缸内直喷式汽油机在实际行驶排放条件下的颗粒物排放

【德】 S．BUSCH H．ZELLBECK

1 型式认证的新方法

近10年来，废气排放法规的限值对发动机的开发起到了决定性的影响，而轿车的产品型式认证必须满足排放要求，这也促使了目前法定的排放认证发生重大变化。主要变化包括试验规程由全球统一的轻型车试验程序（WLTP）替代了新欧洲行驶循环（NEDC），同时还需查明实际行驶排放（RDE）的情况。这对当前的发动机开发提出了更大的挑战，而随着法规的实施，促使众多车型被淘汰。除此之外，欧洲从2007年9月1日起开始实施轿车最终的颗粒数（PN）排放限值为6×1011／km。在现代汽油机上，将燃油直接喷入燃烧室中是制造商目前采用的主要技术。与进气道喷射相比，缸内直接喷射提供的可变性大幅增加，但缸内混合气形成也导致了大的颗粒物（PM）排放，因此近几年德累斯顿理工大学内燃机专业在基准车辆上对各种影响排放因素进行了全面的试验研究［1］。

2 方法和测量程序

试验研究的目的是定性和定量地判断不同的RDE运行条件对PN排放的影响，其中除了PN之外特别将PM尺寸分布作为描述PM特性的方法具有重要的意义［2－3］。由发动机燃烧产生的PM形成了尺寸、结构和成分有很大差异的聚合弥散系统［4］。可以肯定的是，减小PM尺寸可以降低对人体的伤害［5］。为了检测发动机废气中的PN数值，曾使用过各种测量仪器和技术，除了传统的废气测量技术之外，还使用了颗粒尺寸光谱仪TSI 3090EEPS、凝聚核心计数器TSI 3022A、汽车尾气检测系统AVL M．O．V．E和 AVL M．O．V．E PN、汽车尾气检测系统 Horiba OBS－One GS和 Horibo OBS－One－PN、透射电子显微镜Zeiss Libra 200MC。

在1台具有代表性的试验车上进行转鼓试验台测试，由于其所搭载的发动机及其技术功能模块广泛应用于A～C级车型，因而是极具代表性的汽油机类型。表1列出了这种试验车的主要技术数据。为了能获得全面的结论，在试验程序中，在关注RDE运行条件的同时，还要进行用于评估PN排放的认证循环。图1表示排放认证时与温度范围相关的各种因素，以及所进行的相关试验。试验的目标是研究即使在低气温下影响PN排放的主要因素。

表1 试验车主要技术数据

图1 废气转鼓试验台上的试验程序与型式认证时法定范围的比较

3 WLTP替代NEDC

图2示出了从NEDC转换到WLTP行驶循环法规规定的WLTC中对排放的影响因素。为了能评估行驶循环变化的影响，在试验台上选择了相同的温度（23℃）和负荷调节等边界条件，而且并不要求完整地开展认证程序，查明的废气排放值用于与行驶循环进行比较。PN浓度曲线（CN）表明，在非稳态运行状况下会引起较高的PN排放，其中在宽广的运行范围内WLTC行驶循环的峰值明显高于NEDC行驶循环的峰值，其原因是较高的行驶动力学可以使所需的功率在发动机特性曲线场内运行工况点有较大变化。总体而言，比较图2（a）的PN曲线的积分值（Nintegral）可以看出，WLTC行驶循环中的PN排放量几乎是NEDC行驶循环的3倍。正如图2（b）中的单位计值所表明的那样，CO2排放几乎没有太大的差异，按照曲线走向WLTC的CO2排放低1．3%，其中行驶里程较长所带来的好处超过了WLTC行驶循环中较高动力学所引起的不利影响，而PN曲线则明显显示出WLTC行驶循环的单位里程PN排放要比NEDC行驶循环的高约80%。

图2 NEDC和 WLTC行驶循环关于PN排放和每公里PN与CO2总排放量的评估

4 RDE替代行驶循环中的温度影响

在研究向RDE试验程序的转换时，对试验的影响因素进行详细的研究。主要的研究内容是在法规规定的行驶循环以及直至极端行驶条件和驾驶策略的自由行驶循环中广泛的动力学变化和温度变化，直至在－25℃的极端条件下进行试验。除了认证试验循环之外，还为试验选择了2种非标准化但是常用的被称为RDE＿30的高动力学行驶循环，这种行驶谱示于图3（a）。为了进行极限考察，行驶循环被选择得略微超过RDE行驶法定的极限动力学［6］。发动机冷起动后300 s的情况示于图3（b），显然PN浓度CN温度强烈依赖于环境温度，在动态行驶过程期间随着环境温度的降低，PM浓度大大增加，而认证温度（23℃）下的PM浓度明显低于其他所有的试验情况，最明显的是后者的冷起动效果变差。TSI 3090EEPS PM尺寸光谱仪能按时间和尺寸的分布状况采集PM，这样就能判断PM特性。图3（b）中示出的PM 直径（Dp－mittel）能够按时间描述PM尺寸的分布状况，图3（c）中示出的局部放大曲线图可以看出，随着试验温度的降低，PM尺寸分布的平均直径增大。值得注意的是，2张曲线图中的曲线分布具有非常相似的走向。这些曲线表明了在低环境温度运行期间将采取的发动机运行策略的转换。如参考文献［1］中所述，显示了延迟点火时间等加热措施与PN排放增加之间的关系。

图3 在开发循环RDE＿30冷起动范围及其整个行驶谱中温度对PN排放的影响

冷起动之后总是存在着燃烧稳定性（或舒适性）、废气后处理系统的主动加热和低PN排放之间的目标冲突。从图4（a）可以看出，在冷起动温度范围内产生了较多的PN排放，温度更低冷起动的PN排放会显著增加，主要是由于湿度较低的燃烧室为了主动加热催化转化器而改变运行工况点，使本来较高的原始排放的氧化反应恶化，因此减少了冷起动期间的PN排放。根据图4（b）可知，PN依赖于试验温度，随着冷起动温度的降低PN近似线性增加。

图4 开发行驶循环RDE＿30相对值和与温度关系的最终结果

5 动力学和温度的总评价

图5综合比较了各种行驶循环下的PN试验结果，并从低到高对行驶循环动力学进行分级，评价的基础和基准是23℃时NEDC行驶循环的PN系数为1。根据所注明的百分比数据，就能看出单纯提高行驶动力学使PN增加，从中查明了因行驶动力学提高而使PN增加了350%，而垂直线则表示温度会对排放产生影响。引人注目的是在RDE＿30行驶谱中温度具有非常大的影响，PN系数的最大值将达到25。

图5 PN排放对行驶循环动力学和试验温度依赖关系的总评价

6 结论

在RDE行驶循环中，本文对PN最重要的影响因素行驶动力学和起动温度进行了试验研究，通过定性和定量作出了评价。在试验中以NEDC行驶循环为基准，当行驶动力学增强时PN排放最多可增加350%，温度的影响在于随着起动温度的降低PN排放显著增加，而在RDE＿30中在极端情况下PN排放会增加440%，同时已确定PN排放对起动温度呈近线性的关系，而且随着温度降低PM平均直径显著增大。不依赖于汽油机颗粒捕集器而优化发动机，力争在PN方面获得更多的优势，因此依靠冷起动可以降低PN排放，这与快速暖机以及较低温度下的燃烧稳定性之间的协调性对于未来具有重大的意义。