实际行驶条件下颗粒物形成的影响因素

【德】　J.Hadler　C.Lensch-Franzen　M.Gohl　T.Mink



试验研究

实际行驶条件下颗粒物形成的影响因素

【德】J.HadlerC.Lensch-FranzenM.GohlT.Mink

全球未来的废气排放法规对动力装置的开发，特别是在实际行驶条件下对降低废气排放提出了挑战。为了达到这个目标，不仅必须要有合适的开发方法，而且还要应用动态测量技术，以及详细了解物理现象和机理。以APL公司增压缸内直喷汽油机燃烧过程为例介绍颗粒物排放的优化。

1　运行条件的总体分析

随着欧6c废气排放法规的实施，除了碳氢化合物(HC)、CO、氮氧化合物(NOx)和碳烟颗粒物之外，特别是在缸内直喷汽油机情况下，降低颗粒数排放也成为关注的焦点。与新欧洲行驶循环(NEDC)不同，在全球统一轻型车试验循环(WLTC)和实际行驶废气排放(RDE)边界条件下(图1)，不仅转速和负荷范围扩大，在瞬态阶段的要求更加苛刻[1]。为了针对法规规定及其废气排放重点来评估RDE道路行驶状况，已开发了1种以模型为基础的试验台环境[2]。

图1　发动机特性曲线场中的行驶循环和标准梯度

为了优化动力性能和负荷下的移动对系统状况进行了考察，形成了综合行驶工况谱下的设计方案(图2)。考虑到要进行实际行驶数据评估和发动机稳态及动态基本测量，推导出了用于开发的行驶循环。

如图2所示，颗粒物排放特性曲线场是原始基础，通过稳态试验查明运行工况点，再根据实际行驶数据按照汽车行驶状况分析(VOCA)方法[3]设计具有代表性的行驶工况图谱。在Fraunhofer化学技术研究所项目组的新驱动系统中，使用驾车者、汽车和行驶环境方法[4]对统计学分析进行了进一步开发，并且可以在任何发动机上与燃烧过程和外围设备进行标定。

图2(c)示出了行驶工况图谱，表示了在整个转速范围内扭矩持续时间的分布状况。通过统计学分析从该工况图谱中精选出频繁行驶的转速和负荷平台及其梯度，并在考虑到全负荷曲线的情况下进行标准化。将具有代表性的运行工况点变化与给定发动机的全负荷值联系起来，并借助于自行开发的算法转换成试验台规范。

综合行驶工况谱考虑到动态和稳态运行中处于NEDC、RDE边界条件下的车辆行驶状况。在此基础上就能推导出影响参数，以及检验和评估方案。

2　颗粒形成的机理

优化措施的前提条件是要详细了解HC进入燃烧室并产生碳烟的过程(图3)。碳烟的形成是从微小的碳个体形成颗粒开始的，然后进一步增长成碳烟核心，在凝结和聚集时颗粒数减少且质量增大，而氧化则可能使碳烟份额减少。为了检测单个工作循环期间的这种现象，光学测量技术采用了所谓的“双色法”。

这种形成和氧化过程与氧含量、温度和压力等局部的边界条件有关，并且决定了HC的来源，以及进入燃烧室的时间点和地点。HC除了受到喷油系统影响之外，在使用期间还必须考虑到机油进入燃烧室的附加来源。润滑剂可能会通过气门杆和涡轮增压器的密封装置进入燃烧室，而活塞组附加的机油排放则取决于壁面油膜的蒸发、惯性离心分离作用，以及气体动力学效应。在混合气形成时，燃油与润滑油之间的相互作用会导致壁面油膜范围内火力岸和活塞环区润滑剂成分的变化。

图2　根据基本测量设计的开发行驶循环

图3　燃烧室中HC进入和颗粒物形成的机理

3　影响参数及其复杂的相互作用的优化

颗粒数和颗粒物受到众多相互作用的参数影响，并对未燃HC进入燃烧室和颗粒物形成及氧化产生一定的影响(图4)。

在混合气形成时，喷油系统包括燃油、喷油器喷嘴几何形状和喷油压力起着决定性的作用[5]。零件润湿特别是表面温度低是颗粒物排放增加的重要原因，考虑到诸如间接充量扰动动能、行程/缸径比和流动状况(滚流)等众多混合气形成参数情况下，根据喷油器特性优化喷油策略，将喷油过程分成多次喷油脉冲，有助于减小燃油喷束的贯穿深度，从而有助于避免燃油喷束与零件之间可能发生的相互作用。在这方面，喷油系统的最小喷油量和靠近点火火花的喷射对喷油器的制造工艺和控制提出了更高的要求。

