電噴汽油機(jī)冷起動過程中hc排放的分析

降低冷擊穿時hc的排放量據(jù)文獻(xiàn)報道，在帶有三種高效催化劑轉(zhuǎn)化裝置（hc）的車輛燃料機(jī)中，60%80%的碳?xì)浠衔铮╤c）在冷卻至一定程度上產(chǎn)生。起動過程的最初幾個循環(huán)需要較濃的混合氣,且由于燃燒不穩(wěn)定導(dǎo)致HC排放量較大,而且此時催化轉(zhuǎn)化器尚未起燃,使碳?xì)渲苯优湃氪髿?。欲降低冷起動時HC的排放量,一般要從以下兩方面著手:一是改善冷起動時的燃燒過程,減少HC實際發(fā)生量;二是加快催化器的起燃過程。其中推遲點(diǎn)火提前角經(jīng)常被用來作為加速催化器起燃的手段。本文根據(jù)實測的汽油機(jī)冷起動至催化器起燃時的HC排放、排氣管不同位置的溫度以及示功圖,探討了汽油機(jī)冷起動與暖機(jī)過程中不同點(diǎn)火提前角對HC排放的影響。1hc排放量和溫度變化試驗是在一臺多點(diǎn)進(jìn)氣門噴射的EQ491汽油機(jī)上進(jìn)行的,汽油機(jī)參數(shù)如表1所示。它配有一臺DELPHI催化器,該催化器經(jīng)過相當(dāng)于100000km的臺架老化。催化器置于排氣口約1.2m處,在催化器前后分別設(shè)有HC采樣取氣口。HC排放量由AVLGEM-110排放檢測儀測量,通過電磁閥切換,可控制測取催化器前面或后面的HC排放值。在排氣管路中布置有8個K型熱電偶(溫度分別為T1～T8),用以檢測排氣溫度的變化,溫度傳感器的安裝位置如圖1所示。在一缸上裝有Kistler6617A壓力傳感器(配5011電荷放大器)。氣缸壓力及汽油機(jī)瞬時轉(zhuǎn)速由多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄。以實車15工況測試時的催化器入口排氣溫度變化為模擬目標(biāo),采用如下模擬方法:汽油機(jī)冷起動運(yùn)行40s,然后將節(jié)氣門突開至6.6%,直至催化器入口溫度達(dá)到起燃溫度。試驗中使用90號無鉛汽油,大氣溫度為295K,大氣壓力為101.4kPa,控制起動時的初始條件如下:機(jī)油溫度295K,冷卻水溫度294K。2節(jié)氣門突開前hc總量的變化圖2為測錄的一組起動過程中催化器前后HC排放濃度及排氣溫度曲線。根據(jù)催化器前后HC排放濃度的計算,得到試驗用催化器起燃(τ50)時的溫度T50約為613K。在下面的分析中,以催化器入口溫度達(dá)到該值為催化器起燃的標(biāo)志。在起動時(圖2a),HC高達(dá)20000×10-6,隨著轉(zhuǎn)速升高,HC急劇下降,在12s時降至3200×10-6,隨后下降速度開始減緩,到40s時,降至2800×10-6。在40s時,節(jié)氣門突開至6.6%,轉(zhuǎn)速隨之突升至2000r/min左右,HC在轉(zhuǎn)速突升時也隨之增加,但隨排氣溫度的升高急劇降低至500×10-6左右。若令τ50前HC總排放量為100%,則節(jié)氣門突開前HC排放量約占68%,45s之后的排放量約占27%。圖2b顯示了8個溫度傳感器測出的溫度曲線。從T4～T7可看出排氣溫度沿管路的衰減。在節(jié)氣門突開之前,催化器出口溫度(T8)變化緩慢。在節(jié)氣門突開后,催化器入口溫度開始突升,在30s之后,催化器出口溫度對此才有明顯反映,此時,催化器入口溫度較排氣管入口溫度(T2)降低了400℃左右。起動時催化器出口溫度的變化較入口溫度滯后,表明所用催化器有熱慣量,由于它的存在,即使在起動瞬間催化器入口溫度超過T50,因催化器內(nèi)部溫度不可能突升,催化器也不能立即起燃。催化器熱慣量越大,其τ50越長。曲線T4～T7還表明,如果條件允許,催化器應(yīng)盡量靠近汽油機(jī),以提高催化器入口溫度,縮短催化器起燃時間。鑒于節(jié)氣門突開為過渡過程,不易控制,且其排放量所占比例較小,下面就點(diǎn)火提前角對40s前和45s后的HC排放的影響作一點(diǎn)討論。2.1燃燒不穩(wěn)定循環(huán)變形為了考察點(diǎn)火提前角對節(jié)氣門突開前HC排放的影響,調(diào)整了樣機(jī)ECU的控制策略。將空燃比α從初值6.6升至14.6所用的時間由60s縮短至10s,在α達(dá)到14.6的同時,調(diào)整點(diǎn)火提前角至設(shè)定值。