苗志慧 李君 于凱

摘 要：該文針對(duì)某1.4T GDI汽油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速小負(fù)荷工況下，分析發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)中，GDI汽油機(jī)排氣中所含的微粒數(shù)量、質(zhì)量濃度特性以及微粒粒徑分布特性。結(jié)果表明：在低轉(zhuǎn)速小負(fù)荷區(qū)間瞬態(tài)工況下，隨著時(shí)間的變化，核態(tài)區(qū)域內(nèi)的微粒數(shù)量濃度峰值有著一定的變化趨勢(shì)，整體呈現(xiàn)出先增大，隨后降低，最后再繼續(xù)增大的趨勢(shì)；聚集態(tài)區(qū)域內(nèi)，微粒的數(shù)量濃度整體呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，而微粒數(shù)量濃度以及微粒的幾何平均直徑均呈現(xiàn)出先增大，后減小的趨勢(shì)。瞬態(tài)工況下，三效催化器后的微粒數(shù)量濃度曲線出現(xiàn)明顯的雙峰現(xiàn)象，且三效催化器對(duì)核態(tài)微粒的催化效率隨時(shí)間的變化基本保持不變，處于77%左右的水平，其對(duì)聚集態(tài)微粒的催化效率則隨時(shí)間的推移出現(xiàn)增加的趨勢(shì)，并最終達(dá)到72%左右。

關(guān)鍵詞：微粒 瞬態(tài)工況 GDI發(fā)動(dòng)機(jī) 分布特性

中圖分類號(hào)：U46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）04（b）-0065-05

Abstract：This paper analyzes the exhaust particulate concentration and size distribution characteristics for a 1.4T GDI gasoline under low rotating speed and small torque range transient condition. The results shows that， under low rotating speed and small torque trancient condition， particle number concentration peak of nucleation states has a certain trend over time， showing the overall increase first， then decrease， and finally continue to increase， and make it to a certain level， while the concentration of accumulation particle keeps increasing. The concentration GMD increases first， and then decreases. After the Three-way catalytic （TWC）， the particle number concentration curve shows significant double peaks， and the catalytic efficiency for nucleation particles remains at 77% over time， the catalytic efficiency on accumulation particle is increasing over time and eventually reach a high level， about70%.

Key Words：Particulate；Trancient condition；GDI Engine；Particle distribution

缸內(nèi)直噴（GDI）發(fā)動(dòng)機(jī)目前已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但是其在臻于完美的路上還有很長(zhǎng)的路要走。GDI汽油機(jī)的燃燒方式與柴油機(jī)類似，因此，GDI汽油機(jī)的排氣微粒濃度相對(duì)較高。而尾氣中所含的微粒的產(chǎn)生是發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的可燃混合氣，在缸內(nèi)混合不均，燃料燃燒不完全導(dǎo)致的。大量研究表明，相對(duì)于傳統(tǒng)PFI發(fā)動(dòng)機(jī)，在冷啟動(dòng)和瞬態(tài)工況下GDI汽油機(jī)產(chǎn)生的微粒數(shù)量明顯增多。

汽車所排尾氣中所含的微粒主要分為“核態(tài)”模式微粒和“聚集態(tài)”模式微粒。兩種模式微粒有著不同的生成及粒徑特性。其中，“核態(tài)”模式微粒主要由濃縮揮發(fā)性物質(zhì)（硫酸鹽和重質(zhì)烴）組成，“核態(tài)”模式微粒粒徑通常小于50 nm。“聚集態(tài)”模式微粒主要由無定形碳核以及吸附于碳核表面的有機(jī)物分子和無機(jī)物分子構(gòu)成，粒徑大于50 nm[1-2]。

核態(tài)微粒和聚集態(tài)微粒兩者均屬于納米級(jí)微粒，歸屬于超細(xì)微粒的范圍，且兩者的質(zhì)量差距相對(duì)較大，通常汽車尾氣所含的微粒中，在微粒整體的數(shù)量濃度上起到主導(dǎo)作用的是核態(tài)微粒，而在微粒整體的質(zhì)量濃度上起到主導(dǎo)作用的是聚集態(tài)微粒[3-4]。

