缸內直噴汽油機顆粒排放的熱物理特性研究

徐長建， 董偉， 于秀敏， 何玲， 孫平， 麻斌

(吉林大學汽車工程學院汽車仿真與控制國家重點試驗室， 吉林 長春 130025)

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缸內直噴汽油機顆粒排放的熱物理特性研究

徐長建， 董偉， 于秀敏， 何玲， 孫平， 麻斌

(吉林大學汽車工程學院汽車仿真與控制國家重點試驗室， 吉林 長春 130025)

為了研究缸內直噴汽油機顆粒的熱物理特性，基于某發動機試驗臺架設計了二級熱稀釋系統。采用EEPS3090粒譜儀對不同稀釋比、加熱溫度、蒸發溫度下的顆粒粒徑分布和濃度進行了試驗研究。試驗結果表明：不同稀釋比下顆粒數量濃度隨粒徑的增大呈現對數正態雙峰分布，不同加熱溫度和蒸發溫度下顆粒數量濃度隨粒徑增大呈現三峰分布；較大稀釋比對核態數量總濃度影響較大，加熱溫度高于200 ℃后顆粒數量濃度趨于穩定，蒸發溫度對積聚態顆粒有較大影響。

汽油機； 缸內直噴； 顆粒； 粒徑； 濃度

隨著電控技術的發展和排放法規的日益嚴格，缸內直噴汽油機(GDI)成為研究熱點[1-2]。與傳統進氣道噴射汽油機相比，缸內直噴汽油機將汽油直接噴射到氣缸內，可以實現更加靈活、精確的空燃比控制，提高了燃油經濟性，但是縮短了燃油與空氣混合的時間，同時燃油噴射到氣缸壁和活塞頂部造成濕壁以及局部的混合不均勻現象，增加了顆粒排放[3-4]。在歐Ⅴ排放法規中已經將直噴汽油機顆粒排放納入法規測試要求[5]。

發動機排氣顆粒是指在大氣條件下排氣各組分中除了水以外的任何類型的分散物質[6]。發動機排氣顆粒根據粒徑不同劃分為3類，即核態顆粒(Dp<50 nm)、積聚態顆粒(50 nm1 000 nm)，其中排氣超細顆粒由核態和積聚態兩部分構成[7]。顆粒粒徑越小，對人體的危害越大，能引發心血管疾病和癌癥，對人體的危害可能超過交通事故，因此對顆粒排放特性的研究顯得尤為迫切[8-10]。核態顆粒主要是由揮發性、半揮發性有機物，含硫化合物，固體單質碳以及金屬鹽類組成。積聚態顆粒主要是不完全燃燒形成的碳粒通過吸附碳氫化合物等其他化合物凝結形成，它以團聚物的形式存在[11]。研究表明，納米顆粒穩定性很差，特別是核態顆粒的物理結構顯著被周圍環境影響，例如，稀釋溫度、稀釋比、停留時間、空氣濕度等[12]。Jaime 等研究了稀釋比對顆粒的熱物理特性影響，發現隨著稀釋比的減小，顆粒的平均幾何直徑會增大[13]。Imad A. Khalek等人研究表明，不同的取樣條件和稀釋系統選擇會對顆粒的濃度和尺寸分布特征有較大的影響[14]。

國Ⅴ排放法規對揮發性粒子去除器設計有明確要求，去除器由初級粒子稀釋裝置(PND1)、蒸發管(ET)、次級稀釋裝置(PND2)串聯組成[15]。PND1壁溫要求在150～400 ℃之間，且不高于PND2壁溫。本研究結合國Ⅴ排放法規，自行設計了一套部分流稀釋系統，通過測量稀釋比、稀釋溫度、蒸發溫度對顆粒的濃度和粒徑分布的影響來研究顆粒排放的熱物理特性。

1 試驗設備及方案

1.1 試驗設備

試驗選用的是某1.8 L直噴增壓發動機，增壓方式為渦輪增壓，該發動機采用頂置凸輪軸技術并帶有可變配氣正時技術，其主要技術參數見表1。

試驗臺架見圖1。測功機為CW160，通過測功機控制系統控制發動機的工作狀態并實時監測發動機的進氣溫度、機油溫度、水溫等運行參數。λ傳感器為LAMBDA.LA4，配合寬域氧傳感器LSU4.2對發動機空燃比進行控制。排放測量設備采用MEXA-7100DERG尾氣分析儀,可以測量排放的CO，HC，NOx濃度，同時測量稀釋后和稀釋前CO2濃度來計算稀釋比。粒徑測量儀器為EEPS3090排放顆粒物粒譜儀，其主要功能是測量發動機尾氣顆粒物濃度以及顆粒的粒徑分布，其測量范圍是5.6～560 nm,能在1 s內提供10組顆粒物分布。為滿足粒譜儀對排氣溫度和顆粒濃度的要求，發動機排出的廢氣需要通過排氣稀釋系統稀釋，再進入粒譜儀。發動機控制系統采用課題組自主研發的ECU，該ECU為基于具備協處理器的MC9SXDP512系列單片機自主研發的控制單元。噴油驅動電路采用PEAK-HOLD電流模式，驅動電流芯片采用意法公司生產的L9707，采用DC/DC變換，電壓范圍達到40～70 V[16]。