活塞、活塞环和气缸体曲轴箱等各种机械零部件的设计，以及润滑油规格对润滑剂进入燃烧室的份额具有决定性的影响[6]。在实际运行条件下，如果要减小气缸变形以改善燃烧室的密封性，要考虑到用气缸盖压紧气缸体曲轴箱，以及发动机运行期间的热应力。发动机的运行状况对工作机械产生重大影响，因而也影响到机油消耗量，其中发动机的动态运行可能会导致机油排放和颗粒物的形成显著增加[7]。

4　借助于统计学试验计划优化实际使用时的颗粒物排放

从RDE行驶循环角度来看，运行边界条件要明

显复杂得多，因而针对整个特性曲线场范围内的颗粒物排放，需要特别关注喷油和混合气形成参数应用的课题。应用统计学试验计划能使这种内容广泛的优化工作节省时间和降低成本。通常，这种方法可分成制定试验计划、测量、形成模型和优化/验证等几个步骤。在实施试验计划的过程中，应通过仔细的系统分析来鉴定潜在的影响参数，例如燃油压力、空燃比、点火时刻、喷油量、喷油方位和雾化品质，以及进排气凸轮轴的配气正时等。在理想情况下，每个影响参数都有1种目标量值的特定关系，以及可能的影响参数特定关系的相互作用。

图5(a)示出了用于全要素试验的喷油起始点、燃油压力和空燃比等参数的试验范围。这消耗了很多的试验时间，通过软件查明了所有的参数组合，它们对于表达内在关系具有重要作用。借助于数学回归模型来描述这些影响，并进行统计学评估。除此之外，还要查明它们之间的相互作用并用数值表示。之后，通过脱机就能优化参数，并在试验过程中予以验证。

模型图像(图5(b))可用于参数比较，通过各种不同型式的图像用来进行评估，并用数量表示所存在的主要影响和相互关系。之后，对相互作用的图像(图5(c))再定性地考察内在关系，而3D特性曲线场则可分析所考察范围内的最小值和最大值，以便确定所考察的多个参数的最佳值。

从图5(d)中可以明显看出，为了降低该运行工况点的颗粒物排放，应优先选择提高喷油压力与调早喷油起始点相结合的方法。

图4　颗粒物形成的运行因素

喷油策略对于降低颗粒物排放起着重要作用，必须根据运行工况点逐一确定。图6示出了“均质”和“分层-均质”喷射模式的区别。均质喷射运行模式是在进气行程期间将燃油喷入燃烧室，可采用单次或多次喷射模式。与均质单次喷射(HOM1)相比，在此运行工况点上均质2次喷射(HOM2)后，颗粒数和碳烟量降低近40%。喷射过程被分成好几个喷油脉冲，有助于减小喷束的贯穿深度，进而避免喷束与零件和润滑油膜之间的相互作用。而均质-分层喷射模式(HSP2)则是将一部分燃油在压缩行程期间才喷入燃烧室的，在此期间的燃烧室的高温和在喷油(ES)时刻加强的充量扰动强度能使混合气获得最佳的均质化。从喷束模式效果图上可得知，采取HPS2喷射模式能达到进一步降低颗粒物排放的效果，与HOM1相比，颗粒数降低高达55%，而碳烟降低则高达75%。

碳烟量和颗粒数相互关系可以通过改变喷束模式而产生变换，由于混合气均质化效果的改善，能明显降低颗粒物排放和碳烟排放水平。全面优化的目标是在考虑到发动机运行的所有边界条件下针对需求匹配喷油策略。

5　瞬态过程的系统考察

应用策略要尽可能进行最广泛的稳态优化。在RDE行驶情况下发动机很少出现稳态或准稳态运行。图7所示的颗粒数排放和碳烟量排放随时间的变化曲线证实了这个问题。在HSP2情况下，其稳态运行工况点①的排放低于HOM1，而在瞬态运行过程(运行工况点②)中，当突变到中等负荷时，碳烟量排放仅出现较小的变化，此时HSP2的碳烟量排放低于HOM1模式。

与此相反，动态运行部分的HSP2模式颗粒数排放却明显高于HOM1模式，而颗粒图谱在稳态运行范围内HSP2运行模式呈现出较低的颗粒浓度，但是这种喷射模式类似于颗粒数的测量信号，负荷突变期间在宽广的颗粒图谱范围内显示高出好几倍的浓度。HSP2喷射模式对于压缩行程中的混合气均质化和燃油的计量精度明显要比HOM1模式运行时更为敏感。当从倒拖转换到负载运行状态时，可能会导致浓的混合气范围。在既要考虑到颗粒数大大增加又要考虑到颗粒图谱的情况下，由于燃油-壁面油膜的相互作用，会出现液体燃油份额及机油份额，因而允许碳烟量有适度的增加。

