某GDI汽油機低速小負荷瞬態(tài)工況下排氣微粒濃度及粒徑分布特性研究

苗志慧 李君 于凱

摘 要：該文針對某1.4T GDI汽油機發(fā)動機低轉速小負荷工況下，分析發(fā)動機瞬態(tài)實驗中，GDI汽油機排氣中所含的微粒數(shù)量、質量濃度特性以及微粒粒徑分布特性。結果表明：在低轉速小負荷區(qū)間瞬態(tài)工況下，隨著時間的變化，核態(tài)區(qū)域內(nèi)的微粒數(shù)量濃度峰值有著一定的變化趨勢，整體呈現(xiàn)出先增大，隨后降低，最后再繼續(xù)增大的趨勢；聚集態(tài)區(qū)域內(nèi)，微粒的數(shù)量濃度整體呈現(xiàn)出增大的趨勢，而微粒數(shù)量濃度以及微粒的幾何平均直徑均呈現(xiàn)出先增大，后減小的趨勢。瞬態(tài)工況下，三效催化器后的微粒數(shù)量濃度曲線出現(xiàn)明顯的雙峰現(xiàn)象，且三效催化器對核態(tài)微粒的催化效率隨時間的變化基本保持不變，處于77%左右的水平，其對聚集態(tài)微粒的催化效率則隨時間的推移出現(xiàn)增加的趨勢，并最終達到72%左右。

關鍵詞：微粒 瞬態(tài)工況 GDI發(fā)動機 分布特性

中圖分類號：U46 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）04（b）-0065-05

Abstract：This paper analyzes the exhaust particulate concentration and size distribution characteristics for a 1.4T GDI gasoline under low rotating speed and small torque range transient condition. The results shows that， under low rotating speed and small torque trancient condition， particle number concentration peak of nucleation states has a certain trend over time， showing the overall increase first， then decrease， and finally continue to increase， and make it to a certain level， while the concentration of accumulation particle keeps increasing. The concentration GMD increases first， and then decreases. After the Three-way catalytic （TWC）， the particle number concentration curve shows significant double peaks， and the catalytic efficiency for nucleation particles remains at 77% over time， the catalytic efficiency on accumulation particle is increasing over time and eventually reach a high level， about70%.

Key Words：Particulate；Trancient condition；GDI Engine；Particle distribution

缸內(nèi)直噴（GDI）發(fā)動機目前已經(jīng)得到了廣泛的應用，但是其在臻于完美的路上還有很長的路要走。GDI汽油機的燃燒方式與柴油機類似，因此，GDI汽油機的排氣微粒濃度相對較高。而尾氣中所含的微粒的產(chǎn)生是發(fā)動機燃燒室內(nèi)的可燃混合氣，在缸內(nèi)混合不均，燃料燃燒不完全導致的。大量研究表明，相對于傳統(tǒng)PFI發(fā)動機，在冷啟動和瞬態(tài)工況下GDI汽油機產(chǎn)生的微粒數(shù)量明顯增多。

汽車所排尾氣中所含的微粒主要分為“核態(tài)”模式微粒和“聚集態(tài)”模式微粒。兩種模式微粒有著不同的生成及粒徑特性。其中，“核態(tài)”模式微粒主要由濃縮揮發(fā)性物質（硫酸鹽和重質烴）組成，“核態(tài)”模式微粒粒徑通常小于50 nm。“聚集態(tài)”模式微粒主要由無定形碳核以及吸附于碳核表面的有機物分子和無機物分子構成，粒徑大于50 nm[1-2]。

核態(tài)微粒和聚集態(tài)微粒兩者均屬于納米級微粒，歸屬于超細微粒的范圍，且兩者的質量差距相對較大，通常汽車尾氣所含的微粒中，在微粒整體的數(shù)量濃度上起到主導作用的是核態(tài)微粒，而在微粒整體的質量濃度上起到主導作用的是聚集態(tài)微粒[3-4]。

該文研究分為兩個部分，一部分為探究三效催化器（TWC）之前的發(fā)動機排氣微粒濃度和粒徑分布特性；第二部分是探究三效催化器（TWC）之后的微粒濃度和粒徑分布特性。該項研究展示了在低速小負荷瞬態(tài)工況下GDI汽油機排氣微粒的實驗結果，研究GDI汽油機微粒排放特性并進行相應分析。

1 瞬態(tài)實驗臺架布置及選型

瞬態(tài)實驗臺架布置示意圖如圖1所示。

實驗系統(tǒng)中使用的發(fā)動機為大眾旗下品牌高爾夫6上所搭載的大眾1.4T EA111 GDI汽油發(fā)動機，該GDI發(fā)動機主要參數(shù)見表1。

此次瞬態(tài)實驗涉及的主要測量儀器及控制儀器有：測功機、測功機控制柜、AVL尾氣分析儀、油耗儀、λ分析儀、尾氣稀釋系統(tǒng)以及Model 3090 EEPS微粒粒徑測量儀。實驗所用的電腦控制臺連接的儀器有測功機控制柜以及微粒粒徑測量儀，控制端使用INCA控制程序以控制實驗用測功機，同時，可有效檢測實驗用發(fā)動機運行參數(shù)，時刻觀察以確保其處于良好的工作狀態(tài)。

