直噴發(fā)動機(jī)顆粒物捕集器臺架碳煙標(biāo)定試驗(yàn)研究

李樹宇

(奇瑞汽車股份有限公司，蕪湖 241000)

0 引言

目前，隨著國家排放法規(guī)的日趨加嚴(yán)，發(fā)動機(jī)零部件供應(yīng)商及主機(jī)廠面臨的壓力，迫使他們進(jìn)行技術(shù)升級，減少顆粒物排放。而針對發(fā)動機(jī)內(nèi)部的優(yōu)化，無非是進(jìn)行油、氣、火三者之間的合理匹配。例如采用提高缸內(nèi)渦流強(qiáng)度，減少燃油濕壁并配合高壓油軌、合理的噴油角度、油束夾角、噴油孔數(shù)等，改善噴油霧化能力等措施[1-5。但對直噴汽油機(jī)而言，對噴油系統(tǒng)零部件的要求極高，既要耐高溫，又要耐腐蝕，以及承受高強(qiáng)度的壓力和熱應(yīng)力；另一方面，針對發(fā)動機(jī)內(nèi)部的優(yōu)化相應(yīng)地增加了成本的支出[6-9]。實(shí)際證明采用顆粒物捕集器(Gasoline particulate filter, GPF)可以減少90%以上的顆粒物排放量。這就需要發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)對GPF的狀態(tài)加以了解，對再生過程施以精確的控制。所以，在臺架上進(jìn)行發(fā)動機(jī)碳載量原排的數(shù)據(jù)采集及測試，以研究碳載量累碳模型規(guī)律具有重要的意義。

1 試驗(yàn)對象及設(shè)備

試驗(yàn)發(fā)動機(jī)為(Gasoline direct injection, GDI)直噴電控增壓中冷發(fā)動機(jī)，其發(fā)動機(jī)基本性能參數(shù)見表1，GPF的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2，GPF載體為堇青石，封裝和載體由供應(yīng)商康寧提供。

表1 GDI電控增壓直噴發(fā)動機(jī)基本技術(shù)參數(shù)

表2 試驗(yàn)匹配發(fā)動機(jī)的GPF主要參數(shù)

發(fā)動機(jī)臺架為AVL臺架，采用的設(shè)備裝置有：AVL PUMA系統(tǒng)，AVL測功機(jī)，INCA軟件及上位機(jī)通訊采集設(shè)備，氣體排放分析儀，AVL 489顆粒計數(shù)器。

2 數(shù)據(jù)采集及試驗(yàn)方法

2.1 采集數(shù)據(jù)

在發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺上，通過轉(zhuǎn)速和扭矩模式調(diào)整轉(zhuǎn)速、負(fù)荷，通過INCA軟件調(diào)整發(fā)動機(jī)空燃比和點(diǎn)火角，采集、記錄氣體排放、soot顆粒物排放以及發(fā)動機(jī)運(yùn)行的相關(guān)參數(shù)信息。試驗(yàn)中GPF上安裝的傳感器信息如圖1所示。

圖1 GPF傳感器布置

2.2 試驗(yàn)方法

以不同模式soot數(shù)據(jù)處理為例，針對汽油機(jī)的排放窗口是處在理論空燃比為1的狹小空間。首先在臺架上，根據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷進(jìn)行掃描，轉(zhuǎn)速從1 500 r/min增加到5 500 r/min，間隔500 r/min，負(fù)荷從55%到105%，間隔10%；對部分負(fù)荷可以使空燃比維持在0.7～1.1，間隔0.2，且滿足發(fā)動機(jī)能夠正常運(yùn)行的條件，包括預(yù)催溫度、渦前溫度等邊界條件在合理范圍內(nèi)，采集原始數(shù)據(jù)，如轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、空燃比、點(diǎn)火角提前角、排放等參數(shù)。然后以空燃比為1和加濃測點(diǎn)空燃比為0.7的HOM(均質(zhì))模式下的數(shù)據(jù)采集，并使用平均值和線性擬合進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果

3.1 HOM(均質(zhì))模式、HSP(多噴)模式soot質(zhì)量流量原排標(biāo)定

圖2和圖3是空燃比為1的soot原始質(zhì)量流量，圖4和圖5是空燃比為0.7的soot原始質(zhì)量流量，因此空燃比為0.7的soot原始質(zhì)量流量曲線，相對空燃比為1的修正曲線如圖6所示。從而得到不同空燃比下soot質(zhì)量流量，由于發(fā)動機(jī)大部分工況空燃比維持在1附近，因此可以得到將不同空燃比下soot質(zhì)量流量除以空燃比為1下的soot質(zhì)量流量，就可以得到soot的空燃比修正系數(shù)。

