增壓直噴汽油機起動怠速及混合氣濃度對微粒排放的影響

裴毅強，張建業(yè)，秦 靜,，李 翔，代玉利，李云龍

增壓直噴汽油機起動怠速及混合氣濃度對微粒排放的影響

裴毅強1，張建業(yè)1，秦 靜1,2，李 翔1，代玉利1，李云龍1

(1. 天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室，天津 300072；2. 天津大學內燃機研究所，天津 300072)

在一臺增壓直噴(GDI)汽油機上，使用快速微粒光譜儀(DMS500)對排氣中微粒排放分布進行了實驗研究．結果表明：在發(fā)動機起動后數秒內微粒排放較高，隨著暖機進行積聚態(tài)微粒排放減少，熱機怠速工況排氣微粒主要以核模態(tài)為主．隨著過量空氣系數λ 減小缸內峰值壓力增加，燃燒持續(xù)期縮短，缸內平均溫度升高，燃燒后期缸內溫度下降幅度增加，混合氣氧含量降低，這些均促進了碳煙排放．采用稀混合氣時，循環(huán)變動升高．低負荷時，積聚態(tài)微粒對λ變化較敏感；增加負荷和轉速后，積聚態(tài)微粒數濃度有所降低，表現(xiàn)為隨λ 減小而增加的趨勢.采用濃混合氣時，排氣微粒質量迅速增加．在實驗工況，排氣微粒的幾何平均直徑(GMD)和中位直徑(CMD)基本在10,nm以內，λ為0.8時微粒的GMD和CMD值較大．

GDI汽油機；缸內壓力；放熱率；微粒

汽車尾氣中的微粒是有害排放物之一．在車用發(fā)動機中，柴油機排氣中的微粒排放量遠超出汽油機，因此國內外學者多注重柴油機排氣微粒的研究．汽油機排氣微粒的粒徑很小，大多為納米級微粒，屬超細微粒．一些研究發(fā)現(xiàn)數濃度較高的超細微粒對人體的危害較之粗微粒更加嚴重[1]．這是因為粒徑較大的微?？梢员槐敲钃踉诤粑到y(tǒng)之外，但是大量細微微粒經過人體各器官層層過濾，最終還是會沉積于呼吸系統(tǒng)中，且不易排出體外[2]；超細微粒單位質量具有較大表面積，它具有很強的攜帶能力，其表面可以吸附毒性成分和致癌可溶性有機成分(如多環(huán)芳香烴PAHs和氣態(tài)羰基化合物)，導致癌癥發(fā)病率升高[3]．因此汽油機排氣微粒也應受到重視．近年來，缸內直噴(gasoline direct injection，GDI)發(fā)動機以其諸多優(yōu)點發(fā)展迅速．前期研究結果表明，GDI發(fā)動機較進氣道噴射發(fā)動機增加了微粒排放量[4]，歐Ⅵ排放法規(guī)對GDI汽油機排氣微粒提出了要求．因此進一步了解GDI發(fā)動機超細微粒的排放特性更有意義．

發(fā)動機排氣微粒按照粒徑不同可劃分為核態(tài)、積聚態(tài)和粗粒子3個模態(tài)[5]．其中排氣超細微粒由核態(tài)和積聚態(tài)兩部分構成．核態(tài)(nuclei mode)粒子是指粒徑在5～30,nm之間的排氣微粒[6]．一般認為，核態(tài)粒子主要由硫酸鹽和HC有機組分構成，其濃度受稀釋后的混合氣溫度、濕度及在通道內的滯留時間等因素影響；積聚態(tài)(accumulation mode)粒子的粒徑范圍為30～1,000,nm．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積聚態(tài)微粒，其常以團聚物的形式存在．這部分微粒的粒數濃度一般比較穩(wěn)定，在實驗中，可重復性好，且超細微粒的質量排放主要由積聚態(tài)微粒決定[7]．

