柴油机瞬变工况喷射参数及田口法协同优化对微粒排放的影响

Effects of injection parameters and taguchi method on particulate emissions of diesel engine under transient conditions

摘要

为研究发动机“恒转增扭”瞬变工况下的微粒排放特性及优化方法，以车用2.8 L增压柴油机为研究对象，首先研究了单因素喷射参数对柴油机瞬态加载工况微粒排放的影响；随后设计了田口正交试验，给出以微粒数量及质量为输出指标的最优控制参数组合，并确定了各控制参数的影响权重。结果表明：在瞬变加载过程中，小尺寸核态颗粒物数量浓度恶化明显，大尺寸聚集态颗粒物质量浓度显著恶化；适当地将主喷时刻提前、增大轨压以及引入恰当的后喷可降低微粒排放；同时，控制参数对核态和聚集态微粒的影响存在Trade-off关系，对微粒排放影响权重相对较大的均为喷油时刻的影响，即喷油正时和主后喷间隔。

关键词

柴油机 / 瞬变工况 / 微粒排放 / 喷射参数 / 协同优化

Key words

diesel engine / transient conditions / particle emission / injection parameters / collaborative optimization

0 引言

在实际道路运行过程中车用发动机大多处于瞬变工况运行条件，且日益严格的排放法规及双碳政策对车用发动机在瞬变工况条件下的排放要求逐步提高，尤其是微粒数量及质量排放的限值越来越成为人们关注的重点；同时，车用柴油机微粒排放是交通行业微粒排放的主要来源。因此，对柴油机瞬变工况性能及微粒排放的优化控制至关重要^［1，2］。

为了优化发动机瞬变过程的性能和微粒排放，国内外研究学者针对瞬变工况的研究主要分为以下两个方面：①发动机瞬态工况计算控制模型的创建及验证；②发动机瞬态工况性能畸变及燃烧排放优化方法的研究。对于发动机瞬态工况计算控制模型的创建及验证，Rakopoulos等^［3，4］建立了一套适用于计算发动机瞬态过程燃烧排放的数学模型，用于评估瞬态过程的燃烧排放。文献［5-8］提出了一种快速标定柴油机瞬变过程的方法，可优化燃油经济性和污染物排放等问题。对于发动机瞬态工况性能畸变及燃烧排放优化相关的研究成果丰硕^［9-15］，湖南大学付建勤^［9］探索了瞬变工况下各发动机参数和性能的变化范围及规律；吉林大学张龙平^［10］和刘长铖^［11］发现柴油机瞬变工况排放物中碳烟排放恶化最为严重；同济大学谭丕强等^{［12，13］}研究了轻型车辆柴油机在瞬态运行条件下的排气颗粒数浓度及粒径分布。

由此可见，针对车用柴油机瞬变工况燃烧排放等方面研究有了一定进展，研究表明^［9］通过优化燃油的喷射正时、喷射压力以及气缸内的空燃比和环境温度等条件，可改善瞬变工况下碳烟soot的排放。但目前探究上述因素对柴油机瞬态工况下微粒排放变化的试验研究相对较少，因此有必要开展瞬变工况下喷射参数对微粒排放影响的试验研究。同时，目前研究者们应用田口正交设计方法对发动机稳态工况下的排放及油耗优化进行了一定研究^{［16，17］}，但是在瞬变工况下相关的试验优化研究较少。

因此，本文首先单因素试验研究了喷射参数对柴油机瞬变加载工况微粒数量及质量浓度排放的影响，然后借助田口设计方法，通过正交试验得到以特定微粒数量和质量浓度为输出指标的最优控制参数组合，并最终确定各控制参数对输出指标的影响权重。本研究有助于从柴油机喷射参数控制方面为柴油机瞬态过程微粒排放的优化控制提供参考，同时，因本文所使用的电子控制单元（Electronic control unit，ECU）关闭了瞬变过程中对喷油参数的修正，因此本研究也为喷射参数在瞬变加载工况中的map修正提供了数据及理论基础。

