn)化器預(yù)熱階段的顆粒數(shù)

接著，研究降低顆粒數(shù)的方法。首先，將起動(dòng)時(shí)的噴油定時(shí)從壓縮行程移至進(jìn)氣行程。另外，為了改善混合氣的形成，將燃燒壓力設(shè)定為盡早達(dá)到系統(tǒng)壓力上限的20 MPa。由于催化轉(zhuǎn)化器預(yù)熱的第2次噴射接近活塞上止點(diǎn)，會(huì)造成燃油附著，同時(shí)，由于到點(diǎn)火的時(shí)間較短，導(dǎo)致氣化不充分，這些都成為生成顆粒的主要原因。圖14為噴油器中央布置的直噴汽油機(jī)在改變第2次噴射的噴油量時(shí)顆粒數(shù)的變化趨勢(shì)。在這一噴油區(qū)間，為確保噴油量的精度，以及在產(chǎn)品使用壽命期內(nèi)的噴油精度，使用閉環(huán)控制方法的噴射脈沖控制是較為理想的。

圖14 噴油器中央布置的直噴汽油機(jī)在催化轉(zhuǎn)化器預(yù)熱過(guò)程中第2次噴射的噴油量與排放顆粒數(shù)的關(guān)系

采用上述對(duì)策后，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)與催化轉(zhuǎn)化器預(yù)熱過(guò)程的排放顆粒數(shù)如圖15所示，在此基礎(chǔ)上，再采用激光噴孔加工工藝對(duì)噴霧進(jìn)行優(yōu)化，并配合包括閉環(huán)控制在內(nèi)的噴油優(yōu)化策略，最終結(jié)果如圖16所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，因?yàn)椴捎瞄]環(huán)控制的優(yōu)化策略及噴霧優(yōu)化的效果，有效降低了排放顆粒數(shù)。

圖15 實(shí)施包括閉環(huán)控制在內(nèi)的優(yōu)化策略后，在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)及催化轉(zhuǎn)化器預(yù)熱過(guò)程中的排放顆粒數(shù)

圖16 采用激光加工噴孔的噴油器、優(yōu)化的噴霧設(shè)計(jì)，以及包括閉環(huán)控制在內(nèi)的優(yōu)化標(biāo)定的汽油機(jī)在起動(dòng)及催化轉(zhuǎn)化器預(yù)熱過(guò)程中的排放顆粒數(shù)

4.4 預(yù)熱過(guò)程中的加速及高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)階段

即使在催化轉(zhuǎn)化器預(yù)熱之后，也存在數(shù)量不可忽視的顆粒。在嘗試推遲噴油定時(shí)的策略后，發(fā)現(xiàn)會(huì)引起混合氣均勻性惡化，并導(dǎo)致燃油經(jīng)濟(jì)性變差，所以，嘗試通過(guò)優(yōu)化噴霧來(lái)解決問(wèn)題。圖17為匹配歐5標(biāo)準(zhǔn)車輛的量產(chǎn)噴油器與經(jīng)優(yōu)化的噴油器的比較結(jié)果。由結(jié)果可知，經(jīng)優(yōu)化后，幾乎所有噴油時(shí)刻的排放顆粒數(shù)都有所降低，某些條件下的改善效果甚至達(dá)到10倍以上。其他改善方法還包括多次噴射，這可以降低貫穿度及進(jìn)氣門的燃油附著，但也需要注意混合氣均勻性惡化的問(wèn)題。

圖17 分別采用歐5量產(chǎn)噴油器與優(yōu)化噴油器的強(qiáng)制冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)排放顆粒數(shù)比較（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 r/min，平均有效壓力0.7 MPa）

5 系統(tǒng)優(yōu)化方法的導(dǎo)入及對(duì)車輛的評(píng)價(jià)

下文將介紹對(duì)實(shí)際車輛的評(píng)價(jià)結(jié)果。試驗(yàn)車質(zhì)量為1 800 kg，采用噴油器中央布置的渦輪增壓汽油機(jī)。首先，采用包括閉環(huán)控制在內(nèi)的降低顆粒數(shù)的優(yōu)化策略，達(dá)到3×1012 km-1的目標(biāo)，顆粒數(shù)被降低到歐6b階段限值的1/2。接著，應(yīng)用前文介紹的各種優(yōu)化策略后，排放值達(dá)到6.4×1012 km-1。然后，再進(jìn)一步增加燃油壓力，特別針對(duì)預(yù)熱和加速過(guò)程，使顆粒數(shù)達(dá)到3×1011 km-1，完全達(dá)到歐6c最終限值的水平（圖18）。

