二次噴射時刻對GDI汽油機顆粒物排放的影響

陳雨陽， 莊祝躍， 方俊華， 喬信起

(上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院， 上海 200240)

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·性能研究·

二次噴射時刻對GDI汽油機顆粒物排放的影響

陳雨陽， 莊祝躍， 方俊華， 喬信起

(上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院， 上海 200240)

研究了缸內(nèi)直噴汽油機在不同二次噴射時刻條件下的顆粒物粒徑分布特性。試驗工況為最大扭矩轉(zhuǎn)速2 000 r/min工況，負荷率分別為10%，30%，60%。試驗結(jié)果表明：不同二次噴射時刻下，缸內(nèi)直噴汽油機顆粒物粒徑呈單峰分布，低負荷數(shù)量峰值在對應(yīng)的積聚模態(tài)70 nm附近。低負荷下，合理優(yōu)化二次噴油時刻可以降低顆粒物排放；中等負荷時，單次噴射的顆粒物排放遠低于二次噴射。

汽油機； 二次噴射； 顆粒； 粒徑分布

缸內(nèi)直噴(GDI)汽油機是直接將燃油噴射到氣缸中,通過改變噴入氣缸的油量來控制發(fā)動機負荷。相對傳統(tǒng)進氣道噴射汽油機，GDI發(fā)動機燃油消耗減少15%～20%，CO2排放降低，然而顆粒物排放在質(zhì)量濃度和數(shù)濃度上均有所增加[1]。顆粒物排放與缸內(nèi)直噴汽油混合氣形成密切相關(guān)，改變噴油策略會對混合氣形成產(chǎn)生很大影響[2]。因此，可以通過噴油策略控制形成合理混合氣分布，減少顆粒物排放。

二次噴油策略是應(yīng)用在車用發(fā)動機上的一種準均質(zhì)稀燃技術(shù)[3-4]。受缸內(nèi)流場和噴霧的共同作用，二次噴油策略使得缸內(nèi)混合氣的均勻性有所降低，形成了火花塞處較濃，周邊較稀的分層混合氣[5]。相關(guān)試驗證明，合理的噴油策略下，二次噴射較單次噴射油膜量少，缸內(nèi)的滾流比總體趨勢有所下降，液滴碰壁現(xiàn)象有改善，濕壁比例由1.79%降至1.32%[6]，燃油消耗率明顯降低[7]。同時，數(shù)值模擬和試驗發(fā)現(xiàn)，采用二次噴射形成的分層當(dāng)量比混合氣能夠顯著地降低爆震強度[8]。針對二次噴油策略對顆粒物排放的影響，學(xué)者開展了相關(guān)研究。Xin He等[9]研究表明，二次噴油策略有降低GDI汽油機顆粒物排放的潛力。通過對比單次噴射，Whitaker P等[10]研究發(fā)現(xiàn)，在冷起動、冷機瞬態(tài)、熱機瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)過程中，二次噴油策略明顯有助于降低顆粒物排放?；诙螄娪涂刂祁w粒物排放的研究方向，研究了中低負荷下第二次噴射時刻對顆粒物粒徑分布的影響，并且和同負荷下的單次噴射顆粒物排放進行對比，以明確噴油策略的調(diào)控趨勢，為進一步研究和降低GDI汽油機顆粒物排放提供參考。

1 試驗設(shè)備和試驗方法

1.1 試驗樣機

試驗樣機為1臺4缸缸內(nèi)直噴式增壓汽油機，主要技術(shù)參數(shù)見表1，試驗用燃料為國Ⅳ95號汽油。

表1 樣機的主要技術(shù)參數(shù)

1.2 顆粒數(shù)量和粒徑分析儀器及測試方法

顆粒物分析儀器采用TSI3034掃描遷移性顆粒粒徑分析儀(Scanning Mobility ParticleSizer，SMPS)，其基本的原理是利用帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)從而篩分不同粒徑粒子，通過凝聚顆粒計數(shù)器(CPC)來測定顆粒物濃度。進氣流量為1 L/min，顆粒粒徑測量范圍為10～487 nm，共分54個粒徑分級，每3 min完成整個粒徑范圍的一個掃描，顆粒數(shù)濃度測量范圍為102～107個/cm3。在SMPS采樣口前接入熱擴散管TD(thermodenuder)，顆粒物在熱擴散管停留約26 s后進入常溫擴散層，其中揮發(fā)組分在擴散層被活性炭吸附，吸附效率接近100%，剩余組分進入SMPS進行檢測，故本試驗主要測排氣中的干炭煙(Dry soot)。為達到測試儀器的測試量程范圍和溫度要求，排氣需通過稀釋通道進行稀釋，顆粒稀釋取樣系統(tǒng)見圖1。本試驗采用兩級稀釋，總稀釋比為84。第1級稀釋系統(tǒng)采用TSI專業(yè)旋轉(zhuǎn)盤稀釋器，對采集到的汽油機排氣進行稀釋，控制初級稀釋系統(tǒng)的加熱溫度為(150±10) ℃，第1級稀釋比為10.5，蒸發(fā)管的溫度為(350±10) ℃，第2級稀釋系統(tǒng)加熱溫度為(25±1) ℃，稀釋比為8。稀釋比的確定是通過相同工況下同時測量排氣管和稀釋后混合氣中的CO2濃度得到的，其計算公式如式(1)所示：

