李慶宇，付建勤, ，劉敬平, ，劉 琦, ，沈瑤瑞

(1.湖南大學(xué) 先進(jìn)動(dòng)力總成技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410082；2.湖南大學(xué)重慶研究院，重慶 401120)

在“雙碳”目標(biāo)的背景下，低碳、高效和環(huán)保成為了內(nèi)燃機(jī)新的發(fā)展趨勢(shì).推廣應(yīng)用具有碳中性的生物替代燃料，可以真正意義上實(shí)現(xiàn)“碳中和”，對(duì)內(nèi)燃機(jī)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要性不言而喻.作為典型的生物替代燃料之一，乙醇摻混汽油能明顯改善發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率和排放性能，但是對(duì)于直噴發(fā)動(dòng)機(jī)而言顆粒物排放是尚未有效解決的難題.隨著燃油噴射技術(shù)的進(jìn)步，油軌壓力、燃油噴射次數(shù)和噴射持續(xù)時(shí)間等參數(shù)具有更廣泛的調(diào)節(jié)范圍和更高的控制精度.因此，乙醇汽油結(jié)合多次噴射技術(shù)有望成為降低發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物排放的一種技術(shù)方案.

多次噴射是優(yōu)化直噴發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放的有效方案之一，目前已應(yīng)用于大量新品發(fā)動(dòng)機(jī).最初，多次噴射主要用于 改善柴油機(jī)的碳煙 和氮氧化物排放，這種策略不僅在排放方面，而且在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒質(zhì)量和噪聲 方面都取得了良好的效果[1].后來(lái)，多次噴射逐漸應(yīng)用于點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，不僅可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率、減少排放，而且還可以和代用燃料(如雙燃料燃燒模式等)進(jìn)行綜合應(yīng)用[2].侯獻(xiàn)軍等[3]研究發(fā)現(xiàn)二次噴射比例和正時(shí)的合理優(yōu)化能有效降低油耗和顆粒物排放.Singh等[4]將乙醇汽油與二次噴射技術(shù)結(jié)合，使發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率得到提高.Taehoon等[5]研究發(fā)現(xiàn)與單次噴射相比，多次噴射在不降低轉(zhuǎn)矩和燃燒穩(wěn)定性的前提下顯著降低顆粒物濃度.截止目前，現(xiàn)有缸內(nèi)直噴汽油機(jī)(GDI)多次噴射研究大多局限于兩次噴射[6]，多次噴射潛力尚未得到全面挖掘.此外，國(guó)內(nèi)外系統(tǒng)開(kāi)展瞬態(tài)工況下多次噴射對(duì)乙醇汽油發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物的排放規(guī)律的研究較少；Fu等[7]研究了冷啟動(dòng)和暖機(jī)條件對(duì)新歐洲駕駛循環(huán)(NEDC)下汽油車PM排放的影響，發(fā)現(xiàn)在冷啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)條件下前200s產(chǎn)生的顆粒更多.Mamakos等[8]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)環(huán)境溫度從22℃降到-7℃時(shí)，汽油機(jī)在NEDC循環(huán)下PM排放量增一倍.Karavalakis等[9]研究了發(fā)動(dòng)機(jī)燃用乙醇汽油混合燃料在美國(guó)聯(lián)邦測(cè)試循環(huán)(FTP)下的PM排放，發(fā)現(xiàn)燃料中的氧含量是顆粒數(shù)減少的主要因素.國(guó)內(nèi)外針對(duì)瞬態(tài)工況下乙醇汽油發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物排放特性的研究，主要集中在特定工況，并且?guī)缀鯖](méi)有結(jié)合多次噴射來(lái)研究顆粒物排放特性及其影響因素.

為了系統(tǒng)性揭示多次噴射策略對(duì)不同摻混比的乙醇汽油發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物排放的影響，筆者針對(duì)一臺(tái)GDI汽油機(jī)開(kāi)展了噴射次數(shù)和乙醇分?jǐn)?shù)的敏感性試驗(yàn)分析，進(jìn)一步開(kāi)展了發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)和穩(wěn)定工況下不同乙醇摻混比和噴射策略對(duì)顆粒物排放影響的對(duì)比研究，該研究為改善乙醇汽油發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能提供理論指導(dǎo)和數(shù)據(jù)支撐.

