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      MPFI發(fā)動機(jī)顆粒物排放影響因素研究

      2021-09-10 07:22:44李卓孟凡騰王森
      交通科技與管理 2021年16期
      關(guān)鍵詞:相關(guān)性分析汽油機(jī)

      李卓 孟凡騰 王森

      摘 要:基于一臺進(jìn)氣道噴射式雙VVT自然吸氣汽油機(jī),利用排放測試設(shè)備對顆粒物排放(PN)與發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣VVT角度、燃油噴射比例和相位、氣態(tài)排放物(CO、NOx和THC)的相關(guān)性進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明,進(jìn)氣VVT角度的變化對PN影響較為敏感,排氣VVT與PN的相關(guān)性不明顯。采用二次噴射策略時(shí),首次燃油噴射的截止時(shí)刻、首次燃油噴射比例、二次燃油噴射截止時(shí)刻與PN的相關(guān)性不明顯,噴射截止時(shí)刻和比例的變化不會顯著影響PN排放。氣態(tài)排放物中CO排放與PN的相關(guān)性不明顯,NOx和PN在低轉(zhuǎn)速高負(fù)荷時(shí)相關(guān)性最強(qiáng),隨著轉(zhuǎn)速增大負(fù)荷降低相關(guān)性減弱。THC和顆粒物存在一定的相關(guān)性,降低THC排放,會對抑制顆粒物排放產(chǎn)生積極影響。

      關(guān)鍵詞:汽油機(jī);顆粒物排放;相關(guān)性分析

      0 引言

      為應(yīng)對不斷升級的排放和油耗法規(guī),對控制參數(shù)的標(biāo)定工作要求更加精準(zhǔn)。近些年基于模型的標(biāo)定得到廣泛應(yīng)用 [1,2]。多參數(shù)尋優(yōu)前,如了解其對優(yōu)化目標(biāo)的影響程度,則可針對影響度敏感性高的控制參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化,提高工作效率。國六排放法規(guī)實(shí)施以來,發(fā)動機(jī)的顆粒物排放控制逐漸成為研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。影響汽油機(jī)顆粒物排放的主要原因包括:冷機(jī)起動階段,不均勻液相燃燒和氣相加濃燃燒共同促進(jìn)生成核態(tài)顆粒物。發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),空燃比、進(jìn)氣相位等控制均會對顆粒物排放產(chǎn)生影響[3]。本文基于發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn),分析發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣VVT角度、燃油噴射方式和相位等因素和顆粒物排放的相關(guān)性,同時(shí)對顆粒物排放與其他氣態(tài)排放污染物的相關(guān)性進(jìn)行了分析。

      1 試驗(yàn)系統(tǒng)及方案

      (1)試驗(yàn)測試系統(tǒng)方案。試驗(yàn)采用某2.0 L自然吸氣汽油機(jī),其主要參數(shù)見表1。

      (2)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。為探討發(fā)動機(jī)控制參數(shù)對顆粒物排放的影響規(guī)律,本文分別研究不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷區(qū)域內(nèi),進(jìn)排氣VVT角度對顆粒物排放的影響規(guī)律;燃油噴射截止時(shí)刻、兩次燃油噴射的噴射比例對顆粒物排放的影響規(guī)律。同時(shí)對于顆粒物排放與其他氣態(tài)排放物的相關(guān)性進(jìn)行了研究。將此款發(fā)動機(jī)待優(yōu)化的6個(gè)性能目標(biāo)作為輸出變量:BSFC(燃油消耗率)、PN(顆粒物)、THC(碳?xì)浠衔铮?、CO(一氧化碳)、NOx(氮氧化物)、COV(燃燒穩(wěn)定性);對發(fā)動機(jī)性能影響較大的5個(gè)參數(shù)作為輸入變量:iVVT(進(jìn)氣VVT角度)、eVVT(排氣VVT角度)、EOIT(首次噴油截止時(shí)刻)、Split_Ratio(首次噴油比例)、EOIT_Trim(二次噴油截止時(shí)刻)。

      (3)相關(guān)性分析方法。相關(guān)性分析是通過對兩個(gè)及兩個(gè)以上具有某種關(guān)聯(lián)的變量參數(shù)進(jìn)行分析,從而得到參數(shù)之間的相關(guān)程度,進(jìn)行相關(guān)性分析的各參數(shù)之間必須存在一定的聯(lián)系。相關(guān)性不是一種簡單的因果關(guān)系,它能夠用相關(guān)性系數(shù)R定量地表示各參數(shù)之間的相關(guān)密切程度。

      i 表示第i 個(gè)樣本點(diǎn),xi表示所研究的參數(shù)A在第i個(gè)樣本點(diǎn)下的大小,x是參數(shù)A在n個(gè)樣本點(diǎn)下的均值,yi是與A相關(guān)的另一參數(shù)B在第i個(gè)樣本點(diǎn)下的大小,y為其均值。R越接近于1,兩者相關(guān)性越強(qiáng)。

      2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

      利用發(fā)動機(jī)臺架測試設(shè)備,可以采集得到不同控制參數(shù)組合下的發(fā)動機(jī)排放數(shù)據(jù),基于公式(1)可以計(jì)算不同控制參數(shù)之間的相關(guān)性。

