潘鎖柱，宋崇林，裴毅強(qiáng)，原 達(dá)，吳威龍

(1. 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，天津 300072；2. 重慶大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，重慶 400030)

缸內(nèi)直噴汽油機(jī)顆粒物粒徑分布特性

潘鎖柱1，宋崇林1，裴毅強(qiáng)1，原 達(dá)1，吳威龍2

(1. 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，天津 300072；2. 重慶大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，重慶 400030)

采用DMS500快速顆粒取樣分析儀對(duì)一臺(tái)缸內(nèi)直噴國(guó)Ⅳ汽油機(jī)進(jìn)行了顆粒物粒徑分布特性的試驗(yàn)研究．結(jié)果表明：缸內(nèi)直噴汽油機(jī)排氣顆粒物呈包括核態(tài)和積聚態(tài)顆粒物的雙峰分布，僅怠速工況呈核態(tài)單峰分布．隨轉(zhuǎn)速升高，總顆粒物數(shù)濃度在部分負(fù)荷下逐漸降低，外特性先降低后升高；隨負(fù)荷增加，總顆粒物數(shù)濃度在中、低負(fù)荷下逐漸降低，滿負(fù)荷時(shí)急劇增加．隨轉(zhuǎn)速升高，核態(tài)顆粒物在部分負(fù)荷速度特性下數(shù)密度峰值逐漸降低，外特性下先降低后增加；積聚態(tài)顆粒物數(shù)密度峰值逐漸降低．隨負(fù)荷增加，核態(tài)顆粒物數(shù)密度峰值在中、低負(fù)荷時(shí)逐漸降低，滿負(fù)荷時(shí)增加；積聚態(tài)顆粒物數(shù)密度峰值在中、低負(fù)荷時(shí)先升高后降低，滿負(fù)荷時(shí)最高．

缸內(nèi)直噴汽油機(jī)；顆粒物；粒徑分布；數(shù)濃度

缸內(nèi)直噴(gasoline direct injection，GDI)技術(shù)由于采用燃油直接噴入氣缸的方式進(jìn)行混合氣制備，燃油蒸發(fā)霧化將吸收部分熱量降低缸內(nèi)溫度，可以提高充量系數(shù)，減小爆震傾向，提高壓縮比，與傳統(tǒng)氣道噴射(port fuel injection，PFI)汽油機(jī)相比可減少發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗約15%～20%，降低CO2排放[1-2]．GDI汽油機(jī)還能夠準(zhǔn)確計(jì)量燃油噴射量，從而可以減少冷啟動(dòng)、加速等瞬態(tài)工況未燃HC排放[3]．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)濃度上均有所增加．據(jù)報(bào)道，GDI汽油機(jī)排氣顆粒物質(zhì)量排放量約為10,mg/km，數(shù)量排放量約為1013個(gè)/km[4-6]，遠(yuǎn)高于氣道噴射汽油機(jī)顆粒物排放濃度(質(zhì)量濃度小于1,mg/km，數(shù)濃度約為1012個(gè)/km)[7-9]．所以，GDI汽油機(jī)尾氣顆粒物排放已引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注．

