缸內(nèi)直噴汽油機顆粒排放的熱物理特性研究

徐長建， 董偉， 于秀敏， 何玲， 孫平， 麻斌

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

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缸內(nèi)直噴汽油機顆粒排放的熱物理特性研究

徐長建， 董偉， 于秀敏， 何玲， 孫平， 麻斌

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

為了研究缸內(nèi)直噴汽油機顆粒的熱物理特性，基于某發(fā)動機試驗臺架設(shè)計了二級熱稀釋系統(tǒng)。采用EEPS3090粒譜儀對不同稀釋比、加熱溫度、蒸發(fā)溫度下的顆粒粒徑分布和濃度進行了試驗研究。試驗結(jié)果表明：不同稀釋比下顆粒數(shù)量濃度隨粒徑的增大呈現(xiàn)對數(shù)正態(tài)雙峰分布，不同加熱溫度和蒸發(fā)溫度下顆粒數(shù)量濃度隨粒徑增大呈現(xiàn)三峰分布；較大稀釋比對核態(tài)數(shù)量總濃度影響較大，加熱溫度高于200 ℃后顆粒數(shù)量濃度趨于穩(wěn)定，蒸發(fā)溫度對積聚態(tài)顆粒有較大影響。

汽油機； 缸內(nèi)直噴； 顆粒； 粒徑； 濃度

隨著電控技術(shù)的發(fā)展和排放法規(guī)的日益嚴格，缸內(nèi)直噴汽油機(GDI)成為研究熱點[1-2]。與傳統(tǒng)進氣道噴射汽油機相比，缸內(nèi)直噴汽油機將汽油直接噴射到氣缸內(nèi)，可以實現(xiàn)更加靈活、精確的空燃比控制，提高了燃油經(jīng)濟性，但是縮短了燃油與空氣混合的時間，同時燃油噴射到氣缸壁和活塞頂部造成濕壁以及局部的混合不均勻現(xiàn)象，增加了顆粒排放[3-4]。在歐Ⅴ排放法規(guī)中已經(jīng)將直噴汽油機顆粒排放納入法規(guī)測試要求[5]。

發(fā)動機排氣顆粒是指在大氣條件下排氣各組分中除了水以外的任何類型的分散物質(zhì)[6]。發(fā)動機排氣顆粒根據(jù)粒徑不同劃分為3類，即核態(tài)顆粒(Dp<50 nm)、積聚態(tài)顆粒(50 nm1 000 nm)，其中排氣超細顆粒由核態(tài)和積聚態(tài)兩部分構(gòu)成[7]。顆粒粒徑越小，對人體的危害越大，能引發(fā)心血管疾病和癌癥，對人體的危害可能超過交通事故，因此對顆粒排放特性的研究顯得尤為迫切[8-10]。核態(tài)顆粒主要是由揮發(fā)性、半揮發(fā)性有機物，含硫化合物，固體單質(zhì)碳以及金屬鹽類組成。積聚態(tài)顆粒主要是不完全燃燒形成的碳粒通過吸附碳氫化合物等其他化合物凝結(jié)形成，它以團聚物的形式存在[11]。研究表明，納米顆粒穩(wěn)定性很差，特別是核態(tài)顆粒的物理結(jié)構(gòu)顯著被周圍環(huán)境影響，例如，稀釋溫度、稀釋比、停留時間、空氣濕度等[12]。Jaime 等研究了稀釋比對顆粒的熱物理特性影響，發(fā)現(xiàn)隨著稀釋比的減小，顆粒的平均幾何直徑會增大[13]。Imad A. Khalek等人研究表明，不同的取樣條件和稀釋系統(tǒng)選擇會對顆粒的濃度和尺寸分布特征有較大的影響[14]。

國Ⅴ排放法規(guī)對揮發(fā)性粒子去除器設(shè)計有明確要求，去除器由初級粒子稀釋裝置(PND1)、蒸發(fā)管(ET)、次級稀釋裝置(PND2)串聯(lián)組成[15]。PND1壁溫要求在150～400 ℃之間，且不高于PND2壁溫。本研究結(jié)合國Ⅴ排放法規(guī)，自行設(shè)計了一套部分流稀釋系統(tǒng)，通過測量稀釋比、稀釋溫度、蒸發(fā)溫度對顆粒的濃度和粒徑分布的影響來研究顆粒排放的熱物理特性。

