降低氣缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的顆粒物排放

【德】　H.Dagef?rde　M.Bertsch　H.Kubach　T.Koch

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廢氣凈化

降低氣缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的顆粒物排放

【德】H.Dagef?rdeM.BertschH.KubachT.Koch

為了識(shí)別顆粒物排放的原因及其影響參數(shù)，德國卡爾斯魯厄(Karlsruhe)理工學(xué)院(KIT)活塞機(jī)械研究所(IFKM)在內(nèi)燃機(jī)研究聯(lián)合會(huì)(FVV)研究計(jì)劃項(xiàng)目中，采用單行程曲柄連桿機(jī)構(gòu)裝置和單缸試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)研究。2種試驗(yàn)載體都裝配了噴油器布置在中央的汽油缸內(nèi)直接噴射系統(tǒng)。通過光學(xué)、熱力學(xué)和廢氣分析測(cè)量技術(shù)的組合應(yīng)用及其在試驗(yàn)裝置上的眾多應(yīng)用，能夠?qū)Ω鱾€(gè)影響參數(shù)進(jìn)行單獨(dú)的考察，并與顆粒物排放的測(cè)量值聯(lián)系起來。

顆粒物排放混合氣排氣背壓

1　起因

降低有害物排放和提高效率是發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)最重要的目標(biāo)。在過去的幾年中，廢氣渦輪增壓和氣缸內(nèi)直接噴射已成為汽油機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，但是隨著氣缸內(nèi)混合氣形成出現(xiàn)了顆粒物排放量的增加，而這些顆粒物絕大多數(shù)是有損于人類健康的。

因此，該項(xiàng)研究計(jì)劃的目標(biāo)是了解轎車缸內(nèi)直噴汽油機(jī)顆粒物排放的形成原因，并通過機(jī)內(nèi)措施將顆粒物排放降低到極限。這項(xiàng)研究計(jì)劃需要全面了解發(fā)動(dòng)機(jī)在顆粒物的形成、氧化、特性和排放等方面的影響因素，并借助光學(xué)測(cè)量方法分析混合氣的形成和燃燒，測(cè)量廢氣中顆粒物的濃度及其尺寸分布，并通過電子顯微光學(xué)技術(shù)研究排放碳煙的形態(tài)學(xué)及其化學(xué)成分。

2　試驗(yàn)裝置

發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)研究工作在1臺(tái)噴油器布置在中央的單缸試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行，其主要技術(shù)規(guī)格列于表1。

表1　試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)規(guī)格

其氣缸蓋上的2個(gè)光源和攝像機(jī)的通道用于燃燒室內(nèi)的光學(xué)試驗(yàn)研究，并配備了外徑為8mm和視角范圍為70°的內(nèi)窺鏡，它們的布置狀況示于圖1(a)，而圖1(b)則示出了通過這種結(jié)構(gòu)布置所能觀察到的燃燒室范圍。

3　顆粒物測(cè)量技術(shù)

為了采集廢氣中的顆粒物濃度，所有試驗(yàn)都使用了先進(jìn)的AVL 498型顆粒計(jì)數(shù)器(APC)，或TSI 3090型發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣顆粒篩(EEPS)，并將這些裝置一起應(yīng)用于AVL測(cè)量系統(tǒng)的采樣系統(tǒng)(圖2)。為了將揮發(fā)性顆粒物清除器(VPR)稀釋廢氣中的顆粒物濃度，使其保持在適合于串聯(lián)式測(cè)量系統(tǒng)的范圍內(nèi)，將廢氣稀釋100～2000倍。

圖2　具有公共取樣裝置和稀釋裝置的顆粒測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4　試驗(yàn)結(jié)果