研究表明，直噴汽油機冷起動和暖機過程會產生大量微粒[8]，過量空氣系數λ 是影響微粒排放的重要因素[9]，但其研究僅局限于直噴汽油機排氣微粒規(guī)律分析，未深入進行燃燒分析．因此筆者采用快速微粒光譜儀(DMS500)在一臺壁面引導型增壓直噴汽油機進行了實驗研究．

1 實驗裝置和實驗方法

實驗裝置如圖1所示，實驗所用發(fā)動機采用可變氣門正時和廢氣渦輪增壓技術．發(fā)動機結構性能參數見表1．

微粒分析儀器采用Cambustion公司的DMS500快速型納米微粒尺寸光譜儀．該儀器的粒徑測量范圍為5～1,000,nm，對采集到的氣溶膠微粒提供38通道尺寸光譜，測試響應時間為200,ms，數據采集頻率為10,Hz．該儀器的性能介紹可參閱文獻[10]，在此不再贅述．本實驗中一級稀釋比為4，二級稀釋比為100，采樣加熱管溫度設定為100,℃．

實驗針對發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)工況進行采集，為了消除上一個工況的影響，發(fā)動機穩(wěn)定運轉2,min后開始測量．每10次采樣取一次平均值作為一個采樣點，為了保證微粒采集的穩(wěn)定可靠，每個測試工況連續(xù)記錄50,s，最后取平均值．

表1 發(fā)動機結構性能參數Tab.1 Engine specifications

缸內燃燒壓力采用AVL GH13Z型火花塞缸壓傳感器測量，采樣間隔為0.5°CA，每個工況點采集100個循環(huán)．

圖1 實驗系統(tǒng)示意Fig.1 Experiment setup

2 實驗結果及分析

2.1 起動怠速工況下微粒排放分布

圖2為發(fā)動機冷起動、冷怠速時(冷卻水溫度為20,℃)微粒排放隨時間的分布，Dp為微粒直徑，N為微粒數濃度．由圖2(a)可知發(fā)動機起動后5,s內微?？倲禎舛容^高，特別是積聚態(tài)微粒排放較高．圖2(b)為發(fā)動機起動后怠速1,min內，微粒數濃度分布變化圖譜，顏色越淺表明微粒數濃度越大．隨時間推移，積聚態(tài)微粒數濃度逐漸減小，核態(tài)微粒高濃度區(qū)域的粒徑范圍縮?。?/p>

圖3為發(fā)動機熱起動、熱怠速時(冷卻水溫度為85,℃)微粒排放隨時間的分布．圖3(a)表明發(fā)動機起動后5,s內，排氣微粒以積聚態(tài)為主，此后積聚態(tài)微粒數濃度迅速降低，核態(tài)微粒數濃度升高．圖3(b)表明，隨著時間進一步推移，發(fā)動機排氣微粒主要為核態(tài)．對比兩種工況可以看出，冷卻水溫度影響直噴汽油機微粒排放，特別是對積聚態(tài)微粒排放影響較為顯著．

圖2 冷起動及冷怠速工況下排氣微粒隨時間的變化Fig.2 Exhaust particle emissions of cold start and cold idle

圖3 熱起動及熱怠速工況下排氣微粒隨時間的變化Fig.3 Exhaust particle emissions of hot start and hot idle

2.2 過量空氣系數對燃燒特性的影響

固定噴油時刻、點火時刻及進排氣VVT，得到不同空燃比下缸內壓力和放熱率曲線，如圖4所示．牛津大學的Wyszynski等[11]研究表明，GDI汽油機碳煙首峰出現(xiàn)在最高爆發(fā)壓力時刻；第2峰出現(xiàn)在低溫后燃階段，這可能是火焰前鋒面掃過后，液態(tài)燃油燃燒產生的干碳煙再氧化的過程．由圖4可知，隨著λ減小，缸內最大爆發(fā)壓力逐漸升高，壓力升高率增加，最大爆發(fā)壓力對應的曲軸轉角提前，碳煙產生的可能性增加．本文定義燃燒持續(xù)期為累積放熱率達到10%到累積放熱率達到90%所經歷的曲軸轉角．從圖4可以看出，混合氣越濃后，燃燒持續(xù)期變短燃燒速率增加，50%放熱率點對應曲軸轉角提前，加之混合氣變濃、氧含量低，油氣混合時間變短，燃燒惡化，這些均有利于微粒的產生．圖5為不同λ下缸內平均溫度曲線，隨著混合氣加濃，缸內最大平均溫度升高，高溫缺氧條件下，HC化合物生成量增加，也促進了微粒的產生．燃燒后期隨λ的減小，缸內平均溫度迅速降低，這不利于碳煙的氧化．圖6為兩種負荷下循環(huán)變動隨λ變化曲線，發(fā)動機采用稀混合氣時，循環(huán)變動增大，特別是在λ大于1.1時，循環(huán)變動增加明顯，燃燒不穩(wěn)定性增加，在一定程度上影響到發(fā)動機的微粒排放．