(1)

圖1 顆粒稀釋取樣系統(tǒng)

1.3 試驗工況

為了有效反映GDI汽油機低負荷運行過程中的顆粒物排放特性，試驗選取典型轉(zhuǎn)速——最大扭矩轉(zhuǎn)速2 000 r/min，負荷分別選取25 N·m，75 N·m，150 N·m，對應(yīng)的負荷率為10%，30%，60%。每組試驗均在發(fā)動機工況穩(wěn)定后測量，保持水溫(90±1) ℃，油溫(95±1) ℃，消除發(fā)動機冷卻水溫和機油溫度對顆粒物測量結(jié)果的影響。在整個發(fā)動機二次噴射試驗過程中，為保證火花塞附近混合氣為濃混合氣，同時遠端的混合氣不至于過稀失火，試驗設(shè)定第一次噴油量與第二次噴油量之比為1∶1。固定第一次噴射角為303°BTDC，第二次噴射角為160°BTDC，在此基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)第二次噴射角±3°，±9°，研究第二次噴射時刻對顆粒物粒徑分布的影響，并與相同負荷下單次噴射(SI，single injection)顆粒物粒徑分布進行對比分析。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 顆粒物粒徑分布

圖2至圖4示出該汽油機在不同二次噴射角下排氣顆粒物的粒徑分布。由圖2至圖4可見：隨著二次噴射角和負荷的變化，最大扭矩轉(zhuǎn)速下的排氣顆粒粒徑都呈現(xiàn)包含核模態(tài)粒子(10 nm

圖2 顆粒數(shù)量的粒徑分布(2 000 r/min，10%負荷)

圖3 顆粒數(shù)量的粒徑分布(2 000 r/min，30%負荷)

圖4 顆粒數(shù)量的粒徑分布(2 000 r/min，60%負荷)

2.2 顆?？倲?shù)量濃度與總質(zhì)量濃度

顆粒質(zhì)量的含義是指單位體積排氣氣溶膠的總質(zhì)量。假設(shè)所有排氣顆粒都呈球形，密度為1.2 g/cm3，即可將顆粒物數(shù)濃度轉(zhuǎn)化為質(zhì)量濃度[11]。將各負荷下核模態(tài)粒子(10 nm

由圖5至圖7可看出，隨著負荷的遞增，顆粒數(shù)濃度呈遞增趨勢。在低負荷下，積聚態(tài)顆粒物數(shù)量較核模態(tài)多，核模態(tài)顆粒物數(shù)量隨著二次噴射角的變化較?。恢械蓉摵上?，核模態(tài)的顆粒物隨著二次噴射角的變化趨勢與總的顆粒物變化趨勢相似，且核模態(tài)的顆粒數(shù)量遠多于積聚模態(tài)。

其次，對比單次噴射和二次噴射的顆粒物數(shù)量可以發(fā)現(xiàn)，低負荷下，相比單次噴射，合適的二次噴射角能降低顆粒物數(shù)量；中等負荷時，單次噴射的顆粒物數(shù)量相比二次噴射少1個數(shù)量級。這主要是因為低負荷時二次噴油形成分層燃燒的效果比單次噴射均質(zhì)混合氣燃燒的效果好。而中等負荷時，油氣混合時間縮短，二次噴油燃料來不及燃燒，致使顆粒物排放比單次噴射高。每個低負荷工況下均有合適的二次噴油角使得二次噴射較單次噴射的顆粒物排放低。二次噴射較早，導(dǎo)致部分燃油直接撞擊活塞頂部，燃油蒸發(fā)量過少，燃燒性能惡化；二次噴射較晚，油氣混合的時間過短，缸內(nèi)混合氣不均勻，分層燃燒效果不好。