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及方法

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)

試驗(yàn)對(duì)象為一臺(tái)2.0L直列4缸渦輪增壓GDI發(fā)動(dòng)機(jī).發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1，發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)示意如圖1所示.目前量產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)大多采用6～8孔的電磁閥式噴油器.而筆者采用的是帶有空心錐形噴霧的快速壓電式噴油器(Piezo-electric噴油器)，具備每個(gè)循環(huán)最多5次噴射 的能力.與傳統(tǒng)的多孔噴嘴相比，壓電式噴嘴幾乎無(wú)節(jié)流，噴射壓力也明顯提升(可達(dá)20MPa，高于多孔閥的13MPa).壓電式噴油器的高噴射壓力與響應(yīng)更快的壓電晶體共同作用產(chǎn)生錐形空心噴霧，其貫穿距僅為傳統(tǒng)多孔噴嘴的50%左右.正是考慮到上述優(yōu)點(diǎn)，以壓電式噴油器為對(duì)象，開(kāi)展多次噴射策略對(duì)GDI發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物排放性能的影響研究.

圖1 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)示意Fig.1 Schematic diagram of the GDI engine

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)Tab.1 Test engine specifications

1.2 燃料性能對(duì)比

該發(fā)動(dòng)機(jī)可燃用純汽油E0(100%的基準(zhǔn)汽油，研究辛烷值92)、E100(無(wú)水乙醇，純度≥99.5%，H2O≤0.005%)及不同乙醇摻混比的乙醇-汽油混合燃料.研究考慮了E0、E10、E30和E85共4種燃料，其中，基準(zhǔn)汽油(E0)燃料為研究級(jí)未氧化汽油，E0汽油與E100按體積混合得到不同比例的乙醇-汽油混合燃料，如E30(乙醇體積分?jǐn)?shù)為30%的乙醇-汽油混合燃料).基準(zhǔn)汽油和無(wú)水乙醇燃料的物理和化學(xué)性質(zhì)對(duì)比，如表2所示.

表2 兩種基準(zhǔn)燃料物化特性對(duì)比Tab.2 Comparison of the specifications of two reference fuels

1.3 測(cè)試設(shè)備及方法

試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備包括AVL燃燒分析儀、燃油消耗測(cè)量?jī)x(AVL 7351 CST)、溫度和壓力傳感器等.采用火花塞壓力傳感器(Kistler 6115BFD34Q04)和電荷放大器(Kistler 5010)采集每個(gè)氣缸的壓力.通過(guò)INCA系統(tǒng)設(shè)置每個(gè)工況下特定的試驗(yàn)邊界條件，主要包括噴射參數(shù)和過(guò)量空氣系數(shù)等，并通過(guò)傳感器記錄發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力、排氣壓力(渦輪前、后)、排氣溫度、機(jī)油和冷卻液溫度等.表3為發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工況下多次噴射研究的邊界條件和部件保護(hù)限制的工作極限值.

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)邊界條件以及臨界值Tab.3 Experimental operating boundary conditions and limited value of engine

在研究瞬態(tài)工況下多次噴射和乙醇比例對(duì)顆粒物濃度的影響時(shí)，為了避免發(fā)動(dòng)機(jī)爆震，除了過(guò)量空氣系數(shù)保持為1.0，進(jìn)/排氣門(mén)正時(shí)和點(diǎn)火正時(shí)等均為標(biāo)定值.