國(guó)外學(xué)者對(duì)GDI汽油機(jī)尾氣顆粒物排放的研究較多．Maricq等[10]研究發(fā)現(xiàn)在FTP測(cè)試循環(huán)下GDI汽油機(jī)顆粒物質(zhì)量排放介于PFI汽油機(jī)和柴油機(jī)之間，且強(qiáng)烈依賴于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)模式，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)從均質(zhì)模式向分層模式轉(zhuǎn)換時(shí)，尾氣顆粒物數(shù)量排放增加10～40倍．Graskow等[11]對(duì)GDI汽油機(jī)顆粒物粒徑分布進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果顯示其平均數(shù)濃度為108,cm-3，幾何平均直徑介于68～88,nm之間．Price等[12]研究表明，GDI汽油機(jī)顆粒物質(zhì)量排放和數(shù)量排放與發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)空燃比、噴油定時(shí)和點(diǎn)火定時(shí)等密切相關(guān)．Ntziachristos等[13]研究表明，GDI汽油機(jī)在高功率測(cè)試循環(huán)下顆粒物質(zhì)量和數(shù)量排放接近于柴油機(jī)排放水平，且油品指標(biāo)對(duì)顆粒物排放的影響沒(méi)有一致性規(guī)律．此外，Zervas等[14]還發(fā)現(xiàn)在EDC測(cè)試循環(huán)下顆粒物數(shù)量排放表現(xiàn)了較好的重復(fù)性．另一方面，目前國(guó)內(nèi)對(duì)車用發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣顆粒物排放的研究工作主要集中在柴油機(jī)上，有關(guān)GDI汽油機(jī)排氣顆粒物的研究仍然較少．因此，為能夠采取有效措施控制GDI汽油機(jī)尾氣顆粒物對(duì)環(huán)境的不利影響，有必要針對(duì)GDI汽油機(jī)尾氣顆粒物的數(shù)濃度排放規(guī)律和粒徑分布特性進(jìn)行深入研究．

筆者采用英國(guó)Cambustion公司的DMS500快速顆粒取樣分析儀，在一臺(tái)排放水平達(dá)國(guó)Ⅳ的2.0,L增壓GDI汽油機(jī)上，對(duì)不同運(yùn)行工況下的顆粒物數(shù)量排放和粒徑分布進(jìn)行了試驗(yàn)研究．

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)

本文所用發(fā)動(dòng)機(jī)為一臺(tái)4缸水冷2.0,L增壓缸內(nèi)直噴(GDI)汽油機(jī)，裝有三元催化轉(zhuǎn)換器(three way catalyst，TWC)，滿足國(guó)Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示．該類型汽油機(jī)廣泛應(yīng)用于城市商用轎車．試驗(yàn)用燃料為市售97號(hào)無(wú)鉛汽油．

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與儀器

采用湘儀動(dòng)力測(cè)試儀器有限公司生產(chǎn)的CAC380型交流電力測(cè)功機(jī)及測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)工況控制．顆粒物分析儀器為英國(guó)Cambustion公司生產(chǎn)的DMS500快速顆粒取樣分析儀．DMS500快速顆粒取樣分析儀共分22級(jí)，粒徑測(cè)量范圍為5～1,000,nm，測(cè)量響應(yīng)時(shí)間可達(dá)100,ms，帶有2級(jí)稀釋系統(tǒng)，試驗(yàn)設(shè)定稀釋比分別為4∶1和150∶1，稀釋氣體為高純空氣．采用德國(guó)ETAS公司生產(chǎn)的LA4型λ測(cè)量?jī)x測(cè)量空燃比．

表1 GDI汽油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Specification of the tested GDI gasoline engine

1.3 試驗(yàn)工況

為了全面反映GDI汽油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中顆粒物數(shù)量排放和粒徑分布特性，本文選取怠速、外特性、部分負(fù)荷速度特性和負(fù)荷特性進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)工況如表2所示．試驗(yàn)過(guò)程中，每組數(shù)據(jù)均在發(fā)動(dòng)機(jī)工況穩(wěn)定后平行測(cè)量3次，測(cè)量點(diǎn)均布置在三元催化轉(zhuǎn)化器前端．試驗(yàn)過(guò)程中控制冷卻水溫在(85±1)℃，機(jī)油溫度在(90±1)℃，以消除發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫和機(jī)油溫度對(duì)顆粒物測(cè)量結(jié)果的影響．