1 試驗設(shè)備及方案

1.1 試驗設(shè)備

試驗選用的是某1.8 L直噴增壓發(fā)動機，增壓方式為渦輪增壓，該發(fā)動機采用頂置凸輪軸技術(shù)并帶有可變配氣正時技術(shù)，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

試驗臺架見圖1。測功機為CW160，通過測功機控制系統(tǒng)控制發(fā)動機的工作狀態(tài)并實時監(jiān)測發(fā)動機的進氣溫度、機油溫度、水溫等運行參數(shù)。λ傳感器為LAMBDA.LA4，配合寬域氧傳感器LSU4.2對發(fā)動機空燃比進行控制。排放測量設(shè)備采用MEXA-7100DERG尾氣分析儀,可以測量排放的CO，HC，NOx濃度，同時測量稀釋后和稀釋前CO2濃度來計算稀釋比。粒徑測量儀器為EEPS3090排放顆粒物粒譜儀，其主要功能是測量發(fā)動機尾氣顆粒物濃度以及顆粒的粒徑分布，其測量范圍是5.6～560 nm,能在1 s內(nèi)提供10組顆粒物分布。為滿足粒譜儀對排氣溫度和顆粒濃度的要求，發(fā)動機排出的廢氣需要通過排氣稀釋系統(tǒng)稀釋，再進入粒譜儀。發(fā)動機控制系統(tǒng)采用課題組自主研發(fā)的ECU，該ECU為基于具備協(xié)處理器的MC9SXDP512系列單片機自主研發(fā)的控制單元。噴油驅(qū)動電路采用PEAK-HOLD電流模式，驅(qū)動電流芯片采用意法公司生產(chǎn)的L9707，采用DC/DC變換，電壓范圍達到40～70 V[16]。

表1 試驗發(fā)動機主要參數(shù)

國Ⅴ排放法規(guī)中針對粒子數(shù)量排放的測量推薦了一套采用三級稀釋的稀釋取樣系統(tǒng)，第一級稀釋為全流稀釋，發(fā)動機全部尾氣和空氣在傳輸通道內(nèi)混合，然后在傳輸通道上進行取樣。本試驗所用的部分流稀釋系統(tǒng)為自行設(shè)計的二級熱稀釋系統(tǒng)(見圖2)，與推薦系統(tǒng)的區(qū)別是在發(fā)動機排氣管上直接進行取樣，為了保持尾氣中顆粒的穩(wěn)定性，對傳輸通道進行了加熱控制，同時滿足法規(guī)中要求的在傳輸通道中的停留時間。因為每次測量時稀釋通道的加熱溫度和蒸發(fā)溫度不能保持絕對相同，導致測量有誤差，其范圍在5%以內(nèi)，滿足法規(guī)要求。

本稀釋系統(tǒng)中發(fā)動機尾氣經(jīng)過調(diào)節(jié)閥門和風機送入的空氣一起經(jīng)過文丘里管進入第一級稀釋通道，經(jīng)過加熱和蒸發(fā)后和空氣一起進入第二級稀釋通道，最后被風機抽出，粒譜儀和CO2分析儀在第二級稀釋通道后部取樣尾氣。為保證熱稀釋的穩(wěn)定性，自行設(shè)計一套智能溫控系統(tǒng)，使加熱溫度(PND1壁溫)、蒸發(fā)溫度(ET壁溫)在100～400 ℃范圍內(nèi)可調(diào)。每一級稀釋系統(tǒng)都有一個可自由調(diào)節(jié)的閥門，第一級閥門控制進入傳輸通道的尾氣，第二級閥門可以控制進入的新鮮空氣量，兩級稀釋的最高稀釋比可達1 500。第二級稀釋通道在室溫環(huán)境下，可以確保進入尾氣分析儀的氣體溫度低于35 ℃，其設(shè)計長度滿足氣體停留時間的要求。稀釋氣體采用經(jīng)過凈化后的干燥潔凈空氣，其顆粒濃度相對于被稀釋后的尾氣可以忽略不計，故不考慮空氣與尾氣中顆粒的相互反應(yīng)。文中的顆粒數(shù)量和質(zhì)量濃度數(shù)值都是乘以對應(yīng)稀釋比之后的發(fā)動機尾氣中的顆粒濃度，其顆粒質(zhì)量濃度根據(jù)顆粒數(shù)量濃度計算得出，其公式為