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)未配備任何排氣后處理系統(tǒng)，為了測(cè)量顆粒物的分布及濃度，采用隔熱的不銹鋼管從發(fā)動(dòng)機(jī)排氣流道采樣廢氣.圖2為Cambustion DMS500系統(tǒng)，用于測(cè)量排氣中顆粒數(shù)量和粒徑分布.該系統(tǒng)根據(jù)納米顆粒在電場(chǎng)中的遷移率來(lái)生成尺寸在5～1000nm之間的納米顆粒分布.采樣的廢氣用150℃的干燥空氣稀釋，第一和第二階段的稀釋比(體積比)分別為6∶1和12∶1，避免由碳?xì)浠衔锖退淠鸬念w粒凝聚.Cambustion DMS500系統(tǒng)不僅可以測(cè)量大尺寸顆粒物，而且具備目前最快速的超微小氣溶膠的測(cè)量能力.因此，該系統(tǒng)可適合在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工況下測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒物排放.

圖2 測(cè)量顆粒物的Cambustion DMS500系統(tǒng)Fig.2Cambustion DMS500 system for particle measurement

在穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)中，采用參數(shù)掃描試驗(yàn)的方法研究噴射次數(shù)和乙醇比例對(duì)顆粒物排放的影響.通過(guò)將每個(gè)循環(huán)的噴射次數(shù)從單次逐漸增加至最高5次，研究多次噴射對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和顆粒物排放的影響.

為便于比較不同噴射次數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，引入了Imaoka等[10]在GDI發(fā)動(dòng)機(jī)噴油研究中提出的“加權(quán)噴射中心正時(shí)”概念，即基于噴油策略的質(zhì)量加權(quán)平均(COI)如式(1)所示.

式中：Ti為第i次噴射正時(shí)的中心位置；mi為第i次噴射時(shí)間內(nèi)的總質(zhì)量；N為噴射次數(shù).

2 結(jié)果與討論

2.1 穩(wěn)態(tài)工況下噴射策略對(duì)顆粒物的影響

2.1.1 噴射次數(shù)對(duì)顆粒物的影響

圖3示出進(jìn)氣壓力為0.125MPa的單次、2次和3次噴射策略下發(fā)動(dòng)機(jī)燃用E10的顆粒物粒徑分布.選用了相同COI但不同噴射次數(shù)的工況.無(wú)論是核態(tài)(5～50nm)還是聚集態(tài)(50～1000nm)顆粒物，3次噴射的顆粒物排放要少于2次噴射和單次噴射的情況.并且，相較于單次噴射和2次噴射，3次噴射能有效降低核態(tài)顆粒物濃度.由于噴射持續(xù)期較短，3次噴射能減少燃油對(duì)氣缸壁的撞擊；并且3次噴射還可以加強(qiáng)燃料與空氣的混合，從而有利于減少顆粒物排放.Fischer等[11]研究表明，由于噴油器更頻繁地開(kāi)啟和關(guān)閉，多次噴射增加了噴油器尖端的潤(rùn)濕作用，從而有可能導(dǎo)致更多顆粒物的生成.然而在試驗(yàn)中觀察到的3次噴射顯著降低了顆粒物排放，表明噴油器尖端濕潤(rùn)并不是顆粒物形成的最重要因素.

圖3 進(jìn)氣壓力為0.125MPa時(shí)噴射次數(shù)對(duì)顆粒物排放的影響Fig.3 Effects of injection times on particulate emissions at pin=0.125MPa

圖4示出進(jìn)氣壓力為0.150MPa時(shí)E10噴射次數(shù)對(duì)顆粒物排放的影響.與單次噴射和2次噴射相比，3次噴射幾乎降低了所有粒徑范圍(0～1000nm)內(nèi)的顆粒物排放，尤其在10～100nm的粒徑范圍，3次噴射條件下顆粒物濃度下降尤為明顯.就顆粒物總量而言，3次噴射的PN總濃度比單次噴射降低了近60%，明顯優(yōu)于2次噴射的效果(PN僅下降15%).對(duì)比圖3和圖4不難發(fā)現(xiàn)，兩組進(jìn)氣壓力(或負(fù)荷)下顆粒物的分布規(guī)律比較相似，不過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增大后PN總量增加了10%～45%.也就是說(shuō)，顆粒物濃度隨進(jìn)氣壓力(或負(fù)荷)的增加而上升，這是因?yàn)檫M(jìn)氣壓力(或負(fù)荷)增加意味著需要更多的噴油量和更長(zhǎng)的噴油持續(xù)期.噴油持續(xù)期的增加導(dǎo)致更高的噴霧穿透率，從而增加了與壁面和活塞撞擊的可能性，由此形成的油膜是最主要的顆粒物排放源之一.

