氣道燃油噴射汽油機顆粒數(shù)排放光學(xué)試驗研究

鄭巍

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海201201）

0 概述

隨著日益頻繁發(fā)生的霧霾對人們身體健康造成危害，公眾對大氣污染的關(guān)注度越來越高；與此同時，相應(yīng)的立法也越來越嚴(yán)苛。國家最新出臺的《輕型汽車污染物排放限值及測量方法 （中國第六階段）》（簡稱GB6排放法規(guī)）中就新增了對汽油發(fā)動機顆粒物排放的限值要求：按照全球輕型汽車測試循環(huán) （World LightVehiclesTestCycles，WLTC）工況，顆粒物排放數(shù) （Particulate Number，PN）不高于6×1011個/s[1]。最近幾年，隨著中國汽車工業(yè)的高速發(fā)展和產(chǎn)品技術(shù)迭代升級，直噴（Direct Injection，DI）汽油發(fā)動機由于其眾所周知的許多優(yōu)點逐漸占據(jù)市場主流；但是，氣道燃油噴射 （Port Fuel Injection，PFI）汽油發(fā)動機由于其突出的性價比優(yōu)勢在市場上仍然占據(jù)著相當(dāng)?shù)姆蓊~。通過文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)外關(guān)于汽油發(fā)動機顆粒數(shù) （particulate number，PN）排放的研究，主要集中在直噴DI汽油發(fā)動機[2-3]，較少涉及PFI汽油發(fā)動機PN排放研究。本文采用AVL公司Visio-Scope及VisioKnock光學(xué)燃燒分析系統(tǒng)，對某國產(chǎn)PFI增壓汽油發(fā)動機進行試驗，揭示PFI汽油發(fā)動機PN的生成機理，為減低發(fā)動機PN提供改進方向。

1 汽油機顆粒物排放的產(chǎn)生

機動車排放對大氣中PM2.5顆粒物的貢獻(xiàn)主要包括2個方面：一是從發(fā)動機排氣管排出的以固態(tài)形式存在的一次顆粒物，二是以氣態(tài)形式，如SO2、NOx和可揮發(fā)性有機物 （VOCs）等，排出在大氣中發(fā)生稀釋冷凝或與大氣中其它物質(zhì)發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)后所產(chǎn)生的二次顆粒物。研究表明，無論是固態(tài)的一次顆粒物，還是排到大氣后轉(zhuǎn)化成二次顆粒物的各種燃燒生成的氣態(tài)物質(zhì)，其主要來源均是缸內(nèi)混合氣過濃燃燒及液態(tài)燃料油膜燃燒的生成物[4-6]。

圖1為裝有某PFI增壓汽油發(fā)動機的整車WLTC循環(huán)PN排放測試結(jié)果。通過詳細(xì)分析測試數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：1）冷起動階段 （前40 s），顆粒物累計排放數(shù)量占整個循環(huán)排放數(shù)量的57%；2）冷態(tài)階段 （前100 s，發(fā)動機水溫≤50℃），顆粒物累計排放數(shù)量已經(jīng)達(dá)到整個循環(huán)排放數(shù)量的66%；3）圖1中的幾個顆粒物排放峰值區(qū)域積分之和，在循環(huán)工況中時間占比僅僅約9%，但顆粒物排放數(shù)量的貢獻(xiàn)卻占到整個循環(huán)排放數(shù)量的90%；4）顆粒物排放峰值出現(xiàn)在整車中、大負(fù)荷急加速的瞬態(tài)工況。

發(fā)動機在中、大負(fù)荷瞬態(tài)急加速工況下，噴油量會隨著負(fù)荷增加而顯著增加。在發(fā)動機冷態(tài)工況下，噴射在氣道內(nèi)的大量燃料油霧碰到氣道壁和進氣門背部時會形成液態(tài)油膜。如果這些液態(tài)油膜在較短時間內(nèi)無法實現(xiàn)完全蒸發(fā)，將以液態(tài)燃油的形式進入燃燒室參與燃燒。此外，如果采用開閥噴射（intake valve opened injection）的噴油策略，部分在開閥期間噴射進入氣道的油霧，也會被進氣道的高壓氣體吹入燃燒室，在燃燒室排氣門或者氣缸套壁面上形成液態(tài)油膜參與燃燒。這些液態(tài)油膜的過濃燃燒導(dǎo)致了PN的急劇上升。

