噴油定時(shí)對(duì)GDI汽油機(jī)燃用含水乙醇汽油的燃燒和顆粒排放的影響

李菲，張小敏，陳振斌，寧萍，劉祥

(1.重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院，重慶 482160；2.重慶金康賽力斯新能源汽車設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 401135；3.海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，海南 ?？?570228；4.重慶交通大學(xué)航運(yùn)與船舶工程學(xué)院，重慶 400074)

缸內(nèi)直噴汽油機(jī)(gasoline direct injection，GDI)采用燃油直接噴入氣缸的方式進(jìn)行混合氣制備，因其熱效率高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等特點(diǎn)在車用汽油機(jī)中所占比例不斷增加。然而由于GDI汽油機(jī)直接將液體燃油噴入氣缸內(nèi)，導(dǎo)致缸內(nèi)工質(zhì)混合時(shí)間縮短、局部過(guò)濃和燃油濕壁等現(xiàn)象增強(qiáng)，造成尾氣顆粒物排放在質(zhì)量濃度和數(shù)量濃度上均有所增加，排放量遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)，而且其顆粒物粒徑一般小于1 000 nm。顆粒物按粒徑主要分為核態(tài)顆粒物和積聚態(tài)顆粒物兩種，核態(tài)的粒徑分布范圍為5～30 nm，積聚態(tài)的粒徑范圍為30～1 000 nm，這種小直徑顆粒物對(duì)人體危害更嚴(yán)重。歐Ⅴ和歐Ⅵ排放法規(guī)先后對(duì)GDI汽油機(jī)排放的一次顆粒物質(zhì)量與數(shù)量進(jìn)行了限制，所以在保持燃油經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)的情況下，如何減少GDI汽油機(jī)缸內(nèi)顆粒物生成，成為目前GDI汽油機(jī)亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。缸內(nèi)工質(zhì)均勻程度和燃燒質(zhì)量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物排放有較大的影響，而發(fā)動(dòng)機(jī)控制參數(shù)影響工質(zhì)混合和燃燒過(guò)程。本研究選取噴油定時(shí)作為主要研究參數(shù)，著重研究噴油定時(shí)的改變對(duì)GDI汽油機(jī)燃燒過(guò)程和顆粒物排放的影響。

乙醇汽油由于摻混乙醇使得燃料燃燒更充分，尾氣中污染物的排放量顯著減少。美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究表明，與普通汽油相比，E10乙醇汽油的顆粒物(PM) 減排量為6%～6.6%，E20乙醇汽油的顆粒物(PM)減排量能達(dá)到 29.4%～41.8%。含水乙醇相對(duì)無(wú)水乙醇不僅減少了蒸餾過(guò)程產(chǎn)生的大量能耗，而且因其自身含水，降低了遇水敏感性。

乙醇汽油的顆粒物排放已有部分研究, 但含水乙醇汽油應(yīng)用于GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性、排放特性研究相對(duì)較少，尤其是GDI汽油機(jī)燃用含水乙醇汽油的顆粒物排放。因此本研究針對(duì)噴油定時(shí)對(duì)GDI汽油機(jī)燃用汽油和含水乙醇汽油的燃燒特性和顆粒物排放特性的影響進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，旨在為含水乙醇汽油在GDI發(fā)動(dòng)機(jī)上的推廣應(yīng)用及降低顆粒物排放提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)裝置及方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)所用發(fā)動(dòng)機(jī)為1臺(tái)2.0 L 4缸水冷渦輪增壓GDI汽油機(jī)，滿足國(guó)Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)該汽油機(jī)還配備了進(jìn)排氣可變氣門(mén)正時(shí)技術(shù)，其性能參數(shù)如表1所示。

表1 GDI汽油機(jī)結(jié)構(gòu)性能參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)主要測(cè)試設(shè)備包括GDI汽油機(jī)、WF311測(cè)功機(jī)、KISTLER電荷放大器、AVL GH13Z火花塞缸內(nèi)壓力傳感器、MEXA-584L氣體分析儀、高速數(shù)據(jù)釆集卡和LabVIEW 軟件等。另外，排氣微粒的測(cè)量采用DMS500快速型納米微粒尺寸光譜儀，該儀器的粒徑測(cè)量范圍為 5～1 000 nm，響應(yīng)時(shí)間則可達(dá)到100 ms以內(nèi)，該儀器的采樣過(guò)程、工作情況參考文獻(xiàn)[9]。