圖2 空燃比為1的不同轉(zhuǎn)速下的soot流量

圖3 空燃比為1的不同轉(zhuǎn)速下的soot流量

圖4 空燃比為0.7的不同轉(zhuǎn)速的soot流量

圖5 空燃比為0.7的不同轉(zhuǎn)速的soot流量

圖6 空燃比修正曲線圖

針對空燃比曲線選取(1/4，3/4)數(shù)據(jù)求得平均值，即為該空燃比為0.7的修正系數(shù)，該系數(shù)值為4.950 13。從而可以得到各空燃比間隔點(diǎn)的修正系數(shù)，通過對臨界空燃比之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，即得HOM原始排放的修正曲線如圖7所示，同時得到HOM模式下的原排結(jié)果，填入到以轉(zhuǎn)速和負(fù)荷為坐標(biāo)的二維表中。同理，HSP模式的原始排放也是同樣的處理方法，此文中不在累贅。

圖7 不同空燃比的修正值曲線

3.2 暖機(jī)水溫修正標(biāo)定

首先待發(fā)動機(jī)冷卻至環(huán)境溫度，即冷卻液溫度與環(huán)境溫度相同，步驟1、倒拖至1 500 r/min,負(fù)荷為60%，然后恢復(fù)供油、保持空燃比為1；步驟2、倒拖至3 000 r/min，負(fù)荷為80%，然后恢復(fù)供油，保持空燃比為1；步驟3、倒拖至4 000 r/min, 負(fù)荷為120%，然后恢復(fù)供油，保持空燃比為1；采集冷卻液溫度從環(huán)境溫度到最大溫度時的soot質(zhì)量流量，得到不同冷卻液溫度下的soot質(zhì)量流量，如圖8所示。針對冷卻液溫度90℃的soot質(zhì)量流量求得平均值為A，其他溫度點(diǎn)的soot質(zhì)量流量除以A即得到不同冷卻液溫度的修正系數(shù)，然后指數(shù)擬合外推到其他溫度點(diǎn)，得到圖9所示的溫度對soot質(zhì)量流量的修正曲線，填入curve曲線中。

圖8 不同冷卻液溫度下soot質(zhì)量流量

圖9 冷卻液溫度下的修正系數(shù)值

3.3 催化劑加熱修正標(biāo)定

1)發(fā)動機(jī)水溫油溫冷卻至常溫；

2)分別對1 500 r/min，2 000 r/min，2 500 r/min中等負(fù)荷、進(jìn)行倒拖運(yùn)行，然后恢復(fù)供油；

3)在催化器加熱和不加熱的情況下采集soot流量，每組測量3次，然后在相同轉(zhuǎn)速下，將催化器加熱的原排流量除以不加熱的原排流量并求得3次結(jié)果平均值，為該轉(zhuǎn)速的催化器加熱修正系數(shù)，見圖10。對3次結(jié)果再次求得平均值，即得到催化器加熱修正值為0.763。

圖10 不同轉(zhuǎn)速下的催化器加熱修正系數(shù)值

3.4 背壓修正系數(shù)標(biāo)定

首先測量空載下GPF壓差P1，然后分別測量出15 g灰分量下快速累碳0 g、5.47 g、18.7 g下的壓差P2，然后取P2/P1的(1/4，3/4)范圍內(nèi)的平均值，即可得到該碳載量下的修正系數(shù)，圖11為15 g灰分量下不同碳載量的線性擬合曲線。同理，也可得到0 g、30 g灰分量不同碳載量的線性擬合曲線(如圖12和圖13所示)，從而在不同灰分量下，線性擬合算出0 g、5 g、10 g、20 g碳載量下的一系列修正系數(shù)值，填入二者對應(yīng)的二維表MAP中。

圖11 15 g灰分量下不同碳載量擬合曲線

圖12 0 g灰分量下不同碳載量擬合曲線

圖13 30 g灰分量不下不同碳載量擬合曲線

4 結(jié)論

通過此次GPF臺架專項(xiàng)試驗(yàn)的研究，分析了soot碳載量原排及修正數(shù)據(jù)的處理方法。主要研究了碳載量原排，催化劑加熱模式，背壓、冷卻液溫度修正下的累碳處理方法，采用數(shù)學(xué)模型中的線性擬合和平均值的處理方法，建立了直噴汽油機(jī)累碳模型，有助于對EMS發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)對碳載量的累積和再生過程進(jìn)行精確控制，更好地指導(dǎo)GPF臺架標(biāo)定工程師進(jìn)行GPF的臺架標(biāo)定匹配工作。