下面簡(jiǎn)要介紹3年研究計(jì)劃的試驗(yàn)研究成果。試驗(yàn)研究在3種對(duì)新歐洲行駛循環(huán)(NEDC)具有重要意義的運(yùn)行工況點(diǎn)進(jìn)行： (1) 50km/h等速行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)平均指示壓力為0.2MPa，轉(zhuǎn)速為2000r/min；(2) 加速到120km/h時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)平均指示壓力為0.8MPa，轉(zhuǎn)速為2000r/min；(3) 催化轉(zhuǎn)化器加熱運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)平均指示壓力為0.18MPa，轉(zhuǎn)速為1200r/min，燃燒重心位置大于等于點(diǎn)火上止點(diǎn)后75°CA，該運(yùn)行工況點(diǎn)附加用當(dāng)時(shí)的廢氣熱焓流量(單位： kW/L)來描述。

顆粒物排放量是眾多影響因素相互作用的綜合結(jié)果，這些因素影響混合氣形成和氧化。下面討論影響混合氣形成的某些參數(shù)。因?yàn)轭w粒物基本由碳粒組成的，因此燃油系統(tǒng)是噴油嘴幾何參數(shù)、噴油壓力和噴油策略及其所導(dǎo)致的空燃比起著決定性的作用。對(duì)燃油進(jìn)一步深入的試驗(yàn)研究的成果已在2013年韓國首爾的SAE會(huì)議[1]上作過介紹。

4.1噴油嘴型式

為了分析噴油對(duì)產(chǎn)生顆粒物排放的影響，該研究計(jì)劃準(zhǔn)備了不同的流量、噴嘴幾何參數(shù)、噴霧錐角和敏感度的多種噴油器(圖3)。在該研究計(jì)劃的前半部分全面地研究了所有噴油器的參數(shù)變化[2]，而研究計(jì)劃的后半部分則根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果選擇了具有合適噴霧目標(biāo)的多孔噴嘴(Delphi M12噴油器)和A型噴嘴(Delphi M20噴油器)2種噴油器。A型噴嘴的噴束自由長度僅45mm，因噴霧較為寬大而直至氣缸壁面，多孔噴束的自由長度為81mm，鑒于噴霧-壁面的相互作用，為混合氣形成提供了明顯有利的條件。在采用A型噴嘴運(yùn)行并且在進(jìn)氣行程中單次噴油量超過25mg時(shí)，就不能避免燃油潤濕進(jìn)氣門。此時(shí)，除了燃油積聚之外，由于燃油的沖刷效應(yīng)，可觀察到廢氣中的機(jī)油份額增多，從而使用多孔噴嘴能夠通過選擇合適的噴油點(diǎn)來避免燃油與零件的相互作用。

圖3　噴油情況概貌

為了研究噴霧特性(單個(gè)噴束與空心噴霧錐體比較)和噴霧錐角(多孔噴嘴的75°錐角與A型噴嘴的90°錐角比較)對(duì)顆粒物排放的影響，在催化轉(zhuǎn)化器加熱運(yùn)行時(shí)，采用進(jìn)氣行程長的主噴射(大于25mg)，以及在接近點(diǎn)火時(shí)刻的針閥彈道運(yùn)行(噴油器針閥不碰到觸止的部分升程)范圍內(nèi)的短噴射(約0.3mg)。

在催化轉(zhuǎn)化器加熱運(yùn)行時(shí)需要準(zhǔn)備好大量的廢氣熱焓流量。此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行是在無節(jié)流地狀態(tài)下推遲燃燒重心點(diǎn)。由于燃燒重心點(diǎn)推遲，在充量擾動(dòng)水平較弱的情況下循環(huán)波動(dòng)較大。在接近點(diǎn)火時(shí)刻噴射最小燃油量，在火花塞附近形成濃混合氣，并加強(qiáng)充量的擾動(dòng)水平，達(dá)到穩(wěn)定的燃燒，這樣發(fā)動(dòng)機(jī)就能在略微稀薄的混合氣中運(yùn)行，從而避免高的碳?xì)浠衔?HC)排放。此時(shí)，受到火花塞附近濃混合氣或者燃油未完全蒸發(fā)的限制，可能會(huì)導(dǎo)致較為顯著的顆粒物排放。