1.2 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

試驗(yàn)燃料由97號(hào)汽油(市售)、含水乙醇和乳化劑Span80混合配制而成，不同占比的含水乙醇汽油記為E10W(89%汽油、10%含水乙醇、1%Span80)、E20W(79%汽油、20%含水乙醇、1%Span80)。汽油和含水乙醇理化性能如表2所示。

表2 含水乙醇和汽油的理化性質(zhì)

根據(jù)車用汽油機(jī)實(shí)際運(yùn)行的范圍，試驗(yàn)工況設(shè)定轉(zhuǎn)速為2 000 r/min、平均有效壓力為0.2 MPa、過(guò)量空氣系數(shù)為1、點(diǎn)火提前角為28°BTDC，試驗(yàn)分別在260°BTDC，300°BTDC，340°BTDC噴油時(shí)刻下進(jìn)行。更換燃料，重復(fù)試驗(yàn)，記錄不同試驗(yàn)條件下缸內(nèi)壓力、瞬時(shí)放熱率、缸內(nèi)平均溫度、常規(guī)排放以及顆粒物排放等數(shù)據(jù)。記錄的數(shù)據(jù)均在汽油機(jī)穩(wěn)定后平行測(cè)量3次，間隔30 s，以確保其準(zhǔn)確性?？刂茩C(jī)油溫度在(90±1)°，冷卻水溫在(85±1)°，以消除汽油機(jī)機(jī)油溫度和冷卻水溫度對(duì)試驗(yàn)精度的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 噴油定時(shí)對(duì)燃燒和排放特性的影響

圖1示出增壓GDI汽油機(jī)分別燃用汽油、E10W、E20W 3種燃料，缸內(nèi)壓力、瞬時(shí)放熱率隨著噴油定時(shí)的變化情況。由圖1可知，隨著噴油時(shí)刻的不斷延遲，缸內(nèi)壓力峰值和瞬時(shí)放熱率峰值均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在260°BTDC左右達(dá)到峰值，且瞬時(shí)放熱率峰值位置推遲。這表明噴油定時(shí)的推遲使得發(fā)動(dòng)機(jī)放熱推遲，影響燃燒過(guò)程。主要原因是噴油定時(shí)對(duì)GDI汽油機(jī)缸內(nèi)混合氣的形成有較大的影響；噴油定時(shí)過(guò)晚，缸內(nèi)工質(zhì)預(yù)混合時(shí)間減少，工質(zhì)均勻性較差，局部混合氣過(guò)濃，影響混合氣燃燒的穩(wěn)定性，燃燒不充分、不完全；噴油定時(shí)過(guò)早，活塞離上止點(diǎn)距離較短，油束容易撞擊活塞，造成燃油濕壁情況，同時(shí)剩余油束與空氣混合后濃度降低。

圖1 噴油定時(shí)對(duì)缸內(nèi)壓力和瞬時(shí)放熱率的影響

通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，燃用含水乙醇汽油E10W、E20W與燃用汽油的缸內(nèi)壓力和瞬時(shí)放熱率走勢(shì)一致，峰值相差不大，說(shuō)明在不對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)做任何改裝的情況下，燃燒小比例的含水乙醇汽油是可行的，這與文獻(xiàn)[5，11-12]研究一致。由圖1b、圖1c 可以看出，隨著含水乙醇比例的增加，3種噴油時(shí)刻下缸內(nèi)壓力、瞬時(shí)放熱率的差異進(jìn)一步增大。分析認(rèn)為，乙醇和水的熱值較低，導(dǎo)致工質(zhì)膨脹功減少，燃燒熱效率降低；而且乙醇和水的黏度和汽化潛熱均較汽油高，含水乙醇的噴霧貫穿距和霧化效果均低于汽油，含水乙醇比例的增加使得燃油沾濕燃燒室壁后更難以蒸發(fā)霧化，導(dǎo)致燃燒不完全。

