小排量汽油发动机低温排放性能试验研究

孙远涛，朱佳男，安永东，黄文强，李雨健，张海龙，张泰岳

(黑龙江工程学院 汽车与交通工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050)



小排量汽油发动机低温排放性能试验研究

孙远涛，朱佳男，安永东，黄文强，李雨健，张海龙，张泰岳

(黑龙江工程学院 汽车与交通工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050)

结合我国北方冬季寒冷的气候特点，针对小排量汽油发动机进行低温排放性能的研究。在分析低温环境对汽油发动机排放性能影响因素的基础上，选取DA465QA型1.0 L汽油发动机进行常温(20 ℃)和温度分别为-10 ℃、-20 ℃、-30 ℃下的CO、HC、NOx等排放污染物的浓度测试，并将试验数据拟合成曲线，进而分析出低温相对常温排放污染物的变化特点。通过该试验的研究，对探讨不同低温下小排量汽油发动机的排放污染物特性及应对措施具有重要意义。

小排量；汽油发动机；低温；排放性；试验

随着汽车保有量的不断增加，所产生的负面影响——排放污染给人们的日常生活带来很大的影响。目前，对汽油发动机的排放研究比较多，但多数是在常温状态下的排放研究，而针对低温环境下的排放研究却很少报道。低温环境可以对汽车中的机械、电子、仪器仪表等部件的性能和工作可靠性产生不良影响，尤其对汽车的运行性能产生严重的危害[1-3]。

电喷汽油机广泛采用电子控制燃油喷射和排气催化反应技术。其主要工作原理是利用进气流量传感器实时检测进入气缸的空气量，控制喷油量来保证空燃比在理论空燃比附近，同时采用氧传感器检测排气中的氧浓度，对空燃比进行反馈控制，形成闭环控制系统。闭环控制使三元催化反应器工作在高转化率区域，使排气中的HC、CO的氧化净化率和NOx的还原净化率均处于较高的水平，从而使排气中的有害成分大幅度下降。该系统具有自适应性，即当混合气浓度由于某种原因偏离理论空燃比时，氧传感器输出信号被用来反馈控制空燃比，使混合气浓度精确控制在理论空燃比附近。闭环控制能满足汽油机工作的绝大多数工况的燃烧过程要求[4-6]。

目前，国内对于汽油发动机低温下运行的排放性研究很少，因此，针对北方地区冬季室外温度低、低温时间长等特点，分析低温下排放的影响因素，通过对比不同低温环境下发动机低温与常温排放性能试验，观察并分析产生差别的现象及原因，对于制定低温下汽油发动机排放的应对措施具有重要的意义。

1　低温环境对汽油发动机排放性能的影响因素

汽油发动机的工作过程是将燃料化学能经燃烧转变成机械能的过程。燃烧中对排放污染物产生的影响因素比较多[7-9]，主要有以下几种：

1)混合气成分。汽油机是一种预混燃烧，其可燃混合气浓度范围比较窄，而且在怠速、满负荷等工况下处于浓混合气工作，因而混合气成分是影响排放最重要的因素。

2)点火正时。点火提前角减小时(推迟点火)，后燃增加，膨胀时的温度及排气温度均上升，促进了未燃烧成分的氧化，这对降低HC很有利。同时减小点火提前角，可以降低燃烧最高温度、减少燃烧反应滞留时间，对降低NOx十分有利。可见，减小点火提前角对降低NO及HC均有利，但以牺牲动力为代价[10-11]。

3)负荷。通过混合气成分对燃烧产物中有害物质发生影响。汽油机在怠速及小负荷工况运行时，节气门分别在几乎关闭和小开度的位置，新气量进入少，废气相对增多，供给的混合气偏浓，而且燃烧室温度较低，燃烧速度慢，易引起不完全燃烧，使CO排出量增加。

4)转速。随着发动机转速的升高，混合气经过进气系统的流速及活塞运动速度也随之升高，缸内紊流加强，促进混合，改善缸内的燃烧，减少激冷层的厚度，使CO、HC排放减少。NOx的生成量与混合气成分有关，当用浓混合气时，由于转速升高，散热时间相对缩短，缸内燃烧温度升高，使NOx生成量增加。当用稀混合气时，由于燃烧持续角增加，燃烧温度反而会下降，使NOx生成量减少[12-13]。