該文研究分為兩個(gè)部分，一部分為探究三效催化器（TWC）之前的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣微粒濃度和粒徑分布特性；第二部分是探究三效催化器（TWC）之后的微粒濃度和粒徑分布特性。該項(xiàng)研究展示了在低速小負(fù)荷瞬態(tài)工況下GDI汽油機(jī)排氣微粒的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究GDI汽油機(jī)微粒排放特性并進(jìn)行相應(yīng)分析。

1 瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架布置及選型

瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架布置示意圖如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中使用的發(fā)動(dòng)機(jī)為大眾旗下品牌高爾夫6上所搭載的大眾1.4T EA111 GDI汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，該GDI發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)見表1。

此次瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)涉及的主要測(cè)量?jī)x器及控制儀器有：測(cè)功機(jī)、測(cè)功機(jī)控制柜、AVL尾氣分析儀、油耗儀、λ分析儀、尾氣稀釋系統(tǒng)以及Model 3090 EEPS微粒粒徑測(cè)量?jī)x。實(shí)驗(yàn)所用的電腦控制臺(tái)連接的儀器有測(cè)功機(jī)控制柜以及微粒粒徑測(cè)量?jī)x，控制端使用INCA控制程序以控制實(shí)驗(yàn)用測(cè)功機(jī)，同時(shí)，可有效檢測(cè)實(shí)驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)，時(shí)刻觀察以確保其處于良好的工作狀態(tài)。

表2中的1、2點(diǎn)如圖2所示，其為瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)過程的示意圖。

2 瞬態(tài)工況下微粒濃度和粒徑分布特性研究

該實(shí)驗(yàn)研究主要通過測(cè)功機(jī)電腦控制端的INCA控制程序進(jìn)行編程，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)過程的自動(dòng)控制，加速的20 s時(shí)間將分為0 s、5 s、10 s、15 s、20 s幾個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析（見圖3）。

2.1 微粒粒徑分布特性

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，在GDI發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)中，0 s、5 s、10 s、15 s、20 s五條微粒數(shù)量濃度曲線隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本一致。微粒數(shù)量濃度曲線均于19.11 nm處開始顯現(xiàn)微粒數(shù)量濃度數(shù)值，隨后微粒數(shù)量濃度曲線呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，并在25.48 nm處獲得微粒最大數(shù)量濃度值，峰值分別為1.48E+07#/cm3、1.49E+07#/cm3、8.38E+06#/cm3、1.07E+07#/cm3、1.41E+07#/cm3，5 s時(shí)獲得最大峰值，10s時(shí)峰值最小。在25.48 nm微粒數(shù)量濃度獲得峰值后，曲線開始下降至0。在20 s這條曲線中，再次出現(xiàn)上升趨勢(shì)并在52.33 nm處獲得曲線的第二個(gè)峰值，此峰值已經(jīng)進(jìn)入聚集態(tài)微粒所屬區(qū)域。

經(jīng)分析可知，低轉(zhuǎn)速小負(fù)荷區(qū)域內(nèi)的瞬態(tài)工況下，核態(tài)區(qū)域內(nèi)（<50 nm）微粒數(shù)量濃度峰值隨時(shí)間呈現(xiàn)出一定趨勢(shì)，先增大，隨后降低并再次增大；聚集態(tài)區(qū)域內(nèi)（>50 nm）的微粒數(shù)量濃度則隨時(shí)間變化呈增大趨勢(shì)，到20 s時(shí)在聚集態(tài)區(qū)域出現(xiàn)明顯的曲線第二峰值現(xiàn)象。

2.2 微粒數(shù)量、質(zhì)量濃度特性

瞬態(tài)工況下微粒的數(shù)量、質(zhì)量濃度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，隨時(shí)間從0～20 s的過程中，總體微粒數(shù)量濃度呈現(xiàn)出先增大，然后降低并再次增大的趨勢(shì)。10 s時(shí)，可獲得微粒數(shù)量濃度的最小值，20 s時(shí)獲得微粒數(shù)量濃度的最大值；核態(tài)微粒和聚集態(tài)微粒的數(shù)量濃度變化特性與總體的微粒數(shù)量濃度變化特性基本一致，值得注意的是聚集態(tài)微粒數(shù)量濃度則在0 s時(shí)取得數(shù)量濃度的最小值；從核態(tài)微粒數(shù)量濃度隨時(shí)間變化規(guī)律可知，核態(tài)微粒始終在總體數(shù)量濃度中占據(jù)主導(dǎo)地位，但隨著時(shí)間變化，核態(tài)微粒在總體中所占的比例呈逐漸減小趨勢(shì)。20 s時(shí)，核態(tài)微粒在總體中所占的比例下降到了約85%。

