壓電噴油器多次噴射對GDI汽油機顆粒物排放的影響

衛(wèi)海橋，裴自剛，馮登全，潘家營，潘明章

(天津大學 內燃機燃燒學國家重點實驗室, 天津 300072)

0 引 言

近年來，缸內直噴(GDI)技術因其良好的性能得到越來越多的應用。GDI汽油機能夠更加精確地控制混合氣當量比，瞬態(tài)響應快[1]，同時能夠提高充氣效率和燃油經濟性，降低CO2的排放[2]，但是也帶來了中小負荷下未燃HC增多，顆粒物排放增加的問題[3]。

發(fā)動機排氣超細微粒按粒徑主要分為核態(tài)和積聚態(tài)[4]，核態(tài)(5 nm

針對噴油策略對顆粒物排放的影響，國內外都進行了相關研究。Sabathil等[8]對單次噴油策略下噴油時刻進行了研究，發(fā)現噴油太早容易造成燃油碰撞活塞，噴油太晚又會導致油氣混合時間縮短。Whitaker等[9]使用電磁噴油器試驗發(fā)現縮短壓縮沖程的噴油脈寬能夠顯著降低燃油碰撞活塞的可能性。Bonandrini等[10]通過三維CFD軟件仿真計算，研究了多次噴射下缸內混合氣形成及濕壁情況，發(fā)現多次噴射能夠顯著減少燃油的濕壁量，改善缸內的混合氣分布，減小了局部過濃的區(qū)域，減少了碳煙的形成。國內上海交通大學黃偉等[11]在增壓直噴汽油機上采用兩次噴射策略對爆震工況進行了研究，發(fā)現合適的兩次噴射策略能夠抑制爆震，降低碳煙排放。但是，目前大部分針對噴油策略減少GDI顆粒物的研究仍然是基于兩次噴射的研究，由于電磁噴油器存在的響應特性等原因，對于更多噴油次數的試驗研究較少，多次噴射在GDI汽油機顆粒物排放方面的潛力沒有得到進一步挖掘。

上述研究基本使用電磁噴油器，很少有涉及霧化性能良好的壓電晶體噴油器的研究，特別是基于壓電晶體噴油器多次噴射對顆粒物排放特性的影響研究。相對于電磁噴油器，壓電晶體外開式噴油器響應時間在0.1 ms左右，噴霧形態(tài)穩(wěn)定性高、重復性好[12]，而且具有較低的貫穿距、較大的噴霧錐角和更小的索特平均直徑[13]，霧化質量明顯提高，并且噴霧錐角受背壓影響較小，噴霧形成的環(huán)狀渦流也使其能在火花塞附近穩(wěn)定形成小粒徑、低渦流的可燃混合氣[14]，因此壓電晶體噴油器在改善GDI汽油機顆粒物方面的作用有待挖掘。因此，本文基于壓電晶體外開式噴油器，在中等負荷工況下，在單缸汽油機上進行了單次噴油、兩次噴油以及三次噴油的試驗，深入探索了基于壓電晶體噴油器的多次噴油策略對GDI汽油機顆粒物排放的影響。

1 試驗平臺及試驗方案

1.1 發(fā)動機試驗平臺

試驗用發(fā)動機為缸內直噴、水冷、單缸四沖程SI發(fā)動機，由Richardo E6改裝而成。噴油器采用西門子壓電晶體噴油器，噴油器側置安裝在進氣門側，噴油次數、噴油脈寬以及噴油壓力等可由直噴控制電路調節(jié)。發(fā)動機電子控制單元為MoTeC M400，可快速、精確調節(jié)發(fā)動機點火時刻、噴油時刻，分辨率為0.5 ℃A。發(fā)動機試驗臺架如圖1所示。發(fā)動機主要技術參數如下：缸徑為80 mm；活塞行程為100 mm；排量為0.5 L；壓縮比為10；供油方式為缸內直噴；采用壓電晶體外開式噴油器；配氣機構為雙頂置凸輪軸，2氣門。

與發(fā)動機相連的是一臺DZDC-20直流電力測功機，轉速控制誤差為±1 r/min。為控制缸內混合氣達到目標空燃比，采用美國ECM公司LCAN-N6空燃比分析儀，寬裕氧傳感器分辨率為0.001，相對誤差和響應時間分別為±0.8%和0.15 s。發(fā)動機缸內動態(tài)壓力由平齊安裝在燃燒室頂部的Kistler 6041A水冷式缸壓傳感器進行測量，并經電荷放大器和數據采集卡將缸壓數據保存于計算機存儲器中。

