MPFI发动机颗粒物排放影响因素研究

李卓 孟凡腾 王森

摘 要：基于一台进气道喷射式双VVT自然吸气汽油机，利用排放测试设备对颗粒物排放（PN）与发动机进排气VVT角度、燃油喷射比例和相位、气态排放物（CO、NOx和THC）的相关性进行了研究。研究结果表明，进气VVT角度的变化对PN影响较为敏感，排气VVT与PN的相关性不明显。采用二次喷射策略时，首次燃油喷射的截止时刻、首次燃油喷射比例、二次燃油喷射截止时刻与PN的相关性不明显，喷射截止时刻和比例的变化不会显著影响PN排放。气态排放物中CO排放与PN的相关性不明显，NOx和PN在低转速高负荷时相关性最强，随着转速增大负荷降低相关性减弱。THC和颗粒物存在一定的相关性，降低THC排放，会对抑制颗粒物排放产生积极影响。

关键词：汽油机;颗粒物排放;相关性分析

0 引言

为应对不断升级的排放和油耗法规，对控制参数的标定工作要求更加精准。近些年基于模型的标定得到广泛应用 [1，2]。多参数寻优前，如了解其对优化目标的影响程度，则可针对影响度敏感性高的控制参数进行试验设计优化，提高工作效率。国六排放法规实施以来，发动机的颗粒物排放控制逐渐成为研究热点和难点。影响汽油机颗粒物排放的主要原因包括：冷机起动阶段，不均匀液相燃烧和气相加浓燃烧共同促进生成核态颗粒物。发动机稳态运转时，空燃比、进气相位等控制均会对颗粒物排放产生影响[3]。本文基于发动机台架试验，分析发动机进排气VVT角度、燃油喷射方式和相位等因素和颗粒物排放的相关性，同时对颗粒物排放与其他气态排放污染物的相关性进行了分析。

1 试验系统及方案

（1）试验测试系统方案。试验采用某2.0 L自然吸气汽油机，其主要参数见表1。

（2）试验方案设计。为探讨发动机控制参数对颗粒物排放的影响规律，本文分别研究不同转速和负荷区域内，进排气VVT角度对颗粒物排放的影响规律;燃油喷射截止时刻、两次燃油喷射的喷射比例对颗粒物排放的影响规律。同时对于颗粒物排放与其他气态排放物的相关性进行了研究。将此款发动机待优化的6个性能目标作为输出变量：BSFC（燃油消耗率）、PN（颗粒物）、THC（碳氢化合物）、CO（一氧化碳）、NOx（氮氧化物）、COV（燃烧稳定性）;对发动机性能影响较大的5个参数作为输入变量：iVVT（进气VVT角度）、eVVT（排气VVT角度）、EOIT（首次喷油截止时刻）、Split_Ratio（首次喷油比例）、EOIT_Trim（二次喷油截止时刻）。

（3）相关性分析方法。相关性分析是通过对两个及两个以上具有某种关联的变量参数进行分析，从而得到参数之间的相关程度，进行相关性分析的各参数之间必须存在一定的联系。相关性不是一种简单的因果关系，它能够用相关性系数R定量地表示各参数之间的相关密切程度。

i 表示第i 个样本点，xi表示所研究的参数A在第i个样本点下的大小，x是参数A在n个样本点下的均值，yi是与A相关的另一参数B在第i个样本点下的大小，y为其均值。R越接近于1，两者相关性越强。

2 试验结果及分析

利用发动机台架测试设备，可以采集得到不同控制参数组合下的发动机排放数据，基于公式（1）可以计算不同控制参数之间的相关性。

（1）进排气VVT与PN排放的相关性分析。进气VVT角度（iVVT）对缸内充量会产生较大影响，为充分研究iVVT的影响规律，针对不同工况区域的iVVT变化进行分析。如图1所示，可以看出万有工况的中、低负荷（IMEP<1 000 kPa）区域，进气VVT角度的变化对PN影响较为敏感，高负荷工况区域两者的相关性较弱。这是因为高负荷区域的进气VVT开度相对较小，否则会显著降低外特性动力性能。如图2所示，排气VVT角度（eVVT）与PN排放的相关性显著低于进气VVT角度。中、低转速（1 200 rpm～3 500 rpm）中低负荷（IMEP<1 000 kPa）区域，排气VVT与PN的相关性较弱。与图1相比，可以发现进气VVT与PN的相关性在此区域很强，由此可知，针对PN的标定优化过程中，可优先选择较多的进气VVT角度组合，较少排气VVT角度组合的方式优化工作量。

（2）两次燃油喷射模式时喷射控制参数与PN排放相关性分析。采用二次喷射策略时，首次燃油喷射的截止时刻、燃油喷射比例、二次燃油喷射截止时刻与PN的相关性系数均在0.4以下，相关性不明显。表明此款气道喷射式汽油机的燃油的蒸发、雾化效果较好，同时喷射最晚时间设置在进气门开启之前，充足的燃油蒸发和雾化时间可以有效保证混合气相对均匀。燃油喷射控制参数的变化对PN的敏感度影响较小。

（3）PN排放与气态排放物的相关性研究。

由图3可知，CO排放与颗粒物的相关性不明显，这是因为CO的产生主要源于油气混合气的不完全燃烧，颗粒物的产生原因是液相燃油燃烧不充分導致的碳烟。由图4可知，NOx和PN在低转速高负荷时相关性最强，随着转速增大负荷减少相关性减弱。NOx产生主要是高温富氧环境，此环境下颗粒物会被大量燃烧。高速低负荷工况，发动机在当量空燃比燃烧，缸内燃烧温度降低，PN排放与NOx的相关性逐渐减弱。高速高负荷工况，受排温保护策略影响，NOx排放随空燃比降低显著下降，因此与PN的相关性较弱。由图5可知，THC和颗粒物存在一定的相关性，这是因为碳颗粒与THC会互相附着，导致颗粒物质量和直径增加。由此可知，降低车辆的THC排放会对抑制颗粒物排放产生积极影响。

3 结论

（1）万有工况的中、低负荷（IMEP<1 000 kPa）区域，进气VVT角度的变化对PN影响较为敏感，高负荷工况区域两者的相关性不明显。这是由于为保障发动力外特性动力性能，高负荷区域的进气VVT开度相对较小。中、低转速（1 200 rpm～3 500 rpm）中低负荷（IMEP<1 000 kPa）区域， 排气VVT与PN的相关性不明显，进气VVT与PN的相关性在此区域较强，由此可知，针对颗粒物的标定优化过程中，可优先选择合适的进气VVT角度，较少排气VVT的标定优化工作量。

（2）采用二次喷射策略时，首次燃油喷射截止时刻、首次燃油喷射比例、二次燃油喷射截止时刻与PN的相关性不明显，表明喷射截止时刻和比例的变化不会显著影响此发动机的PN排放。

（3）CO排放与颗粒物排放的相关性不明显，这是因为CO的产生主要源于油气混合气的不完全燃烧，颗粒物的产生原因是液相燃油燃烧不充分导致的碳烟。NOx和PN在低转速高负荷时相关性最强，随着转速增大负荷减少相关性减弱。THC和颗粒物存在一定的相关性，这是因为碳颗粒与THC会互相附着，导致颗粒物直径增加。降低THC排放，可对抑制颗粒物排放产生积极影响。

参考文献：

[1]姜坤，刘然，杨中华，等.基于DOE设计实现DVVT的高效台架标定[J].小型内燃机与车辆技术，2015（1）：59-63.

[2]梁智，孙国强，卫志农，等.基于变量选择与高斯过程回归的短期负荷预测[J].电力建设，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.