燃油噴射壓力對缸內(nèi)直噴汽油車顆粒數(shù)量排放的影響

張秋華，黃昭明，陳偉國

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，合肥 230009；2.蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與航空學(xué)院，蕪湖 241006；3.皖江工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，馬鞍山 243031；4.奇瑞汽車股份有限公司 發(fā)動(dòng)機(jī)工程研究院，蕪湖 241006）

0 概述

生態(tài)環(huán)境部《中國生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)2020》指出，全國337 個(gè)地級及以上城市中，以PM2.5、PM10為首要污染物的空氣質(zhì)量超標(biāo)天數(shù)分別占總超標(biāo)天數(shù)的51.0% 和11.7%［1］，由機(jī)動(dòng)車所引起的顆粒物排放已成為大中型城市顆粒物污染物的重要來源［2-3］。汽油車是機(jī)動(dòng)車中最主要的組成部分，其占比超過80%［4］。降低車用發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物排放能夠有效抑制城市顆粒物源排放，減少大氣污染。

汽油缸內(nèi)直噴（gasoline direct injection， GDI）是汽油機(jī)最主要的燃燒組織模式之一，燃油缸內(nèi)直噴壓力、噴射相位、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度及使用循環(huán)工況等是影響尾氣中顆粒數(shù)量（particle number，PN）排放量的主要因素［5］。國外學(xué)者對GDI 車輛PN 排放特性的研究主要集中在缸內(nèi)流動(dòng)、混合氣形成、提高噴射壓力及優(yōu)化噴射參數(shù)等方面，結(jié)果表明：合理組織缸內(nèi)流動(dòng)增強(qiáng)湍流有利于提升混合氣的均質(zhì)性，減少局部缺氧燃燒的發(fā)生，進(jìn)而大幅減少PN 排放［6］；噴射壓力提升后，噴霧宏觀特性、貫穿距發(fā)生明顯變化，索特平均直徑（Sauter mean diameter，SMD）顯著減小，有利于油滴蒸發(fā)燃燒，進(jìn)而抑制碳煙的生成［7-11］。國內(nèi)學(xué)者則主要分析了全球輕型車統(tǒng)一測試循環(huán)（worldwide harmonized light vehicles test cycle，WLTC）下整車PN 排放特征，認(rèn)為WLTC 工況覆蓋范圍廣、車速高、加速度大等特點(diǎn)導(dǎo)致排放污染物增加，且車輛冷起動(dòng)、暖機(jī)過程的瞬態(tài)過渡工況對車輛污染排放影響較大［12-14］。

已有研究表明，提高噴射壓力有助于強(qiáng)化缸內(nèi)油氣混合，降低顆粒物尤其是PN 排放，但對于整車測試循環(huán)PN 排放的改善潛力仍有待深入探索。本文中基于發(fā)動(dòng)機(jī)臺架試驗(yàn)，研究噴射壓力和噴射相位對PN 排放影響的變動(dòng)規(guī)律，基于優(yōu)化的噴射參數(shù)重新標(biāo)定發(fā)動(dòng)機(jī)后進(jìn)行WLTC 測試循環(huán)下整車PN 排放的測試驗(yàn)證，為直噴車汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)設(shè)計(jì)提供理論支持和技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)對象及試驗(yàn)體系

1.1 試驗(yàn)對象

試驗(yàn)對象為一輛承載式3 廂5 門5 座乘用車，搭載一款2.0 L GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)，燃油為滿足國標(biāo)GB17930—2016 的市售92 號汽油，后處理系統(tǒng)僅采用兩級式三效催化器（three way catalyst，TWC），能夠達(dá)到國六排放標(biāo)準(zhǔn)。其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 缸內(nèi)直噴汽油車主要技術(shù)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法和試驗(yàn)裝置

1.2.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)燃油直噴壓力最高可達(dá)35 MPa，可有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物PN 排放；但考慮到車輛冷起動(dòng)工況噪聲-振動(dòng)-平順性（noise vibration and harshness，NVH）性能，直噴汽油機(jī)在低速低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)采用了較低的缸內(nèi)噴射壓力，以降低冷起動(dòng)噪聲。試驗(yàn)車輛初始缸內(nèi)噴射壓力MAP 如圖1所示。