圖1 試驗臺架示意圖Fig.1 Schematic view of experimental setup

顆粒物粒徑和數量分析儀器采用的是TSI 3090發(fā)動機排氣粒徑譜儀(Engine exhaust particle sizer, EEPS)，其工作原理是利用帶電粒子在電場中的電遷移性運動，從而來篩選得到不同粒徑(5.6～560 nm)的粒子。其采樣流量為10 L/min，共有32個粒徑分級，能夠以10 Hz的時間分辨率實時監(jiān)測瞬態(tài)發(fā)動機測試循環(huán)的粒子排放。稀釋系統(tǒng)采用旋轉盤式熱稀釋器TSI 379020，總稀釋比例為150。

1.2 試驗方案

為了有效反映直噴發(fā)動機中等負荷下顆粒物排放情況，試驗選取在轉速為1500 r/min，中等負荷下開展，發(fā)動機BMEP為6.7×105Pa。試驗開始時先將冷卻水加熱到(75±1)℃，開車暖機20 min，試驗過程中每組試驗均在發(fā)動機工況穩(wěn)定后測量，保持水溫、油溫不變，噴油壓力均為10 MPa，不同噴油策略下點火時刻均為上止點前20 ℃A。試驗開始后通過MoTec M400設定點火時刻，并調整噴油時刻，通過上位機軟件調整噴油次數及噴油脈寬使混合氣當量比維持在1。為了明確不同噴油比例時多次噴射對顆粒物排放的影響，試驗中針對不同噴油策略設置了不同的比例，多次噴射策略中噴油總量一定，兩次噴油和三次噴油油量按照一定比例進行設置，具體參數設置如表1所示。

試驗中保持發(fā)動機除噴油量(比例)外其他控制參數不變，為了排除多次噴射中次要因素對試驗結果造成的干擾以及便于試驗結果的比較，在本次試驗中設置三種噴油策略下第一次噴油時刻相同，三次噴射和兩次噴射時第二次噴油時刻相同[15]。同時為了探究多次噴射在改善顆粒物排放方面的潛力，3種噴油策略下相同的噴油時刻均選擇該模式下顆粒物排放最好的時刻，其中單次噴射中噴油時刻從130～340 °CA BTDC進行掃描試驗，步長為30 °CA，確定顆粒物排放較好的時刻SOI1=250 °CA BTDC，然后兩次噴射試驗中第二次噴油時刻從50～210 °CA BTDC間隔20 °CA步長進行掃描試驗，確定SOI2=190 °CA BTDC；在三次噴射試驗中，第三次噴射時刻在50～150 °CA BTDC間隔20 °CA步長進行掃描試驗。

2 試驗結果及討論

2.1 單次噴射試驗顆粒物排放分析

圖2、圖3分別為單次噴油試驗中發(fā)動機顆粒物粒徑分布及總粒子數濃度隨噴油時刻SOI1的變化情況。由圖2可知，發(fā)動機顆粒物粒徑分布呈核態(tài)和積聚態(tài)顆粒物三峰分布的趨勢，峰值粒徑分別為10、40～50以及70～90 nm。隨著噴油時刻從340 °CA BTDC推遲到310 °CA BTDC時，核態(tài)顆粒物峰值逐漸降低。原因是隨著活塞下行，燃油撞擊活塞的燃油量減少，后續(xù)燃燒過程中產生的未燃HC減少。繼續(xù)推遲到220 °CA BTDC，核態(tài)顆粒物峰值逐漸增大，原因是撞擊氣缸壁面的燃油逐漸增加，燃油得不到充分蒸發(fā)。而繼續(xù)推遲到220～130°CA BTDC時，撞擊活塞和氣缸壁面的燃油量變化不大，因而核態(tài)顆粒物變化不大。而對于積聚態(tài)顆粒物，當噴油時刻從340 °CA BTDC推遲到250 °CA BTDC時，積聚態(tài)顆粒物峰值逐漸降低，且峰值粒徑減小，繼續(xù)推遲到130 °CA BTDC時，積聚態(tài)峰值反而有所升高，這可能是因為進氣沖程早期噴油時，燃油撞擊活塞；隨著噴油時刻的推遲，撞擊活塞的燃油逐漸減少，吸附成核的HC和碳粒子減少，所以積聚態(tài)顆粒物減少，而噴油時刻繼續(xù)推遲到250～130 °CA BTDC時，由于油氣混合時間縮短，局部濃區(qū)增加，碳煙生成量增大，所以積聚態(tài)顆粒物增加。由圖3可知，在單次噴油試驗中，發(fā)動機顆粒物總粒子數濃度隨噴油時刻的提前先減小后增大，當噴油時刻達到250 °CA BTDC，顆粒物總粒子數濃度最小，達到了9.41×105個/cm3。