圖2示出GDI汽油機(jī)分別燃用3種燃料隨著噴油定時(shí)變化的缸內(nèi)平均溫度。由圖可知，燃用3種燃料時(shí)隨著噴油定時(shí)的推遲，缸內(nèi)平均溫度峰值逐步降低，在260°BTDC達(dá)到峰值，且平均溫度峰值所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角相應(yīng)推遲。主要是因?yàn)閲娪投〞r(shí)過(guò)晚，導(dǎo)致工質(zhì)混合時(shí)間減少，均勻性較差，缸內(nèi)部分工質(zhì)過(guò)濃，燃燒不完全，導(dǎo)致缸內(nèi)溫度降低。通過(guò)對(duì)比可知，兩種含水乙醇汽油的最高缸內(nèi)溫度均比汽油低。汽化潛熱對(duì)燃燒溫度有較大影響，由表1可知，含水乙醇汽化潛熱比汽油高，汽化潛熱高促使燃燒溫度降低；同時(shí)，隨著含水乙醇比例增大，乙醇和水含量增多，熱值低的乙醇和水也導(dǎo)致缸內(nèi)平均溫度降低。

圖3示出了燃用汽油、E10W、E20W 3種燃料噴油定時(shí)對(duì)CO、THC和NO排放的影響。由圖3a看出，3種燃料均在噴油時(shí)刻為300°BTDC時(shí)CO排放量最大，說(shuō)明在此噴油時(shí)刻，燃料不完全燃燒程度增強(qiáng)。分析認(rèn)為，過(guò)晚噴油使得混合氣預(yù)混時(shí)間變短，缸內(nèi)工質(zhì)不均勻程度增加，部分過(guò)濃工質(zhì)無(wú)法完全燃燒，燃燒效果不理想，CO的排放增加。由圖還可看出，燃料E10W的CO排放量整體比汽油和E20W高，可能因?yàn)橐掖己退ざ却?，不利于快速形成均勻的混合氣，而且汽化潛熱高于汽油，易造成濕壁現(xiàn)象，降低缸內(nèi)溫度，使得燃燒效果變差，CO 排放增加；因E20W中乙醇和水的占比較大，較大程度提高了燃料的含氧量，富氧促進(jìn)燃料完全燃燒，而E10W因氧含量較低，含氧量的優(yōu)勢(shì)不足以抵消油束濕壁、工質(zhì)不均勻等造成的燃燒惡化，所以CO的排放高于其他兩種燃料。

由圖3b可以看出，3種燃料在300°BTDC噴油時(shí)刻的THC排放量最小。分析認(rèn)為，噴油時(shí)刻過(guò)早，活塞離上止點(diǎn)近，燃油濕壁現(xiàn)象加劇，導(dǎo)致缸壁溫度降低，工質(zhì)混合速度降低，燃燒效率降低；而且，氣門(mén)重疊角的存在導(dǎo)致排氣倒流，部分排氣摻入新混合氣中，又降低了燃燒效率，所以THC排放增加。噴油時(shí)刻過(guò)晚，由于混合時(shí)間縮短導(dǎo)致工質(zhì)非均勻部分增多，影響燃燒的穩(wěn)定性，從而增加THC排放量。由圖3b還可知，兩種含水乙醇汽油的THC排放均高于汽油，分析認(rèn)為，含水乙醇汽油中乙醇和水的黏度較大，同時(shí)兩者汽化潛熱均比汽油高，含水乙醇汽油存在燃油濕壁現(xiàn)象，燃油濕壁導(dǎo)致缸內(nèi)溫度降低，進(jìn)一步使得燃料難以蒸發(fā)霧化，THC排放增多。

由圖3c可以看出，燃料組分較噴油時(shí)刻對(duì)NO的排放影響更大。E10W、E20W兩種燃料因含水乙醇的加入，提高了混合燃料的氧含量，有利于NO的生成，由此導(dǎo)致E10W、E20W兩種燃料NO排放要高于汽油；隨著噴油時(shí)刻的過(guò)分推遲及含水乙醇摻比增加，在汽化潛熱和熱值兩方面因素的共同作用下，E20W燃燒和排氣溫度下降，在340°BTDC時(shí)其NO排放遠(yuǎn)小于E10W。

圖3 噴油定時(shí)對(duì)排放的影響

2.2 噴油定時(shí)對(duì)顆粒排放數(shù)濃度的影響

圖4示出了噴油定時(shí)對(duì)顆粒物數(shù)濃度的影響。由圖4a可知，燃用3種燃料在噴油時(shí)刻為300°BTDC時(shí)顆粒物濃度最小，且隨著含水乙醇占比增大，排放的顆粒物數(shù)濃度呈減小趨勢(shì)。燃用3種燃料的核態(tài)顆粒物數(shù)濃度和積聚態(tài)顆粒物數(shù)濃度均在300°BTDC時(shí)達(dá)到最小，且燃用E10W、E20W排放的核態(tài)、積聚態(tài)顆粒物數(shù)濃度在任何時(shí)刻都比汽油少。

