簡談汽油發動機顆粒物排放影響因素

薛康,韓志岐,李建鋒，滑海寧

(長安大學汽車學院，陜西西安 710064)

簡談汽油發動機顆粒物排放影響因素

薛康,韓志岐,李建鋒，滑海寧

(長安大學汽車學院，陜西西安 710064)

主要對比了缸內直噴發動機與進氣道發動機的不同的工作原理。由于二者不同的工作原理，從點火時刻、噴油時刻、空燃比、EGR率等方面介紹了上述因素對發動機超細顆粒物排放(主要針對粒徑小于100 nm)的影響。

GDI；汽油機；超細顆粒物

0 引言

汽車顆粒物排放特性目前主要從兩方面進行研究：一方面著眼于顆粒物的質量濃度；另一方面著眼于顆粒物的數量濃度。國外針對汽車顆粒物排放的研究結果表明：影響發動機顆粒物粒徑分布和數量濃度的因素有發動機所使用燃料、發動機的燃燒模式、發動機運行工況等因素。與柴油機對比，汽油機顆粒物排放的特征是較低的質量濃度，通常僅占柴油機顆粒物排放質量濃度的1%左右[1]；但是汽油機顆粒物排放具有很高的數量濃度，即汽油機顆粒物排放主要是細顆粒物排放。由于全球使用汽油機的車輛占全部車輛的大約四分之三，因此文中只對汽油機的顆粒物數量濃度排放的特征進行介紹[2]。

1 原理結構

目前汽油機采用的電子噴射系統主要為占據大多數的傳統進氣道噴射PFI(Port Fule Injection)系統和缸內直噴GDI(Gasoline Direction Injection)系統。從熱效率上看，GDI發動機(如圖1所示)較PFI發動機(如圖2所示)有著15%～20%的提升，這對減排非常有利。由于PFI汽油機和GDI汽油機燃油供給過程和混合氣形成過程等存在不同，這也導致了裝配有這兩種類型的發動機的車輛顆粒物的排放存在差異[3]。下面介紹GDI發動機的燃燒特點。

GDI發動機是電控汽油噴射系統發動機的一種。PFI發動機將燃油噴射到進氣門上(如圖2所示)，由于燃油形成油膜和蒸發這一過程，所以噴油時刻和混合氣進入氣缸之間有一定延遲；而GDI電控系統是將燃油直接噴射到燃燒室內，所以不存在噴油延遲的問題。GDI發動機的燃燒模式可以分為兩種：大負荷時，電控系統在進氣行程早期將燃油噴射，形成空燃比在14.7左右的均質混合氣；中小負荷工況下，電控系統在壓縮行程后期將燃油噴入氣缸，通過燃燒室形狀、氣流組織以及噴油器的合理配置，最終在火花塞附近形成較濃的混合氣，并且在燃燒室其他位置空燃比最大可達30～40的稀薄混合氣。只有在火花塞跳火瞬間將適當空燃比的混合氣引導至火花塞附近才能穩定點火，并且實現混合氣在空間內的連續分布，火焰才能實現連續傳播。如果火花塞附近混合氣過濃，會導致混合氣燃燒不完全，導致不完全燃燒產物的排放。在中小負荷時形成的稀薄混合氣空燃比也不能超出燃燒極限。由此可知GDI發動機工作原理和PFI工作原理的不同會導致其顆粒物排放的不同。

2 發動機工作參數對顆粒物排放影響因素分析

這一節進行顆粒物排放分析。由于汽油機排放數量濃度較大、粒徑分布為超細的顆粒物，因此這里以粒徑小于100 nm的顆粒物為分析對象。核態顆粒物峰值粒徑在5～10 nm之間,主要指水、潤滑油、未燃HC以及燃燒凝聚物，主要包括在尾氣稀釋和冷卻過程中因成核而形成的揮發性有機化合物顆粒和硫酸鹽顆粒等。聚集態顆粒物峰值粒徑在10～100 nm之間[4]。

首先從二者的總體工作過程可以看到：GDI發動機較PFI發動機油氣混合時間短，容易出現局部過濃和燃油濕壁等現象，造成顆粒物排放在質量濃度和數量濃度上有所增加。

2.1 噴油時刻

由于PFI發動機混合氣為預混形式，所以這里對GDI發動機噴油時刻的影響作介紹。噴油時刻越靠近上死點，混合時間越短，混合不均勻，通過表面吸附或其他反應實現顆粒物的表面增長，形成更大的顆粒，致使核態顆粒物數目增加；噴油時刻越早，燃油蒸發霧化吸熱致使缸內溫度降低，氧化速率減慢，因此抑制了氮氧化合物的生成，并且與此同時濕壁現象明顯，致使HC排放升高，綜上因素導致了聚集態顆粒物增加。噴油時刻早導致聚集態顆粒物增加，噴油時刻靠近上死點導致成核顆粒物增加。隨著噴油提前角的增加，氮氧化合物逐漸降低，CO逐漸降低，HC排放增加，燃油經濟性變差。

