缸内直喷汽油机的HC排放特性分析及未来排放法规对其的挑战性.doc

缸内直喷汽油机的HC排放特性分析及未来排放法规对其的挑战性摘要：本文在介绍缸内直接喷射汽油机基本燃烧机理及各工况运行特点的基础上，重点分析了缸内直喷汽油机的HC排放机理，同时基于对比试验，分析比较了在FTP-75（美国汽车油耗及排放测试） 测试循环下缸内直喷汽油机与进气道喷射汽油机的HC 排放特性。分析表明，为了满足未来严格的排放法规的要求，缸内直喷汽油机仍面临着巨大的挑战。此外还分析了造成缸内直喷汽油机HC排放高的原因,并提出了控制措施。关键词：缸内直喷；汽油机；排放；冷启动随着汽油直喷（GDI）发动机，燃油经济性和驱动能力的可同时实现。一些世界领先的公司已经将GDI发动机投入市场，如三菱，丰田等。但是并不清楚这种发动机废气排放的特性。众所周知在全球范围内车辆废气排放标准变得越来越严格。跟据超低排放标准以及欧和欧排放标准，必须进一步减少HC化合物的排放。并参考企业FPT-75测试周期和NEDC（新欧洲行驶循环）测试周期，以加速加载法在21秒和11秒时分别开始测量汽车排气管排放。这意味着，已考虑在冷启动时的废气排放。本文对GDI发动机的HC产生机理进行了分析，并基于一些实验结果。对GDI发动机和PFI（进气道电子燃油喷射）发动机的HC排放特性进行了比较，得出GDI发动机在满足未来排放标注方面面临很大的挑战。1 GDI发动机的基本概念1.1 GDI发动机的性能要求图1是一个典型的GDI发动机分工况的运作图。与PFI发动机不同为了实现较好的燃油经济行及较高的驱动能力输出和良好的废气排放，分层燃烧和均质燃烧两种策略都用于GDI发动机。常用工况下，分层燃烧和均质燃烧都可以。当发动机转速低于中间转速或部分加载时，将采取分层燃烧。当发动机满载或发动机转速高于中间转速时，将采取均质燃烧。图1 GDI发动机操作范围要求发动机的启动是一个特殊的操作状况。当GDI发动机启动和预热时，通常采用计量均质燃烧。在这种情况下可使发动机的输出功率增加，发动机启动变得比较容易，且高温废气使催化剂能迅速的工作起来。1.2 燃烧系统GDI发动机的基本概念主要取决于分层燃烧操作、燃烧室形状、电荷的运动和类型以及喷油器安装必须在正确的位置，这样火花塞才能在真确的点火时间点燃在其附近的浓混合气，实现分层燃烧。对于这种情况，在燃烧室必需要形成强大的气体涡流以使燃油能充分雾化。图2显示三菱GDI发动机分层燃烧概念的方式。为了实现分层燃烧在发动机的压缩冲程注入在燃料。油束与球形活塞腔壁面碰撞后飞溅的油滴，随含有汽油蒸气和细小油滴的气流斜向上朝火花塞运动，在进气门附近产生的密集气体涡流。这是直立进气口产生的反旋涡涡流。在反旋涡涡流的作用下，气体燃料流向火花塞后撞击活塞上腔。图2 三菱GDI发动机分层燃烧形式球形燃烧室的设计，使油束与壁面碰撞后飞溅的油滴，随含有汽油蒸气和细小油滴的气流斜向上运动，被位于缸盖中部的火花塞点燃。火花塞位于燃烧室的外围，在火花塞附近形成极易点燃的较浓混合气，而在其他区域，则追求无油区，即形成空燃比趋向无穷大区域。这是由排气侧的压力面积所产生的强烈的压力流实现的。在燃烧后期，反向的压力流传播火焰到排气侧，在排气侧的球形碗墙将向上流动的压力流改变方向使其撞击活塞向下做功。因此，这种设计适合提高压缩比。此外，球形燃烧室，适于保持高压旋转气流的旋转态势，直到压缩行程结束。2 GDI发动机的HC排放机理相比较一氧化碳和碳氢化合物的排放，点燃式发动机的HC排放机理是最复杂的。我们认为总的HC排放量主要发生在两个连续的阶段。首先是HC的来源：采取几个不同的措施防止一小部分燃油窜入正在正常燃烧的汽缸，其次，未能完全燃烧的HC通过排气门进入排气管，它们在排气冲程都被排出汽缸。因此必然会在排气管中出现HC。2.1 GDI发动机HC的形成机理2.1.1 HC来源与传统的PFI发动机一样，不完整的火焰传播，墙壁淬火，缸壁裂缝和湿润等也是GDI发动机HC的主要来源。然而，GDI发动机特殊的燃烧系统与PFI发动机在燃烧系统方面有很大的不同。因此在HC形成方面存在一些不同。特别是汽缸壁的湿度方面。发动机启动时在进气行程注入燃料的过程中，发动机的活塞顶面和汽缸壁是湿润的。原因是因为发动机启动时发动机的活塞和气缸套的温度很低，注入的大量燃料粘附在活塞顶以及气缸套表面，无法及时蒸发。而在膨胀做功行程过程中粘附在活塞顶及气缸套表面的燃油才开始蒸发，因此造成HC排放的增加。