1 试验测试平台及试验方案

1.1 试验测试平台

试验采用一台2.8 L直列四缸、四冲程、中冷高压共轨、缸内直喷柴油机，发动机的详细参数如表1所示。本文试验装置示意图如图1所示。

试验过程中，一台CW160电涡流测功机用于控制并记录发动机负荷和转速。发动机冷却水温度控制在（80±1） ℃。进气流量由SENSYCON Sensy空气流量计测得。单位时间柴油消耗量由同圆TOCEIL-CMFG025油耗仪测得。通过BOSCH LSU4.9 lambda传感器和ETAS lambda仪监测缸内混合气浓度。本文采用大连新风公司生产的ECU通过INCA标定软件实现对发动机喷油参数的灵活调控。

瞬态加载过程中需要对各运行参数进行精确记录，本文通过AVL Indimicro 6020燃烧分析仪中的高速数据采集模块将油门踏板电压信号、进气流量信号、柴油油耗信号以及扭矩4个信号，分别接入对应的4个通道进行瞬态过程信号的高速采集和记录，以便与燃烧状态进行同步，且最大采集信号频率为200 MHz，满足瞬态采集要求。

在瞬态试验中，对尾气中微粒测量所用设备为英国Cambustion公司的DMS500快速微粒采样分析仪。此分析仪可以对发动机原排进行快速微粒测量，最高频率达到10 Hz，可满足发动机瞬态工况下对微粒的采样分析。同时，由于微粒采样存在一定的滞后性，本文将微粒恶化突变的时刻前移到加载的始点，以便更好地理解瞬变过程的微粒恶化特性。

1.2 试验方案

本文选取试验转速为最大扭矩转速1600 r / \mathrm{m} \mathrm{i} \mathrm{n}，加载负荷从5%到95%，加载时间为5 s，加载速率为43.2 N·m/s。在此工况下，分别通过INCA基于原机map单因素研究主喷时刻、喷射轨压、后喷比例和主后喷间隔在瞬态加载工况对柴油机性能和微粒数量、质量排放的影响。在研究主后喷间隔对微粒排放的影响时，将后喷比例固定；当研究后喷比例对微粒排放的影响时，将主后喷间隔固定。通过前期试验过程可知，为达到较优的微粒排放水平，主后喷间隔和后喷比例均不宜过小或过大，因此本文在固定后喷比例和主后喷间隔时选择适中的比例和角度，即后喷比例为10%、主后喷间隔为10 ℃A。各因素下的试验方案如表2所示。随后通过田口法设计正交试验协同优化。

微粒数量浓度转换成质量浓度的公式如下：

M = \mathrm{5.2} \times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{16}} \times d_{\mathrm{p}}^{\mathrm{3}} \times \rho （1）

式中：M为微粒质量浓度； d_{\mathrm{p}}为微粒粒径； \rho为微粒数量浓度。

2 试验结果及分析

2.1 喷射参数对微粒排放的影响

2.1.1 主喷时刻

图2和图3分别为主喷时刻对不同粒径微粒数量及质量浓度的影响。通过后期对试验数据的处理后发现针对微粒排放的规律具有一致性，同时为精简篇幅，省略原机±3 ℃A的微粒数据。由图2和图3可知，微粒数量恶化较为严重的粒径区段按照其恶化程度的优劣从重到轻依次为：＜10 nm、10~15 nm、15~23 nm和23~50 nm，较大的颗粒物（如50~100 nm和＞100 nm）在数量上随瞬变加载过程的变化相对较小，而在质量浓度方面发生了显著恶化现象。从图2和图3可以看出：随着主喷时刻的提前，无论微粒数量浓度还是质量浓度，各粒径区间的微粒浓度均显著下降，当主喷时刻为原机-6 ℃A时，微粒数量与质量浓度间的差别变化较小且达到最小值。由此可见，合理控制主喷时刻对各粒径区间微粒的数量及质量影响较大。