缸內(nèi)混合氣均勻程度對(duì)燃燒過(guò)程中顆粒物的生成有著重要的影響，噴油定時(shí)影響缸內(nèi)工質(zhì)混合狀態(tài)，進(jìn)而影響顆粒排放。噴油時(shí)刻過(guò)早，易導(dǎo)致燃油濕壁現(xiàn)象，燃油蒸發(fā)霧化效果降低，影響工質(zhì)混合速度，降低熱效率；噴油時(shí)刻過(guò)晚，工質(zhì)預(yù)混合時(shí)間減少，影響混合氣均勻性，促使燃燒不完全。噴油時(shí)刻過(guò)早過(guò)晚都對(duì)缸內(nèi)工質(zhì)燃燒有影響，從而影響顆粒物的生成與排放，所以3種燃料在260°BTDC和340°BTDC噴油時(shí)刻總顆粒數(shù)濃度比300°BTDC時(shí)高(見(jiàn)圖4a)。

圖4 噴油定時(shí)對(duì)顆粒物數(shù)濃度的影響

核態(tài)顆粒物和積聚態(tài)顆粒物形成原因不同。核態(tài)顆粒物的成因比較復(fù)雜，通常認(rèn)為主要是由燃燒過(guò)程所產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)成分、固態(tài)碳粒、金屬灰燼等組成的一次顆粒物，以及HSO或HC等氣態(tài)前體物成核形成的二次顆粒物；積聚態(tài)顆粒物主要是由發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程中燃料不完全燃燒產(chǎn)生的碳煙粒子發(fā)生團(tuán)聚作用并吸附部分HC等有機(jī)物、金屬灰燼和硫酸鹽等揮發(fā)和半揮發(fā)組分形成。噴油定時(shí)過(guò)早(260°BTDC)，核態(tài)顆粒物數(shù)濃度較高，這是因?yàn)楫?dāng)噴油定時(shí)較早時(shí)，缸內(nèi)溫度高，促使S元素向SO的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而增加了排氣中HSO的含量，因而核態(tài)顆粒物數(shù)濃度升高；積聚態(tài)顆粒物在高溫條件下易氧化，所以缸內(nèi)溫度升高，促進(jìn)積聚態(tài)顆粒物氧化成核態(tài)，也會(huì)導(dǎo)致核態(tài)顆粒物數(shù)增加。隨著噴油定時(shí)推遲(340°BTDC)，燃料與新鮮空氣混合時(shí)間變少，工質(zhì)混合不均，部分過(guò)濃區(qū)高溫缺氧造成猝熄等現(xiàn)象，為積聚態(tài)顆粒物的生成提供了有利條件，導(dǎo)致積聚態(tài)顆粒物數(shù)濃度增加。對(duì)比核態(tài)和積聚態(tài)顆粒物數(shù)濃度變化趨勢(shì)，在較早噴油時(shí)刻(260°BTDC)時(shí)存在較高濃度的核態(tài)顆粒物、較低濃度的積聚態(tài)顆粒物，這與Desantes等的試驗(yàn)結(jié)果一致，核態(tài)顆粒物與積聚態(tài)顆粒物在數(shù)濃度上存在此消彼長(zhǎng)的關(guān)系。當(dāng)較多的碳粒、HC、金屬灰燼等形成核態(tài)顆粒物，促使形成積聚態(tài)顆粒物生長(zhǎng)的組分減少，從而導(dǎo)致其濃度降低。

從圖4還可看出，含水乙醇汽油顆粒物數(shù)濃度排放遠(yuǎn)低于汽油。分析認(rèn)為：一方面乙醇和水均是含氧物質(zhì)，在工質(zhì)燃燒過(guò)程中提供氧，促使燃料充分燃燒，有利于減少顆粒物的生成；另一方面汽油是成分復(fù)雜的烴類物質(zhì)，燃料中產(chǎn)生顆粒物的主要來(lái)源是汽油，含水乙醇汽油中部分汽油被含水乙醇所替代，從原料上降低了產(chǎn)生顆粒物的量，且隨著含水乙醇比例的增加，顆粒物減排效果也更明顯。