表2 試驗(yàn)工況Tab.2 Engine operating condition

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 怠速工況顆粒物粒徑分布

圖1為試驗(yàn)GDI汽油機(jī)怠速(750,r/min)工況下三元催化轉(zhuǎn)化器前顆粒物粒徑分布．如圖1所示，怠速工況下，GDI汽油機(jī)排氣顆粒物表現(xiàn)為核態(tài)顆粒物的單峰分布，粒子直徑分布在20,nm以下，幾何平均直徑為8.90,nm，且數(shù)密度峰值濃度較高，達(dá)1.12×109,cm-3．試驗(yàn)GDI汽油機(jī)由于采用均質(zhì)混合氣燃燒方式，且怠速工況下實(shí)測(cè)過(guò)量空氣系數(shù)λ值為1.4，缸內(nèi)混合氣較稀，所以怠速時(shí)排氣顆粒物中僅存在核態(tài)顆粒物，而無(wú)積聚態(tài)顆粒物．怠速工況運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速較低，缸內(nèi)氣體流動(dòng)較弱，殘余廢氣量較大，導(dǎo)致燃油霧化質(zhì)量惡化，燃燒不夠完全；并且此時(shí)缸內(nèi)燃燒溫度較低，不利于顆粒物的氧化；同時(shí)低負(fù)荷時(shí)未完全燃燒的潤(rùn)滑油也將產(chǎn)生較多的核態(tài)顆粒物[15]；3者共同作用導(dǎo)致試驗(yàn)GDI汽油機(jī)怠速工況下核態(tài)顆粒物排放較高．

圖1 怠速工況下三元催化轉(zhuǎn)化器前顆粒物粒徑分布Fig.1 Particle size distribution measured from upstream of TWC in idle condition

2.2 轉(zhuǎn)速對(duì)顆粒物粒徑分布的影響

圖2為外特性和部分負(fù)荷速度特性(平均有效壓力pm=0.3,MPa)催化器前總顆粒物數(shù)濃度．由圖2可見(jiàn)，外特性和部分負(fù)荷速度特性下總顆粒物數(shù)濃度分別在(8.61×107～4.33×108)cm-3和(1.75×107～2.01×108)cm-3之間，顯然外特性下總顆粒物的平均數(shù)濃度高于速度特性的平均數(shù)濃度；并且，速度特性下總顆粒物數(shù)濃度隨轉(zhuǎn)速的升高呈逐漸降低的趨勢(shì)，而外特性下隨轉(zhuǎn)速的升高呈先降低后升高的趨勢(shì)．發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高，一方面增強(qiáng)缸內(nèi)氣體流動(dòng)，另一方面縮短每循環(huán)工作時(shí)間．GDI汽油機(jī)在部分負(fù)荷速度特性時(shí)采用計(jì)量比均質(zhì)混合氣組織燃燒，在這種燃燒條件下隨轉(zhuǎn)速升高缸內(nèi)氣體流動(dòng)增強(qiáng)起主導(dǎo)作用，有利于缸內(nèi)工質(zhì)混合更加均勻，燃燒更加充分，所以部分負(fù)荷速度特性時(shí)顆粒物數(shù)濃度隨轉(zhuǎn)速的升高呈逐漸降低的趨勢(shì)．然而，GDI汽油機(jī)在外特性時(shí)采用加濃混合氣組織燃燒，在濃混合氣條件下，中、低轉(zhuǎn)速時(shí)隨轉(zhuǎn)速升高缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)依然起主導(dǎo)作用，改善燃燒狀態(tài)，顆粒物數(shù)量隨轉(zhuǎn)速升高而降低；高轉(zhuǎn)速時(shí)，雖然轉(zhuǎn)速升高仍然有利于改善缸內(nèi)工質(zhì)的混合，但在濃混合氣條件下轉(zhuǎn)速升高使每循環(huán)工作時(shí)間變短，缸內(nèi)工質(zhì)混合時(shí)間減少起主導(dǎo)作用，導(dǎo)致缸內(nèi)工質(zhì)混合不均，燃燒惡化，總顆粒物數(shù)濃度隨轉(zhuǎn)速升高而增加．