隨時(shí)間從0～20 s的過程中，總體的微粒質(zhì)量濃度呈現(xiàn)出先增大，然后降低并再次增大的趨勢(shì)。0 s時(shí)獲得微粒質(zhì)量濃度的最小值，在20 s時(shí)獲得微粒質(zhì)量濃度的最大值；核態(tài)微粒質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)圖中值得注意的是，5 s時(shí)獲得微粒質(zhì)量濃度曲線的最大值，10 s時(shí)獲得微粒質(zhì)量濃度曲線的最小值，核態(tài)微粒質(zhì)量濃度最終呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)；聚集態(tài)的微粒質(zhì)量濃度變化規(guī)律與總體的微粒質(zhì)量濃度一致，0 s時(shí)獲得微粒質(zhì)量濃度曲線的最小值，10 s時(shí)獲得微粒質(zhì)量濃度曲線的最大值；隨時(shí)間從0～20 s的過程中，聚集態(tài)微粒質(zhì)量濃度占總體質(zhì)量濃度的比例呈現(xiàn)出先增大，然后基本持平并再次增大的趨勢(shì)，在0 s時(shí)獲得聚集態(tài)微粒質(zhì)量濃度的最小比例值為32%，在5 s、10 s、15 s的情況下，比例值基本持平，保持在50%左右，20 s時(shí)獲得聚集態(tài)微粒質(zhì)量濃度的最大比例值為62%。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分說明，低轉(zhuǎn)速小負(fù)荷區(qū)間的瞬態(tài)工況下，核態(tài)微粒數(shù)量濃度值占據(jù)總體數(shù)量濃度的主導(dǎo)地位，而在微粒質(zhì)量濃度方面，核態(tài)微粒和聚集態(tài)微粒沒有出現(xiàn)一方占據(jù)明顯主導(dǎo)地位的情況，兩者的微粒質(zhì)量濃度基本持平。

2.3 微粒幾何平均直徑特性

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，微粒數(shù)量濃度幾何平均直徑（GMD）隨時(shí)間的變化，呈現(xiàn)出先增大后減小的整體趨勢(shì)。在0 s時(shí)達(dá)可獲得曲線最小值26.2 nm，在15 s時(shí)獲得曲線最大值29.8 nm；這一結(jié)果顯示，隨著時(shí)間的推移，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的微粒數(shù)量濃度整體有一定的規(guī)律性，呈現(xiàn)出先移向大粒徑方向，隨后向小粒徑方向偏移的特征。微粒質(zhì)量濃度幾何平均直徑隨時(shí)間的變化，呈現(xiàn)出先增大，然后減小，并再次增大的過程，在0 s時(shí)可獲得微粒質(zhì)量濃度幾何平均直徑最小值為37.3 nm，在20 s時(shí)可獲得微粒質(zhì)量濃度幾何平均直徑的最大值為47.6 nm；這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)隨時(shí)間產(chǎn)生的微粒質(zhì)量濃度整體有一定的變化趨勢(shì)，呈現(xiàn)出先向大粒徑方向移動(dòng)，隨后稍向小粒徑方向偏移的趨勢(shì)，最終向大粒徑方向再次移動(dòng)的特性。

2.4 TWC對(duì)微粒排放的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，從0～20 s的5條微粒數(shù)量濃度曲線隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本一致，整體曲線呈現(xiàn)出雙峰趨勢(shì)。隨著微粒粒徑的增大，微粒的數(shù)量濃度先呈現(xiàn)出增大趨勢(shì)，并在25.48 nm粒徑處獲得曲線的第一核態(tài)微粒區(qū)域峰值，之后，微粒數(shù)量濃度隨粒徑的增大而降低，在50～60 nm處開始反彈，隨后一直呈上升趨勢(shì)，在93.06 nm粒徑處獲得數(shù)量濃度的第二聚集態(tài)微粒區(qū)域峰值。將圖7與三效催化器前的微粒數(shù)量濃度曲線進(jìn)行比較可知，核態(tài)區(qū)域內(nèi)的微粒數(shù)量濃度峰值明顯減小，且在聚集態(tài)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)明顯的第二峰值。這一結(jié)果說明，大量的核態(tài)微粒經(jīng)過三效催化器后進(jìn)行了形態(tài)轉(zhuǎn)化，生成了聚集態(tài)的微粒。

