陳雨陽(yáng)， 莊祝躍， 方俊華， 喬信起

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 上海 200240)

?

·性能研究·

二次噴射時(shí)刻對(duì)GDI汽油機(jī)顆粒物排放的影響

陳雨陽(yáng)， 莊祝躍， 方俊華， 喬信起

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 上海 200240)

研究了缸內(nèi)直噴汽油機(jī)在不同二次噴射時(shí)刻條件下的顆粒物粒徑分布特性。試驗(yàn)工況為最大扭矩轉(zhuǎn)速2 000 r/min工況，負(fù)荷率分別為10%，30%，60%。試驗(yàn)結(jié)果表明：不同二次噴射時(shí)刻下，缸內(nèi)直噴汽油機(jī)顆粒物粒徑呈單峰分布，低負(fù)荷數(shù)量峰值在對(duì)應(yīng)的積聚模態(tài)70 nm附近。低負(fù)荷下，合理優(yōu)化二次噴油時(shí)刻可以降低顆粒物排放；中等負(fù)荷時(shí)，單次噴射的顆粒物排放遠(yuǎn)低于二次噴射。

汽油機(jī)； 二次噴射； 顆粒； 粒徑分布

缸內(nèi)直噴(GDI)汽油機(jī)是直接將燃油噴射到氣缸中,通過(guò)改變噴入氣缸的油量來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷。相對(duì)傳統(tǒng)進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗減少15%～20%，CO2排放降低，然而顆粒物排放在質(zhì)量濃度和數(shù)濃度上均有所增加[1]。顆粒物排放與缸內(nèi)直噴汽油混合氣形成密切相關(guān)，改變噴油策略會(huì)對(duì)混合氣形成產(chǎn)生很大影響[2]。因此，可以通過(guò)噴油策略控制形成合理混合氣分布，減少顆粒物排放。

二次噴油策略是應(yīng)用在車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)上的一種準(zhǔn)均質(zhì)稀燃技術(shù)[3-4]。受缸內(nèi)流場(chǎng)和噴霧的共同作用，二次噴油策略使得缸內(nèi)混合氣的均勻性有所降低，形成了火花塞處較濃，周邊較稀的分層混合氣[5]。相關(guān)試驗(yàn)證明，合理的噴油策略下，二次噴射較單次噴射油膜量少，缸內(nèi)的滾流比總體趨勢(shì)有所下降，液滴碰壁現(xiàn)象有改善，濕壁比例由1.79%降至1.32%[6]，燃油消耗率明顯降低[7]。同時(shí)，數(shù)值模擬和試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用二次噴射形成的分層當(dāng)量比混合氣能夠顯著地降低爆震強(qiáng)度[8]。針對(duì)二次噴油策略對(duì)顆粒物排放的影響，學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究。Xin He等[9]研究表明，二次噴油策略有降低GDI汽油機(jī)顆粒物排放的潛力。通過(guò)對(duì)比單次噴射，Whitaker P等[10]研究發(fā)現(xiàn)，在冷起動(dòng)、冷機(jī)瞬態(tài)、熱機(jī)瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)過(guò)程中，二次噴油策略明顯有助于降低顆粒物排放?；诙螄娪涂刂祁w粒物排放的研究方向，研究了中低負(fù)荷下第二次噴射時(shí)刻對(duì)顆粒物粒徑分布的影響，并且和同負(fù)荷下的單次噴射顆粒物排放進(jìn)行對(duì)比，以明確噴油策略的調(diào)控趨勢(shì)，為進(jìn)一步研究和降低GDI汽油機(jī)顆粒物排放提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)樣機(jī)

試驗(yàn)樣機(jī)為1臺(tái)4缸缸內(nèi)直噴式增壓汽油機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1，試驗(yàn)用燃料為國(guó)Ⅳ95號(hào)汽油。