圖2 外特性和速度特性(pm=0.3,MPa)下三元催化轉(zhuǎn)化器前總顆粒物數(shù)濃度Fig.2 Total particle number concentration measured from upstream of TWC under WOT condition and speed characteristics(pm=0.3,MPa)

圖3 和圖4為GDI汽油機(jī)在部分負(fù)荷速度特性(pm=0.3,MPa)和外特性下三元催化轉(zhuǎn)化器前的顆粒物粒徑分布．由圖可見(jiàn)，部分負(fù)荷速度特性下核態(tài)顆粒物數(shù)密度峰值隨轉(zhuǎn)速的升高而降低，峰值粒徑逐漸減??；外特性下核態(tài)顆粒物數(shù)密度峰值隨轉(zhuǎn)速升高先緩慢降低后急劇增加，峰值粒徑也呈先減小后增加的趨勢(shì)．以往研究結(jié)果認(rèn)為核態(tài)顆粒物是發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程中生成的初級(jí)碳顆粒、硫酸鹽以及HC化合物等經(jīng)過(guò)成核現(xiàn)象而形成的[16]．試驗(yàn)GDI汽油機(jī)在部分負(fù)荷時(shí)采用計(jì)量比均質(zhì)混合氣，全負(fù)荷時(shí)為了提高動(dòng)力輸出采用加濃混合氣．部分負(fù)荷速度特性時(shí)隨轉(zhuǎn)速升高發(fā)動(dòng)機(jī)散熱損失減少，缸內(nèi)湍流強(qiáng)度增加，兩者均使缸內(nèi)混合氣更加均勻，燃燒更加充分，缸內(nèi)燃燒溫度逐漸升高．這不但使燃燒過(guò)程中初級(jí)碳顆粒和HC化合物等物質(zhì)的生成量隨轉(zhuǎn)速升高而逐漸降低，而且隨轉(zhuǎn)速升高也增強(qiáng)了初級(jí)碳顆粒和HC化合物等物質(zhì)在高溫下的氧化幾率，從而導(dǎo)致核態(tài)顆粒物的生成量隨轉(zhuǎn)速升高而降低．此外，轉(zhuǎn)速升高每循環(huán)工作時(shí)間變短，初級(jí)碳顆粒和HC化合物等物質(zhì)的成核幾率降低，也減弱了HC在這些成核物上的吸附作用，不但抑制了核態(tài)顆粒物的生成，而且也使峰值粒徑減小．上述2種原因的共同作用導(dǎo)致了部分負(fù)荷速度特性工況下核態(tài)顆粒物隨轉(zhuǎn)速升高而降低的變化規(guī)律．在外特性中、低轉(zhuǎn)速時(shí)，雖然仍在濃混合氣條件下，但隨轉(zhuǎn)速升高缸內(nèi)湍流強(qiáng)度增加仍然起主導(dǎo)作用，使缸內(nèi)工質(zhì)混合更加均勻，燃燒更加充分，改善缸內(nèi)工質(zhì)燃燒質(zhì)量，提高缸內(nèi)燃燒溫度，不但減少核態(tài)顆粒物的生成量，而且增強(qiáng)核態(tài)顆粒物的氧化傾向，并使峰值粒徑減?。欢诟咿D(zhuǎn)速時(shí)，雖然隨轉(zhuǎn)速升高缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)仍有利于缸內(nèi)工質(zhì)混合，然而缸內(nèi)工質(zhì)的混合時(shí)間縮短傾向加劇，加之此時(shí)混合氣較濃，將使缸內(nèi)工質(zhì)出現(xiàn)局部混合不均，燃燒品質(zhì)惡化，初級(jí)碳粒和HC等物質(zhì)的生成量增加，導(dǎo)致核態(tài)顆粒物生成量增加，并且HC等物質(zhì)增加將增大成核物對(duì)其的吸附作用，使核態(tài)顆粒物峰值粒徑略有增加．所以在外特性工況下核態(tài)顆粒物數(shù)密度峰值和峰值粒徑均呈隨轉(zhuǎn)速升高先降低后增加的趨勢(shì)．