式中：Dp為顆粒的平均幾何直徑；ρ為顆粒密度。

1.2 試驗方法

根據(jù)排放法規(guī)和車輛傳動系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)要求，發(fā)動機轉(zhuǎn)速定為1 500 r/min，扭矩為60 N·m。在此工況下，噴油時刻為310°BTDC,點火時刻為22°BTDC, 空燃比為14.7。加熱溫度在250 ℃左右時，可以保持揮發(fā)性和半揮發(fā)性組分的穩(wěn)定性，蒸發(fā)溫度在300～350 ℃時可以保持顆粒數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度的穩(wěn)定性，所以測量稀釋比對顆粒的濃度及粒徑的影響時，一級加熱溫度定為260 ℃，蒸發(fā)溫度為350 ℃，二級稀釋系統(tǒng)的溫度為室溫，稀釋比為780，530，300，240，170，90。在測量蒸發(fā)溫度和加熱溫度對顆粒濃度和粒徑的影響時，稀釋比在250左右時顆粒數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度變化不大，顆粒測量的結(jié)果穩(wěn)定，稀釋比定為250，依次測量蒸發(fā)溫度為300 ℃，350 ℃，400 ℃，加熱溫度為140 ℃，220 ℃，300 ℃下的顆粒粒徑和濃度分布。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 稀釋比的影響

利用CO2分析儀和尾氣排放儀計算稀釋比，通過調(diào)節(jié)一二級稀釋系統(tǒng)的調(diào)節(jié)閥來控制稀釋比。

2.1.1 對顆粒粒徑分布的影響

圖3示出了稀釋比對不同顆粒數(shù)量濃度下粒徑分布的影響。從圖中可以看出，數(shù)量濃度隨著粒徑的增大呈現(xiàn)對數(shù)正態(tài)雙峰分布。稀釋比在300～800時，核態(tài)濃度峰值在4.3×107～7×107個/cm3之間，粒徑主要分布在15 nm以下，積聚態(tài)濃度峰值在2.4×107～2.5×107個/cm3之間，粒徑主要分布在60～100 nm之間。隨著稀釋比的增大，核態(tài)數(shù)量濃度和積聚態(tài)數(shù)量濃度峰值都降低，但是積聚態(tài)的峰值無明顯變化,說明較大的稀釋比主要影響核態(tài)數(shù)量濃度，對積聚態(tài)數(shù)量濃度影響很小。

稀釋比為90～250時，核態(tài)數(shù)量濃度峰值在2.1×107～3×107個/cm3之間，積聚態(tài)數(shù)量濃度峰值在2.5×107～2.7×107個/cm3之間。核態(tài)和積聚態(tài)數(shù)量濃度隨粒徑的變化趨勢與稀釋比為300～800時相同，隨著稀釋比的減小核態(tài)濃度峰值降低，積聚態(tài)濃度峰值小幅升高，這是因為隨著稀釋比減小，單位體積中顆粒數(shù)量多，核態(tài)的揮發(fā)和半揮發(fā)性氣體被未燃燒的碳粒吸收凝固變成積聚態(tài)顆粒，使核態(tài)顆粒減少，積聚態(tài)顆粒增多。

