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点燃式发动机冷起动瞬态排放特性研究

2009-4-14  来源:中国摩托车网 阅读次数:29687
国Ⅲ排放法规不仅加严了排放限值,还加严了测试循环,增加了冷起动阶段的排放采样。

发动机冷起动时,由于燃烧室内温度低,活塞阻力大,往往需要较浓的混合气,同时该阶段催化器还没有起燃,转化效率很低。试验研究表明排放测试中,50%~80的HC、CO都是在冷起动过程中产生的,国内外关于这方面的研究有很多报道,Henein研究在l台6缸汽油机上,前120个循环冷起动与暖机过程燃烧及瞬态过程的HC排放;Bielaczyc研究了环境温度在-5~22℃间变化时,对发动机冷起动HC、CO排放的影响;HevWood和cheng研究了点燃式发动机HC排放形成与氧化机理;黄佐华等研究了冷起动和怠速过程HC排放及影响因素;程勇等结合三元催化器的起燃特性,研究了冷起动和暖机过程发动机排放及影响因素。

由于冷起动过程中发动机混合气浓度是瞬态变化的动态过程,使用稳态排放测量设备不能有效反映此时混合气的燃烧状况,目前国外研究冷起动过程大多使用瞬态测量设备,基于循环控制方法来研究冷起动控制方法,但国内使用瞬态排放测量设备对点燃式发动机冷起动瞬态排放特性的研究较少。联合汽车电子公司(UAES)购买了英国Cambustion公司生产的HFR500瞬态HC:测量仪,并在该领域展开了相关研究。本文主要介绍这款瞬态HC测量仪的工作原理,同时使用该测量仪分析点燃式发动机冷起动瞬态的HC排放特性,高速采集系统同步记录发动机缸压、转速及稳态HC排放。

1实验装置及测试方法

1.1瞬态测量仪的采样探头

试验在1台电控点燃式单缸125ml四冲程风冷发功机上进行,环境温度10℃,大气压力99.3kpa,蓄电池电压12 V,发动机起动转速500r/min,瞬态测量仪的采样探头安装在排气问附近,如图1所示,瞬态分析仪信号、曲轴及缸压信号由计算机瞬态采集,全程监控发动机工作。

1.2 HFR500瞬态测量仪测量原理原理

Cambustion公司的HFR500瞬态HC测量仪,测量HC浓度的方法是工业上普遍采用的火焰离子检测法(FID),该方法是测量HC浓度的工业标准方法。检测原理:当含有CnHm的采样气体在氢火焰中燃烧时,会产生离子,但这个离子的生成过程很复杂,可用化学氧化过程表示:

CH+O→CHO++e-(1)

该反应基本上是热中性的,反应中每克碳原子能产生0.245C离子对,其中正离子与水蒸气反应并发生转变,产生了复杂的离子光谱,这个结合过程主要由水和氢离子(H3O+)主导,在电量转移过程中由大量的水蒸气产生,过程为:

CHO+H2O→H2O+CO(2)

H3O++e-→2H++OH-(3)

如果所有的电离都被电极获得,那对于CnHm来说,电极获得的电流i(A)为:

I=r[CnHm]Q (4)

式中:CnHm——摩尔浓度,mol/cm3

Q——通过探测器的采样气体流速,cm3/s

对于脂肪族碳氢来说,响应方程中r正比于碳原子在分子式中的个数n:

r=αn(5)

正比例常数α=0.245C/g(碳原子)。

由此看出,电离电流的大小与采样气体中HC的浓度成正比,测量电离电流就可最终测得气体中HC浓度的大小,瞬态HC分析仪就是利用这一原理测量的。

1.3传统HC测量仪与瞬态HC测量仪的差异

HFR500瞬态HC测量仪和工业中传统的HC测量仪,使用的都是火焰电离法,该方法本身响应速度非常快,两者差别是采样系统不同。HFR500瞬态HC测量仪采用了独特采样系统,响应时间大大缩短,如图2所示;传统HC测量仪采样系统采用两级取气,采样气体由真空泵吸入,经过1个有过滤器的采样管进来,依靠测量室与采样管间的负压,一小部分气体通过细管进入测量室,进入氢火焰中燃烧,再由测量室排放出去,另一部分气体直接从1级采样管排放出去。HC在氢火焰中燃烧产生离子,这种离子在较高直流电压(150~200V)作用下会发生偏转,从而被金属采集器探测到,如图3所示。经过采集器的电流,正比于电离比率,而后者取决于采样气体中HC的浓度。从图中可看到,采样气体要经过多个传输过程才能最终到达测量室,这个过程很长,所以反应时间较缓慢,一般为1~2s。