圖1 某PFI發(fā)動機所配整車的PN排放分布

為了更好地理解上述PN排放峰值出現(xiàn)的機理，結(jié)合氣道、噴油器設(shè)計及相應(yīng)的噴油策略，進行了相關(guān)冷態(tài)工況氣道燃油噴射的計算流體動力學(xué) （computational fluid dynamics，CFD） 模擬分析，如圖2所示。模擬分析工況為：發(fā)動機轉(zhuǎn)速2 000 r/min、全負(fù)荷、水溫30℃。圖2中油膜壁厚的顏色隨厚度增加而逐漸變深。為了進一步校正CFD模擬分析結(jié)果，采用了AVL公司Visio-Scope和VisioKnock系統(tǒng)進行了相應(yīng)的光學(xué)燃燒分析試驗。

圖2 冷態(tài)工況氣道噴射油膜CFD分析

2 光學(xué)燃燒分析試驗

VisioScope氣道可視化試驗測試系統(tǒng)主要由高清攝像頭、顯示器、光源、控制主機等組成，如圖3所示，具體設(shè)備型號見表1。

表1 VisioScope氣道可視化試驗測試系統(tǒng)設(shè)備

高清攝像頭在氣道上的布置如圖4所示。通過控制主機來調(diào)整攝像頭的拍攝頻率和發(fā)光頻率，使其與發(fā)動機轉(zhuǎn)速同步進行高頻拍攝，再將所有照片依序回放，可以實現(xiàn)慢速復(fù)現(xiàn)氣道內(nèi)的整個燃油噴射過程。

為了對比研究不同氣道設(shè)計和不同噴油器設(shè)計對PN排放性能的影響，基于某國產(chǎn)PFI增壓汽油發(fā)動機，采用2種氣道設(shè)計與3種噴油器設(shè)計組合，作為試驗條件 （如表2所示），在不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負(fù)荷，及冷態(tài)和熱態(tài)2種溫度 （30℃和90℃）試驗工況 （見表3）下，進行全面可視化氣道噴油對比試驗。

通過氣道可視化試驗，可非常直觀地觀察到以上每個試驗工況下完整的燃油噴霧過程。圖5所示為1組典型的噴霧照片對比。從圖5中可以看出，在30℃水溫的冷態(tài)工況下，當(dāng)發(fā)動機負(fù)荷，即平均有效壓力 （brake mean effective pressure，BMEP）高于700 kPa時，燃油噴射存在濕壁現(xiàn)象，氣道壁面以及進氣門背面均堆積了較多的液態(tài)油膜，而且負(fù)荷增大，濕壁愈多。這說明當(dāng)平均有效壓力高于700 kPa時，不同的噴油器噴射錐角，及不同的噴霧策略，已沒有本質(zhì)區(qū)別，無法改變氣道內(nèi)壁和氣門背面的油膜狀態(tài)。

圖3 VisioScope氣道可視化試驗測試系統(tǒng)示意

圖4 進氣道高清攝像頭布置示意

表2 VisioScope氣道可視化試驗條件

表3 VisioScope氣道可視化試驗測試系統(tǒng)設(shè)備

對比分析其他照片，發(fā)現(xiàn)在熱態(tài)90℃水溫、BMEP＜700 kPa的小負(fù)荷工況下，氣道內(nèi)的濕壁現(xiàn)象得到明顯改善。由此可知，發(fā)動機在冷態(tài)大負(fù)荷時，氣道噴射的燃油蒸發(fā)速度較慢，遠(yuǎn)不及燃油堆積的速度，氣道內(nèi)的油膜厚度主要受溫度和發(fā)動機負(fù)荷的影響，高溫、小負(fù)荷有利于油膜的蒸發(fā)。反之，低溫、大負(fù)荷則會造成較多的氣道油膜。

圖5 VisioScope氣道內(nèi)燃油噴霧照片（轉(zhuǎn)速:2 000 r/min，水溫:30℃）

采用VisioScope系統(tǒng)測試完氣道燃油噴射情況后，又采用VisioKnock火花塞光纖試驗系統(tǒng)對燃燒做進一步的分析測試。VisioKnock火花塞光纖試驗系統(tǒng)主要由光信號記錄儀、火花塞光纖、光纖控制器、光信號傳輸線、電腦控制主機等組成，如表4和圖6所示。