结合课题组前人的研究成果^［9］可以总结以下几方面原因：首先，提前喷油可以使缸内湍动能增大，燃油雾化效果及油气混合均匀性得到极大改善；其次，提前喷油可以使缸内最高燃烧温度及平均燃烧温度上升，温度场中高温范围的扩大提高了对碳烟微粒的氧化效率；再者，推迟喷油使燃烧重心滞后，燃油燃烧产生碳烟的时刻相对延迟，极大缩短了碳烟在有效温度、压力、氧含量等条件下的氧化时间，增加了微粒的生成数量；最后，通过同一曲轴转角下的缸内氧浓度场及当量比浓度场可知，提前喷油可较早地利用氧气，在利于对微粒氧化的环境氛围下提高了氧气对微粒的氧化效率。

2.1.2 轨压

图4和图5分别为喷油压力对不同粒径微粒数量及质量浓度的影响。由图4和图5可知，微粒数量恶化较为严重的粒径区间依然集中在＜10 nm、10~15 nm和15~23 nm这3个区间内，粒径在23~50 nm和50~100 nm中尺寸较大的颗粒物在数量上随着瞬变加载过程的变化相对较小，在质量浓度方面发生了显著恶化现象。

从图4可以看出：当喷油压力较低时，粒径为10~15 nm的微粒恶化最为严重，其峰值数量高达9×10⁹ n/cm³，其次为粒径＜10 nm和粒径为15~23 nm的微粒，随着喷射压力的增大，各粒径区间的微粒数量浓度均发生显著下降，且以粒径＜10 nm的微粒为主要恶化粒径区间，当轨压为原机+20 MPa时，微粒数量浓度间的差别变化较小且达到最小值。从图5可以看出：轨压对大尺寸微粒的质量浓度影响极大，随着喷射压力的增大，粒径为50~100 nm的微粒质量浓度恶化峰值从0.35 μg/cm³降到0.06 μg/cm³，降低了近6倍。由此可见，合理控制喷油压力可很大程度地改善各粒径区间微粒的数量及质量浓度，降低微粒的恶化畸变系数。

分析其原因为：首先，增大喷油压力可以使缸内湍动能增大，燃油雾化效果及油气混合均匀性得到极大改善；其次，喷油压力的增大可以使缸内平均燃烧温度上升及缸内最大燃烧温度的相位发生改变，且温度场中高温范围的扩大提高了对碳烟微粒的氧化效率；再者，提高喷油压力使燃油液滴破碎得更为细小，与空气混合及燃烧更为充分，降低了微粒的生成；最后，对比同一曲轴转角下的缸内氧浓度场可知，较大的喷油压力利用氧气也更多，在利于对微粒氧化的环境氛围下提高了氧气对微粒的氧化效率，进而减少了微粒的生成^［8］。

2.1.3 后喷比例和主后喷间隔

图6为后喷对微粒总数量浓度的影响，由图可知，适当的后喷比例及后喷间隔可改善瞬态加载过程中微粒数量的恶化情况。由图6（a）可知，当后喷比例较大（20%）或较小（5%）时，相较于原机其微粒总数在瞬态加载过程中恶化得更为严重，数量峰值均大于原机的微粒数量峰值。而后喷比例为10%和15%时，在瞬态加载过程中微粒总数恶化情况有较明显改善，其微粒恶化峰值分别为5.35×10⁹和4.84×10⁹ n/cm³，相比于原机的6.74×10⁹ n/cm³，分别降低了20.62%和28.19%。由图6（b）可知：当主后喷间隔较大为20 ℃A时，微粒总数相较于原机同样发生了显著恶化，而当主后喷间隔为10 ℃A和15 ℃A时微粒数量恶化得到改善，其数量峰值分别降低了9.64%和14.54%。由此可见，合适的后喷比例及主后喷间隔参数可对瞬态加载过程中的微粒排放进行改善。

分析其原因为：首先，后喷参数不同使得缸内放热及温度变化的相位不同，而恰当的后喷比例及主后喷间隔会使缸内平均燃烧温度处于相对较高的温度，有利于微粒的氧化；其次，后喷的引入会增大燃烧中后段的缸内平均湍动能，加强了空气对燃油的卷吸作用，使得喷油末期的油气混合效果得到极大改善，混合气燃烧得更充分，极大减少了微粒排放；再者，合适的后喷比例和后喷间隔使得缸内温度场、氧浓度场以及速度场均处于相对较高的水平，缩小了利于微粒生成的边界范围，增强了对微粒的氧化^［9］。