圖5示出不同燃料顆粒物數(shù)量濃度粒徑分布隨噴油定時(shí)的變化。由圖可知，燃用3種燃料顆粒物數(shù)濃度粒徑分布近似呈核態(tài)顆粒物和積聚態(tài)顆粒物雙峰分布，汽油粒徑分布范圍為5～500 nm，E10W和E20W粒徑分布范圍為5～250 nm。顆粒物數(shù)濃度隨噴油定時(shí)的增大先減少后增加，與圖4a呈現(xiàn)的規(guī)律一致。

由圖5可知，燃用3種燃料的核態(tài)顆粒物與積聚態(tài)顆粒物峰值對(duì)應(yīng)的粒徑相差不大，但是顆粒物數(shù)濃度隨噴油定時(shí)的推遲都呈現(xiàn)先減少后增加趨勢(shì)。在噴油時(shí)刻為300°BTDC時(shí)各粒徑對(duì)應(yīng)的數(shù)濃度最低，這與上文總顆粒物數(shù)濃度的趨勢(shì)是一致的。對(duì)比燃用3種燃料顆粒物數(shù)濃度粒徑分布圖可知，隨著含水乙醇比例的增加，顆粒物數(shù)濃度對(duì)應(yīng)的最大粒徑呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，汽油顆粒物粒徑最大達(dá)到500 nm，E20W顆粒物粒徑最大不到250 nm，同時(shí)含水乙醇汽油相對(duì)汽油積聚態(tài)顆粒物數(shù)濃度有較大的降低。主要原因是含水乙醇汽油中乙醇和水均是含氧物質(zhì)，高達(dá)36.42%的氧含量使得含水乙醇汽油緩解了高溫缺氧的燃燒狀況，在燃燒過(guò)程中，豐富的氧促進(jìn)燃料燃燒完全，減少碳煙粒子生成，而且抑制了核態(tài)顆粒物粒的團(tuán)聚和吸附進(jìn)程，不僅使得積聚態(tài)顆粒物峰值粒徑逐漸變小，而且整個(gè)積聚態(tài)顆粒物數(shù)濃度也有一定程度的減少。隨著含水乙醇比例的增加，汽油占比減少，烴類物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的硫酸鹽和揮發(fā)性有機(jī)成分減少，核態(tài)顆粒物生成量隨之減少。核態(tài)顆粒物數(shù)量濃度的降低減少了進(jìn)一步吸附物質(zhì)長(zhǎng)大成積聚態(tài)顆粒物的可能，進(jìn)而降低積聚態(tài)顆粒物數(shù)濃度。

圖5 噴油定時(shí)對(duì)顆粒物粒徑的影響

3 結(jié)論

a) 隨著噴油定時(shí)的推遲，燃用汽油、E10W、E20W 3種燃料，缸內(nèi)壓力和放熱率走勢(shì)一致，峰值均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，缸內(nèi)壓力峰值位置幾乎不變，放熱率峰值位置推遲；缸內(nèi)平均溫度峰值隨著噴油定時(shí)推遲逐步降低，均在260°BTDC達(dá)到峰值，且缸內(nèi)平均溫度峰值位置推遲；

b) 燃用含水乙醇汽油E20W的CO和THC排放與汽油相差不大，但是燃用E10W的CO和THC排放均比汽油高，燃用3種燃料均在噴油時(shí)刻為300°BTDC時(shí)CO排放量最少，THC排放量最多；燃用E10W和E20W的NO排放量較汽油高；

c) 含水乙醇能有效降低GDI汽油機(jī)顆粒物數(shù)濃度，燃用E10W和E20W的顆粒物數(shù)濃度相對(duì)汽油有較大幅度的降低，燃用3種燃料的顆粒物總數(shù)濃度、核態(tài)和積聚態(tài)顆粒物均在噴油時(shí)刻為300°BTDC時(shí)達(dá)到最小值；隨著含水乙醇含量的增加，顆粒物粒徑的最大值呈減小趨勢(shì)，且積聚態(tài)顆粒物數(shù)濃度也呈下降趨勢(shì)。

致謝

感謝天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、裴毅強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)以及孫姣等為本試驗(yàn)提供的支持與指導(dǎo)。