表1 樣機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

1.2 顆粒數(shù)量和粒徑分析儀器及測(cè)試方法

顆粒物分析儀器采用TSI3034掃描遷移性顆粒粒徑分析儀(Scanning Mobility ParticleSizer，SMPS)，其基本的原理是利用帶電粒子在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)從而篩分不同粒徑粒子，通過(guò)凝聚顆粒計(jì)數(shù)器(CPC)來(lái)測(cè)定顆粒物濃度。進(jìn)氣流量為1 L/min，顆粒粒徑測(cè)量范圍為10～487 nm，共分54個(gè)粒徑分級(jí)，每3 min完成整個(gè)粒徑范圍的一個(gè)掃描，顆粒數(shù)濃度測(cè)量范圍為102～107個(gè)/cm3。在SMPS采樣口前接入熱擴(kuò)散管TD(thermodenuder)，顆粒物在熱擴(kuò)散管停留約26 s后進(jìn)入常溫?cái)U(kuò)散層，其中揮發(fā)組分在擴(kuò)散層被活性炭吸附，吸附效率接近100%，剩余組分進(jìn)入SMPS進(jìn)行檢測(cè)，故本試驗(yàn)主要測(cè)排氣中的干炭煙(Dry soot)。為達(dá)到測(cè)試儀器的測(cè)試量程范圍和溫度要求，排氣需通過(guò)稀釋通道進(jìn)行稀釋?zhuān)w粒稀釋取樣系統(tǒng)見(jiàn)圖1。本試驗(yàn)采用兩級(jí)稀釋?zhuān)傁♂尡葹?4。第1級(jí)稀釋系統(tǒng)采用TSI專(zhuān)業(yè)旋轉(zhuǎn)盤(pán)稀釋器，對(duì)采集到的汽油機(jī)排氣進(jìn)行稀釋?zhuān)刂瞥跫?jí)稀釋系統(tǒng)的加熱溫度為(150±10) ℃，第1級(jí)稀釋比為10.5，蒸發(fā)管的溫度為(350±10) ℃，第2級(jí)稀釋系統(tǒng)加熱溫度為(25±1) ℃，稀釋比為8。稀釋比的確定是通過(guò)相同工況下同時(shí)測(cè)量排氣管和稀釋后混合氣中的CO2濃度得到的，其計(jì)算公式如式(1)所示：

(1)

圖1 顆粒稀釋取樣系統(tǒng)

1.3 試驗(yàn)工況

為了有效反映GDI汽油機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行過(guò)程中的顆粒物排放特性，試驗(yàn)選取典型轉(zhuǎn)速——最大扭矩轉(zhuǎn)速2 000 r/min，負(fù)荷分別選取25 N·m，75 N·m，150 N·m，對(duì)應(yīng)的負(fù)荷率為10%，30%，60%。每組試驗(yàn)均在發(fā)動(dòng)機(jī)工況穩(wěn)定后測(cè)量，保持水溫(90±1) ℃，油溫(95±1) ℃，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。在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)二次噴射試驗(yàn)過(guò)程中，為保證火花塞附近混合氣為濃混合氣，同時(shí)遠(yuǎn)端的混合氣不至于過(guò)稀失火，試驗(yàn)設(shè)定第一次噴油量與第二次噴油量之比為1∶1。固定第一次噴射角為303°BTDC，第二次噴射角為160°BTDC，在此基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)第二次噴射角±3°，±9°，研究第二次噴射時(shí)刻對(duì)顆粒物粒徑分布的影響，并與相同負(fù)荷下單次噴射(SI，single injection)顆粒物粒徑分布進(jìn)行對(duì)比分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顆粒物粒徑分布

圖2至圖4示出該汽油機(jī)在不同二次噴射角下排氣顆粒物的粒徑分布。由圖2至圖4可見(jiàn)：隨著二次噴射角和負(fù)荷的變化，最大扭矩轉(zhuǎn)速下的排氣顆粒粒徑都呈現(xiàn)包含核模態(tài)粒子(10 nm

圖2 顆粒數(shù)量的粒徑分布(2 000 r/min，10%負(fù)荷)

圖3 顆粒數(shù)量的粒徑分布(2 000 r/min，30%負(fù)荷)

圖4 顆粒數(shù)量的粒徑分布(2 000 r/min，60%負(fù)荷)

2.2 顆?？倲?shù)量濃度與總質(zhì)量濃度

顆粒質(zhì)量的含義是指單位體積排氣氣溶膠的總質(zhì)量。假設(shè)所有排氣顆粒都呈球形，密度為1.2 g/cm3，即可將顆粒物數(shù)濃度轉(zhuǎn)化為質(zhì)量濃度[11]。將各負(fù)荷下核模態(tài)粒子(10 nm

由圖5至圖7可看出，隨著負(fù)荷的遞增，顆粒數(shù)濃度呈遞增趨勢(shì)。在低負(fù)荷下，積聚態(tài)顆粒物數(shù)量較核模態(tài)多，核模態(tài)顆粒物數(shù)量隨著二次噴射角的變化較??；中等負(fù)荷下，核模態(tài)的顆粒物隨著二次噴射角的變化趨勢(shì)與總的顆粒物變化趨勢(shì)相似，且核模態(tài)的顆粒數(shù)量遠(yuǎn)多于積聚模態(tài)。