2.2 喷射参数田口试验的协同优化

从2.1节可知，各喷油参数均可对瞬变工况下微粒排放恶化这一情况有不同程度的影响和改善。通过单因素研究方法适当地将主喷正时提前、增大轨压以及引入合理的后喷比例和后喷间隔等措施均会改善瞬态加载过程的燃烧及微粒排放。另外，如果要确定达到发动机某一性能时的最优控制参数组合，则需大量且重复性的试验工作。同时，为满足后续开发需求，每个控制参数对发动机特定性能指标的敏感度也有待确定。因此，本节采用田口设计的方法解决以上问题。

田口方法常用信噪比和正交表提高产品的质量和效率。其中，信噪比S/N（单位为dB）可以衡量噪声因素对性能的影响，从而寻求微粒数量及质量排放的最优喷射参数组合，并可表征输出特征的稳定性。本文中，为了获得最低的颗粒物数量及质量排放，希望S/N的比值越小越好，即望小特性。信噪比计算公式如下：

\frac{S}{N} = - \mathrm{10} \mathrm{l} \mathrm{o} \mathrm{g} \frac{\mathrm{1}}{n} {\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n} y_i^{\mathrm{2}} （2）

式中：y_i 为样本的实际值，是微粒数量或质量浓度的畸变系数值；n为样本总数。

本文选取4个控制参数，分别是喷油正时、喷油压力、主后喷间隔、后喷比例，将其设置为试验的4个因素，每个因素取5个水平，如表3所示。

表3中各参数水平的选择是在综合考虑前文中通过单因素研究某一特定参数对瞬态过程微粒排放影响之后确定的。其中，喷油时刻的基准是压缩上止点。对表3中各参数进行正交试验，试验在5 s的瞬态加载过渡工况下进行。

试验完成后，根据试验结果分别对微粒总数量（Particle number,PN）、核态微粒数量、积聚态微粒数量以及核态微粒质量（Particle mass，PM）、积聚态微粒质量进行微粒排放畸变系数 \mu的对比。采用望小特性，在统计学软件Minitab中录入相关畸变系数数据，即可进行相关分析。本文分析对象选择信噪比的响应曲线。畸变系数计算公式为：

\mu = \frac{n_{\mathrm{t}}-n_{\mathrm{s}}}{n_{\mathrm{t}}} （3）

式中：μ为某排放参数畸变系数； n_{\mathrm{t}}为某排放参数恒转增扭瞬变工况下的排放最大值； n_{\mathrm{s}}为某排放参数在试验转速下全负荷稳态工况中的最大值。

2.2.1 信噪比分析

图7和图8为微粒数量及质量信噪比S/N的响应曲线。信噪比值越高，表示其特定性能特征为最优水平，在图中用三角形着重表示出来。

首先就微粒数量PN而言，不同粒径尺寸的微粒数量及微粒总数量浓度的最优控制参数组合不尽相同，就数量浓度而言，在各影响因素下核态微粒的信噪比响应曲线与总微粒数量的信噪比响应曲线趋势近似，而积聚态的信噪比响应曲线与其截然相反。从图7和图8可以看出，核态微粒数量浓度最优的参数控制组合是喷油正时在原机map的基础上滞后4 ℃A（A₅）、轨压为原机-20 MPa（B₁）、主后喷间隔为1000 μs（C₁）和后喷比例为20%（D₅）；而积聚态微粒数量浓度最优参数控制组合为喷油正时滞后2 ℃A（A₄）、轨压为原机+20 MPa（B₅）、主后喷间隔为2500 μs（C₅）和后喷比例为5%（D₁），此组合与核态数量最优参数组合几乎完全对立；对于微粒总数量浓度的最优控制参数组合为：喷油正时在原机map的基础上滞后4 ℃A（A₅）、轨压为原机-20 MPa（B₁）、主后喷间隔为1500 μs（C）和后喷比例为15%（D₄）。

