控制參數(shù)對增壓缸內(nèi)直噴汽油機(jī)部分負(fù)荷下微粒排放特性的影響

鐘兵,洪偉,蘇巖,解方喜,韓林沛

(1.吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,130025,長春;2.浙江吉利汽車研究院有限公司,311200,杭州)

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控制參數(shù)對增壓缸內(nèi)直噴汽油機(jī)部分負(fù)荷下微粒排放特性的影響

鐘兵1,洪偉1,蘇巖1,解方喜1,韓林沛2

(1.吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,130025,長春;2.浙江吉利汽車研究院有限公司,311200,杭州)

為研究控制參數(shù)對缸內(nèi)直噴(GDI)汽油機(jī)微粒排放特性的影響,在一臺GDI汽油機(jī)上,當(dāng)控制冷卻液溫度為(85±2) ℃、點(diǎn)火正時(shí)為上止點(diǎn)前30°時(shí),研究了部分負(fù)荷下噴油壓力、噴油正時(shí)和過量空氣系數(shù)對微粒的粒徑分布特性和數(shù)量濃度排放的影響。結(jié)果表明,增大噴油壓力,微粒數(shù)量濃度峰值及其對應(yīng)的粒徑均減小。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速提高,微粒的總數(shù)量濃度升高;1 500 r/min時(shí)的積聚態(tài)微粒排放高于核態(tài)微粒排放,2 000 r/min和2 500 r/min時(shí)核態(tài)微粒排放高于積聚態(tài)微粒排放。噴油正時(shí)為上止點(diǎn)前270°時(shí),微粒排放最低;噴油正時(shí)為上止點(diǎn)前330°時(shí)容易形成較多較大尺寸的微粒,微粒數(shù)量濃度比其他噴油時(shí)刻高出一個數(shù)量級。增大過量空氣系數(shù),采用偏稀混合氣可以降低微粒排放數(shù)量,采用濃混合氣,核態(tài)微粒數(shù)量濃度高于積聚態(tài)微粒。該結(jié)果可為增壓缸內(nèi)直噴汽油機(jī)微粒排放特性研究提供參考。

缸內(nèi)直噴汽油機(jī);部分負(fù)荷;微粒排放;控制參數(shù)

為了滿足日益嚴(yán)格的法規(guī)要求,很多汽車廠商在汽車上采用了缸內(nèi)直噴(gasoline direct injection, GDI)汽油機(jī)。GDI汽油機(jī)直接將燃油噴入缸內(nèi),同時(shí)可以在不同工況對燃油噴油量和燃燒過程進(jìn)行更為精確的控制,從而降低燃油消耗量,提高輸出功率[1-2]。若采用分層燃燒、進(jìn)氣冷卻和增壓等相關(guān)措施,可進(jìn)一步降低冷啟動未燃碳?xì)浜投趸寂欧?因此GDI汽油機(jī)開始廣泛應(yīng)用于乘用車[3]。盡管如此,GDI汽油機(jī)仍存在一些缺點(diǎn),與進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)相比,GDI汽油機(jī)是將燃油直接噴入缸內(nèi),燃油和空氣混合時(shí)間較短,從而造成霧化不良和燃油濕壁等現(xiàn)象發(fā)生,因此其具有較高的微粒排放[2]。

微粒對人類健康有著重要影響[4]。大氣中顆粒物按空氣動力學(xué)直徑可分為3類:粗顆粒物(<10 μm)、細(xì)顆粒物(<2.5 μm)、超細(xì)顆粒物(<0.1 μm)。超細(xì)顆粒物粒徑小,易在肺內(nèi)沉積,并可進(jìn)入體內(nèi),同時(shí)其表面積較大,可以吸附較多的有害物質(zhì)[5],因此對人體呼吸系統(tǒng)和心腦血管產(chǎn)生不良影響,影響人類身體健康。所以,研究GDI汽油機(jī)的微粒排放特性具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