2.1.2 對顆粒濃度的影響

從圖4中可以看出，稀釋比較大時，隨著稀釋比的增大，核態(tài)顆粒數(shù)量總濃度減小，積聚態(tài)顆粒數(shù)量總濃度基本沒有變化。這是因為隨著稀釋比的增大，顆粒被稀釋，單位體積中顆粒的數(shù)量減少，被吸進旋轉(zhuǎn)分離器的顆粒數(shù)量就會降低，對于那些不穩(wěn)定的揮發(fā)性和半揮發(fā)性物質(zhì)，由于相互之間的距離增大，相互反應(yīng)的概率降低，凝固成長為積聚態(tài)顆粒的概率降低。在較小的稀釋比條件下，核態(tài)顆粒總濃度變化很小，積聚態(tài)顆粒數(shù)量總濃度基本不變，這是因為積聚態(tài)顆粒在峰值處濃度高，在150 nm以后濃度降低，表現(xiàn)出數(shù)量總濃度沒有明顯變化。大稀釋比條件下的數(shù)量濃度比小稀釋比條件下的數(shù)量濃度高，是因為稀釋比越小，第一級稀釋時，在經(jīng)過較高的加熱溫度和蒸發(fā)溫度后，沸點較低的未燃HC和其他揮發(fā)性組分蒸發(fā)的多，在第二級稀釋過程中形成核態(tài)顆粒的組分少，核態(tài)顆粒變少。由此說明稀釋比對積聚態(tài)顆粒的影響較小,在較大稀釋比時對核態(tài)顆粒的影響較大。

從圖5中可以看出，核態(tài)顆粒質(zhì)量總濃度為1.8 μg/cm3,不同稀釋比條件下測量的積聚態(tài)質(zhì)量總濃度為57～59 μg/cm3,積聚態(tài)質(zhì)量濃度占總濃度的97%，所以尾氣排放中的顆粒質(zhì)量幾乎全是由積聚態(tài)顆粒貢獻。隨著稀釋比的減小，核態(tài)和積聚態(tài)顆粒質(zhì)量總濃度沒有明顯變化，說明稀釋比對顆粒質(zhì)量濃度影響較小。

2.2 加熱溫度的影響

2.2.1 對顆粒粒徑分布的影響

圖6示出了在蒸發(fā)溫度為350 ℃時不同加熱溫度下顆粒粒徑的分布。從圖中可以看出，在加熱溫度為140 ℃時，顆粒數(shù)量濃度隨粒徑增大呈現(xiàn)對數(shù)正態(tài)雙峰分布。加熱溫度為220 ℃和300 ℃時，顆粒濃度隨粒徑增大呈現(xiàn)3峰分布。在10 nm以下，隨著溫度升高，濃度降低。在10～50 nm范圍內(nèi)隨溫度升高濃度升高，在溫度超過200 ℃之后，粒徑在10～50 nm下的濃度趨于穩(wěn)定。在積聚態(tài)顆粒數(shù)量濃度的粒徑分布中，在粒徑為80 nm左右時出現(xiàn)最高濃度峰值，140 ℃對應(yīng)的峰值濃度稍高，其他粒徑范圍內(nèi)濃度無明顯變化。說明加熱溫度主要影響核態(tài)顆粒粒徑分布，在溫度超過200 ℃之后，核態(tài)顆粒濃度隨粒徑分布逐漸穩(wěn)定。

2.2.2 對顆粒濃度的影響

圖7示出了蒸發(fā)溫度為350 ℃時不同加熱溫度下顆粒的數(shù)量濃度分布。從圖中可以看出，隨著加熱溫度的升高，10 nm以下的顆粒逐漸減少，10～50 nm范圍內(nèi)的顆粒逐漸增多，溫度超過200 ℃之后這部分顆粒趨于穩(wěn)定，積聚態(tài)顆粒數(shù)量隨加熱溫度升高無明顯變化。這是因為10 nm以下的核態(tài)顆粒主要是由金屬灰燼、碳粒、沸點較高的重HC、硫化物組成，隨著加熱溫度的升高，金屬灰燼、碳?？梢晕辗悬c較低的輕HC成長為粒徑較大的核態(tài)顆粒，溫度超過一定范圍后也會使一些揮發(fā)性HC蒸發(fā)。積聚態(tài)顆粒粒徑較大，以團聚物的形式存在，相對穩(wěn)定，受加熱溫度影響較小。10～50 nm范圍內(nèi)的顆粒其組成部分不僅有粒徑較大的固體，還有一些揮發(fā)性和半揮發(fā)性組分，這些揮發(fā)和半揮發(fā)性組分是一些沸點較高的HC和硫化物，很不穩(wěn)定，受加熱溫度影響較大，溫度超過200 ℃之后，10～50 nm范圍內(nèi)的核態(tài)顆粒其數(shù)量基本相同。說明加熱溫度到達200 ℃之后此粒徑下的顆粒數(shù)量濃度已經(jīng)趨于穩(wěn)定。