圖4 進(jìn)氣壓力為0.150MPa 時(shí)噴射次數(shù)對(duì)顆粒物排放的影響Fig.4 Effects of injection times on particulate emissions at pin=0.150MPa

2.1.2 燃料乙醇比例對(duì)顆粒物的影響

圖5給出在進(jìn)氣壓力為0.125MPa、單次噴射條件下發(fā)動(dòng)機(jī)燃用E0、E30和E85的顆粒物粒徑分布.隨著乙醇含量的增加，總顆粒物濃度明顯下降，同時(shí)核態(tài)和聚集態(tài)顆粒物也均下降.因此，乙醇可以很好地降低顆粒物的排放濃度.這是因?yàn)橐掖挤肿又械腛H鍵會(huì)促進(jìn)顆粒物的前期氧化，導(dǎo)致顆粒物排放量減少[12].Westbrook等[13]在其化學(xué)動(dòng)力學(xué)建模研究中發(fā)現(xiàn)，乙醇-柴油中氧含量的增加可抑制燃料中的碳進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成顆粒物.這從化學(xué)動(dòng)力學(xué)途徑解釋了摻混乙醇的汽油燃料顆粒物排放減少的原因.

圖5 單次噴射條件下E0、E30和E85的顆粒物粒徑分布Fig.5Particle size distribution of E0，E30 and E85 under single fuel injection

圖6給出了3次噴射條件下發(fā)動(dòng)機(jī)燃用E0、E30和E85的顆粒物粒徑分布.總體來(lái)說(shuō)，3次噴射和單次噴射條件下乙醇比例對(duì)顆粒物排放的影響規(guī)律相似，即乙醇比例越高，總顆粒物排放越低.這主要是因?yàn)榛旌先剂现械难鹾侩S乙醇含量的增加而增大，其對(duì)顆粒物的氧化能力也隨之增強(qiáng).

圖6 3次噴射條件下E0、E30和E85的顆粒物粒徑分布Fig.6 Particle size distribution of E0，E30 and E85 under three fuel injection

圖5a和圖6a左上角的對(duì)數(shù)所示，在100～1000nm的顆粒物粒徑范圍內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用E85的顆粒物濃度大于E30.從圖6b可以發(fā)現(xiàn)，E85導(dǎo)致的聚集態(tài)顆粒物明顯比核態(tài)顆粒物濃度高，這是大于100nm的粒徑顆粒物數(shù)量上升的緣故.隨乙醇含量增加，較高的乙醇汽化熱產(chǎn)生較強(qiáng)的蒸發(fā)冷卻效果，加速了殘余油膜的形成，這也是顆粒物的重要來(lái)源之一.因此，乙醇汽油燃料對(duì)顆粒物的影響需從兩方面考慮，即乙醇對(duì)顆粒物的氧化能力以及乙醇汽化熱對(duì)壁面油膜形成的影響.而從研究結(jié)果來(lái)看前者占主導(dǎo)作用；后者主要對(duì)大直徑的顆粒物產(chǎn)生影響(導(dǎo)致其增加)，但對(duì)總的顆粒物濃度的影響不明顯.