表2中的1、2點如圖2所示，其為瞬態(tài)實驗過程的示意圖。

2 瞬態(tài)工況下微粒濃度和粒徑分布特性研究

該實驗研究主要通過測功機電腦控制端的INCA控制程序進行編程，以實現(xiàn)整個瞬態(tài)實驗過程的自動控制，加速的20 s時間將分為0 s、5 s、10 s、15 s、20 s幾個節(jié)點進行分析（見圖3）。

2.1 微粒粒徑分布特性

實驗結果如圖4所示，在GDI發(fā)動機瞬態(tài)實驗中，0 s、5 s、10 s、15 s、20 s五條微粒數(shù)量濃度曲線隨時間的變化趨勢基本一致。微粒數(shù)量濃度曲線均于19.11 nm處開始顯現(xiàn)微粒數(shù)量濃度數(shù)值，隨后微粒數(shù)量濃度曲線呈現(xiàn)上升趨勢，并在25.48 nm處獲得微粒最大數(shù)量濃度值，峰值分別為1.48E+07#/cm3、1.49E+07#/cm3、8.38E+06#/cm3、1.07E+07#/cm3、1.41E+07#/cm3，5 s時獲得最大峰值，10s時峰值最小。在25.48 nm微粒數(shù)量濃度獲得峰值后，曲線開始下降至0。在20 s這條曲線中，再次出現(xiàn)上升趨勢并在52.33 nm處獲得曲線的第二個峰值，此峰值已經(jīng)進入聚集態(tài)微粒所屬區(qū)域。

經(jīng)分析可知，低轉速小負荷區(qū)域內(nèi)的瞬態(tài)工況下，核態(tài)區(qū)域內(nèi)（<50 nm）微粒數(shù)量濃度峰值隨時間呈現(xiàn)出一定趨勢，先增大，隨后降低并再次增大；聚集態(tài)區(qū)域內(nèi)（>50 nm）的微粒數(shù)量濃度則隨時間變化呈增大趨勢，到20 s時在聚集態(tài)區(qū)域出現(xiàn)明顯的曲線第二峰值現(xiàn)象。

2.2 微粒數(shù)量、質量濃度特性

瞬態(tài)工況下微粒的數(shù)量、質量濃度實驗結果如圖5所示，隨時間從0～20 s的過程中，總體微粒數(shù)量濃度呈現(xiàn)出先增大，然后降低并再次增大的趨勢。10 s時，可獲得微粒數(shù)量濃度的最小值，20 s時獲得微粒數(shù)量濃度的最大值；核態(tài)微粒和聚集態(tài)微粒的數(shù)量濃度變化特性與總體的微粒數(shù)量濃度變化特性基本一致，值得注意的是聚集態(tài)微粒數(shù)量濃度則在0 s時取得數(shù)量濃度的最小值；從核態(tài)微粒數(shù)量濃度隨時間變化規(guī)律可知，核態(tài)微粒始終在總體數(shù)量濃度中占據(jù)主導地位，但隨著時間變化，核態(tài)微粒在總體中所占的比例呈逐漸減小趨勢。20 s時，核態(tài)微粒在總體中所占的比例下降到了約85%。

隨時間從0～20 s的過程中，總體的微粒質量濃度呈現(xiàn)出先增大，然后降低并再次增大的趨勢。0 s時獲得微粒質量濃度的最小值，在20 s時獲得微粒質量濃度的最大值；核態(tài)微粒質量濃度隨時間的變化趨勢圖中值得注意的是，5 s時獲得微粒質量濃度曲線的最大值，10 s時獲得微粒質量濃度曲線的最小值，核態(tài)微粒質量濃度最終呈現(xiàn)減小的趨勢；聚集態(tài)的微粒質量濃度變化規(guī)律與總體的微粒質量濃度一致，0 s時獲得微粒質量濃度曲線的最小值，10 s時獲得微粒質量濃度曲線的最大值；隨時間從0～20 s的過程中，聚集態(tài)微粒質量濃度占總體質量濃度的比例呈現(xiàn)出先增大，然后基本持平并再次增大的趨勢，在0 s時獲得聚集態(tài)微粒質量濃度的最小比例值為32%，在5 s、10 s、15 s的情況下，比例值基本持平，保持在50%左右，20 s時獲得聚集態(tài)微粒質量濃度的最大比例值為62%。這一實驗結果充分說明，低轉速小負荷區(qū)間的瞬態(tài)工況下，核態(tài)微粒數(shù)量濃度值占據(jù)總體數(shù)量濃度的主導地位，而在微粒質量濃度方面，核態(tài)微粒和聚集態(tài)微粒沒有出現(xiàn)一方占據(jù)明顯主導地位的情況，兩者的微粒質量濃度基本持平。