中國III、IV階段輕型汽車污染物排放限值并沒有對汽油車顆粒物排放進(jìn)行限制,V階段加入了對GDI汽油機(jī)顆粒物質(zhì)量(PM)排放的限制,而歐VI排放法規(guī)加入了對顆粒物數(shù)量(PN)排放的限制。國外學(xué)者對GDI微粒排放進(jìn)行過較多的研究,文獻(xiàn)[1,6-9]探究了噴油正時(shí)等對GDI發(fā)動機(jī)微粒的粒徑、數(shù)量濃度和微粒的微觀特性的影響,研究表明微粒生成是因?yàn)槿加挽F化不良造成的,微粒尺寸對噴油正時(shí)較為敏感,提前噴油微粒尺寸增大,推遲噴油更易產(chǎn)生小尺寸納米級顆粒。Bonatesta等探究了點(diǎn)火正時(shí)等對微粒尺寸的影響,發(fā)現(xiàn)點(diǎn)火正時(shí)同樣嚴(yán)重影響微粒尺寸[7,10]。Farron等探究了噴油壓力對微粒排放的影響,發(fā)現(xiàn)降低噴油壓力會導(dǎo)致微粒和未燃碳?xì)浠衔锱欧帕吭龃骩8]。

國內(nèi)學(xué)者開展了過量空氣系數(shù)[11]、點(diǎn)火正時(shí)[12-13]和噴油時(shí)刻[14]等控制參數(shù)對GDI微粒排放的影響,其中過量空氣系數(shù)對微粒排放的影響研究不夠深入,且缺少噴油壓力對微粒排放特性的影響研究,因此本文可以作為該方面的有效補(bǔ)充。

鑒于點(diǎn)火正時(shí)對微粒排放影響的研究較多,因此本文固定點(diǎn)火正時(shí),在一臺GDI汽油機(jī)上,針對常用轉(zhuǎn)速(1 500、2 000和 2 500 r/min),控制發(fā)動機(jī)冷卻水溫度不變,在部分負(fù)荷(約25%,40 N·m)下研究了控制參數(shù)(噴油時(shí)刻、噴油壓力和過量空氣系數(shù))對微粒的數(shù)量濃度和粒徑分布特性的影響。

1 試驗(yàn)裝置

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

圖1為試驗(yàn)臺架布置,其中發(fā)動機(jī)參數(shù)如表1所示,同時(shí)選用長春第一光學(xué)有限公司生產(chǎn)的WYCH21A3型光電信號編碼器采集曲軸轉(zhuǎn)角信號,采用AVL缸壓傳感器測量缸內(nèi)壓力,利用自行開發(fā)的基于飛思卡爾單片機(jī)控制系統(tǒng)在線調(diào)整發(fā)動機(jī)的運(yùn)行參數(shù)。

圖1 發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺架布置示意圖

試驗(yàn)采用美國TSI公司生產(chǎn)的微粒粒徑譜儀EEPSTM3090測量發(fā)動機(jī)尾氣微粒粒徑分布。由于GDI汽油機(jī)排氣中的微粒數(shù)量濃度具有較高的數(shù)量級[6],為防止超出粒徑質(zhì)譜儀的測量范圍,試驗(yàn)中采用帶有加熱功能的二級稀釋系統(tǒng)進(jìn)行稀釋。各個工況點(diǎn)的總稀釋比并不一致,每采集一個工況點(diǎn)記錄一次稀釋比,處理數(shù)據(jù)時(shí)每個數(shù)據(jù)點(diǎn)乘上各自的稀釋比后得出實(shí)際微粒排放。一級和二級加熱的溫度分別為250 ℃和300 ℃,一級加熱的目的主要是為了對稀釋空氣進(jìn)行加熱,二級加熱用于去除排氣中的揮發(fā)性物質(zhì)。

表1 發(fā)動機(jī)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中控制發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500、2 000和2 500 r/min,冷卻液溫度為(85±2) ℃,每一循環(huán)供油量為0.063 mL(約25%負(fù)荷,40 N·m),使用EEPS采集并記錄微粒排放數(shù)據(jù),由此研究了控制參數(shù)對增壓GDI汽油機(jī)微粒的粒徑Dp分布和數(shù)量濃度dN/dlg(Dp/nm)特性的影響,其中N為每立方厘米微粒的個數(shù)。試驗(yàn)中控制參數(shù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)中控制參數(shù)

注:粗體參數(shù)為其他參數(shù)變化過程中保持不變的參數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同噴油壓力的微粒排放特性

轉(zhuǎn)速為1 500、2 000和2 500 r/min,每一循環(huán)供油量為0.063 mL,點(diǎn)火時(shí)刻于上止點(diǎn)前30°,噴油時(shí)刻于上止點(diǎn)前270°,過量空氣系數(shù)為1.0時(shí)微粒排放特性如圖2所示。