為了研究不同噴射次數(shù)下乙醇比例對(duì)顆粒物質(zhì)量的影響，使用PN粒徑分布(單位體積內(nèi)顆粒物的個(gè)數(shù))數(shù)據(jù)估計(jì)PM(單位體積內(nèi)顆粒物的質(zhì)量).假設(shè)碳煙顆粒為球形，并利用Liu等[14]提出的有效粒子密度關(guān)系式計(jì)算總PM，結(jié)果如圖7所示.無(wú)論是單次噴射還是2次噴射，汽油摻混乙醇均可顯著降低PM；但在3次噴射條件下，PM已經(jīng)達(dá)到了極低水平，此時(shí)乙醇的加入(以及摻混比的增加)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的PM排放影響不大.并且乙醇汽化熱的增加有助于油膜的形成，從而導(dǎo)致大顆粒物的產(chǎn)生，這對(duì)PM的貢獻(xiàn)更大.因此，就PM而言，多次噴射的影響大于乙醇的加入及其摻混比.

圖7 不同噴射次數(shù)和乙醇比例下顆粒物的質(zhì)量濃度Fig.7Mass concentration of PM under different injecttion times and ethanol ratio

2.2 瞬態(tài)過(guò)程噴射策略對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

汽車在實(shí)際行駛過(guò)程中，大部分時(shí)間處于過(guò)渡工況.由于在瞬態(tài)工況前、后發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)會(huì)發(fā)生急劇變化，僅僅優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能對(duì)于提升發(fā)動(dòng)機(jī)在整車運(yùn)行狀態(tài)下的性能具有一定局限性.更進(jìn)一步對(duì)瞬態(tài)工況下含氧燃料對(duì)點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物排放影響的研究相對(duì)較少，尤其是針對(duì)單個(gè)瞬態(tài)循環(huán)過(guò)程的研究更是罕見(jiàn).因此，有必要研究瞬態(tài)過(guò)程噴射策略對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響.

2.2.1 瞬態(tài)工況下不同噴射策略的影響

為了研究瞬態(tài)工況下不同噴射策略對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響，在試驗(yàn)臺(tái)架上模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)工況1(包括加減速和勻速過(guò)程)，按圖8中給定的轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門(mén)位置，分別進(jìn)行單次噴射和3次噴射試驗(yàn).發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速為800r/min，選取轉(zhuǎn)速為1750r/min、節(jié)氣門(mén)開(kāi)度分別為35%、40%和43%作為過(guò)渡工況點(diǎn).工況點(diǎn)過(guò)渡時(shí)間與穩(wěn)定時(shí)間均設(shè)置為5s.在瞬態(tài)工況、冷機(jī)狀態(tài)下的冷卻水初始溫度均控制在25℃.

圖8 瞬態(tài)工況1下的轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門(mén)位置Fig.8 Speed and throttle position under transient condition 1

圖9為瞬態(tài)工況1下E10兩種噴射策略對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響對(duì)比.單次噴射和3次噴射對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在瞬態(tài)運(yùn)行過(guò)程的平均有效壓力(BMEP)和燃燒參數(shù)影響均不大.在節(jié)氣門(mén)開(kāi)度最大時(shí)，3次噴射的BMEP比單次噴射稍大.在冷啟動(dòng)過(guò)程中(第7～18s的時(shí)間區(qū)間，即圖9b中紅色方框區(qū)域內(nèi))，發(fā)動(dòng)機(jī)從怠速切換到1750r/min的特定工況，并在此工況穩(wěn)定了5s；此過(guò)程中，單次噴射的燃燒重心比3次噴射更靠前，而B(niǎo)MEP幾乎保持一致，這是由于在冷啟動(dòng)過(guò)程中單次噴射和3次噴射的標(biāo)定Map不同導(dǎo)致的，并且單次噴射相較于3次噴射點(diǎn)火提前角也更靠前.隨著工況逐漸過(guò)渡到高負(fù)荷，單次和3次噴射條件下發(fā)動(dòng)機(jī)的性能差異不大.