圖4示出了上述2種噴油器在針閥彈道運(yùn)行范圍內(nèi)噴射最小燃油量時(shí)噴束的擴(kuò)展過程。從圖中可明顯看出，在A型噴嘴的燃油準(zhǔn)備時(shí)，無單個(gè)油滴情況發(fā)生，而且燃油準(zhǔn)備較快速，明顯優(yōu)于多孔噴嘴。而使用多孔噴嘴時(shí)，在火花塞周圍范圍內(nèi)，尤其是在噴油終了即噴油器針閥關(guān)閉時(shí)，可見單個(gè)油滴。主要是因?yàn)榭招腻F體噴霧具有比多孔噴嘴更好的噴束起始段。空心錐體噴霧中的燃油通過環(huán)形縫隙均勻分配，甚至在針閥彈道運(yùn)行范圍內(nèi)最小噴油量也是以15MPa的全部壓力進(jìn)行噴射的，而多孔噴嘴因受到針閥、噴孔等內(nèi)部節(jié)流部位的限制，在針閥開啟過程期間的噴射壓力與共軌壓力并不相符，由于針閥在彈道運(yùn)行范圍內(nèi)并沒有完全打開，在噴孔中燃油達(dá)到全部壓力之前針閥又重新關(guān)閉，因而受到噴束動(dòng)量較小的限制，使得噴孔中殘余燃油和后滴油的概率增加。加之噴油與點(diǎn)火之間的時(shí)間極短，導(dǎo)致了多孔噴嘴接近點(diǎn)火時(shí)刻的噴射準(zhǔn)備要比A型噴嘴差很多(多孔噴嘴超過1.5×106/cm3，A型噴嘴低于0.5×106/cm3)。

圖4　最小噴油量(0.3mg)時(shí)的噴束準(zhǔn)備

4.2噴油策略和空燃比

由于前面已提到的原因，無論是為了減小燃燒波動(dòng)還是降低顆粒物排放，接近點(diǎn)火時(shí)刻的噴射在時(shí)間和空間上的正確定位是至關(guān)重要的。為了對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)的試驗(yàn)研究，曾借助于用于光學(xué)測(cè)定電極范圍內(nèi)燃油濃度的火花塞(LaVision ICOS Fuel)測(cè)試系統(tǒng)LaVision公司開發(fā)的缸內(nèi)燃燒光學(xué)傳感器(ICOS測(cè)試系統(tǒng))就接近點(diǎn)火時(shí)刻的噴射對(duì)火花間隙附近燃油濃度的影響進(jìn)行試驗(yàn)研究，并探討顆粒物排放與燃燒波動(dòng)之間的關(guān)系。為此，發(fā)動(dòng)機(jī)采用總體過量空氣系數(shù)為1.05、廢氣流單位熱焓為6kW/L、進(jìn)氣行程2次噴射和接近點(diǎn)火時(shí)刻第3次噴射的方式運(yùn)行，并交替使用多孔噴油器(M12)和A型噴油器(M20)進(jìn)行試驗(yàn)。圖5示出了接近點(diǎn)火時(shí)刻的噴油時(shí)間定位的影響，其中圖5(a)與圖5(b)是多孔噴嘴(MLV)的測(cè)量值,而圖5(c)與圖5(d)則是A型噴嘴(A-Düse)的測(cè)量值。圖5(a)與圖5(c)第3次噴油(SOI3)各種不同噴油始點(diǎn)時(shí)在點(diǎn)火時(shí)刻火花塞附近的λ曲線，而圖5(b)與圖5(d)則是相應(yīng)的顆粒物排放值和燃燒波動(dòng)幅度(平均指示壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差)。在第3次噴油時(shí)，2種噴油器以最小的控制持續(xù)時(shí)間0.22ms運(yùn)行，從而使接近點(diǎn)火時(shí)刻的噴油量在多孔噴嘴時(shí)約為0.3mg(總噴油量的1.3%),而在A型噴嘴時(shí)約為0.9mg(總噴油量的3.9%)。