圖8示出了在蒸發(fā)溫度為350 ℃時不同加熱溫度下顆粒的質(zhì)量濃度。從圖中看不到10 nm以下的核態(tài)顆粒質(zhì)量濃度，因為此粒徑范圍內(nèi)的核態(tài)顆粒雖然數(shù)量濃度達到5×107個/cm3,但是粒徑太小，質(zhì)量濃度在0.02～0.03 μg/cm3；10～50 nm范圍內(nèi)的核態(tài)顆粒質(zhì)量濃度沒有明顯變化，說明加熱溫度對此粒徑范圍內(nèi)的質(zhì)量濃度沒有影響；積聚態(tài)顆粒質(zhì)量在140 ℃和220 ℃時基本相同，300 ℃時明顯減少，下降35%；這是因為粒徑超過100 nm以后，由于粒徑較大，其表面的HC和硫化物可能被蒸發(fā)，造成顆粒質(zhì)量減小。溫度超過一定范圍后對積聚態(tài)顆粒的質(zhì)量濃度有一定影響。

2.3 蒸發(fā)溫度的影響

2.3.1 對顆粒粒徑分布的影響

圖9示出了加熱溫度260 ℃時，不同蒸發(fā)溫度下顆粒數(shù)量濃度的粒徑分布。

從圖中可以看出，數(shù)量濃度呈現(xiàn)3峰分布。在10 nm和80 nm附近各有一個峰值。粒徑在5～9 nm時，數(shù)量濃度急劇下降，主要與金屬灰燼、碳粒、重HC的粒徑較小有關(guān)。在10～50 nm范圍內(nèi)，300 ℃和350 ℃時數(shù)量濃度比較穩(wěn)定，在400 ℃時濃度增加。說明蒸發(fā)溫度超過350 ℃之后，此粒徑范圍內(nèi)的顆粒不穩(wěn)定。從積聚態(tài)數(shù)量濃度隨粒徑分布圖中可以看出，400 ℃下的顆粒數(shù)量明顯增多，峰值濃度達到1.57×107個/cm3，說明積聚態(tài)的顆粒數(shù)量濃度受蒸發(fā)溫度影響較大。由此可見，蒸發(fā)溫度在300～350 ℃范圍內(nèi)可以保證燃燒產(chǎn)生和稀釋過程中形成的顆粒數(shù)量保持穩(wěn)定。

2.3.2 對顆粒濃度的影響

圖10示出了不同蒸發(fā)溫度下顆粒數(shù)量濃度的分布。從圖中可以看出，10 nm以下的顆粒數(shù)量濃度在4.2×107～5.2×107個/cm3之間，10～50 nm之間的核態(tài)數(shù)量總濃度在6.4×107～8.2×107個/cm3之間，積聚態(tài)數(shù)量總濃度在7.5×107～9.0×107個/cm3之間。在300 ℃和350 ℃時，核態(tài)和積聚態(tài)顆粒數(shù)量總濃度沒有明顯變化，當溫度升高到400 ℃之后，10 nm以下的核態(tài)顆粒數(shù)量總濃度減少，10～50 nm的顆粒和積聚態(tài)顆粒數(shù)量濃度增加。因為溫度超過350 ℃之后，10 nm以下的固體可能被氧化，某些重的HC超過沸點之后揮發(fā)，被固體組分吸收變成粒徑較大的核態(tài)顆粒，同時由于10～50 nm范圍內(nèi)的顆粒極不穩(wěn)定，相互之間吸附成長，在第二級稀釋通道中凝固成積聚態(tài)顆粒，使積聚態(tài)顆粒數(shù)量總濃度增加。溫度超過350 ℃之后已經(jīng)影響積聚態(tài)顆粒數(shù)量濃度，說明稀釋通道中也會產(chǎn)生積聚態(tài)顆粒。