圖8所示為三效催化器隨時(shí)間變化對(duì)核態(tài)微粒和聚集態(tài)微粒的催化效率。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，三效催化器對(duì)核態(tài)微粒的催化效率較高，幾乎能夠穩(wěn)定保持在77%的催化效率上下，大部分的核態(tài)微粒經(jīng)由三效催化器轉(zhuǎn)化為聚集態(tài)微粒，從而大大降低了三效催化器后的核態(tài)微粒的濃度；三效催化器對(duì)聚集態(tài)微粒的催化效率在實(shí)驗(yàn)初期時(shí)處于較低的水平，只有54.06%，隨后呈上升趨勢(shì)，最終可達(dá)到72.55%左右。出現(xiàn)這一催化效率上升的現(xiàn)象是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)開始時(shí)排氣溫度較低，三效催化器沒有起燃，催化效果相對(duì)較差，當(dāng)實(shí)驗(yàn)開始并進(jìn)行一段時(shí)間后，溫度上升后，其催化效果逐漸好轉(zhuǎn)，因此，可達(dá)到并維持在催化效率較高的水平。

3 結(jié)論

該文針對(duì)某1.4T GDI汽油機(jī)分析低速小負(fù)荷區(qū)間下，發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)中該GDI汽油機(jī)排氣微粒數(shù)量、質(zhì)量濃度和微粒粒徑分布的規(guī)律特性。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在低轉(zhuǎn)速小負(fù)荷區(qū)間瞬態(tài)工況下，有如下情況。

（1）排氣微粒數(shù)量濃度核態(tài)區(qū)域內(nèi)峰值隨時(shí)間變化，呈現(xiàn)出先增大，隨后降低并再次增大的趨勢(shì)；排氣微粒數(shù)量濃度在聚集態(tài)區(qū)域則呈現(xiàn)出增大趨勢(shì)，20 s時(shí)排氣微粒濃度曲線顯示聚集態(tài)區(qū)域內(nèi)形成了曲線的第二峰值。

（2）總體微粒的數(shù)量濃度方面，核態(tài)微粒占據(jù)85%以上，起到主導(dǎo)作用。

（3）總體微粒的質(zhì)量濃度方面，核態(tài)微粒和聚集態(tài)微?；境制?。0 s時(shí)，核態(tài)微粒占據(jù)比例以36%的優(yōu)勢(shì)領(lǐng)先于聚集態(tài)微粒；5～15 s時(shí)，核態(tài)微粒與聚集態(tài)微粒占比基本一致，于50%上下浮動(dòng)；20 s時(shí)，核態(tài)微粒占據(jù)比例以24%落后于聚集態(tài)微粒。

（4）在瞬態(tài)工作條件下，三效催化器對(duì)核態(tài)微粒的催化效率始終處于較高水平，保持在77%左右；三效催化器對(duì)聚集態(tài)微粒的催化效率在開始時(shí)較低，只有54.06%，隨著實(shí)驗(yàn)溫度的升高，其催化效率逐漸上升到較高水平，達(dá)到72.55%左右并保持這一水平。

參考文獻(xiàn)

[1] I.S Abdul-Khalek，DB Kittelson，BR Graskow，et al.Diesel Exhaust Particle Size：Measurement Issues and Trends[C]//Sae Technical Papers.1998.

[2] Baumgard K，Johnson J H.The effect of fuel and engine design on diesel exhaust particle size distributions[C]//Sae Technical Papers.1996.

[3] Su D.S.，Muller J.O.，Jentoft R.E.，et al. Fullerene-like Soot from Euro IV Diesel Engine：Consequences for Catalytic Automotive Pollution Control[J].Topics in Catalysis，2004，30（31）：24l-245.

[4] Stephen J，Harris，MM Maiicq.Signature Size Distributions for Diesel and Gasoline Exhaust Particulate Matter[J].Journal of Aerosol Science，2001，32（6）：749-764.