點火提前角對直噴汽油機微粒排放特性的影響

魏傳芳，董 偉，于秀敏，孫萬臣，孫 平，何 玲

（吉林大學汽車工程學院汽車仿真與控制國家重點實驗室，吉林 長春 130025）

近幾年來，中國大部分地區(qū)多次出現(xiàn)大范圍的霧霾天氣，其中京津冀最為嚴重。根據(jù)北京市環(huán)保局的估算，燃煤和機動車污染是北京霧霾天氣的罪魁禍首，其中機動車因素占22.2%，燃煤因素占16.7%［1］。因此有必要采取措施降低機動車微粒排放。

GDI燃燒模式與傳統(tǒng)進氣道噴射燃燒不同，研究結果表明：GDI燃燒模式下，微粒數(shù)量介于傳統(tǒng)進氣道噴射汽油機與柴油機之間［2］，并且粒徑在30nm～1μm 之間［3］，對人體的危害極大［4－5］，因此對GDI發(fā)動機的微粒排放進行研究尤為迫切。歐Ⅴ排放法規(guī)已經(jīng)將直噴汽油機微粒排放納入法規(guī)測試要求。直噴汽油機分均質和分層兩種燃燒模式，考慮到排放后處理技術，目前國內大部分直噴汽油機都采用均質燃燒模式。因此，本研究在直噴汽油機均質燃燒模式下，詳細研究了點火提前角對缸內燃燒和微粒粒徑分布的影響規(guī)律，為進一步研究和降低直噴汽油機微粒排放奠定了基礎。

1 試驗設備與方法

1.1 試驗設備

本研究采用排量1.8L的增壓直噴汽油機，發(fā)動機具體技術參數(shù)見表1。

試驗使用了自主開發(fā)的ECU［6］，選用的是Freescale MC9S12XDP512單片機，控制程序利用CodeWarrior IDE軟件編寫，能夠實現(xiàn)對點火正時、噴油正時、噴油脈寬以及節(jié)氣門開度的精確實時控制。

利用測功機控制柜及數(shù)據(jù)采集模塊同時記錄發(fā)動機的轉速、扭矩、功率、進排氣壓力、進排氣溫度、進氣流量、冷卻水溫、機油壓力和機油溫度等實時數(shù)據(jù)。利用DF－2420油耗儀記錄燃油消耗量。利用AVL GU13Z－24缸壓傳感器、KISTLER 2614B1角標儀、DS－9100燃燒分析儀以及上位計算機，對缸內燃燒狀態(tài)進行測量分析。排放測量采用HORIBA MEXA－7100DEGR尾氣分析儀。

表1 試驗發(fā)動機主要技術參數(shù)

試驗所用粒徑測量儀器是EEPSTM（3090）發(fā)動機排氣粒徑譜儀，粒徑測量范圍為5.6～560nm，采樣頻率為10Hz，濃度測量范圍在103～107之間［7］。試驗中為了避免排氣中高溫高濃度尾氣進入EEPSTM粒譜儀導致超出量程范圍并損壞儀器，在微粒測量過程中需要事先利用排氣稀釋系統(tǒng)將尾氣進行稀釋并冷卻，將稀釋后的氣體通入EEPSTM粒譜儀。試驗使用二級稀釋系統(tǒng)［8］，能夠精確控制1～400倍的稀釋比。利用HORIBA尾氣分析儀對稀釋后CO2和沒經(jīng)稀釋的排氣管中CO2進行測量，計算出稀釋比的大?。?］。圖1示出發(fā)動機試驗臺架 及測控系統(tǒng)示意圖。

1.2 試驗方法

根據(jù)我國排放法規(guī)［10］要求的測試循環(huán)以及車輛各擋速比和行駛阻力（空氣阻力、摩擦阻力）等，可以計算并統(tǒng)計發(fā)動機各工況的工作時間。結果表明，在1180s的1個循環(huán)內，汽車的車速在0～120km／h之間，除怠速外，發(fā)動機轉速在1964～2805r／min的范圍內，其中發(fā)動機轉速在1964～2194r／min范圍內時間最長，持續(xù)了253s，因此確定發(fā)動機轉速2000r／min作為試驗工況。在此工況下的噴油時刻為壓縮上止點前320°，節(jié)氣門開度為15%，空燃比為14.7，稀釋比為200，點火時刻依次為壓縮上止點前1°，6°，11°，17°和23°，測量和分析不同點火提前角對直噴汽油機燃燒及微粒排放特性的影響。

2 試驗結果與分析

2.1 缸內燃燒分析

圖2至圖4分別示出不同點火正時對缸內壓力、放熱率和缸內溫度的影響規(guī)律。由圖可見，隨著點火正時的推遲，缸內最高壓力與放熱率的峰值都降低，并且隨點火正時的提前，缸內最高壓力和峰值放熱率對應的相位提前。這說明，隨著點火正時的推遲，缸內溫度下降且最高溫度峰值相位后移，但燃燒后期的溫度卻逐漸增加。分析原因：1）隨著點火定時的推遲，缸內混合氣在膨脹沖程中燃燒的比例增加，由于大部分混合氣在膨脹沖程中燃燒，活塞的下行增加了火焰的傳播距離，不利于火焰的快速傳播，從而導致缸內放熱速度變慢；壓縮上止點后燃燒氣體所做膨脹功逐漸減?。?1］，所以缸內峰值壓力也逐漸降低；2）由于點火推遲，燃燒放熱就會推遲，所以最后的排氣溫度隨點火的推遲而升高。