圖11示出了不同蒸發(fā)溫度下的顆粒質(zhì)量濃度分布。從圖中可以看出，因為10 nm以下的顆粒粒徑較小，質(zhì)量濃度在0.01～0.02 μg/cm3之間,沒有在圖中顯示；超過350 ℃后10～50 nm的顆粒數(shù)量濃度增加，由于其粒徑小，質(zhì)量濃度沒有表現(xiàn)出明顯變化；積聚態(tài)顆粒質(zhì)量濃度在超過350 ℃之后明顯增加，由于積聚態(tài)大多以團聚物形式存在，粒徑大，數(shù)量濃度增加，其質(zhì)量濃度增加明顯，增加了20%。同時積聚態(tài)顆粒質(zhì)量濃度占到總質(zhì)量濃度的95%，占顆粒質(zhì)量的絕大部分。

3 結(jié)論

a) 在不同的稀釋比下，數(shù)量濃度粒徑分布呈現(xiàn)對數(shù)正態(tài)雙峰分布，隨著粒徑增大，核態(tài)顆粒濃度降低，積聚態(tài)濃度先升高后降低，較大的稀釋比對核態(tài)數(shù)量濃度影響較大，隨著稀釋比減小，核態(tài)數(shù)量濃度增加，稀釋比對質(zhì)量濃度無明顯影響；

b) 在不同的加熱溫度下，數(shù)量濃度粒徑分布呈現(xiàn)3峰分布；加熱溫度主要影響稀釋通道內(nèi)10～50 nm顆粒的揮發(fā)和半揮發(fā)性組分，超過200 ℃后此粒徑下的顆粒相對穩(wěn)定；加熱溫度達到300 ℃時就會使積聚態(tài)顆粒質(zhì)量濃度降低；

c) 不同蒸發(fā)溫度下，數(shù)量濃度粒徑分布呈現(xiàn)3峰分布；350 ℃以下各粒徑下的數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度相對穩(wěn)定，超過350 ℃之后，10～50 nm的核態(tài)顆粒和積聚態(tài)顆粒的數(shù)量濃度升高；由于積聚態(tài)顆粒以團聚物的形式存在，在蒸發(fā)溫度升高一定程度后質(zhì)量濃度增加的比較明顯。

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[編輯： 姜曉博]

Thermal Physical Property of Particulate Emission for Gasoline Direct Injection Engine

XU Changjian， DONG Wei, YU Xiumin, HE Ling, SUN Ping, MA Bin

(State Key Laboratory of Automobile Simulation and Control, Jilin University, Changchun 130025, China)

To analyze the thermal physical property of GDI engine, a two-stage thermo-dilution system was developed. The particle size distribution and concentration were measured under different dilution ratios, heating temperatures and evaporation temperatures with the EEPS 3090 particle size spectrometer. The results show that the concentration of particle number shows a lognormal bimodal distribution under different dilution ratios and shows trimodal distribution under heating temperatures and evaporation temperatures with the increase of particle size. Moreover, large dilution ratio has great influence on the total concentration of nuclear mode particle number, heating temperature higher than 200 ℃ makes the concentration of particle number stable and evaporation temperature has important influence on accumulation mode particle number.

gasoline engine； in-cylinder direct injection； particle； particle size； concentration

2015-03-18；

2015-05-28

吉林省科學技術(shù)廳自然基金項目(130101JC01009568)；國家自然科學基金(51406066)

徐長建(1988—)，男，碩士，主要研究方向為發(fā)動機電子控制關(guān)鍵子系統(tǒng)開發(fā)；1181112508@qq.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.04.014

TK411.51

B

1001-2222(2015)04-0070-06