      (1)進(jìn)排氣VVT與PN排放的相關(guān)性分析。進(jìn)氣VVT角度(iVVT)對缸內(nèi)充量會產(chǎn)生較大影響,為充分研究iVVT的影響規(guī)律,針對不同工況區(qū)域的iVVT變化進(jìn)行分析。如圖1所示,可以看出萬有工況的中、低負(fù)荷(IMEP<1 000 kPa)區(qū)域,進(jìn)氣VVT角度的變化對PN影響較為敏感,高負(fù)荷工況區(qū)域兩者的相關(guān)性較弱。這是因?yàn)楦哓?fù)荷區(qū)域的進(jìn)氣VVT開度相對較小,否則會顯著降低外特性動力性能。如圖2所示,排氣VVT角度(eVVT)與PN排放的相關(guān)性顯著低于進(jìn)氣VVT角度。中、低轉(zhuǎn)速(1 200 rpm~3 500 rpm)中低負(fù)荷(IMEP<1 000 kPa)區(qū)域,排氣VVT與PN的相關(guān)性較弱。與圖1相比,可以發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣VVT與PN的相關(guān)性在此區(qū)域很強(qiáng),由此可知,針對PN的標(biāo)定優(yōu)化過程中,可優(yōu)先選擇較多的進(jìn)氣VVT角度組合,較少排氣VVT角度組合的方式優(yōu)化工作量。

      (2)兩次燃油噴射模式時(shí)噴射控制參數(shù)與PN排放相關(guān)性分析。采用二次噴射策略時(shí),首次燃油噴射的截止時(shí)刻、燃油噴射比例、二次燃油噴射截止時(shí)刻與PN的相關(guān)性系數(shù)均在0.4以下,相關(guān)性不明顯。表明此款氣道噴射式汽油機(jī)的燃油的蒸發(fā)、霧化效果較好,同時(shí)噴射最晚時(shí)間設(shè)置在進(jìn)氣門開啟之前,充足的燃油蒸發(fā)和霧化時(shí)間可以有效保證混合氣相對均勻。燃油噴射控制參數(shù)的變化對PN的敏感度影響較小。

      (3)PN排放與氣態(tài)排放物的相關(guān)性研究。

      由圖3可知,CO排放與顆粒物的相關(guān)性不明顯,這是因?yàn)镃O的產(chǎn)生主要源于油氣混合氣的不完全燃燒,顆粒物的產(chǎn)生原因是液相燃油燃燒不充分導(dǎo)致的碳煙。由圖4可知,NOx和PN在低轉(zhuǎn)速高負(fù)荷時(shí)相關(guān)性最強(qiáng),隨著轉(zhuǎn)速增大負(fù)荷減少相關(guān)性減弱。NOx產(chǎn)生主要是高溫富氧環(huán)境,此環(huán)境下顆粒物會被大量燃燒。高速低負(fù)荷工況,發(fā)動機(jī)在當(dāng)量空燃比燃燒,缸內(nèi)燃燒溫度降低,PN排放與NOx的相關(guān)性逐漸減弱。高速高負(fù)荷工況,受排溫保護(hù)策略影響,NOx排放隨空燃比降低顯著下降,因此與PN的相關(guān)性較弱。由圖5可知,THC和顆粒物存在一定的相關(guān)性,這是因?yàn)樘碱w粒與THC會互相附著,導(dǎo)致顆粒物質(zhì)量和直徑增加。由此可知,降低車輛的THC排放會對抑制顆粒物排放產(chǎn)生積極影響。

      3 結(jié)論

      (1)萬有工況的中、低負(fù)荷(IMEP<1 000 kPa)區(qū)域,進(jìn)氣VVT角度的變化對PN影響較為敏感,高負(fù)荷工況區(qū)域兩者的相關(guān)性不明顯。這是由于為保障發(fā)動力外特性動力性能,高負(fù)荷區(qū)域的進(jìn)氣VVT開度相對較小。中、低轉(zhuǎn)速(1 200 rpm~3 500 rpm)中低負(fù)荷(IMEP<1 000 kPa)區(qū)域, 排氣VVT與PN的相關(guān)性不明顯,進(jìn)氣VVT與PN的相關(guān)性在此區(qū)域較強(qiáng),由此可知,針對顆粒物的標(biāo)定優(yōu)化過程中,可優(yōu)先選擇合適的進(jìn)氣VVT角度,較少排氣VVT的標(biāo)定優(yōu)化工作量。

      (2)采用二次噴射策略時(shí),首次燃油噴射截止時(shí)刻、首次燃油噴射比例、二次燃油噴射截止時(shí)刻與PN的相關(guān)性不明顯,表明噴射截止時(shí)刻和比例的變化不會顯著影響此發(fā)動機(jī)的PN排放。

      (3)CO排放與顆粒物排放的相關(guān)性不明顯,這是因?yàn)镃O的產(chǎn)生主要源于油氣混合氣的不完全燃燒,顆粒物的產(chǎn)生原因是液相燃油燃燒不充分導(dǎo)致的碳煙。NOx和PN在低轉(zhuǎn)速高負(fù)荷時(shí)相關(guān)性最強(qiáng),隨著轉(zhuǎn)速增大負(fù)荷減少相關(guān)性減弱。THC和顆粒物存在一定的相關(guān)性,這是因?yàn)樘碱w粒與THC會互相附著,導(dǎo)致顆粒物直徑增加。降低THC排放,可對抑制顆粒物排放產(chǎn)生積極影響。

      參考文獻(xiàn):

      [1]姜坤,劉然,楊中華,等.基于DOE設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)DVVT的高效臺架標(biāo)定[J].小型內(nèi)燃機(jī)與車輛技術(shù),2015(1):59-63.

      [2]梁智,孫國強(qiáng),衛(wèi)志農(nóng),等.基于變量選擇與高斯過程回歸的短期負(fù)荷預(yù)測[J].電力建設(shè),2017,38(2):122-128.

      [3]Kayes,D.,Hochgreb,S.,Maricq,M.,Podsiadlik,D.et al.,“Particulate Matter Emission During Start-up and Transient Operation of a Spark-Ignition Engine (2):Effect of Speed,Load,and Real-World Driving Cycles,”SAE Technical Paper 2000-01-1083,2000.

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