從圖2可以看出,隨著燃油噴油壓力的升高,微粒數(shù)量濃度峰值逐漸降低,濃度峰值對應(yīng)的微粒粒徑逐漸減小。以2 500 r/min為例,當(dāng)噴油壓力從4.5 MPa提升到12.5 MPa時(shí),數(shù)量濃度峰值由2.4×107cm-3降低到0.93×107cm-3,峰值濃度對應(yīng)的粒徑由52.3 nm減小為39.2 nm。

(a)1 500 r/min時(shí)微粒的粒徑分布

(b)1 500 r/min時(shí)微粒的數(shù)量濃度分布

(c)2 000 r/min時(shí)微粒的粒徑分布

(d)2 000 r/min時(shí)微粒的數(shù)量濃度分布

(e)2 500 r/min時(shí)微粒的粒徑分布

(f)2 500 r/min時(shí)微粒的數(shù)量濃度分布圖2 微粒的粒徑分布特性和數(shù)量濃度隨噴油壓力的變化歷程

分析可知:隨著噴油壓力的降低,油滴尺寸增大,油束貫穿距縮短,燃油霧化變差,燃油和空氣混合不良,混合氣均勻性變差,微粒和未燃碳?xì)浠衔?UHC)的排放增多,微粒成核量增多,從而導(dǎo)致微粒排放的數(shù)量濃度增高;較大的液滴尺寸更易生成較大尺寸的微粒,使UHC排放增多,并對微粒生長過程起到了促進(jìn)作用,從而加速了一系列表面生長等過程,致使微粒粒徑增大。此外,噴油壓力升高,混合氣混合均勻,燃燒改善,而燃燒溫度和排氣溫度升高都可以加速微粒和UHC的后期氧化,致使微粒粒徑減小,數(shù)量濃度降低。

對比圖2的柱狀圖發(fā)現(xiàn):①發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速提高,微粒數(shù)量濃度總和的排放量升高;②發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)積聚態(tài)微粒排放高于核態(tài)微粒排放,與2 000 r/min和2 500 r/min的規(guī)律相反。例如,當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min、噴油壓力為4.5 MPa時(shí),數(shù)量濃度峰值為1.2×107cm-3,其對應(yīng)的微粒粒徑為69.8 nm,而2 000 r/min、噴油壓力為4.5 MPa時(shí),數(shù)量濃度峰值為2.0×107cm-3,對應(yīng)粒徑為52.3 nm。分析可知,發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速升高,氣體溫度(缸內(nèi)和排氣)升高,氣體停留時(shí)間縮短,升高的缸內(nèi)最高溫度增大了微粒的生成和氧化率,但縮短了的停留時(shí)間會降低上述2個過程的持續(xù)時(shí)間。從試驗(yàn)結(jié)果來看,微粒的生成速率大于氧化速率。同等負(fù)荷下,與2 000 r/min和2 500 r/min相比,1 500 r/min時(shí)節(jié)氣門開度較小,發(fā)動機(jī)缸內(nèi)氣流運(yùn)動較弱,較弱的氣流運(yùn)動不利于燃油霧化,這種環(huán)境利于生成較多的積聚態(tài)微粒。燃油霧化不良,碳?xì)浠衔锱欧帕吭龆?進(jìn)而顆?？稍谂蛎浐团艢膺^程中吸附更多的碳?xì)浠衔?使得核態(tài)和積聚態(tài)微粒尺寸進(jìn)一步增大。

2.2 不同噴油正時(shí)的微粒排放特性

轉(zhuǎn)速為1 500、2 000和2500 r/min,每一循環(huán)供油量為0.063 mL,點(diǎn)火時(shí)刻于上止點(diǎn)前30°,噴油壓力為8.5 MPa,過量空氣系數(shù)為1.0時(shí)微粒排放特性如圖3所示。