其次，對(duì)比單次噴射和二次噴射的顆粒物數(shù)量可以發(fā)現(xiàn)，低負(fù)荷下，相比單次噴射，合適的二次噴射角能降低顆粒物數(shù)量；中等負(fù)荷時(shí)，單次噴射的顆粒物數(shù)量相比二次噴射少1個(gè)數(shù)量級(jí)。這主要是因?yàn)榈拓?fù)荷時(shí)二次噴油形成分層燃燒的效果比單次噴射均質(zhì)混合氣燃燒的效果好。而中等負(fù)荷時(shí)，油氣混合時(shí)間縮短，二次噴油燃料來(lái)不及燃燒，致使顆粒物排放比單次噴射高。每個(gè)低負(fù)荷工況下均有合適的二次噴油角使得二次噴射較單次噴射的顆粒物排放低。二次噴射較早，導(dǎo)致部分燃油直接撞擊活塞頂部，燃油蒸發(fā)量過(guò)少，燃燒性能惡化；二次噴射較晚，油氣混合的時(shí)間過(guò)短，缸內(nèi)混合氣不均勻，分層燃燒效果不好。

圖8至圖10可看出，顆粒總質(zhì)量濃度趨勢(shì)也與積聚模態(tài)質(zhì)量濃度保持一致。隨著負(fù)荷的遞增，顆粒質(zhì)量濃度呈先增大后減小的趨勢(shì)。在中低負(fù)荷下，積聚態(tài)顆粒物質(zhì)量濃度均遠(yuǎn)大于核模態(tài)。其次，對(duì)比單次噴射和二次噴射的顆粒物質(zhì)量濃度可以發(fā)現(xiàn)，低負(fù)荷下，相比單次噴射，合適的二次噴射角能降低排放顆粒物質(zhì)量；中等負(fù)荷時(shí)，二次噴射的顆粒物質(zhì)量多于單次噴射顆粒物質(zhì)量，但兩者處于同一量級(jí)。

圖5 2 000 r/min，10%負(fù)荷時(shí)顆粒總數(shù)量濃度

圖6 2 000 r/min，30%負(fù)荷時(shí)顆粒總數(shù)量濃度

圖7 2 000 r/min，60%負(fù)荷時(shí)顆?？倲?shù)量濃度

圖8 2 000 r/min，10%負(fù)荷時(shí)顆粒總質(zhì)量濃度

圖9 2 000 r/min，30%負(fù)荷時(shí)顆粒總質(zhì)量濃度

圖10 2 000 r/min，60%負(fù)荷時(shí)顆?？傎|(zhì)量濃度

汽油機(jī)在低負(fù)荷時(shí)以計(jì)量比混合氣組織燃燒，過(guò)量空氣系數(shù)高，二次噴射階段燃料在到達(dá)富燃區(qū)之前即已被燃燒消耗掉，致使富燃區(qū)的燃燒得不到后續(xù)的燃料補(bǔ)充，同時(shí)，選擇合適的二次噴射時(shí)刻可使缸內(nèi)形成火花塞附近較濃、遠(yuǎn)端較稀的混合氣，燃燒時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，從而使得發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣燃燒好、排放低；中等負(fù)荷時(shí)缸內(nèi)二次噴射使得燃油和空氣混合的時(shí)間大大縮短，燃燒環(huán)境惡劣化，基礎(chǔ)碳粒子生成量劇增，顆粒物濃度遠(yuǎn)大于單次噴射。這與Maricq等[12]的研究結(jié)果——尾氣中顆粒物數(shù)量隨著汽油機(jī)過(guò)量空氣系數(shù)的降低而增加一致。

圖11所示的不同負(fù)荷下HC濃度也證明了在中等負(fù)荷下二次噴射使得缸內(nèi)燃燒環(huán)境惡化的說(shuō)法。60%負(fù)荷時(shí)HC濃度較其他負(fù)荷時(shí)高出很多，原因是兩次噴油間隔內(nèi)燃油和空氣混合時(shí)間大大縮短，致使發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃燒環(huán)境惡化，高溫缺氧使得燃油容易裂解成低分子的碳?xì)?，低分子碳?xì)溥呥M(jìn)行脫氫反應(yīng)邊生成細(xì)碳粒子，細(xì)碳粒子排出后可能仍以核模態(tài)存在，故HC濃度、核模態(tài)濃度大幅增加。這也與以往研究結(jié)果認(rèn)為的“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[13]”相符。

圖11 不同負(fù)荷的HC濃度(2 000 r/min)