2.2 空燃比對顆粒物粒徑的影響

PFI發動機由于混合氣基本處于理論空燃比范圍內，所以隨著空燃比增加，缸內氧濃度增大，作為核態顆粒物的重要組成物的未燃HC減少，所以核態顆粒物數量濃度降低。聚集態顆粒物由于缸內空氣組分增加和缸內溫度上升，一次顆粒物的氧化率大于生成率，又隨著HC組分的減少，所以導致聚集態顆粒物濃度隨空燃比增加而減少。由于空燃比的影響，同時也造成GDI發動機空燃比變化對顆粒物粒徑的影響與PFI發動機相同。

2.3 點火時刻對顆粒物數量濃度粒徑分布的影響

點火時刻對PFI發動機的混合氣形成影響較小，但是對GDI發動機影響較大，這里主要以GDI發動機作分析。點火提前角越大，會造成油氣混合時間變短，混合越不均勻，所以核態顆粒物隨點火提前角的增大，數量濃度逐漸增加。由于顆粒物的氧化速率和生成速率隨點火提前角變化不大，所以聚集態顆粒物隨點火提前角變化不明顯。隨點火提前角的增加，氮氧化合物排放逐漸增加，CO和HC逐漸增加。

2.4 EGR率對顆粒物數量濃度的影響

EGR率對PFI發動機和GDI發動機影響基本相同。EGR率增加將導致缸內燃燒速率和燃燒溫度相對下降，核態顆粒物則比較容易通過表面吸附或其他反應實現顆粒的表面增長從而形成更大的顆粒，致使核膜態微粒數濃度減少。另外隨著EGR率增加，氧濃度降低，缸內溫度降低，導致HC、CO排放逐漸增加，油耗逐漸升高，氮氧化合物降低。以上因素造成顆粒物的氧化速率小于生成速率，從而使得聚集態顆粒物數量濃度逐漸增加。所以隨著EGR率升高，核態顆粒物數量濃度隨EGR率的逐漸增大呈現下降趨勢，聚集態顆粒物數量濃度有逐漸上升的趨勢。

2.5 軌壓對顆粒物數量濃度的影響

PFI發動機由于是預混混合氣，所以僅針對GDI發動機進行軌壓分析。因為軌壓升高后，有利于燃油霧化、蒸發，油氣混合均勻，有利于顆粒物的氧化，所以隨著軌壓壓力值升高，核態顆粒物數量濃度呈現逐漸下降的趨勢。

3 小結

從噴油時刻、點火時刻、EGR率、軌壓4個方面根據PFI發動機和GDI發動機不同的工作機制，對核態顆粒物和聚集態顆粒物數量濃度影響進行了分析，并得出了相應的變化趨勢。

【1】 高俊華，李洧，高繼東,等.汽油車顆粒物排放特性[J].吉林大學學報:工學版,2010(4)：947-952.

【2】 胡志遠，李金，譚丕強,等.汽油轎車NEDC循環超細顆粒物排放特性[J].環境科學，2012,33：4181-4187.

【3】 李彧，劉圣華，宮艷峰,等.GDI發動機研究概況[J].內燃機，2006(2)：4-6.

【4】 李峂.汽油機缸內直噴(GDI)顆粒物排放特性研究[D].天津:天津大學機械工程學院,2011.

ASurveyforInfluenceFactorsofGasolineEngineParticulateEmissions

XUE Kang,HAN Zhiqi,LI Jianfeng,HUA Haining

(School of Automobile,Chang’an University,Xi’an Shaanxi 710064,China)

The different working principles of GDI gasoline engine and PFI gasoline engine were compared. Due to the different working principle, in terms of ignition timing, injection timing, air-fuel ratio, EGR rate, the impacts of these factors on the engine emissions of ultrafine particles(especially on the particle size less than 100 nm) were described.

GDI; Gasoline engine; Ultrafine particles

2014-05-16

薛康(1988—)，研究生，研究方向為汽車新能源與節能。E-mail：751816842@qq.com。