(a)1 500 r/min時(shí)微粒的粒徑分布

(b)1 500 r/min時(shí)微粒的數(shù)量濃度分布

(c)2 000 r/min時(shí)微粒的粒徑分布

(d)2 000 r/min時(shí)微粒的數(shù)量濃度分布

(e)2 500 r/min時(shí)微粒的粒徑分布

(f)2 500 r/min時(shí)微粒的數(shù)量濃度分布圖3 微粒的粒徑分布特性和數(shù)量濃度隨噴油時(shí)刻的變化歷程

本試驗(yàn)是在進(jìn)氣行程噴油。從圖3中可以看出,隨著噴油時(shí)刻的推遲(由上止點(diǎn)前330°到210°),微?？倲?shù)量先降低后升高,核態(tài)和積聚態(tài)微粒也呈現(xiàn)出同樣的規(guī)律。噴油正時(shí)于上止點(diǎn)前330°出現(xiàn)較多、較大尺寸的微粒,積聚態(tài)微粒數(shù)量濃度明顯高于核態(tài)微粒數(shù)量濃度,前者是后者的2～3倍。例如,圖3c、3d中噴油正時(shí)于上止點(diǎn)前330°生成的微?？倲?shù)量濃度高達(dá)40.0×108cm-3,比270°噴油高出一個數(shù)量級。噴油正時(shí)于上止點(diǎn)前270°出現(xiàn)了最少的微粒排放。

文獻(xiàn)[10]研究發(fā)現(xiàn),噴油正時(shí)于上止點(diǎn)前330°,加之較高的噴油壓力(8.5 MPa),燃油噴霧可能撞擊到活塞頂部,小部分的燃油將停留在缸壁和活塞頂端,直至壓縮行程末期,這種局部富油區(qū)域和液態(tài)燃油的存在促進(jìn)了微粒成核[11],致使微粒成核率增大,進(jìn)而使顆粒發(fā)生碰撞而凝聚和聚集的概率增大,容易形成較多、較大尺寸的微粒,最終使積聚態(tài)微粒排放高于核態(tài)微粒。推遲噴油,液態(tài)燃油和局部富油區(qū)域減小,上述情況得到改善,微粒排放降低。若繼續(xù)推遲噴油,則燃燒溫度降低,低溫環(huán)境加之縮短了停留時(shí)間,不利于燃油和空氣的混合,雖然存在局部過濃區(qū)域,但是低溫環(huán)境對微粒的成核、聚集和凝聚過程起到了抑制作用,從而使得微粒排放呈現(xiàn)出上述規(guī)律。進(jìn)氣行程后期噴油,微粒排放相應(yīng)增多,但增長幅度不大,這是因?yàn)橄噍^于早噴,燃油空氣混合時(shí)間縮短,燃油霧化不良容易形成較大尺寸的微粒。再者,推遲噴油,排溫降低,低溫環(huán)境使得微粒的后期氧化不足[12],最終生成較多、較大尺寸的微粒。

2.3 不同過量空氣系數(shù)的微粒排放特性

轉(zhuǎn)速為1 500、2 000和2 500 r/min時(shí),每一循環(huán)供油量為0.063 mL,點(diǎn)火時(shí)刻于上止點(diǎn)前30°,噴油正時(shí)于上止點(diǎn)前270°,噴油壓力為8.5 MPa時(shí)的微粒排放特性如圖4所示。

(a)1 500 r/min時(shí)微粒的粒徑分布

(b)1 500 r/min時(shí)微粒的數(shù)量濃度分布

(c)2 000 r/min時(shí)微粒的粒徑分布

(d)2 000 r/min時(shí)微粒的數(shù)量濃度分布

(e)2 500 r/min時(shí)微粒的粒徑分布

(f)2 500 r/min時(shí)微粒的數(shù)量濃度分布圖4 微粒的粒徑分布特性和數(shù)量濃度隨過量空氣系數(shù)的變化歷程

從圖4中可以看出,當(dāng)過量空氣系數(shù)為1.2時(shí),微粒數(shù)量濃度最低,隨著過量空氣系數(shù)的減小,數(shù)量濃度峰值增大。采用濃混合氣,核態(tài)微粒數(shù)量濃度和微粒總數(shù)量濃度較高。例如:轉(zhuǎn)速為2 000 r/min,過量空氣系數(shù)由0.9增大到1.2時(shí),微?？倲?shù)量濃度由3.4×108cm-3降低為0.7×108cm-3;過量空氣系數(shù)為0.9時(shí),核態(tài)微粒數(shù)量濃度是積聚態(tài)微粒的1.5倍左右;過量空氣系數(shù)增大到1.2時(shí),核態(tài)和積聚態(tài)二者排放水平相當(dāng)。