圖5　接近點(diǎn)火時(shí)刻的第3次噴油的影響

在采用多孔噴嘴時(shí)，在整個(gè)變化范圍內(nèi)可觀察到火花塞附近的混合氣被明顯加濃，只有在點(diǎn)火后噴油時(shí)混合氣濃度才會(huì)減輕。對(duì)此，可觀察到穩(wěn)定的小的燃燒波動(dòng)(平均指示壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差)，而且它始終低于無限接近點(diǎn)火時(shí)刻噴油的數(shù)值(0.02MPa)。同時(shí)，顆粒物排放處于較高的水平，并且隨著噴油與點(diǎn)火之間時(shí)間間隔的縮短而不斷地增加。在采用A型噴嘴時(shí)的測(cè)量結(jié)果則明顯不同，與第3次噴油始點(diǎn)無關(guān)，火花間隙處的混合氣幾乎沒有加濃，與多孔噴嘴相比，其顆粒物排放始終處于較低的水平，即使是采用無接近點(diǎn)火時(shí)刻噴油的運(yùn)行策略也是如此。與采用多孔噴嘴運(yùn)行時(shí)的情況不同，在第3次噴油始點(diǎn)大于點(diǎn)火時(shí)刻前0.5°CA的情況下，其燃燒波動(dòng)(平均指示壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差)比無接近點(diǎn)火時(shí)刻噴油運(yùn)行時(shí)增大，但是在其余范圍內(nèi)則處于非常低的數(shù)值。2種噴油器λ測(cè)量結(jié)果的比較表明，A型噴嘴的混合氣準(zhǔn)備明顯較好，特別是在針閥彈道運(yùn)行范圍內(nèi)，此時(shí)若采用多孔噴嘴的話，因噴油器中的節(jié)流損失使得噴嘴處的壓力仍不能達(dá)到全部的噴油壓力，這會(huì)導(dǎo)致相對(duì)較小動(dòng)量的較大油滴，從而對(duì)噴束起始段產(chǎn)生不利的影響。與此相反，在使用針閥向外開啟的A型噴嘴的情況下，即使在針閥彈道運(yùn)行范圍內(nèi)，也能提供全部的噴油壓力，因而即使是最小噴油量也具有高的動(dòng)量，噴霧起始段也不會(huì)受到節(jié)制。

用這些由噴油器所決定的性能就能解釋圖5中的λ測(cè)量曲線。顆粒物排放和運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性的相互關(guān)系表明，雖然點(diǎn)火時(shí)刻混合氣的局部加濃會(huì)使燃燒變得穩(wěn)定，但是也會(huì)導(dǎo)致或可能導(dǎo)致顆粒物排放的增加，特別是隨著第3次噴油始點(diǎn)與點(diǎn)火時(shí)刻之間的時(shí)間間隔縮短更會(huì)如此。但是，為了獲得可靠穩(wěn)定的燃燒并且不會(huì)明顯增加顆粒物排放，必須避免在明顯低于λ=1的區(qū)域強(qiáng)烈地加濃，而是盡可能僅通過噴射產(chǎn)生擾動(dòng)來達(dá)到燃燒穩(wěn)定的效果。為此，不僅需要接近點(diǎn)火時(shí)刻的噴射在空間和時(shí)間上精確定位，而且應(yīng)采用即使最小噴油量也能具有高動(dòng)量的噴油器來形成混合氣。

4.3噴油壓力

在眾多的公開出版物[2-3]中已討論過，提高噴油壓力原則上能對(duì)混合氣形成和降低顆粒物排放起到有利的影響，但是也證實(shí)了在采用A型噴嘴的情況下，噴油壓力降低到8.0MPa，通過匹配合適的噴油策略也未必會(huì)導(dǎo)致顆粒物排放的明顯增加，因此例如在平均指示壓力0.8MPa和轉(zhuǎn)速2000r/min的運(yùn)行工況點(diǎn)的顆粒物排放水平可達(dá)到低于顆粒數(shù)1.0×105/cm3。而多孔噴嘴在這樣的噴油壓力下的顆粒物排放濃度則不會(huì)低于顆粒數(shù)1.5×106/cm3，但是這不能僅僅用較低的噴油壓力所導(dǎo)致的不良的混合氣準(zhǔn)備來進(jìn)行解釋。更確切地說是，較弱的噴射動(dòng)量導(dǎo)致了殘留于噴油器頂端的液態(tài)燃油沒有完全蒸發(fā)，從而形成結(jié)焦，而這些結(jié)焦即使噴油壓力重新提高到20MPa也無法完全消除，因?yàn)樵趪娪推黜敹诵纬煞e炭而使顆粒物排放從顆粒數(shù)7.1×104/cm3增加到10倍。圖6示出了2種噴油器在上述運(yùn)行工況點(diǎn)的顆粒尺寸分布狀況，從顆粒尺寸分布的測(cè)量中可清楚地看到，由于噴油壓力的降低，在結(jié)焦運(yùn)行模式中平均顆粒直徑也隨之增大，從而可以推斷，隨著噴油壓力的降低，排放的顆粒質(zhì)量比顆粒數(shù)增加得更快，這種現(xiàn)象已在其他的試驗(yàn)[4]中觀察到了。