圖3 速度特性下(pm=0.3,MPa)下三元催化轉(zhuǎn)化器前顆粒物粒徑分布Fig.3 Particle size distribution measured from upstream of TWC under speed characteristics(pm=0.3,MPa)

圖4 外特性下三元催化轉(zhuǎn)化器前顆粒物粒徑分布Fig.4 Particle size distribution measured from upstream of TWC under WOT condition

通常認(rèn)為積聚態(tài)顆粒物是發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程中燃料不完全燃燒而生成的初級(jí)碳顆粒通過(guò)團(tuán)聚并吸附HC、金屬灰燼和硫酸鹽等物質(zhì)而成[16-17]．由圖3和圖4可知，在部分負(fù)荷速度特性(pm=0.3,MPa)和外特性下，隨轉(zhuǎn)速的升高積聚態(tài)顆粒物數(shù)密度峰值逐漸降低，峰值粒徑逐漸減?。瓽DI汽油機(jī)采用液體燃油直接噴入氣缸的方式進(jìn)行混合氣制備，將會(huì)引起缸內(nèi)工質(zhì)出現(xiàn)局部混合不均和燃油濕壁等現(xiàn)象造成燃燒不完全，使缸內(nèi)燃油在高溫條件下發(fā)生熱裂解和脫氫反應(yīng)生成初級(jí)碳煙粒子，這些粒子通過(guò)團(tuán)聚和吸附HC等物質(zhì)最終長(zhǎng)大為粒子直徑較大的積聚態(tài)顆粒物．隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高，缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，缸內(nèi)工質(zhì)局部混合不均的傾向減弱，并且，轉(zhuǎn)速越高，缸內(nèi)溫度越高，增強(qiáng)了對(duì)積聚態(tài)顆粒物的氧化作用，兩者的共同作用導(dǎo)致積聚態(tài)顆粒物數(shù)密度隨轉(zhuǎn)速升高而逐漸降低．此外，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高，每循環(huán)工作時(shí)間縮短，燃燒過(guò)程中生成的初級(jí)碳煙粒子的團(tuán)聚幾率以及對(duì)HC等物質(zhì)的吸附作用均降低，導(dǎo)致積聚態(tài)顆粒物峰值粒徑減?。?/p>

2.3 負(fù)荷對(duì)顆粒物粒徑分布的影響

圖5為2,000,r/min、3,500, r/min和5,000,r/min轉(zhuǎn)速下負(fù)荷特性時(shí)三元催化轉(zhuǎn)化器前總顆粒物數(shù)濃度．由圖5可見(jiàn)，2,000,r/min、3,500,r/min和5,000 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)總顆粒物數(shù)濃度分別在(2.72×107～1.42×108)cm-3、(1.81×107～6.08×107)cm-3和(1.67×107～1.87×108)cm-3之間．在相同轉(zhuǎn)速下，隨著負(fù)荷的增加總顆粒物數(shù)濃度均呈現(xiàn)在中低負(fù)荷逐漸降低，滿負(fù)荷又急劇增加的趨勢(shì)．此外，在中、低負(fù)荷時(shí)，相同負(fù)荷下總顆粒物數(shù)濃度均隨轉(zhuǎn)速的升高而降低．

圖5負(fù)荷特性下三元催化轉(zhuǎn)化器前總顆粒物數(shù)濃度Fig.5Total particle number concentrations measured from upstream of TWC with varying engine load

圖6 為試驗(yàn)GDI汽油機(jī)在2,000,r/min、3,500,r/ min和5,000,r/min轉(zhuǎn)速下負(fù)荷特性時(shí)三元催化轉(zhuǎn)化器前顆粒物粒徑分布情況．由圖6可見(jiàn)，試驗(yàn)工況下，GDI汽油機(jī)排氣顆粒物呈包括核態(tài)和積聚態(tài)顆粒物的雙峰分布；核態(tài)顆粒物峰值數(shù)密度較高，峰值粒徑除2,000,r/min全負(fù)荷工況外均小于10,nm，積聚態(tài)顆粒物峰值數(shù)密度較低，峰值粒徑除全負(fù)荷外均在70～100,nm之間．