2.2 微粒排放粒徑分布規(guī)律分析

圖5示出直噴汽油機不同點火提前角下不同粒徑微粒數(shù)量濃度分布。試驗結果表明，在點火提前角從壓縮上止點前1°變?yōu)閴嚎s上止點前23°的過程中，排氣微粒數(shù)量濃度分布曲線形狀特征沒有明顯變化，都是呈現(xiàn)核模態(tài)和初始微粒的雙峰分布，同時各點火提前角下核模態(tài)峰值粒徑基本相同，初始顆粒峰值粒徑基本相同，只是微粒數(shù)量濃度不同。在點火提前角從壓縮上止點前1°變?yōu)閴嚎s上止點前11°的過程中，總微粒數(shù)量濃度逐漸增加；在點火提前角從壓縮上止點前11°變?yōu)閴嚎s上止點前23°的過程中，總微粒數(shù)量濃度逐漸減少。

圖6示出不同點火正時下總核模態(tài)、總積聚態(tài)和總微粒對數(shù)數(shù)量濃度（dN／dlogDp）統(tǒng)計。由圖6可知，隨點火提前角的增大，總核模態(tài)數(shù)量和總微粒數(shù)量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，而總積聚模態(tài)微粒數(shù)量呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢，但變化不明顯。分析原因：1）當點火提前角由壓縮上止點前1°變?yōu)?1°時，此時對微粒的產(chǎn)生起主要影響作用的是缸內溫度，當點火提前時，由圖4可知缸內的燃燒溫度增加，在較高的燃燒溫度下，微粒增加，從而會產(chǎn)生較多的核模態(tài)微粒。2）在壓縮上止點前1°到11°的區(qū)間內，點火提前角增加時，排氣溫度降低，不利于微粒的后期氧化，因此，在該種情況下，點火提前角增加時，微粒前期生成多而后期氧化少，導致隨點火提前微粒數(shù)呈現(xiàn)增加的趨勢。3）在上止點前11°到上止點前23°的范圍內，微粒數(shù)量隨著點火提前而減少，原因是此時缸內混合氣的燃燒主要集中在壓縮上止點前，對缸內的后燃現(xiàn)象起到明顯的改善作用，從而導致微粒濃度降低。4）微粒的總數(shù)量濃度主要由核態(tài)決定，其數(shù)量濃度占微粒數(shù)總濃度的90%以上，因此，微粒的總數(shù)量濃度與總核模態(tài)的變化趨勢是一致的，都是先增加后減少。5）總積聚態(tài)微粒數(shù)量變化不明顯，首先從微粒的生成機理來看，核態(tài)微粒主要由揮發(fā)有機物（Volatile Organic Compounds）、半 揮 發(fā) 性 有 機 物 （Semi－volatile Organic Compounds）、含硫化合物、固體單質碳及金屬鹽類組成，這種形態(tài)的微粒數(shù)量濃度隨溫度、稀釋比和駐留時間的不同會有很大的變化。而積聚態(tài)微粒主要由燃燒過程中形成的無定形碳及吸附在它表面的碳氫化合物和少量無機化合物構成，以團聚物的形式存在，這部分微粒數(shù)量濃度一般比較穩(wěn)定，在試驗中表現(xiàn)的可重復性很好［12］。由此可知積聚態(tài)微粒的生成不僅要看核模態(tài)微粒的數(shù)量，也要看在不同點火時刻生成的HC的量。由圖7可看出，隨著點火提前，HC體積分數(shù)呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢，所以積聚態(tài)粒子的數(shù)量濃度不會簡單地跟核模態(tài)粒子的數(shù)量濃度呈現(xiàn)先增加后減少的現(xiàn)象。例如在壓縮上止點前11°，此時缸內生成的核模態(tài)粒子最多，由于此時缸內生成的HC量是最少的，大量的核模態(tài)粒子無法吸附足夠的HC生成積聚態(tài)粒子，因此，此時聚集態(tài)粒子的生成量是最少的。但是HC生成量變化小，因此積聚態(tài)微粒的變化趨勢也不明顯。

綜上所述，在保證GDI汽油機動力輸出的同時，合理優(yōu)化點火定時可以降低GDI汽油機微粒物排放。

3 結論

a）點火提前角對GDI汽油機缸內的燃燒有很大影響，隨點火正時的推遲，缸內的最高溫度、最高放熱率和最高壓力都有所下降，但是排氣溫度升高；

b）GDI汽油機排氣微粒物在核態(tài)區(qū)域呈現(xiàn)雙峰分布，隨點火正時的提前，總積聚模態(tài)微粒數(shù)量濃度先減少后增加但變化不明顯，總微粒數(shù)量和總核模態(tài)數(shù)量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。

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