圖6　噴油壓力和噴油器狀況對(duì)顆粒尺寸的影響

5　結(jié)論和展望

在內(nèi)燃機(jī)研究聯(lián)合會(huì)(FVV)研究計(jì)劃工作中，借助機(jī)內(nèi)試驗(yàn)方法與確定廢氣中顆粒數(shù)和顆粒尺寸分布的測(cè)量技術(shù)的組合，研究各種發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)對(duì)顆粒形成、氧化及其形態(tài)學(xué)的影響。

該研究計(jì)劃的第2部分從2013年8月起就已修改，將研究領(lǐng)域擴(kuò)展到了更高的負(fù)荷范圍(最大負(fù)荷1.4MPa)，特別是在增壓運(yùn)行時(shí)，大噴油量的準(zhǔn)備對(duì)于低顆粒物排放運(yùn)行是1個(gè)挑戰(zhàn)。將各種不同的充量運(yùn)動(dòng)和提高噴油壓力作為改善混合氣形成的變化參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。在單缸試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)上，能夠與增壓壓力無關(guān)地采用不同的廢氣背壓，應(yīng)用這種自由度及改變配氣定時(shí)，就能夠設(shè)置各種不同的熱力學(xué)邊界條件，此外這樣也就能夠取得與采取附加的外部EGR對(duì)熱量的影響一樣的效果。圖7示出了各種變化參數(shù)及所應(yīng)用的測(cè)量技術(shù)，它們被用于評(píng)判顆粒的形成及其氧化。除了常規(guī)的廢氣分析以及先前所應(yīng)用的光學(xué)和顆粒測(cè)量技術(shù)之外，還應(yīng)用了傅里葉轉(zhuǎn)換紅外線光譜(FTIR)技術(shù)來分析氣態(tài)排放。

從該研究項(xiàng)目中所獲得的經(jīng)驗(yàn)有助于更深入地理解汽油機(jī)顆粒物形成的機(jī)理、影響參數(shù)和轉(zhuǎn)化效率，應(yīng)用由此所獲得的技術(shù)能夠使未來發(fā)動(dòng)機(jī)通過有針對(duì)性地優(yōu)化零部件和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)來降低顆粒物排放。

圖7　系列計(jì)劃中的研究重點(diǎn)

[1] Dagef?rde H， Koch T， Beck K， u. a. Influence of fuel composition on exhaust emissions of a DISI engine during catalyst heating operation[C]. SAE Paper 2013-01-2571.

[2] Dagef?rde H, Kubach H, Spicher U.Untersuchung von ma?nahmen zur reduktion der partikel-anzahlemissionen bei Otto-DI-Motoren[C]. Zwischenbericht über das Vorhaben Nr.1046, FVV Heft R558,2012.

[3] Schumann F, Kubach H, Spicher U. The influence of injection pressures of up to 800 bar on catalyst heating operation in gasoline direct injection engines[C]. Comodia Proceedings，2012: 305-310.

[4] Matousek T, Dagef?rde H, Bertsch M. Influence of injection pressures up to 300 bar on particle emissions in a GDI-engine[C]. Proceedings of 17thETH-Conference on Combustion Generated Nanoparticles, Zürich,2013.

2015-12-1)