如圖6所示，3種轉(zhuǎn)速下，GDI汽油機(jī)尾氣中核態(tài)顆粒物數(shù)密度均表現(xiàn)為中、低負(fù)荷時(shí)隨發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加而降低，高負(fù)荷時(shí)又有所增加的趨勢(shì)，且轉(zhuǎn)速越高增加越顯著．這主要是由于GDI汽油機(jī)在中、低負(fù)荷時(shí)采用計(jì)量比均質(zhì)混合氣組織燃燒，隨負(fù)荷增加缸內(nèi)工質(zhì)的量逐漸增多，缸內(nèi)燃燒溫度逐漸升高，燃燒向高溫方向發(fā)展，增大了缸內(nèi)工質(zhì)燃燒產(chǎn)生的初級(jí)碳粒和HC等物質(zhì)的氧化幾率，使其濃度降低，減弱了初級(jí)碳粒和HC等物質(zhì)成核形成核態(tài)顆粒物的傾向．同時(shí)，Vaaraslahti等[15]研究發(fā)現(xiàn)潤(rùn)滑油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷時(shí)核態(tài)顆粒物影響較大，由潤(rùn)滑油產(chǎn)生的核態(tài)顆粒物隨負(fù)荷增加而減少．因此，核態(tài)顆粒物數(shù)密度在中、低負(fù)荷時(shí)隨負(fù)荷的增加而降低．高負(fù)荷時(shí)，GDI汽油機(jī)為了保證動(dòng)力輸出采用濃混合的方式組織燃燒，導(dǎo)致缸內(nèi)工質(zhì)燃燒品質(zhì)惡化，初級(jí)碳粒和HC等物質(zhì)的生成量增多，成核傾向增強(qiáng)，使GDI汽油機(jī)在高負(fù)荷時(shí)核態(tài)顆粒物增加．并且轉(zhuǎn)速越高混合氣加濃程度越強(qiáng)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速越高核態(tài)顆粒物數(shù)密度增加越顯著．

由圖6還可看出，3種轉(zhuǎn)速下，積聚態(tài)顆粒物數(shù)密度在中、低負(fù)荷時(shí)隨負(fù)荷的增加先升高后降低，滿負(fù)荷時(shí)數(shù)密度最高．中、低負(fù)荷時(shí)，雖然隨負(fù)荷增加缸內(nèi)燃燒溫度升高有利于積聚態(tài)顆粒物的氧化使其密度降低，但隨負(fù)荷的增加燃油噴射量逐漸增多，缸內(nèi)工質(zhì)混合不均和燃油濕壁等現(xiàn)象增強(qiáng)起主導(dǎo)作用，使燃燒品質(zhì)逐漸惡化，缸內(nèi)燃油在高溫條件下發(fā)生熱裂解和脫氫反應(yīng)生成初級(jí)碳煙粒子并通過(guò)團(tuán)聚和吸附HC等物質(zhì)生成積聚態(tài)顆粒物的傾向增強(qiáng)，導(dǎo)致50%以下負(fù)荷時(shí)積聚態(tài)顆粒物隨負(fù)荷增加而增加；而75%負(fù)荷時(shí)積聚態(tài)顆粒物數(shù)密度降低可能是由于此時(shí)缸內(nèi)溫度升高增強(qiáng)了對(duì)積聚態(tài)顆粒物的氧化作用所致，確切原因需進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證．滿負(fù)荷時(shí)，由于采用加濃混合氣，缸內(nèi)混合氣不均和燃油濕壁等現(xiàn)象加劇，燃油不完全燃燒傾向增強(qiáng)，導(dǎo)致積聚態(tài)顆粒物數(shù)量進(jìn)一步增加．