2.2 兩次噴射試驗顆粒物排放分析

圖4為兩次噴油中噴油比例為1∶1時顆粒物粒徑分布情況。由圖可知，兩次噴射的顆粒物粒徑分布曲線呈三峰分布，核態(tài)顆粒物的兩個峰值粒徑在10 nm左右和25 nm左右，積聚態(tài)顆粒物的峰值粒徑在75 nm左右，總體上兩次噴射的顆粒物濃度峰值無論是核態(tài)還是積聚態(tài)都比單次噴射時少，只有在第二次噴油時刻推遲到壓縮沖程后半段時(SOI2晚于90 °CA BTDC)，積聚態(tài)顆粒物數量急劇增加，使顆粒物總粒子數濃度急劇增加，這是因為使用兩次噴油策略時，燃油貫穿距明顯減小，從而碰撞活塞和氣缸壁面的燃油顯著減少，使燃燒更完全。當SOI2介于90～210°CA BTDC時，隨著第二次噴油時刻的推遲，核態(tài)顆粒物數量逐漸減少；而SOI2介于170～210°CA BTDC時，積聚態(tài)顆粒物數量變化不大，繼續(xù)推遲到110°CA BTDC時，積聚態(tài)顆粒物逐漸增加。主要原因可能是隨著噴油的推遲，噴油時刻越靠近點火時刻，而壓電晶體噴油器的噴霧有穩(wěn)定的噴霧形態(tài)和良好的霧化性能，在火花塞附近形成了濃度適宜的可燃混合氣，提高了點火的穩(wěn)定性，促進了火焰的傳播，減少了核態(tài)顆粒物的產生；而當第二次噴油時刻位于壓縮沖程時，油氣混合時間有限，導致局部濃區(qū)增大，生成的碳煙增加，從而使得積聚態(tài)顆粒物的數目增加。

圖5為兩次噴油試驗中兩個噴油比例下顆粒物總粒子數濃度隨第二次噴油時刻SOI2的變化情況。由圖5可以看出，兩次噴油中兩個噴油比例下顆粒物總粒子數濃度隨第二次噴油時刻的提前大幅降低，而在SOI2提前到100～210 °CA BTDC時，顆粒物總粒子數濃度降低趨勢逐漸趨于平緩。相比于單次噴射，當SOI2介于90～210 °CA BTDC時，兩次噴射的顆粒物總粒子數濃度明顯減小，達到5.85×105個/cm3，而SOI2在壓縮沖程后半段時，由于混合時間的縮短，顆粒物總粒子數濃度逐漸增加，而且當第二次噴油時刻過晚時，適當增加第一次噴油比例有助于降低混合氣的不均勻性，減少顆粒物排放，從而說明合理的兩次噴射策略能夠顯著減少顆粒物排放。兩次噴射相比單次噴射，噴霧貫穿距減小，降低了燃油碰撞活塞和壁面的幾率，減少了未燃HC的生成量。

圖5 不同噴油時刻SOI2下兩次噴射顆粒物總粒子數濃度Fig.5 Total concentration of particle under differentSOI2 with double injection

2.3 三次噴射試驗顆粒物排放分析

由上述討論可知，兩次噴射在降低噴霧貫穿距，減少燃油碰壁幾率，減少顆粒物排放方面有重要作用，為了進一步探究三次噴射在改善顆粒物排放方面的潛力，在兩次噴射噴油比例為1∶1的基礎上，固定SOI1為250 °CA BTDC，SOI2為190 °CA BTDC，將第二次噴油再分為兩次完成，由于壓縮沖程噴油越晚，顆粒物排放越高，所以適當減少第三次噴油量，三次噴射比例分別設置為5∶6∶1，6∶5∶1，7∶4∶1。