图6　考察喷油策略

图7　喷油策略对颗粒数和碳烟质量的瞬态影响

因此，在发动机瞬态运行增多的情况下，仅提供在稳态运行状况下和在部分动态性能经验基础上优化的试验数据是不够的，在某些运行范围内总排放可能会恶化。特别是在动态运行时，空气管路与燃油管路的调节品质和调节速度是不同的，这就成为标定优化的关注焦点。考虑到这种关系，APL集团开发了1种以模型为基础的数据化策略。

6　行驶循环中改变影响参数的效果

从图8可知，使用的认证行驶循环NEDC与RDE的比较中，可以清楚地看到在给定的标定策略和有针对性的改变零部件(例如优化的曲轴箱通风和活塞组)的不同特点。在NEDC行驶循环中，有关降低颗粒物排放的措施的效果并不明显，而降低机油排放和HC排放则主要集中在倒拖行驶阶段。对具有较陡斜率(负载阶段为正值，倒拖阶段为负值)的RDE行驶曲线凹口的分析明显显示出颗粒物排放优化的潜力。减少机油掺入到燃烧室中对降低总HC排放也有明显效果。在负载阶段，即使燃烧室中小部分机油燃烧，在与喷入的燃油的共同作用下也会使颗粒物排放增加。

采取有针对性的试验方法，能够对每一种措施单独进行试验，从而就能区分出各种零部件措施的颗粒物排放峰值，例如改善活塞组密封性或采取适当的喷油策略的标定措施等。但是，也有部分阶段无法明确地区分出单个措施的效果，因为燃油-壁面油膜的相互作用会产生交叉的影响效果。

图9中认证行驶循环(NEDC与RDE)和开发行

驶循环(高动态行驶循环与综合开发行驶循环)中的颗粒物排放、机油排放和HC排放平均值的比较表明，在NEDC行驶循环中采取标定和零部件措施的优化效果尚不明显。在RDE行驶循环中，因其具有宽广的特性曲线场范围，以及负荷和转速斜率而无综合特征，优化措施就呈现出颗粒数的降低。图9(b)示出的将这些措施应用于开发的行驶循环显示出最不利的废气排放情况，因而具有较大的降低潜力。

图9　整个行驶循环废气排放的考察情况

7　结论

法规规定未来对于所有的汽车都必须要在实际行驶运行条件下测定废气排放性能，这就对动力系统的开发提出新的挑战，而且所考察的特性曲线场范围的扩大和动态性能要求的提高都必须确保系统的可靠性和使用寿命。

为了评估动力系统，在从稳态和动态分析获得的实际行驶数据的基础上，推导出了综合行驶循环作为最不利的边界条件。例如已对有关混合气形成、燃 油- 壁面油膜相互作用和活塞组密封性等标定和零部件方面的优化进行了试验。为了给RDE行驶循环中的整个发动机特性曲线场提供数据，需要1种借助于DoE的系统接近方式。试验结果表明了混合气形成参数对颗粒物形成的影响，其中由于实际行驶中具有较高的动态份额，导致了新的优化特性曲线场，特别是在发动机瞬态运行时。迄今为止，稳态提供数据的策略会在瞬态运行阶段导致过高的废气排放，正如不同喷油策略已表明的那样。未来为了满足法规边界条件的要求，在尽可能减少机油掺入到燃烧室的同时，还应考虑提高空气和燃油管路的调节速度和品质，而这些优化则应该通过合理的利用综合行驶循环中具有代表性的负荷和转速斜率来实现。

为此，APL集团开发了1种以开发方法和开发工具为基础，并以RDE行驶循环的能力为关注焦点的复杂方法链(图10)。它利用在传动系试验台和发动机试验台上具有代表性的实际行驶可重复性的描述作为基础，以便能够分析运行参数并推导出功能关系。开发的深度从有关单个零部件的整个汽车系统一直扩展到物理现象。

图10　APL公司的方法链

[1] Hadler J, Lensch-Franzen C, Gohl M, et al. Methods for the development of a RDE-capable powertrain[C]. 36. Internationales Wiener Motoren-symposium, 2015.

[2] Haler J, Lensch-Franzen C, Krohn C, u. a. Übertrag von RDE-anforderungen in eine modellbasierte prüfstandsumgebung[C]. MTZextra Prüfstände und Simulation für Antriebe, September， 2016.

[3] Friedmann M, Kollmeier H-P, Gindele J, u.a. Integration synthetisch erstellter fahrzyklen in den erprobungsprozess von hochleistungsantriebssträngen[C]. VDI-Bericht， 2224, 2014.

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[6] Hadler J, Lensch-Franzen C, Gohl M, u. a. Ganzheitliches konzept zur analyse und optmierung von ölemissionsmechanismen bei verbrennungsmotoren[J]. MTZ, 2014,75(1).

[7] Hadler J, Lensch-Franzen C, Gohl M, u. a. Emissionsreduzierung: lösung aus ölformulierung, applikation und mechanikentwicklung[J]. MTZ, 2015,76(9).

2016-05-09)