5)工况。汽车发动机主要是在不稳定工况下工作，包括怠速运转、加速运转、定速运转、减速运转等。不同工况由于混合气浓度不同，有害物的排放量相差很大。

2　小排量汽油发动机低温排放性能试验

2.1试验发动机及试验设备

试验发动机采用东安汽车动力股份有限公司生产的小排量发动机，其基本参数如表1所示，所用试验测试设备基本参数如表2所示。

表1　发动机基本参数

表2　试验测试设备基本参数

DA465QA型发动机及试验设备如图1～图4所示。

图1　DA465QA型发动机

图2　低温实验舱

图3　发动机测功机

图4　排放分析仪

2.2试验内容

根据北方的冬季低温环境，依托“汽车与发动机低温实验室”中的低温实验舱、发动机测功机、DA465QA型汽油发动机及排放分析仪等设备，通过速度特性模式，进行低温温度分别为0 ℃、-10 ℃、-20 ℃、-30 ℃与常温温度为20 ℃下排放性(测取CO、HC、NOx)试验测试及对比分析。

试验数据采集方式：用便携式排放测试系统采集排放物。

试验数据处理方法：常温与低温下的试验数据对比分析。在明确试验内容和充分了解标准的试验方法之后进行严谨的试验，并对试验结果进行科学合理的分析。

2.3试验过程

本试验主要研究DA465QA型汽油发动机在低温环境下的排放性。试验步骤如下：

1)按照试验要求连接并调试好试验设备，将排放分析仪的取样探头插入尾气排放的管路中；开启排放分析仪，预热10 min；

2)先进行常温(20 ℃)环境的测试，然后在低温实验舱操控主界面设定其它测试温度(分别为0 ℃，-10 ℃，-20 ℃，-30 ℃)，等待低温实验舱内温度达到预设温度值；

3)选定8个转速测量点，分别为1 200 r/min、1 300 r/min、1 400 r/min、1 500 r/min、1 600 r/min、1 700 r/min、1 800 r/min、1 900 r/min；

4)排放分析仪预热完成后，开启发动机测功系统主控机；

5)起动测功机(此时发动机与测功机相连，起动测功机即可)，待转速稳定后开始低温排放性试验；

6)在FC2000发动机测功机系统操控界面上，将油门调成18%不加载负荷，转速调节至1 900 r/min，由高到低逐渐降低至1 200 r/min；

7)先怠速40 s，不采集排放数据。观察分析仪显示屏，待显示屏上示数稳定后，记录HC、NOx、CO的显示数据；

8)保持油门18%不变，不加载负荷，将转速降至1 800 r/min、1 700 r/min、1 600 r/min、1 500 r/min、1 400 r/min、1 300 r/min、1 200 r/min重复上述步骤；

9)在8个转速测量点测量结束后，保存试验数据；

10)整理试验数据，绘制DA465QA型汽油发动机的排放特性曲线。

2.4试验结果及分析

根据试验内容，按照试验过程进行测试，得出各设定温度下的排放特性数据，将其绘制成曲线，分别如图5～图7所示。

图5　HC排放曲线

HC排放曲线如图5所示，低温曲线均分布在常温(20 ℃)曲线之上。虽然曲线上下波动，但由于HC排放单位为10-6，波动可以忽略不计。HC排放曲线随着发动机转速的升高呈小幅度上升趋势。

由于HC的生成主要是燃油未完全燃烧所致，所以在低温环境下，发动机燃烧室温度降低，导致燃烧温度下降，进而导致生成的HC增加。根据各设定低温环境及转速下发动机的HC排放试验数据计算得知：在0 ℃和-10 ℃低温环境时，HC的浓度较常温(20 ℃)增加20%左右；在-20 ℃和-30 ℃低温环境时，HC的浓度较常温(20 ℃)增加10%左右。

CO排放曲线如图6所示。相同转速下，CO排放在低温工况下明显高于常温(20 ℃)工况，随着转速的增加，CO的浓度呈上升趋势。

图6　CO排放曲线

低温与常温相对比，温度降低，导致燃烧不充分，CO浓度增加。当转速增加时，发动机气缸内温度会随之升高，使得CO2和H2O在高温时裂解，转速越高，温度越高，裂解反应越剧烈，生成的CO越多。根据各设定低温环境及转速下发动机的CO排放试验数据计算得知：在0 ℃和-10 ℃低温环境时，HC的浓度较常温(20 ℃)增加90%以上；在-20 ℃和-30 ℃低温环境时，HC的浓度较常温(20 ℃)增加50%左右。