圖6 負(fù)荷特性下三元催化轉(zhuǎn)化器前顆粒物粒徑分布Fig.6 Particle size distribution measured from upstream of TWC with varying engine load

3 結(jié) 論

(1) GDI汽油機(jī)怠速工況運(yùn)行時(shí)排氣顆粒物粒徑分布呈核態(tài)顆粒物的單峰分布，粒子直徑小于20,nm，幾何平均直徑為8.90,nm，數(shù)密度峰值較高，達(dá)1.12×109cm-3．

(2) GDI汽油機(jī)排氣顆粒物呈包括核態(tài)顆粒物和積聚態(tài)顆粒物的雙峰分布；核態(tài)顆粒物所占比重較大，峰值粒徑多數(shù)小于10,nm，積聚態(tài)顆粒物所占比重較小，峰值粒徑除全負(fù)荷外均在70～100,nm之間．

(3) 總顆粒物數(shù)濃度在部分負(fù)荷速度特性下隨轉(zhuǎn)速的升高逐漸降低，滿負(fù)荷外特性下隨轉(zhuǎn)速的升高先降低后升高．在相同轉(zhuǎn)速下，總顆粒物數(shù)濃度在中、低負(fù)荷下隨著負(fù)荷的增加逐漸降低，滿負(fù)荷下急劇增加．

(4) 隨著轉(zhuǎn)速的升高，核態(tài)顆粒物在部分負(fù)荷速度特性下數(shù)密度峰值逐漸降低，峰值粒徑逐漸減小，滿負(fù)荷外特性下數(shù)密度峰值先緩慢降低后急劇增加，峰值粒徑先減小后增加；積聚態(tài)顆粒物數(shù)密度峰值逐漸降低，峰值粒徑逐漸減?。S著負(fù)荷的增加，核態(tài)顆粒物數(shù)密度峰值在中、低負(fù)荷時(shí)逐漸降低，高負(fù)荷時(shí)有所增加，且轉(zhuǎn)速越高增加越顯著；積聚態(tài)顆粒物數(shù)密度峰值在中、低負(fù)荷時(shí)先升高后降低，滿負(fù)荷時(shí)數(shù)密度峰值最高．

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Particle Size Distribution from Gasoline Direct Injection Engine

Pan Suozhu1，Song Chonglin1，Pei Yiqiang1，Yuan Da1，Wu Weilong2
(1. State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. College of Power Engineering，Chongqing University，Chongqing 400030，China)

A DMS500 fast particulate spectrometer was employed to characterize the particle size distribution from a gasoline direct injection (GDI) engine, which meets the regulations of China Ⅳ standards. The results show that exhaust particulates from GDI engine are bimodal in form with nucleation mode particle and accumulation mode particle, except for a unimodal nucleation mode particle which is shown in idle condition. With the increase in engine speed, the total particle number concentration increases gradually under the speed characteristics in part load condition, but decreases after an initial increase in wide open throttle (WOT) condition. With the increase in engine load, the total particle number concentration decreases gradually in part load condition, but increases abruptly in full load condition. The peak value of number density for nucleation mode particle drops gradually under the speed characteristics in part load condition, but increases after an initial decrease in WOT condition with the increase in engine speed. The peak value of number density for accumulation mode particle shows a decreasing trend with the increase in engine speed. At the constant speed, the peak value of number density shows a gradually decreasing trend for nucleation mode particle and a dropping trend after an initial increase for accumulation mode particle as the load increases, except for an increasing trend for nucleation mode particle and a peak value for accumulation mode particle in full load condition.

gasoline direct injection engine；particulate matter；particle size distribution；number concentration

TK411.5

A

0493-2137(2013)07-0629-06

DOI 10.11784/tdxb20130710

2011-10-24；

2011-12-14.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50976076).

潘鎖柱（1980— ），男，博士研究生，suozhup@163.com.

裴毅強(qiáng)，peiyq@tju.edu.cn.