针对微粒质量浓度，核态和积聚态微粒的质量浓度最优参数控制组合有所不同，且与其相应的数量浓度也存在差别。核态微粒质量浓度最优的参数控制组合是：喷油正时为原机喷油map（A₃）、轨压为原机-10 MPa（B₂）、主后喷间隔为1500 μs（C₂）和后喷比例为15%（D₄）；而积聚态微粒质量浓度最优参数控制组合为喷油正时在原机map的基础上提前6 ℃A（A₁）、轨压为原机+20 MPa（B₅）、主后喷间隔为2500 μs（C₅）和后喷比例为20%（D₅）。

通过对比可以发现，核态微粒数量与微粒总数量整体信噪比趋势及最优组合近似，相比于原机map，均采用较晚的喷油正时+较小的喷油压力+较短的主后喷间隔+较大的后喷比例，再次说明在瞬态加载过程中，微粒恶化最为严重的是核态颗粒物且数量浓度中占比居多；而积聚态微粒的信噪比随控制参数的变化及最优组合与核态颗粒物恰恰相反，这表明控制参数对核态和积聚态微粒的影响存在Trade-off关系。对于瞬态微粒质量浓度的最优控制组合，积聚态颗粒物质量浓度的优化需要较早的喷油正时+较大的喷油压力+较长的主后喷间隔+较大的后喷比例，以进一步加强对油束的雾化效果及油气混合后的燃烧作用，相比之下核态颗粒物的质量浓度则处于适中的参数调控范围内。

2.2.2 变异数权重分析

借助信噪比分析可以得到特定最优输出特征的最优水平组合，但无法明确各参数的影响权重。变异数分析可解决上述问题。变异数分析的对象可以是响应的平均值，也可以是信噪比。由于信噪比中同时包含了特征响应的平均值和变异信息，所以本文选取信噪比进行相关变异数分析。进行变异数响应分析时用到的相关计算公式如下：

\mathrm{因素} \mathrm{的影} \mathrm{响权} \mathrm{重} = \frac{\mathrm{S}{\mathrm{S}}_{\mathrm{f}}}{\mathrm{S}{\mathrm{S}}_{\mathrm{T}}} \times \mathrm{100} \mathrm{\%} （4）

式中： \mathrm{S} {\mathrm{S}}_{\mathrm{f}}为第i个参数的响应平方和； \mathrm{S} {\mathrm{S}}_{\mathrm{T}}为所有参数的总的响应平方和。

图9为各控制参数的权重图。无论对于微粒数量还是质量浓度，影响权重较大的为喷油正时A和主后喷间隔C，均为喷油时刻的影响，而喷油压力和后喷比例对微粒影响权重相对较小。从微粒数量浓度占比分析中可知，影响权重从大到小依次为：喷油正时、主后喷间隔、喷油压力、后喷比例，因此喷油正时的优化对微粒数量浓度的改善尤为重要。从微粒质量浓度占比分析可知，影响权重从大到小依次为：主后喷间隔、喷油正时、喷油压力、后喷比例，所以后喷的喷油时刻对微粒质量影响极大。

3 结论

（1）在转速为1600 r/min、5 s内将负荷从5%加载到95%的瞬变加载过程中，小尺寸颗粒在数量浓度上恶化较为明显，且恶化程度依次降低，而尺寸较大的颗粒物（粒径为23~50 nm和50~100 nm）在质量浓度方面发生显著恶化现象。

（2）瞬态加载过程中，适当地将主喷提前、增大轨压以及引入后喷可降低微粒的数量和质量浓度。

（3）控制参数对核态和积聚态微粒数量及质量浓度的影响存在Trade-off关系。

（4）瞬态加载过程中，影响权重较大的为喷油时刻的影响，即喷油正时A因素和主后喷间隔C因素。喷油正时对微粒数量浓度影响最大，主后喷间隔对微粒质量浓度影响最大。

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基金资助

吉林省教育厅科学研究项目(JJKH20221002KJ)

吉林大学汽车底盘集成与仿生全国重点实验室自由探索项目(sacl-zytsxm-202014)