NO排放曲线如图7所示。常温(20 ℃)曲线在低温曲线上方，曲线变化起伏较为平坦。相同转速下，常温下NO排放比低温下高。

图7　NO排放曲线

发动机排放的NOx主要是NO。NO的生成主要取决于燃烧温度以及氧的浓度。当温度超过2 000 ℃时，氧分子会分解成氧原子，它和氮分子化合生成NO。参照泽耳多维奇(Zeldovich)反应机理可知，燃烧温度不高，氧的分解也很慢，NO生成浓度低。根据各设定低温环境及转速下发动机的NO排放试验数据可计算得知：在0 ℃和-10 ℃低温环境时，NO的浓度较常温(20 ℃)降低60%左右；在-20 ℃和-30 ℃低温环境时，HC的浓度较常温(20 ℃)降低30%左右。

由于低温排放试验是在同一工况、不同温度、不加负荷的条件下进行的，所以发动机排放产生变化的原因主要是温度和转速。对于汽油发动机而言，低温排放高的根本原因是在低温环境时，发动机燃烧室本身温度降低，从而使燃烧温度较低，进而使可燃混合气形成质量差，采用机内净化措施虽然也可以大幅度降低低温排放，但起动性能会变差。目前，普遍的做法是采用后处理技术来满足日益严格的排放法规要求。另外，在一些中高档的进口汽车还采取安装加热器的方法，通过给发动机冷却液加热的办法，给发动机预热，以达到降低发动机排放污染的目的[14-15]。

3　结　论

通过对小排量汽油发动机低温排放性影响因素的分析，结合我国北方冬季低温环境的特点，进行了针对DA465QA型小排量汽油发动机低温与常温下排放特性的试验，主要测试了HC、NO、CO等排放污染物，通过试验结果的对比分析，得出如下结论：

1)在低温环境下，温度降低，导致燃烧室内的温度降低，燃烧温度下降，生成的HC增加。在0 ℃和-10 ℃低温环境时，HC的浓度较常温(20 ℃)增加20%左右；在-20 ℃和-30 ℃低温环境时，HC的浓度较常温(20 ℃)增加10%左右。

2)在低温环境下，温度降低会导致发动机燃烧室中的燃油燃烧不充分，CO浓度增加。在0 ℃和-10 ℃低温环境时，CO的浓度较常温(20 ℃)增加90%以上；在-20 ℃和-30 ℃低温环境时，HC的浓度较常温(20 ℃)增加50%左右。

3)在低温环境下，燃烧室内燃烧温度降低，并且氧的分解也很慢，NO生成浓度低。在0 ℃和-10 ℃低温环境时，NO的浓度较常温(20 ℃)降低60%左右；在-20 ℃和-30 ℃低温环境时，HC的浓度较常温(20 ℃)降低30%左右。

通过对DA465QA型小排量汽油发动机低温与常温下排放特性的对比试验研究，得出了HC、NOx、CO等主要排放污染物的变化规律，对于研究降低北方冬季小排量汽油发动机的排放污染物具有重要的意义。

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[责任编辑：郝丽英]

Experiment research on the emission performance of small-displacement petrol engine at low temperature

SUN Yuantao, ZHU Jianan, AN Yongdong, HUANG Wenqiang, LI Yujian, ZHANG Hailong, ZHANG Ttaiyue

(College of Automobile and Traffic Engineering, Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050, China)

In this paper, combining with the climatic characteristics of cold winter in the north of China, the emission performance of small-displacement petrol engine is researched at low temperature. Based on the analysis of influencing factors about the emission performance of small-displacement petrol engine at low temperature, selecting 1.0L petrol engine named DA465QA as the research object, the concentration test of the vehicle emissions which included CO, HC, NOx etal is implemented under the condition of normal temperature (20 ℃)and low temperature that included -10 ℃, -20 ℃,-30 ℃ respectively, and drawing curve on the basis of test data. The characteristics of pollutants emission are revealed under the condition of low temperatures, relative to normal temperature. The study has a great significance for researching the emission performance of small-displacement petrol engine under the condition of different low temperature and corresponding measures.

small displacement; petrol engine; low temperature; emission performance; experiment

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2016.04.006

2016-05-09

黑龙江工程学院大学生创新创业训练计划资助项目(201411802063)

孙远涛(1983- )，男，高级实验师，工学博士，研究方向：混合动力汽车控制与测试技术.

TK417.1

A

1671-4679(2016)04-0028-05