圖3顯示了點(diǎn)火提前角分別為3°CA和13°CA時測得的HC排放和排氣溫度T1、T4。這兩組數(shù)據(jù)在10s～40s時間范圍內(nèi),HC累積排出量分別為659mg和781mg。前者較后者降低15.6%。從圖中顯示的排溫曲線可以看到,點(diǎn)火提前角為13°CA時,在10s～40s間,T4一直低于T1,在30s時約低100℃。而提前角為3°CA時,T4、T1均較提前角為13°CA時高。其T4雖也低于T1,但其差值較13°CA時要小,30s時,溫差約50℃。圖4顯示了3°CA和13°CA時,在30s左右時測得的示功圖。因為節(jié)氣門關(guān)閉,殘余廢氣系數(shù)大,火焰發(fā)展速度比較慢,初期燃燒放熱量較少,往往要到膨脹行程后期才能看到壓力明顯地脫離壓縮膨脹線而升高。在怠速工況,燃燒不穩(wěn)定、循環(huán)變動較大,圖5所示的示功圖是其相應(yīng)工況中比較典型的情況。圖5顯示了根據(jù)圖4所示示功圖計算的放熱規(guī)律,為便于比較,將其排氣門開時(470°CA)的質(zhì)量燃燒率定為100%。由圖可見,在排氣門開啟時,提前角為3°CA時相應(yīng)的質(zhì)量燃燒率曲線仍處于升高狀態(tài),表明此時燃燒尚未結(jié)束。提前角為13°CA時相應(yīng)的質(zhì)量燃燒率曲線已經(jīng)接近其最大值,表明此時燃燒已經(jīng)趨近結(jié)束。鑒于汽油著火溫度為623K～741K,結(jié)合圖3和圖4可以假設(shè),在點(diǎn)火提前角為3°CA時,由于缸內(nèi)燃燒不充分,未燃盡的混合氣在排出氣缸后繼續(xù)燃燒,由于有能量補(bǔ)充,因此T4和T1溫差較小。排氣歧管內(nèi)的燃燒減少了催化器入口處的HC濃度。2.2提前角試驗結(jié)果繼節(jié)氣門突開時排氣溫度急劇升高之后,排氣溫度繼續(xù)升高直到達(dá)到催化器起燃溫度,其τ50隨點(diǎn)火提前角的不同而有一定差別。圖6分別對比了不同點(diǎn)火提前角下的τ50和45s到起燃之間的累計HC排放量。由圖可見,提前角23°CA、18°CA相應(yīng)的τ50較8°CA分別長出44s、19s,而HC總排放量較8°CA高出1550mg、595mg。隨著提前角減小,τ50減小,45s～τ50之間的累計HC排放量減小。但是提前角為3°CA、8°CA和13°CA時,相互之間的差別較小。圖7為45s～120s,提前角分別為3°CA、13°CA時的排溫曲線。在提前角為3°CA時,T4高于T1,這證實了該工況下排氣歧管內(nèi)燃燒現(xiàn)象的存在。試驗樣機(jī)為4缸機(jī),試驗中只測錄了1缸示功圖,但是從測錄的瞬時轉(zhuǎn)速曲線分析,盡管存在燃燒循環(huán)變動,但各缸工作狀態(tài)沒有明顯差異。圖8顯示了90s時提前角為3°CA、13°CA時的示功圖和瞬時轉(zhuǎn)速曲線。瞬時轉(zhuǎn)速曲線波動規(guī)律可以證實,圖7所示結(jié)果并不是由于某缸故障所致。圖9為不同提前角時的示功圖及放熱規(guī)律曲線。圖9a中,由于水溫、油溫較低,汽油機(jī)燃燒循環(huán)變動較大,但由缸內(nèi)壓力曲線可見在提前角為3°CA、8°CA時,相應(yīng)的壓力曲線是在膨脹行程晚期才有顯著升高,提前角為13°CA、18°CA和23°CA時,壓力曲線在上止點(diǎn)前脫離壓縮線。圖9b表明,隨點(diǎn)火提前角加大,瞬時放熱峰值出現(xiàn)的位置向前移動,排氣門開啟時缸內(nèi)溫度也低。與3°CA、8°CA相應(yīng)的燃燒過程是不完全燃燒,其瞬時放熱峰值分別出現(xiàn)在460°CA、450°CA,在470°CA(排氣門開)時質(zhì)量燃燒率分別為60%、80%,燃燒尚未完成。由上面的討論可知,未燃HC排出氣缸后在排氣管內(nèi)繼續(xù)燃燒,使得催化器入口溫度升高,并且在催化器入口處測得的HC濃度較低。13°CA的最大放熱率出現(xiàn)在420°CA～430°CA左右,但在排氣門開時,質(zhì)量燃燒率并未達(dá)到100%,燃燒尚未結(jié)束,排氣管內(nèi)仍然可能存在燃燒。由于燃燒循環(huán)變動的存在,各循環(huán)壓力曲線有一定波動,計算時選擇的示功圖更接近于正常燃燒。實際上,有相當(dāng)比例的循環(huán)處于不完全燃燒狀態(tài),在排氣門開時,燃燒尚未結(jié)束,隨之伴有排氣管內(nèi)燃燒發(fā)生。提前角18°CA、23°