当发动机暖机结束后，对PFI发动机而言，因为流入发动机汽缸的气体经过加热，所以因为燃油造成的发动机活塞及气缸套表面湿润地方的液体会很快蒸发为气体，因此不会增加HC的排放量。但是对于GDI发动机，其空气混合物形成的时间极短，粘附在发动机气缸套上的燃油依然不能完全蒸发。所在GDI发动机的整个运行过程中都会影响到HC的排放。参考目前的研究成果，不同的湿润部位例如：活塞腔，进气门底座，排气门底座会产生不同量的HC排放。根据实验排气门底座的湿润状态是最坏的情况，而进气门底座湿润状态是最好的情况，活塞顶的湿润状态比排气门湿润状态稍好。HC的排放比几乎完全取决于喷油时刻造成的汽缸内部的湿润情况。对于GDI发动机，其燃油的直接燃烧会产生一些独特的HC来源。就像我们知道的，GDI发动机的燃油蒸发以及空气混合燃料的形成时间极短。由于燃油不良的蒸发，有大部分参与燃烧做功，而另一部分则形成未燃的HC排放物。为了减少由于燃油在气缸内的不良好蒸发造成的过多的HC排放。GDI发动机的燃烧系统的设计是一个非常重要的方面。然而对于GDI发动机来说，它有两种燃烧方式：分层燃烧方式和均质燃烧方式两种。所以必须做权衡，这将会增加HC的排放尤其是在均质燃烧的运转状况。2.1.2 缸内氧化与PFI发动机相比，GDI发动机的空燃比很高，所以，GDI发动机的缸内燃烧温度比PFI发动机相对较低。这导致汽缸内的HC未能完全氧化。因此发动机的HC排放增加。由于同样的原因，发动机排放的废气很难被催化剂催化转化成对大气无害的气体。所以在冷启动阶段GDI发动机排放的尾气中的HC处在一个非常高的水平。3 在实验的基础上比较分析PFI发动机和GDI发动机HC的排放特性Argonne (美国阿贡国家实验室)国家实验室对GDI发动机和PFI发动机做了对比测试。使用一台三菱（Mitsubishi）1.8升的GDI发动机排放测试结果与一台2.0升道奇霓（Neon）虹进行比较。对两台发动机的尾气排放进行收集，分析其燃烧过程与催化转化器的变化。通过测试其EPAS FTP-75和高速公路燃油经济周期。测试结果如下。3.1 工况排放图3比较了在怠速状态下GDI发动机车辆与PFI发动机车辆的排放。参考图三GDI发动机车辆的加权平均HC排放是PFI发动机车辆的3倍左右。我们也注意到PFI发动机车辆的工况2和工况3 HC排放小于工况1.但是GDI发动机车辆工况2 HC排放比工况1还大。这意味着，发动机升温后，GDI发动机的HC排放与PFI发动机相比没有任何改进。图3 FTP-75测试中三菱GDI车辆与霓虹PFI车辆发动机HC排放总量比较图4比较了GDI发动机和PFI发动机在怠速状态下运行时尾气的排放。据悉，GDI发动机排放的尾气中HC的含量远远超过PFI发动机的HC排放量，超过一半的HC排放来自工况1。图4 FTP-75测试中三菱GDI车辆与霓虹PFI车辆尾气HC排放总量比较3.2 第二，二次排放由于大多数的HC排放发生在冷启动和热车期间，因此只有工况1的FTP周期中的HC排放才能比较GDI发动机和PFI发动机的排放特性。图5显示了两张车怠速运行状态下工况1第二，二次发动机HC的排放量。工况1 GDI发动机发动机HC的排放比PFI发动机HC排放量高出210。然而在第120秒GDI发动机发动机HC的排放只比PFI发动机HC排放量高出103%。在其余的工况GDI发动机发动机HC排放量比PFI发动机HC排放量高出239%以上。这意味着，在冷启动阶段对于PFI发动机而言其HC排放量影响更为严重比起GDI发动机来说。注：FTP-75是美国汽车油耗及排放测试，Mitsubishi是三菱公司Neon是道奇的霓虹车图5 FTP-75测试中三菱GDI车辆与霓虹PFI车辆冷启动时发动机HC排放总量比较图6显示了两车在工况1状态时第二，二次尾气中的HC排放的总量。这些痕迹表明，在第100 - 200 s时PFI发动机车辆上的催化剂开始起作用。而GDI发动机车辆上的催化剂需要约250300秒才能生效。图6 FTP-75测试中三菱GDI车辆与霓虹PFI车辆冷相位发动机HC排放总量比较 4 结论根据测试结果，现在的GDI发动机不能满足未来的HC排放标准，它还有一段很长的路要走。GDI发动机HC排放特性较差的原因如下：a.发动机的HC排放高，因此GDI发动机在同一个系统中是很难同时实现良好的分层燃烧和均质燃烧的。因此，与PFI发动机不同，GDI发动机在升温后其HC的排放依然不是很理想