圖18 采用優(yōu)化的噴油器，以及包括閉環(huán)控制在內(nèi)的優(yōu)化噴油策略后，車輛在NEDC工況下的顆粒數(shù)水平

上述系統(tǒng)化方法的效果同樣也在幾臺(tái)噴油器側(cè)置的汽油機(jī)和車輛上得到確認(rèn)，比較結(jié)果如圖19所示。由于燃燒方式不同，同樣策略的效果也會(huì)有所不同，需要分別對(duì)其進(jìn)行研究和評(píng)價(jià)。

圖19 測(cè)試燃燒過(guò)程的評(píng)價(jià)矩陣

6 對(duì)替代方案的考察

在每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)固有的優(yōu)化措施基礎(chǔ)上，還研究了降低排放顆粒數(shù)的其他方法。采用缸內(nèi)直噴與進(jìn)氣道噴射相結(jié)合的技術(shù)，也可以降低顆粒數(shù)，但必須考慮到噴油系統(tǒng)成本增加、優(yōu)化及診斷開(kāi)發(fā)周期延長(zhǎng)，以及燃油蒸發(fā)排放等方面的影響。

如前文所述，提高燃油壓力是有效的方法。目前量產(chǎn)系統(tǒng)的壓力上限是20 MPa，今后將有望進(jìn)一步提高壓力。圖20為通過(guò)外部加壓的方式，在2.0 L渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)上得到的試驗(yàn)結(jié)果。在通過(guò)提高壓力獲得的顆粒數(shù)降低效果中，包括一小部分配合噴油量降低噴嘴靜態(tài)流量的效果。由試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)燃油壓力達(dá)到30 MPa以上，顆粒數(shù)降低效果將達(dá)到極限。另外，提高燃油壓力也會(huì)造成高壓燃油泵的驅(qū)動(dòng)摩擦損失增加，從而導(dǎo)致燃油耗增加。

圖20 顆粒數(shù)隨燃油壓力的變化

顆粒捕集器已在柴油機(jī)上獲得實(shí)際應(yīng)用。將這一技術(shù)用于汽油機(jī)時(shí)，由于與柴油機(jī)相比，發(fā)動(dòng)機(jī)外部的排放水平較低，因此必須針對(duì)汽油機(jī)調(diào)整捕集效率，這可以抑制對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，但需要從再生控制、診斷，以及成本方面確認(rèn)這些影響。

7 結(jié)語(yǔ)

（1）歐6排放法規(guī)將導(dǎo)入針對(duì)直噴汽油機(jī)的顆粒數(shù)限值，為達(dá)到將在2017年實(shí)施的歐6c顆粒數(shù)最終限值（6.0×1011 km-1），對(duì)現(xiàn)有的直噴汽油機(jī)必須實(shí)施相應(yīng)的改進(jìn)措施。

（2）利用可視化單缸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，分析顆粒的生成原因，確認(rèn)針對(duì)燃油系統(tǒng)要求的方向性。

（3）將以下優(yōu)化策略用于噴油器中央布置的汽油機(jī)，并證實(shí)其能夠滿足歐6c最終限值的要求：改變噴嘴噴孔的加工工藝，促進(jìn)燃油霧化，降低貫穿度；優(yōu)化各噴束的油量分配及噴射方向；在極小脈沖區(qū)域引入閉環(huán)控制方法，降低噴油量的波動(dòng)；設(shè)定20 MPa的高油壓，改變噴油定時(shí)。

（4）作為替代方案，可以應(yīng)用缸內(nèi)直噴與進(jìn)氣道噴射相結(jié)合的系統(tǒng)，并進(jìn)一步提高燃油壓力，或采用汽油機(jī)顆粒捕集器等技術(shù)。這些方法能有效降低顆粒數(shù)，但需要考慮對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能及成本方面的影響。