圖8至圖10可看出，顆?？傎|(zhì)量濃度趨勢也與積聚模態(tài)質(zhì)量濃度保持一致。隨著負荷的遞增，顆粒質(zhì)量濃度呈先增大后減小的趨勢。在中低負荷下，積聚態(tài)顆粒物質(zhì)量濃度均遠大于核模態(tài)。其次，對比單次噴射和二次噴射的顆粒物質(zhì)量濃度可以發(fā)現(xiàn)，低負荷下，相比單次噴射，合適的二次噴射角能降低排放顆粒物質(zhì)量；中等負荷時，二次噴射的顆粒物質(zhì)量多于單次噴射顆粒物質(zhì)量，但兩者處于同一量級。

圖5 2 000 r/min，10%負荷時顆?？倲?shù)量濃度

圖6 2 000 r/min，30%負荷時顆粒總數(shù)量濃度

圖7 2 000 r/min，60%負荷時顆?？倲?shù)量濃度

圖8 2 000 r/min，10%負荷時顆?？傎|(zhì)量濃度

圖9 2 000 r/min，30%負荷時顆?？傎|(zhì)量濃度

圖10 2 000 r/min，60%負荷時顆?？傎|(zhì)量濃度

汽油機在低負荷時以計量比混合氣組織燃燒，過量空氣系數(shù)高，二次噴射階段燃料在到達富燃區(qū)之前即已被燃燒消耗掉，致使富燃區(qū)的燃燒得不到后續(xù)的燃料補充，同時，選擇合適的二次噴射時刻可使缸內(nèi)形成火花塞附近較濃、遠端較稀的混合氣，燃燒時火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，從而使得發(fā)動機混合氣燃燒好、排放低；中等負荷時缸內(nèi)二次噴射使得燃油和空氣混合的時間大大縮短，燃燒環(huán)境惡劣化，基礎(chǔ)碳粒子生成量劇增，顆粒物濃度遠大于單次噴射。這與Maricq等[12]的研究結(jié)果——尾氣中顆粒物數(shù)量隨著汽油機過量空氣系數(shù)的降低而增加一致。

圖11所示的不同負荷下HC濃度也證明了在中等負荷下二次噴射使得缸內(nèi)燃燒環(huán)境惡化的說法。60%負荷時HC濃度較其他負荷時高出很多，原因是兩次噴油間隔內(nèi)燃油和空氣混合時間大大縮短，致使發(fā)動機內(nèi)的燃燒環(huán)境惡化，高溫缺氧使得燃油容易裂解成低分子的碳氫，低分子碳氫邊進行脫氫反應(yīng)邊生成細碳粒子，細碳粒子排出后可能仍以核模態(tài)存在，故HC濃度、核模態(tài)濃度大幅增加。這也與以往研究結(jié)果認為的“核態(tài)顆粒物是發(fā)動機燃燒過程中生成的初級碳顆粒、硫酸鹽以及HC化合物等經(jīng)過成核現(xiàn)象而形成的[13]”相符。

圖11 不同負荷的HC濃度(2 000 r/min)

3 結(jié)論

a) 隨著二次噴射角的變化，最大扭矩轉(zhuǎn)速下中、低負荷顆粒粒徑分布均呈現(xiàn)單峰分布，數(shù)量峰值在對應(yīng)的積聚模態(tài)70 nm附近；

b) 相對于合適的二次噴油角，試驗測試工況下提前和推遲二次噴射均導(dǎo)致顆粒物排放增加；故在保證GDI增壓汽油機動力性、經(jīng)濟性的同時，合理優(yōu)化二次噴油角可以降低GDI增壓汽油機顆粒物排放；

c) 中等負荷時，由于二次噴射的油氣混合時間過短，燃燒環(huán)境惡化，單次噴射的顆粒物排放效果要遠遠好于二次噴射。

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[編輯： 潘麗麗]

Effects of Secondary Fuel Injection Timing on Particle Emission of GDI Engine

CHEN Yuyang， ZHUANG Zhuyue， FANG Junhua， QIAO Xinqi

(Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

The characteristics of particle size distribution under different secondary injection timings were researched under the 10%, 30% and 60% load conditions at the maximum torque speed (2 000 r/min) of GDI engine. The results indicate that the particle size of secondary injection timing shows unimodal distribution with the number peak of low load around 70 nm accumulation mode. At low load, the reasonable optimization of secondary fuel injection timing can reduce particle emission. At medium load, the particle emission of single injection is far less than that of secondary fuel injection.

gasoline engine； secondary fuel injection； particulate matter； particle size distribution

2015-11-03；

2016-01-15

陳雨陽(1990—)，男，碩士，主要研究方向為內(nèi)燃機顆粒物排放；cyuyang@foxmail.com。

方俊華(1974—)，男，講師，博士，主要研究方向內(nèi)燃機燃燒與排放，內(nèi)燃機電子控制；fjunhua@sjtu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.01.009

TK421.5

B

1001-2222(2016)01-0048-04