圖6為三次噴油中噴油比例為7∶4∶1時顆粒物粒徑分布情況。由圖6可知，相比于單次噴射和兩次噴射，三次噴射時積聚態(tài)顆粒物數量急劇減少，而核態(tài)顆粒物數量相比于兩次噴射有所增加，核態(tài)顆粒物數量的兩個峰值粒徑分別在12 nm左右和29 nm左右，說明三次噴射在降低積聚態(tài)顆粒物排放方面潛力巨大。原因是三次噴射比例為7∶4∶1時，在兩次噴射的基礎上，增加第一次噴油量延長了油氣混合時間，局部過濃區(qū)顯著減小，生成的碳煙減少，從而使得積聚態(tài)顆粒物明顯減少，但是第一次噴射燃油撞擊活塞和汽缸壁面的油量增加，未燃HC生成量增加，所以相比于兩次噴射核態(tài)顆粒物增加。當SOI3介于90～150 °CA BTDC時，隨著第三次噴油時刻的推遲，積聚態(tài)顆粒物和核態(tài)顆粒物數量都有所減少，而當繼續(xù)推遲第三次噴油到壓縮沖程后半段(SOI3晚于90 °CA BTDC)時，小粒徑(D2p<10 nm)的核態(tài)顆粒物有所增加，粒徑大于10 nm的核態(tài)和積聚態(tài)顆粒物數量變化不大。

圖6 不同噴油時刻SOI3下三次噴射顆粒物粒徑分布Fig.6 Particle size distribution under different SOI3with triple injection

圖7為三次噴射在三個噴油比例下顆粒物總粒子數濃度隨第三次噴油時刻SOI3的變化情況。由圖7可知，三次噴射下不同噴油比例時顆粒物總粒子數濃度隨著第三次噴油時刻的推遲先減小后增加，第三次噴油時刻處于壓縮沖程前半段時，即SOI3介于110～150°CA BTDC時，比例為5∶6∶1的三次噴射顆粒物排放相對較少，在SOI3=130 °CA BTDC時達到了5.17×105個/cm3，減少第一次噴油量、增加第二次噴油量有助于減少顆粒物排放，說明此時進氣沖程第一次噴油時燃油撞擊活塞和壁面仍然是顆粒物產生的主要原因，通過減少第一次噴油量縮短燃油貫穿距，減少碰壁幾率；而當第三次噴油時刻處于壓縮沖程后半段時，即SOI3晚于110 °CA BTDC時，噴油比例為7∶4∶1時顆粒物排放較少，在SOI3=90 °CA BTDC時達到了4.84×105個/cm3，增加第一次噴油量、減少第二次噴油量有助于減少顆粒物排放，說明此時油氣混合的不均勻性是產生顆粒物排放的主要原因，通過增加第一次噴油量來延長大部分燃油與空氣的混合時間，因此合理的三次噴油比例及噴油時刻能夠進一步減少顆粒物排放。

結合圖7可知，當在壓縮沖程的不同階段第三次噴油時表現出不同粒徑分布特性的原因是，在壓縮沖程前半段噴油時，燃油撞擊活塞和壁面是顆粒物增加的原因，隨著第三次噴入小油量的燃油，可以提高點火的穩(wěn)定性，促進火焰?zhèn)鞑?，有助于減少顆粒物排放；在壓縮沖程后半段噴油時，油氣混合的不均勻性是顆粒物增加的原因，第三次噴油進一步加劇了油氣混合的不均勻性，核態(tài)顆粒物不易通過表面吸附及其他反應實現表面增長，所以小粒徑核態(tài)顆粒物有所增加。

圖7 不同噴油時刻SOI3下三次噴射顆粒物總粒子數濃度Fig.7 Total concentration of particle under different SOI3with triple injection

2.4 三種噴油策略對比

為進一步明確多次噴射在降低顆粒物排放方面的潛力，將三種噴油策略下顆粒物排放最好的工況進行對比，三次噴射下選取的工況為噴油比例7∶4∶1，SOI1=250 °CA BTDC，SOI2=190 °CA BTDC，SOI3=90 °CA BTDC；兩次噴射下選取的工況為噴油比例1∶1，SOI1=250 °CA BTDC，SOI2= 190°CA BTDC，單次噴射下選取的工況為SOI1=250 °CA BTDC。圖8、圖9是三種策略下顆粒物顆粒物粒徑分布對比和總粒子數濃度對比。

圖8 三種噴油策略下顆粒物粒徑分布對比Fig.8 Comparison of particle size distribution with threedifferent spray strategies

由圖8可知，單次噴射時顆粒物粒徑分布近似呈三峰分布，積聚態(tài)顆粒物有兩個峰值；兩次噴射和三次噴射時顆粒物粒徑分布近似呈三峰分布，核態(tài)顆粒物有兩個峰值。相比于單次噴射，兩次噴射和三次噴射時核態(tài)顆粒物和積聚態(tài)顆粒物數量均減少，但是兩次噴射時核態(tài)顆粒物數量減少幅度較大，而三次噴射時積聚態(tài)顆粒物數量減少幅度較大。