圖1 直噴汽油車缸內(nèi)噴射壓力隨轉(zhuǎn)速與負(fù)荷分布

從圖1 中可以看出，汽油直噴車運(yùn)行負(fù)荷低于0.3 MPa 時(shí)，噴射壓力小于35 MPa，這將導(dǎo)致PN排放的上升。特別是WLTCⅠ型試驗(yàn)的低速段，GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)處于低負(fù)荷冷機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，PN 排放量會大幅增加［15］。由于發(fā)動(dòng)機(jī)在整車測試循環(huán)過程中運(yùn)行工況點(diǎn)切換極為頻繁，為保證臺架試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可比性，通過對發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)測試循環(huán)中的工況進(jìn)行加權(quán)聚類，提取少數(shù)典型運(yùn)行工況點(diǎn)，對個(gè)別工況點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)進(jìn)行對比分析，能夠較好地評估整車測試循環(huán)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)性能特點(diǎn)。為評估整車測試循環(huán)低速段發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性，試驗(yàn)中選取1 000 r/min、0.1 MPa，1 000 r/min、0.2 MPa，1 500 r/min、0.1 MPa和1 500 r/min、0.2 MPa 這4 個(gè)聚類工況點(diǎn)，進(jìn)行提高噴射壓力和優(yōu)化噴油相位對PN 排放影響的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)研究過程中選取的工況點(diǎn)均按照最優(yōu)點(diǎn)火提前角控制運(yùn)行，燃燒循環(huán)變動(dòng)率（cycle of variation，CoV）控制在3% 以內(nèi)，進(jìn)氣恒溫系統(tǒng)控制進(jìn)氣溫度（35±2）℃，冷卻水溫度保持（30±2）℃，且定義壓縮上止點(diǎn)為0°曲軸轉(zhuǎn)角。

直噴汽油機(jī)臺架PN 排放試驗(yàn)研究完成后，根據(jù)《輕型汽車污染物排放限制及測量方法（中國第六階段）》Ⅰ型試驗(yàn)，進(jìn)行整車循環(huán)測試PN 排放驗(yàn)證研究。試驗(yàn)中保持試驗(yàn)室溫度為（23±5）℃，發(fā)動(dòng)機(jī)靜車至機(jī)油和冷卻液溫度達(dá)到（23±2）℃。為提高試驗(yàn)測試準(zhǔn)確性，WLTCⅠ型試驗(yàn)進(jìn)行3 次PN 測試，取3 次結(jié)果的平均值作為試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果。WLTC Ⅰ型試驗(yàn)循環(huán)工況如圖2所 示［16］。

圖2 WLTC 試驗(yàn)工況分布

1.2.2 試驗(yàn)裝置

直噴汽油機(jī)臺架測試裝置主要由AVL PUMA測控系統(tǒng)、INCA 測試軟件、AVL602 燃燒分析儀、AVL735S 油耗儀、AVL753C 油水溫控單元、AVL365C 角標(biāo)儀、AVL 電渦流測功機(jī)、AVL486 PN 排放分析儀和KISTLER 6115B 缸壓傳感器等組成，如圖3 所示。圖中EGR 表示廢氣再循環(huán)（exhaust gas recirculation）。發(fā)動(dòng)機(jī)臺架試驗(yàn)中，為保證數(shù)據(jù)的可比性，避免后處理系統(tǒng)狀態(tài)變化對排放值的影響，臺架試驗(yàn)排放測點(diǎn)布置于后處理系統(tǒng)前，采集發(fā)動(dòng)機(jī)原始排放信息。

圖3 直噴汽油機(jī)臺架測試系統(tǒng)布置圖

直噴汽油車WLTC 循環(huán)測試主要采用AVL底盤測功機(jī)、AVL 顆粒采樣系統(tǒng)等設(shè)備，整車試驗(yàn)的主要設(shè)備參數(shù)如表2 所示。

表2 整車試驗(yàn)的主要設(shè)備參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同噴射條件下PN 排放變化

缸內(nèi)直噴汽油機(jī)冷卻液出口溫度保持30 ℃，分別進(jìn)行了1 000 r/min、0.1 MPa，1 000 r/min、0.2 MPa，1 500 r/min、0.1 MPa 和1 500 r/min、0.2 MPa 這4 個(gè)工況點(diǎn)在不同噴射壓力和不同噴射相位的PN 排放對比試驗(yàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)在1 000 r/min、0.1 MPa 和1 500 r/min、0.1 MPa 工況下的循環(huán)噴油量較低，為了保證噴油器噴射脈寬不進(jìn)入流量非線性區(qū)間，最高噴射壓力不超過25 MPa；同理，1 000 r/min、0.2 MPa 的最高噴射壓力設(shè)定為30 MPa。試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同工況和噴射壓力下PN 排放隨噴油提前角的變化

從圖4 中可以看出對于試驗(yàn)所選負(fù)荷工況點(diǎn)，除1 000 r/min、0.1 MPa 工況外，噴射提前角大于280°曲軸轉(zhuǎn)角后PN 排放呈現(xiàn)數(shù)量級增加趨勢。當(dāng)汽油機(jī)運(yùn)行在1 000 r/min、0.1 MPa 時(shí)PN 排放隨著噴射相位的變化更為敏感。噴射壓力的提升可以較大幅度降低PN 排放，在合理的噴射相位內(nèi)相較于初始噴射壓力時(shí)，隨著噴射壓力提升至35 MPa，PN下降了40%～70%。在噴射相位和噴射壓力較為優(yōu)越的條件下，PN 排放隨著汽油機(jī)功率的提升而下降。