表4 VisioKnock火花塞光纖試驗測試系統(tǒng)設(shè)備

火花塞光纖傳感器的安裝如圖7和圖8所示。圖8顯示了32°、45°和60°的通道，90°通道因其垂直紙面方向而不能被顯示。在火花塞頭部沿著3個不同錐角的錐面分別安裝不同轉(zhuǎn)角光纖傳感器，共70個。由于過濃燃燒生成的碳煙火焰比正常燃燒火焰會發(fā)出更亮的光強，光纖傳感器根據(jù)采集到的不同光強，輸出不同信號到光信號記錄儀，最后再由VisioKnock系統(tǒng)的軟件將光信號記錄儀記錄的信號轉(zhuǎn)換成不同顏色的圖像輸出，用彩色云圖來展示燃燒室內(nèi)的燃燒情況。

圖6 VisioKnock火花塞光纖試驗測試系統(tǒng)

圖7 裝有光纖傳感器的試驗用火花塞

70個不同角度的光纖傳感器，采集的光信號覆蓋了缸內(nèi)燃燒室的絕大部分燃燒區(qū)域。Visio-Knock系統(tǒng)最終生成的云圖所對應(yīng)的燃燒室具體位置和范圍如圖9所示，與試驗發(fā)動機的幾何燃燒室一致。圖中EX表示排氣，IN表示進氣。

同樣，采用表2所示的試驗條件和表3所示的試驗工況，觀測發(fā)動機在不同試驗工況下缸內(nèi)的真實燃燒狀況。選取具有代表性的1組VisioKnock生成的云圖，如圖10所示，該組選用B氣道。

通過對圖10 a） ～10 d）4組燃燒云圖 （圖中由暗到亮的顏色代表了火焰亮度，白色為最大亮度）對比分析可以看到，在30℃水溫冷態(tài)，中、大負(fù)荷工況下，缸內(nèi)進氣座圈和排氣側(cè)氣缸套附近區(qū)域均存在較明顯的碳煙火焰。90℃水溫?zé)釕B(tài)，小負(fù)荷工況下，燃燒室內(nèi)無明顯碳煙火焰；負(fù)荷增至700 kPa時，燃燒出現(xiàn)少量碳煙火焰；負(fù)荷增至1 000 kPa時，出現(xiàn)明顯碳煙火焰。3#噴油器設(shè)計方案無論是冷態(tài)還是熱態(tài)，在相同負(fù)荷情況下，燃燒出現(xiàn)碳煙火焰的情況要明顯優(yōu)于2#噴油器設(shè)計方案。由此可見，3#噴油器通過優(yōu)化噴油夾角，減小油霧粒徑可以明顯改善缸內(nèi)燃燒，減少碳煙火焰的生成。

圖8 火花塞光纖傳感器布置示意

圖10 VisioKnock燃燒分析云圖

為了進一步證實碳煙火焰與PN排放之間的關(guān)系，上述試驗中同時采集了不同試驗條件下的發(fā)動機PN排放數(shù)據(jù)，如表5所示。3#噴油器所裝發(fā)動機的PN排放數(shù)據(jù)要明顯優(yōu)于2#噴油器所裝發(fā)動機的PN排放；PN排放數(shù)據(jù)的試驗結(jié)果與VisioKnock系統(tǒng)觀測到的缸內(nèi)碳煙火焰情況也十分吻合。

表5 2種噴油器所裝發(fā)動機PN排放數(shù)據(jù)對比 （1）

表5 2種噴油器所裝發(fā)動機PN排放數(shù)據(jù)對比 （2）

3 結(jié)論

PFI汽油發(fā)動機PN的生成主要來源于缸內(nèi)混合氣過濃燃燒及液態(tài)油膜燃燒的生成物。氣道內(nèi)的油膜厚度受溫度和負(fù)荷的影響，低溫、大負(fù)荷則會造成較多的氣道油膜，缸內(nèi)燃燒易出現(xiàn)明顯碳煙，PN排放高。

借助CFD分析和AVL VisioScope及VisioKnock光學(xué)燃燒分析系統(tǒng)，分別從模擬分析和光學(xué)試驗的角度驗證了PN排放與氣道油膜生成、缸內(nèi)碳煙火焰相關(guān)聯(lián)。通過對比試驗，表明優(yōu)化氣道和噴油器的設(shè)計可以降低PFI發(fā)動機PN排放。本文的分析方法和試驗設(shè)備的應(yīng)用為后續(xù)進一步優(yōu)化汽油發(fā)動機PN排放提供了有效的設(shè)計分析手段。