圖4 λ對缸壓和放熱率的影響Fig.4 Effect of excess air ratio on the cylinder pressure and heat release rate

圖5 λ對缸內平均溫度的影響Fig.5 Effect of excess air ratio on the average temperature inside the cylinder

圖6 λ對循環(huán)變動的影響Fig.6 Effect of excess air ratio on the cyclic variations

2.3 過量空氣系數對微粒排放的影響

圖7為轉速為2,000,r/min、0.1,MPa，發(fā)動機穩(wěn)態(tài)運行時排氣微粒粒徑尺寸分布，GDI汽油機排氣微粒在中小負荷時以核模態(tài)微粒為主[12]．小負荷時，排氣微粒數濃度對λ變化比較敏感，特別是濃混合氣時，積聚態(tài)和核態(tài)微粒數濃度均明顯增加，而λ大于1.1時，積聚態(tài)微粒排放增多．負荷增加到0.4,MPa時，排氣微粒分布如圖8所示，核態(tài)微粒出現(xiàn)雙峰分布，積聚態(tài)微粒則隨λ減小逐漸增加，λ小于1時，積聚態(tài)微粒數濃度明顯增加，較其他工況高出1倍多．圖9為3,500,r/min、0.4,MPa時，λ對微粒數濃度分布的影響規(guī)律．該工況下微粒排放較前兩個工況減少，核態(tài)微粒的峰值粒徑在10,nm以下，積聚態(tài)微粒數濃度均在106這一數量級上，粒徑分布在200,nm以內，兩種模態(tài)微粒數濃度均呈現(xiàn)出隨λ減小而增加的趨勢．

圖7 2,000,r/min、0.1,MPa微粒粒徑尺寸分布Fig.7 Particle size distribution at 2,000,r/min，0.1,MPa

圖8 2,000,r/min、0.4,MPa微粒粒徑尺寸分布Fig.8 Particles size distribution at 2,000,r/min，0.4,MPa

圖9 3 500 r/min、0.4 MPa微粒粒徑尺寸分布Fig.9 Particle size distribution at 3 500 r/min，0.4 MPa

圖10 為3,500,r/min、0.4,MPa時排氣核態(tài)微粒質量和積聚態(tài)微粒質量隨λ 的分布規(guī)律．由圖10可知，核態(tài)微粒雖然數濃度大，但其質量遠小于積聚態(tài)微粒，因此積聚態(tài)微粒質量在排氣總微粒質量中占的比例較大．該工況下，2種模態(tài)微粒的質量均隨λ的增加而減小，但是隨著混合氣逐漸變稀，其減小幅度降低.

圖10 λ對排氣微粒質量的影響Fig.10 Effect of excess air ratio on the exhaust particle mass

2.4 微粒粒徑分布特征

幾何平均直徑(geometric mean diameter，GMD)是假設所有排氣微粒均呈球形，然后對所有微粒的粒徑用幾何平均法求得的直徑．中位直徑(count median diameter，CMD)是累積百分比為50%時所對應的粒子直徑[13]．GMD和CMD是表達微粒粒徑的重要參數，二者數值越大表明發(fā)動機排氣微粒中大粒徑微粒數濃度越高．圖11給出了3種工況下，排氣微粒的GMD和CMD隨λ的分布．實驗工況下，微粒的GMD和CMD值基本都在10,nm以下，這與該發(fā)動機排氣微粒中核態(tài)微粒數濃度較大有關．二者隨λ的變化規(guī)律性并不明顯．3種工況下，λ為0.8時，排氣微粒的GMD和CMD值均較大．