圖9 瞬態(tài)工況1下E10兩種噴射策略對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響Fig.9 Comparisons of engine performance between single injection and 3 injections of E10 under transient condition 1

圖10比較了瞬態(tài)工況1單次噴射和3次噴射的顆粒物總濃度(0～1000nm范圍內(nèi))的變化.在絕大多數(shù)時(shí)間段3次噴射的顆粒物濃度都比單次噴射低.尤其是在冷啟動(dòng)時(shí)(第10s左右)，發(fā)動(dòng)機(jī)從怠速工況變化到1750r/min、中等負(fù)荷時(shí)，單次噴射的顆粒物濃度出現(xiàn)峰值，比3次噴射的顆粒物濃度高出2～3個(gè)數(shù)量級(jí).這表明在冷啟動(dòng)的瞬態(tài)工況下，相較于單次噴射，采取3次噴射可以有效降低顆粒物排放.這是因?yàn)樵诶鋯?dòng)條件下，單次噴射的噴霧貫穿距更長(zhǎng)，容易導(dǎo)致濕壁，從而產(chǎn)生更多顆粒物.而當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于暖機(jī)狀態(tài)時(shí)，即在40s以后，單次噴射與3次噴射的顆粒物濃度差距減小.這是因?yàn)樵跓釞C(jī)狀態(tài)下噴油量會(huì)適當(dāng)減少，并且壁面溫度升高加速油膜蒸發(fā)，削弱了單次噴射導(dǎo)致的油膜影響，最終使單次和3次噴射的顆粒物濃度差距減小[15].

圖10 瞬態(tài)工況1時(shí)E10單次和3次噴射的顆粒物濃度對(duì)比Fig.10Comparison of PN emissions between single injection and 3 injections of E10 under transient condition 1

為了研究連續(xù)加速和減速瞬態(tài)工況下噴射策略對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，構(gòu)建了瞬態(tài)工況2，圖11所示瞬態(tài)工況2下的轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門(mén)位置.瞬態(tài)工況2是類似鋸齒狀的加減速工況，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速始終維持在1750r/min，節(jié)氣門(mén)位置在25%到39%之間變化，加減速的時(shí)間間隔分別是12.5、10.0、7.5和5.0s.

圖11 瞬態(tài)工況2下的轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門(mén)位置Fig.11Speed and throttle position under transient condition 2

圖12為瞬態(tài)工況2下E10單次和5次噴射的發(fā)動(dòng)機(jī)性能對(duì)比.由圖12a和圖12b可以發(fā)現(xiàn)，在絕大部分時(shí)間內(nèi)單次噴射和5次噴射的BMEP、燃燒重心的變化趨勢(shì)基本一致.不過(guò)，當(dāng)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度最大時(shí)，5次噴射的燃燒重心要比單次噴射提前，這是由于單次噴射和5次噴射噴射中心的差異導(dǎo)致的.從圖12c可以明顯看出，5次噴射顯著降低了顆粒物排放濃度，尤其是在負(fù)荷較大的工況.相較于單次噴射，5次噴射在最大負(fù)荷時(shí)顆粒物降低了將近80%.而且負(fù)荷越大，顆粒物濃度也越大，這與之前穩(wěn)態(tài)工況的結(jié)果也是相吻合的.隨著工況點(diǎn)之間過(guò)渡時(shí)間減少，無(wú)論是單次噴射還是5次噴射，顆粒物的峰值都在遞減，這說(shuō)明加速過(guò)程的過(guò)渡時(shí)間和顆粒物濃度的峰值是正相關(guān)的.這主要是由于加速過(guò)渡時(shí)間越長(zhǎng)，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在高負(fù)荷的時(shí)間越長(zhǎng)，而負(fù)荷越大越有利于顆粒物的生成，于是隨著加速過(guò)渡時(shí)間變長(zhǎng)，其顆粒物濃度峰值變高.