眾所周知,隨著過量空氣系數(shù)的增大,油少氣多,發(fā)動機(jī)排溫升高,較高的排氣溫度增強(qiáng)了核態(tài)微粒的氧化(核態(tài)微粒是液態(tài)或半固態(tài),積聚態(tài)微?；臼枪虘B(tài)的),加之碳?xì)浠衔锱欧沤档?抑制了膨脹和排氣行程中微粒尺寸的增大[15],因此,過量空氣系數(shù)增大、發(fā)動機(jī)排溫升高對微粒的成核和尺寸增大起到了抑制作用[16]。采用濃混合氣燃燒提高了微粒的成核速率,由于不存在局部富油區(qū)域和液態(tài)燃油,因此不會產(chǎn)生像低轉(zhuǎn)速(1 500 r/min)和燃油早噴(上止點(diǎn)后330°)時(shí)生成較多積聚態(tài)微粒,而是生成較多的核態(tài)微粒。

3 結(jié) 論

本文在一臺增壓直噴汽油機(jī)上保持發(fā)動機(jī)點(diǎn)火時(shí)刻不變,轉(zhuǎn)速為1 500、2 000和2 500 r/min,冷卻液溫度為(85±2) ℃,研究了改變控制參數(shù)(噴油壓力、噴油正時(shí)和過量空氣系數(shù))對部分負(fù)荷下微粒粒徑分布特性和微粒數(shù)量濃度的影響,結(jié)論如下。

(1)增大噴油壓力,噴霧貫穿距增大有助于燃油霧化而形成均勻混合氣,數(shù)量濃度峰值及其對應(yīng)的粒徑均減小。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速提高,微粒數(shù)量濃度排放量升高;當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí),積聚態(tài)微粒排放高于核態(tài)微粒排放,而2 000 r/min和2 500 r/min時(shí)核態(tài)微粒排放高于積聚態(tài)微粒排放。

(2)噴油正時(shí)于上止點(diǎn)前270°左右時(shí),微粒排放較低。推遲噴油時(shí)刻,微?？倲?shù)量濃度先降低后升高,核態(tài)和積聚態(tài)微粒呈現(xiàn)出同樣的規(guī)律。噴油正時(shí)于上止點(diǎn)前330°時(shí),出現(xiàn)了較多、較大尺寸的微粒,比其他噴油時(shí)刻高出了一個數(shù)量級,且積聚態(tài)微粒數(shù)量濃度大約是核態(tài)微粒的2～3倍。

(3)增大過量空氣系數(shù)、采用偏稀混合氣燃燒有利于降低微粒排放。采用濃混合氣燃燒,核態(tài)微粒的數(shù)量濃度高于積聚態(tài)微粒。

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(編輯 苗凌)

Effects of Control Parameters on the Particulate Emission Characteristics of Turbocharged Gasoline Direct Injection Engine under Part Load

ZHONG Bing1,HONG Wei1,SU Yan1,XIE Fangxi1,HAN Linpei2

(1. State Key Laboratory of Automobile Simulation and Control, Jilin University, Changchun 130025, China; 2. Zhejiang Geely Automobile Research Institute Co., Ltd., Hangzhou 311200, China)

To investigate the effects of control parameters on the particulate emission characteristics of gasoline direct injection (GDI) engine, a GDI engine was chosen to reveal the effects of control parameters (fuel injection pressure, fuel injection timing and excess air coefficient) on particle diameter distribution and particle number density of emission with the coolant temperature of 85 ℃±2 ℃, ignition timing of 30° CA BTDC under part load. The results show that the peak of the particle number density and the corresponding particle diameter reduced with the increase in fuel injection pressure. The total particle number density increased with the higher engine rotation speed. When the engine rotation speed was 1 500 r/min, the accumulation mode particle emissions were higher than the nucleation mode particle emissions compared with 2 000 r/min and 2 500 r/min which had opposite results. The particle emissions were lowest at the fuel injeciton timing of 270° CA BTDC, and there had bigger particles whose number density was about one order of magnitude higher than other fuel injection timing when the fuel injection timing was 330° CA BTDC. Increasing the excess air coefficient and using lean mixtures could reduce particle emissions. The number density emissions of the nucleation mode particles were higher than accumulation mode particles with using rich fuel-air mixture. The results could provide references for the study of particulate emission characteristics of turbocharged gasoline direct injection engine.

GDI engine; part load; particulate emission; control parameter

10.7652/xjtuxb201605014

2015-12-18. 作者簡介:鐘兵(1989—),男,博士生;蘇巖(通信作者),男,副教授。 基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51276080,51206059);中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2013M540250)。

時(shí)間:2016-03-01

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160301.1018.014.html

TK417

A

0253-987X(2016)05-0095-06