圖11 λ對微粒GMD和CMD的影響Fig.11 Effect of excess air ratio on the GMD and CMD of particle

3 結 論

(1) 發(fā)動機在起動后前幾秒中微粒排放較高，其中積聚態(tài)微粒排放較顯著．冷機怠速工況較熱機怠速工況積聚態(tài)微粒排放高，隨著發(fā)動機暖機過程的進行積聚態(tài)微粒排放逐漸減少．熱怠速工況以核態(tài)微粒排放為主，積聚態(tài)微粒排放很少．

(2) 隨λ減小缸內最大爆發(fā)壓力升高，最大壓升率增加，燃燒持續(xù)期變短，缸內最高平均溫度逐漸升高，燃燒后期缸內溫度迅速下降，加之混合氣變濃、氧含量低，不利于排放物后期氧化，因此這些因素都促進了碳煙和HC化合物的生成，發(fā)動機λ 大于1.1時，循環(huán)變動增大，一定程度上影響到燃用稀混合氣時的微粒排放．

(3) 在低負荷時，排氣中的微粒數濃度對λ變化較敏感，混合氣過濃或過稀均導致積聚態(tài)微粒排放增加．在2,000,r/min、0.4,MPa和3,500,r/min、0.4,MPa時，積聚態(tài)微粒數濃度呈隨著λ的減小而增加的趨勢；積聚態(tài)微粒質量在微粒的總質量中占很大比例，在3,500,r/min、0.4,MPa時，微粒總質量隨過量空系數減小而增加，且加濃混合氣后，微?？傎|量明顯增加．

(4) 在測試工況下，排氣微粒的GMD和CMD基本都在10,nm以內，這與核態(tài)微粒數濃度較高有關，λ 為0.8時，排氣微粒的GMD和CMD值較大．參考文獻：

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(責任編輯：孫立華)

Effect of Starting Idling Condition and Mixture Concentration of a Turbocharged GDI Engine on Particle Emission

Pei Yiqiang1，Zhang Jianye1，Qin Jing1,2，Li Xiang1，Dai Yuli1，Li Yunlong1
(1. State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Internal Combustion Engine Research Institute，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

This is an experimental research on the distribution of particulate emissions in the exhaust gas of a turbocharged gasoline direct injection(GDI) engine by using a fast particle spectrometer (DMS500). The results showed high particulate emissions within a few seconds after startup. As the machine continued to warm up, the accumulation mode particulate emissions reduced. In hot idling condition, nucleation mode particulates were the dominant exhaust particulates . With the excess air ratio reduced, the peak cylinder pressure increased, the combustion duration shortened, the average temperature inside the cylinder gradually increased, post-combustion cylinder temperature decreased and the oxygen content in the mixture lowered, which were conducive to soot formation and elevated cyclic variations when using lean gas. At low load, the accumulation mode particulates were sensitive to the change of the excess air ratio. After we increased load and speed, concentrations of accumulation mode particles decreased, which was demonstrated by the decreasing excess air ratio and increasingconcentrations of accumulation mode particles. When using concentrated mixture, exhaust particulate mass rapidly increased. In the experimental conditions, the geometric mean diameter (GMD) and count median diameter (CMD) of exhaust gas particles were basically less than 10 nm. When the excess air ratio is 0.8, the values of GMD and CMD particulates were comparatively large.

gasoline direct injection engine；cylinder pressure；heat release rate；particulate

TK411.5

A

0493-2137(2014)10-0892-06

10.11784/tdxbz201306054

2013-06-25；

2013-09-04.

國家自然科學基金資助項目(50976076).

裴毅強（1967— ），男，博士，副教授.

裴毅強，peiyq@tju.edu.cn.

時間：2014-03-24.

http：//www.cnki.net/kcms/doi/10.11784/tdxbz201306054.html.