分析以上PN 排放規(guī)律后認(rèn)為，GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)噴油相位過于提前時(shí)，活塞尚未充分下行，噴霧油束會撞擊活塞頂部，在頂面形成油膜，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度和負(fù)荷均較低，活塞頂面的溫度不足以使撞擊形成的油膜完全蒸發(fā)。隨著燃燒的推進(jìn)，部分油膜在頂面附近緩慢蒸發(fā)形成濃混合氣，在相對缺氧的條件下燃油烴類脫氫形成干碳煙［17］，因此在圖4（b）～圖4（d）試驗(yàn)工況范圍內(nèi)噴射提前角大于280°曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)PN 排放呈現(xiàn)大幅上升的趨勢，且轉(zhuǎn)速越低負(fù)荷越低則缸內(nèi)熱氛圍越差，PN 排放增加就越敏感，呈現(xiàn)出圖4 的變化趨勢。而在合理的燃油噴射相位范圍內(nèi)，隨著噴射壓力的提高，射入缸內(nèi)燃油的SMD 逐漸減小，小油滴易于蒸發(fā)與空氣充分混合形成均質(zhì)的可燃混合氣，構(gòu)成燃油的烴類分子在斷鏈過程中始終有氧原子包圍，無法產(chǎn)生碳碳鍵進(jìn)而形成干碳煙［18］。同時(shí)由于進(jìn)氣滾流的掃動(dòng)作用，噴油壓力的提高并不會導(dǎo)致噴霧貫穿距過分延長而沖擊缸壁，能夠有效減少顆粒物的生成與PN 排放。低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷時(shí)由于缸內(nèi)熱氛圍不強(qiáng)，油滴蒸發(fā)導(dǎo)致噴射壓力的影響更為敏感，因此在1 000 r/min、0.1 MPa工況當(dāng)噴射壓力從8 MPa 提升至25 MPa 時(shí)，PN 排放下降了約70%。

由圖4（d）所示，由于直噴汽油機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷較高，噴射相位在240°～280°曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)活塞頂面濕壁情況改善，缸內(nèi)熱氛圍較強(qiáng)，PN 排放較低。圖5 給出了1 500 r/min、0.2 MPa 冷卻液溫度30 ℃時(shí)不同噴射壓力下PN 詳細(xì)變化的數(shù)據(jù)，可以看出噴射壓力從15 MPa 提升至35 MPa 時(shí)，PN 排放量下降了約40%。

圖5 1 500 r/min、0.1 MPa 下不同噴油提前角時(shí)PN 排放隨噴射壓力的變化

2.2 直噴油氣整車PN 排放對比

基于以上PN 排放的變化規(guī)律和對PN 產(chǎn)生機(jī)理的理解，優(yōu)化了WLTC 低速段直噴車發(fā)動(dòng)機(jī)工況運(yùn)行聚類點(diǎn)的噴射參數(shù)，進(jìn)行了直噴汽油車初始狀態(tài)和噴射調(diào)整后PN 在WLPT 工況下的對比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6 和圖7 所示。從圖6 和圖7 可知，在WLTC 低速段，提高噴射壓力后PN 排放明顯下降，降低約40%，而中速、高速和超高速階段PN 沒有顯著變化，最終WLTC 循環(huán)PN 排放值下降了約30%，整車PN 排放量顯著降低。

圖6 WLTC 測試循環(huán)下調(diào)整噴射后PN 排放

圖7 WLTC 測試循環(huán)下PN 總排放

對直噴車WLTC 測試循環(huán)下PN 排放變化進(jìn)行分析可知，低速段車速較低，發(fā)動(dòng)機(jī)剛剛起動(dòng)，冷卻液溫度低，整個(gè)直噴汽油機(jī)燃燒室壁面及活塞頂面溫度都較低，并且負(fù)荷低使缸內(nèi)熱氛圍也較弱，此時(shí)直噴車初始時(shí)采用較低的噴射壓力兼顧NVH 性能，油滴蒸發(fā)慢導(dǎo)致過濃混合氣存在，這些因素綜合作用使得PN 排放較高。在保證足夠滾流強(qiáng)度以避免燃油沖擊缸壁的情況下，提高噴射壓力后噴霧油滴蒸發(fā)過程改善，低速段PN 排放顯著下降。當(dāng)GDI 車進(jìn)入中速段后，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷上升使得缸內(nèi)熱氛圍變強(qiáng)，同時(shí)冷卻液溫度逐漸升高使得油滴蒸發(fā)過程得以改善，此時(shí)提高噴射壓力對PN 排放沒有明顯影響。

3 結(jié)論

（1）在試驗(yàn)所選負(fù)荷工況范圍內(nèi)，除發(fā)動(dòng)機(jī)低速低負(fù)荷工況以外，GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)噴油提前角在240°～280°曲軸轉(zhuǎn)角區(qū)間時(shí)PN 排放相對較低。

（2）直噴汽油機(jī)運(yùn)行在較低轉(zhuǎn)速和負(fù)荷時(shí)，噴射壓力和噴射相位對PN 影響更為敏感；提高噴射壓力可有效降低PN 排放，降低約70%。

（3）直噴汽油機(jī)相對高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，噴射壓力提升至35 MPa，PN 排放可下降約40%。

（4）直噴汽油車在WLTC 測試循環(huán)下，提高噴射壓力后，低速段PN 排放下降約40%，整個(gè)WLTC 循環(huán)的PN 排放值下降約30%，較大幅度改善了PN 排放特性。