圖12 瞬態(tài)工況2下E10單次和5次噴射的發(fā)動(dòng)機(jī)性能對(duì)比Fig.12 Comparison of engine performances between single injection and 5 injections of E10 under transient condition 2

2.2.2 乙醇比例對(duì)瞬態(tài)工況的影響

為比較不同乙醇摻混比對(duì)瞬態(tài)工況發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物排放的影響，基于圖8的瞬態(tài)工況1進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比研究.圖13為單次噴射E0、E30和E85的性能對(duì)比.在20～55s的時(shí)間段發(fā)動(dòng)機(jī)燃用E0的BMEP均低于燃用E30和E85的水平.這是因?yàn)樵诎l(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到較高負(fù)荷時(shí)(轉(zhuǎn)速為1750r/min)，為防止爆震會(huì)推遲點(diǎn)火.燃燒重心在此時(shí)間段已經(jīng)大幅延后.并且隨著節(jié)氣門(mén)開(kāi)度增大，燃燒重心進(jìn)一步延后，導(dǎo)致BMEP和最大爆發(fā)壓力降低，燃燒過(guò)程也相應(yīng)延長(zhǎng).

圖13 瞬態(tài)工況1時(shí)單次噴射E0、E30和E85的性能對(duì)比Fig.13Comparison of engine performances between single injection with different fuel blends of E0，E30 and E85 under transient condition 1

圖14為瞬態(tài)工況1時(shí)單次和3次噴射下E0、E30和E85的顆粒物分布對(duì)比.隨著乙醇比例的增加，顆粒物濃度在很大粒徑范圍內(nèi)下降明顯，尤其是E85發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒物濃度呈數(shù)量級(jí)下降.從圖14a可以看出，在單次噴射、發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)(8～15s)時(shí)，顆粒物濃度達(dá)到了一個(gè)尖銳的峰值.與之相反，圖14b顯示在3次噴射、冷啟動(dòng)過(guò)程中，E85和E30發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒物濃度先達(dá)到一個(gè)小的峰值然后迅速下降，而E0發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒物則變化較為平緩，在負(fù)荷最大的時(shí)候出現(xiàn)峰值.從這個(gè)角度分析可知，在3次噴射時(shí)，E0發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒物濃度主要是受負(fù)荷和爆震影響，而E30和E85發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物濃度則是在冷啟動(dòng)過(guò)程變化較大，顆粒物濃度在冷啟動(dòng)前2s急劇上升到峰值，隨后則下降到較低水平.

圖14 瞬態(tài)工況1時(shí)單次和3次噴射下E0、E30和E85的顆粒物分布對(duì)比Fig.14Comparison of PN emissions between single injecttion and 3 injections with different fuel blends of E0，E30 and E85 under transient condition 1

3 結(jié) 論

(1) 與單次和2次噴射相比，3次噴射幾乎可以降低所有粒徑范圍(0～1000nm)內(nèi)的顆粒物排放，尤其是10～100nm粒徑范圍顆粒物濃度下降明顯；3次噴射的PN總濃度比單次噴射降低近60%，明顯優(yōu)于2次噴射的效果(僅下降15%)；進(jìn)氣壓力對(duì)顆粒物濃度的分布規(guī)律影響較小，但PN總量增加.

(2) 在單次和3次噴射條件下，隨著混合燃料乙醇體積分?jǐn)?shù)增加，核態(tài)、聚集態(tài)和總顆粒物濃度均降低，而在100～1000nm粒徑范圍內(nèi)，E85發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒物排放濃度大于E30；但就降低PM效果而言，多次噴射的影響比燃料摻入乙醇更顯著.

(3) 單次和3次噴射對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在瞬態(tài)過(guò)程的BMEP和燃燒參數(shù)影響均不大；在絕大多數(shù)的瞬態(tài)工況下，3次和5次噴射都比單次噴射的顆粒物濃度低；相比單次噴射，顆粒物的排放在多次噴射下降低80%；在單次和3次噴射的瞬態(tài)工況下，隨著乙醇比例增加，顆粒物濃度在很大粒徑范圍內(nèi)下降明顯，尤其是E85發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒物在單次噴射條件下出現(xiàn)數(shù)量級(jí)下降.

(4) 應(yīng)用乙醇混合燃料結(jié)合多次噴射策略，在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工況下均可在幾乎不影響發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的同時(shí)，有效避免因發(fā)動(dòng)機(jī)爆震引起的性能下降和顆粒物排放惡劣的問(wèn)題.