結合仿真計算可知[10,16]，合理組織多次噴油策略能夠顯著減少燃油碰壁現象，提高混合氣的均勻程度。單次噴射時燃油撞擊缸套和活塞頂面幾率較大，燃油得不到充分蒸發(fā)，而且壁面淬熄效應也促進了HC的增加，高溫缺氧的環(huán)境也促進了燃油裂解，形成碳煙粒子的氣相前驅物增加，從而單次噴射時核態(tài)顆粒物和積聚態(tài)顆粒物均較多。而兩次噴射比例為1∶1時，明顯降低了噴霧貫穿距，減少了燃油碰壁幾率，吸附成核的HC和碳粒子減少，核態(tài)顆粒物減少，而且兩次噴射均在進氣沖程完成，局部濃區(qū)較小，形成的碳煙粒子減少，導致吸附成核的顆粒物減少，積聚態(tài)顆粒物相對單次噴射降低。而三次噴射比例為7∶4∶1時，相對于兩次噴射增加了第一次噴油量，導致燃油碰壁增加，未燃HC增加，導致吸附成核的核態(tài)顆粒物增加，而第二次噴油量減少，油氣混合時間增加，使燃油混合更均勻，局部濃區(qū)顯著減小，生成的碳煙減少，從而不容易形成粒徑更大的顆粒物，從而積聚態(tài)顆粒物顯著降低，第三次噴射少量燃油又提高了點火的穩(wěn)定性，促進了火焰的傳播。

圖9 三種噴油策略下顆粒物排放總數對比Fig.9 Comparison of total concentration of particlewith three different spray strategies

由圖9可知，多次噴射在降低顆粒物排放方面有很大的潛力，多次噴射時顆粒物排放總數明顯降低，其中兩次噴射顆粒物排放總數相對于單次噴射降低了37.8%，三次噴射相對于單次噴射降低了48.6%。

圖10為三種不同噴油策略下的NOx排放情況。由圖可10知，當使用多次噴射時，NOx排放是逐漸降低的，原因是多次噴射時提高了缸內混合氣的均勻程度，減少了NOx的產生，從而說明多次噴射不僅能夠降低顆粒物排放，而且對抑制NOx的排放也有較好的效果。使用多次噴射在抑制顆粒物排放的同時還要兼顧燃燒性能。圖11是三種噴油策略下的指示熱效率。由圖11可知，兩次噴油時指示熱效率較高，提高了燃燒性能，而三次噴射時又稍有降低。

圖10 三種噴油策略下NOx排放Fig.10 NOx emission of three different spray strategies

圖11 三種噴油策略下發(fā)動機指示熱效率Fig.11 Thermal efficiency of three differentspray strategies

3 結 論

(1)單次噴油策略下，發(fā)動機顆粒物粒徑分布呈核態(tài)和積聚態(tài)顆粒物三峰分布的形態(tài)，其中積聚態(tài)顆粒物有兩個峰值；且存在最佳噴油時刻使得顆粒物排放最低，噴油過早或過晚都不利于減少顆粒物排放。

(2)兩次噴油策略下，合適的噴油策略能夠顯著降低顆粒物排放。第二次噴油時刻越靠近上止點，顆粒物總數越多；且第二次噴射時刻靠近壓縮上止點時，適當增加第一次噴油所占的比例，有助于降低顆粒物排放。此外與單次噴油策略不同，兩次噴油策略下的顆粒物粒徑分布呈三峰形態(tài)，核態(tài)顆粒物的兩個峰值粒徑為10 nm左右和25 nm左右，積聚態(tài)顆粒物峰值粒徑為75 nm左右。

(3)三次噴油策略下，顆粒物排放總數比兩次噴油稍有減少，且隨著第三次噴油時刻的推遲，顆粒物排放總數先減小后增加；核態(tài)顆粒物粒徑分布兩個峰值粒徑為12 nm左右和29 nm左右，且峰值數量相比兩次噴油略有增加。

(4)多次噴射能夠顯著降低顆粒物總數排放，相比單次噴射，合理的兩次和三次噴射策略能夠分別減少顆粒物總數排放約37.8%和48.6%；兩次和三次噴射時核態(tài)和積聚態(tài)顆粒物總體上都低于單次噴射，并且兩次噴射在減少核態(tài)顆粒物方面作用更顯著，而三次噴射在減少積聚態(tài)顆粒物方面作用更顯著。

(5)多次噴射能減少NOx的排放，而且兩次噴射時指示熱效率提高，但是三次噴射時指示熱效率又有所降低。

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