3 結(jié)論

a) 隨著二次噴射角的變化，最大扭矩轉(zhuǎn)速下中、低負(fù)荷顆粒粒徑分布均呈現(xiàn)單峰分布，數(shù)量峰值在對(duì)應(yīng)的積聚模態(tài)70 nm附近；

b) 相對(duì)于合適的二次噴油角，試驗(yàn)測(cè)試工況下提前和推遲二次噴射均導(dǎo)致顆粒物排放增加；故在保證GDI增壓汽油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，合理優(yōu)化二次噴油角可以降低GDI增壓汽油機(jī)顆粒物排放；

c) 中等負(fù)荷時(shí)，由于二次噴射的油氣混合時(shí)間過(guò)短，燃燒環(huán)境惡化，單次噴射的顆粒物排放效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于二次噴射。

[1] Spicher U, Reissing J, Kech J M, et al. Gasoline direct injection (GDI) engines-development potentialities[C]. SAE Paper 1999-01-2938.

[2] 雷小呼,王燕軍,王建昕,等. 缸內(nèi)直噴汽油機(jī)燃燒控制策略及實(shí)現(xiàn)[J]. 內(nèi)燃機(jī)工程,2004,25(3):4-7.

[3] 裴普成,劉書(shū)亮,范永健，等.五氣門(mén)汽油機(jī)氣道內(nèi)二次燃油噴射技術(shù)的研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2000,18(1):53-56.

[4] 劉德新,馮洪慶,劉書(shū)亮，等.二次噴油過(guò)程對(duì)稀燃汽油機(jī)性能影響的試驗(yàn)研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2003,21(5):333-336.

[5] 信曦,丁寧,張小矛，等.二次噴射對(duì)直噴增壓汽油機(jī)油氣混合與燃油濕壁影響的研究[C]//中國(guó)內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)燃燒凈化節(jié)能分會(huì)2013年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.保定：中國(guó)內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)，2013:1-6.

[6] 黃雅卿,王志,王建昕，等.二次噴射對(duì)直噴增壓小排量汽油機(jī)影響的數(shù)值模擬[J].汽車(chē)工程,2014(10):1180-1183,1188.[7] Zhao F, Lai M C, Harrington D L. Automotive spark-ignited direct-injection gasoline engines[J]. Progress in energy and combustion science,1999,25(5):437-562.

[8] 白云龍,王志,王建昕. 分層當(dāng)量比混合氣抑制缸內(nèi)直噴汽油機(jī)爆震的模擬[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2010(5):393-398.

[9] He X, Ratcliff M A, Zigler B T. Effects of gasoline direct injection engine operating parameters on particle number emissions[J]. Energy & Fuels,2012,26(4):2014-2027.

[10] Whitaker P, Kapus P, Ogris M, et al. Measures to reduce particulate emissions from gasoline DI engines[C]. SAE Paper 2011-01-1219.

[11] Abdul-Khalek I S, Kittelson D B, Graskow B R, et al. Diesel exhaust particle size: measurement issues and trends[C]. SAE Paper 980525,1998.

[12] Maricq M M, Podsiadlik D H, Chase R E. Gasoline vehicle particle size distributions: Comparison of steady state, FTP, and US06,measurements[J]. Environ SciTechnol,1999,33(12):2007-2015.

[13] Kittelson D B. Engines and nanoparticles: a review[J]. Journal of aerosol science,1998,29(5):575-588.

[編輯： 潘麗麗]

Effects of Secondary Fuel Injection Timing on Particle Emission of GDI Engine

CHEN Yuyang， ZHUANG Zhuyue， FANG Junhua， QIAO Xinqi

(Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

The characteristics of particle size distribution under different secondary injection timings were researched under the 10%, 30% and 60% load conditions at the maximum torque speed (2 000 r/min) of GDI engine. The results indicate that the particle size of secondary injection timing shows unimodal distribution with the number peak of low load around 70 nm accumulation mode. At low load, the reasonable optimization of secondary fuel injection timing can reduce particle emission. At medium load, the particle emission of single injection is far less than that of secondary fuel injection.

gasoline engine； secondary fuel injection； particulate matter； particle size distribution

2015-11-03；

2016-01-15

陳雨陽(yáng)(1990—)，男，碩士，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)顆粒物排放；cyuyang@foxmail.com。

方俊華(1974—)，男，講師，博士，主要研究方向內(nèi)燃機(jī)燃燒與排放，內(nèi)燃機(jī)電子控制；fjunhua@sjtu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.01.009

TK421.5

B

1001-2222(2016)01-0048-04