2.3 微粒幾何平均直徑特性

實驗結果如圖6所示，微粒數(shù)量濃度幾何平均直徑（GMD）隨時間的變化，呈現(xiàn)出先增大后減小的整體趨勢。在0 s時達可獲得曲線最小值26.2 nm，在15 s時獲得曲線最大值29.8 nm；這一結果顯示，隨著時間的推移，GDI發(fā)動機產(chǎn)生的微粒數(shù)量濃度整體有一定的規(guī)律性，呈現(xiàn)出先移向大粒徑方向，隨后向小粒徑方向偏移的特征。微粒質量濃度幾何平均直徑隨時間的變化，呈現(xiàn)出先增大，然后減小，并再次增大的過程，在0 s時可獲得微粒質量濃度幾何平均直徑最小值為37.3 nm，在20 s時可獲得微粒質量濃度幾何平均直徑的最大值為47.6 nm；這一實驗結果說明，GDI發(fā)動機隨時間產(chǎn)生的微粒質量濃度整體有一定的變化趨勢，呈現(xiàn)出先向大粒徑方向移動，隨后稍向小粒徑方向偏移的趨勢，最終向大粒徑方向再次移動的特性。

2.4 TWC對微粒排放的影響

發(fā)動機臺架實驗結果如圖7所示，從0～20 s的5條微粒數(shù)量濃度曲線隨時間的變化趨勢基本一致，整體曲線呈現(xiàn)出雙峰趨勢。隨著微粒粒徑的增大，微粒的數(shù)量濃度先呈現(xiàn)出增大趨勢，并在25.48 nm粒徑處獲得曲線的第一核態(tài)微粒區(qū)域峰值，之后，微粒數(shù)量濃度隨粒徑的增大而降低，在50～60 nm處開始反彈，隨后一直呈上升趨勢，在93.06 nm粒徑處獲得數(shù)量濃度的第二聚集態(tài)微粒區(qū)域峰值。將圖7與三效催化器前的微粒數(shù)量濃度曲線進行比較可知，核態(tài)區(qū)域內(nèi)的微粒數(shù)量濃度峰值明顯減小，且在聚集態(tài)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)明顯的第二峰值。這一結果說明，大量的核態(tài)微粒經(jīng)過三效催化器后進行了形態(tài)轉化，生成了聚集態(tài)的微粒。

圖8所示為三效催化器隨時間變化對核態(tài)微粒和聚集態(tài)微粒的催化效率。從實驗數(shù)據(jù)可知，三效催化器對核態(tài)微粒的催化效率較高，幾乎能夠穩(wěn)定保持在77%的催化效率上下，大部分的核態(tài)微粒經(jīng)由三效催化器轉化為聚集態(tài)微粒，從而大大降低了三效催化器后的核態(tài)微粒的濃度；三效催化器對聚集態(tài)微粒的催化效率在實驗初期時處于較低的水平，只有54.06%，隨后呈上升趨勢，最終可達到72.55%左右。出現(xiàn)這一催化效率上升的現(xiàn)象是因為實驗開始時排氣溫度較低，三效催化器沒有起燃，催化效果相對較差，當實驗開始并進行一段時間后，溫度上升后，其催化效果逐漸好轉，因此，可達到并維持在催化效率較高的水平。

3 結論

該文針對某1.4T GDI汽油機分析低速小負荷區(qū)間下，發(fā)動機瞬態(tài)實驗中該GDI汽油機排氣微粒數(shù)量、質量濃度和微粒粒徑分布的規(guī)律特性。從實驗數(shù)據(jù)可知，在低轉速小負荷區(qū)間瞬態(tài)工況下，有如下情況。

（1）排氣微粒數(shù)量濃度核態(tài)區(qū)域內(nèi)峰值隨時間變化，呈現(xiàn)出先增大，隨后降低并再次增大的趨勢；排氣微粒數(shù)量濃度在聚集態(tài)區(qū)域則呈現(xiàn)出增大趨勢，20 s時排氣微粒濃度曲線顯示聚集態(tài)區(qū)域內(nèi)形成了曲線的第二峰值。

（2）總體微粒的數(shù)量濃度方面，核態(tài)微粒占據(jù)85%以上，起到主導作用。

（3）總體微粒的質量濃度方面，核態(tài)微粒和聚集態(tài)微粒基本持平。0 s時，核態(tài)微粒占據(jù)比例以36%的優(yōu)勢領先于聚集態(tài)微粒；5～15 s時，核態(tài)微粒與聚集態(tài)微粒占比基本一致，于50%上下浮動；20 s時，核態(tài)微粒占據(jù)比例以24%落后于聚集態(tài)微粒。

（4）在瞬態(tài)工作條件下，三效催化器對核態(tài)微粒的催化效率始終處于較高水平，保持在77%左右；三效催化器對聚集態(tài)微粒的催化效率在開始時較低，只有54.06%，隨著實驗溫度的升高，其催化效率逐漸上升到較高水平，達到72.55%左右并保持這一水平。

參考文獻

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