在试验室中经常使用的是五气分析仪,如佛山五气分析仪,测量HC的原理是不分光红外光谱法。而不是火焰电离法。因为所有的气体都吸收特定波长的光线,可用这些波长来鉴定不同气体,根据气体在特定波长内吸收的光强多少来确定气体浓度;对含有C-H基的气体,可吸收在红外光谱2.4~3.5μm处光线的能量。光强的减弱和气体浓度之间符合“朗伯-比尔”定律。

A=log(I0/I)=abc(6)

式中A——特定波长吸收量

a——吸收系数

b——光程长度

c——采样气体浓度

采用这种光学测量法,响应速度也很快,但由于采用传统的采样系统,使最终的采样响应时间大大延长。HFR500瞬态HC测量仪,虽也采用传统FID测量原理,但采样系统采用独特的设计,响应时间仅约1.5ms。在Cambustion系统中,探测器被小型化了,安装在一个远程的采样探头中,靠近发动机测量点,当采样气体从发动机排气阀吸入采样管后,高速经过1个加热的不锈钢细管(直径约1mm)时,只有短暂的气体混合,所以高品质地保存了原采样气体的特性。从图2、图3中可看到,采样气体在真空泵作用下,直接经过测量室反应后被排出,而不是传统测量仪的两级取气,从而大大节省了时间。

HFR500瞬态HC测量仪的采样头由一个稳定压力的恒压室和产生信号的FID室组成,这样的设计是为了避免采样气体压力波动。恒压室是一个相对较大的气室,无论发动机排出的气体压力有多高,都可以确保进入FID管的压力恒定,并控制绝对压力为0.055 MPa。FID室内包含FID火焰探测器,绝对压力控制在0.046 MPa,2个气室间的压力差保持恒定,使得从FID管到探测器的采样气体有一个固定的流速,而不受采样探头中采样气流波动的影响,这些气室的压力由连接真空泵的抽气室,通过气流调节器和一系列变频器,及控制新鲜空气进入到采样室的阀门来控制压力,这个主动控制系统根据不同的发动机转速和负荷来调整压力,使发动机不同工况下的循环压力波动被稳定压力的恒压室消除。

考虑HFR500瞬态HC测量仪的响应时间,应重点区分响应时间和传输时间。响应时间通常是实际使用中最重要的运行参数,它决定可以分析的HC变化极限值,笔者定义响应时间为:10%~90%,浓度变化所用时间;传输时间(采样气体进入采样系统到产生电子响应的时间),由于相对较固定,可通过预先标定,与缸压对应来矫正数据,所以不是很关键。

HFR500响应时间<1.5 ms,传输时间<5 ms。

2 试验结果分析

为LPG发动机2个冷起动过程瞬态HC排放对比。看到,(a)、(b)2种情况下发动机都能成功起动,首循环瞬时转速都接近1500r/min;(a)中首循环缸压约为2.5 MPa,(b)中首循环缸压约为1.8 MPa,(a)种情况冷起动首循环缸内燃烧效果更好;(a)种情况首循环瞬态HC排放峰值接近5000×10-6,(b)种情况首循环瞬态HC排放峰值达6800×10-6,两者首循环瞬态HC排放相差1800×10-6,出现显著差异。由图中还看到,虽然(a)、(b)2种情况在冷起动第2个燃烧循环时缸压较接近,但(b)种情况发动机转速较低,说明首循环燃烧对该循环产生了影响;当第4个燃烧循环时,缸压和发动机转速2种情况均没有比较明显的差异,但(b)种情况瞬态Hc排放却急剧增加,达到了6200×10-6,冷起动初始儿个循环的燃烧波动是造成该循环HC排放急剧增加根本原因,由于首循环和第2燃烧循环没有稳定燃烧,不能为后面的循环创造良好的燃烧环境,使得发动机转速波动较大,影响了发动机的进气,最终造成第4燃烧循环的燃烧恶化。可见冷起动初始几个循环的燃烧对于后续循环有较大的影响,保证初始几个循环的稳定燃烧是降低冷起动HC排放的关键。当进入稳定燃烧后,2种燃烧情况下的HC排放都趋于稳定,两者的差值逐渐缩小。

本文同时记录了2个冷起动过程稳态HC测量仪的数据,如图5所示。其中与对应的是曲线A与图4(b)对应的是曲线B,可以看到(a)种燃烧情况的稳态HC排放测量值要小于(b)种燃烧情况,但只能看到峰值的变化,峰值后2条曲线逐渐相同。

对比,相比稳态排放曲线,瞬态HC排放数据可更直观地、有效地指出是哪个循环燃烧出现了问题,从而为优化冷起动燃烧控制策略提供了有力支持。

3结论

冷起动初始几个循环对于后续循环的燃烧稳定性有显著影响;瞬态HC排放可更直接地指示出有问题的燃烧循环,可以为优化燃烧控制策略提供支持。


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