表1 試驗發動機主要參數

國Ⅴ排放法規中針對粒子數量排放的測量推薦了一套采用三級稀釋的稀釋取樣系統，第一級稀釋為全流稀釋，發動機全部尾氣和空氣在傳輸通道內混合，然后在傳輸通道上進行取樣。本試驗所用的部分流稀釋系統為自行設計的二級熱稀釋系統(見圖2)，與推薦系統的區別是在發動機排氣管上直接進行取樣，為了保持尾氣中顆粒的穩定性，對傳輸通道進行了加熱控制，同時滿足法規中要求的在傳輸通道中的停留時間。因為每次測量時稀釋通道的加熱溫度和蒸發溫度不能保持絕對相同，導致測量有誤差，其范圍在5%以內，滿足法規要求。

本稀釋系統中發動機尾氣經過調節閥門和風機送入的空氣一起經過文丘里管進入第一級稀釋通道，經過加熱和蒸發后和空氣一起進入第二級稀釋通道，最后被風機抽出，粒譜儀和CO2分析儀在第二級稀釋通道后部取樣尾氣。為保證熱稀釋的穩定性，自行設計一套智能溫控系統，使加熱溫度(PND1壁溫)、蒸發溫度(ET壁溫)在100～400 ℃范圍內可調。每一級稀釋系統都有一個可自由調節的閥門，第一級閥門控制進入傳輸通道的尾氣，第二級閥門可以控制進入的新鮮空氣量，兩級稀釋的最高稀釋比可達1 500。第二級稀釋通道在室溫環境下，可以確保進入尾氣分析儀的氣體溫度低于35 ℃，其設計長度滿足氣體停留時間的要求。稀釋氣體采用經過凈化后的干燥潔凈空氣，其顆粒濃度相對于被稀釋后的尾氣可以忽略不計，故不考慮空氣與尾氣中顆粒的相互反應。文中的顆粒數量和質量濃度數值都是乘以對應稀釋比之后的發動機尾氣中的顆粒濃度，其顆粒質量濃度根據顆粒數量濃度計算得出，其公式為

式中：Dp為顆粒的平均幾何直徑；ρ為顆粒密度。

1.2 試驗方法

根據排放法規和車輛傳動系統的相關參數要求，發動機轉速定為1 500 r/min，扭矩為60 N·m。在此工況下，噴油時刻為310°BTDC,點火時刻為22°BTDC, 空燃比為14.7。加熱溫度在250 ℃左右時，可以保持揮發性和半揮發性組分的穩定性，蒸發溫度在300～350 ℃時可以保持顆粒數量濃度和質量濃度的穩定性，所以測量稀釋比對顆粒的濃度及粒徑的影響時，一級加熱溫度定為260 ℃，蒸發溫度為350 ℃，二級稀釋系統的溫度為室溫，稀釋比為780，530，300，240，170，90。在測量蒸發溫度和加熱溫度對顆粒濃度和粒徑的影響時，稀釋比在250左右時顆粒數量濃度和質量濃度變化不大，顆粒測量的結果穩定，稀釋比定為250，依次測量蒸發溫度為300 ℃，350 ℃，400 ℃，加熱溫度為140 ℃，220 ℃，300 ℃下的顆粒粒徑和濃度分布。

2 試驗結果與分析

2.1 稀釋比的影響

利用CO2分析儀和尾氣排放儀計算稀釋比，通過調節一二級稀釋系統的調節閥來控制稀釋比。

2.1.1 對顆粒粒徑分布的影響

圖3示出了稀釋比對不同顆粒數量濃度下粒徑分布的影響。從圖中可以看出，數量濃度隨著粒徑的增大呈現對數正態雙峰分布。稀釋比在300～800時，核態濃度峰值在4.3×107～7×107個/cm3之間，粒徑主要分布在15 nm以下，積聚態濃度峰值在2.4×107～2.5×107個/cm3之間，粒徑主要分布在60～100 nm之間。隨著稀釋比的增大，核態數量濃度和積聚態數量濃度峰值都降低，但是積聚態的峰值無明顯變化,說明較大的稀釋比主要影響核態數量濃度，對積聚態數量濃度影響很小。

稀釋比為90～250時，核態數量濃度峰值在2.1×107～3×107個/cm3之間，積聚態數量濃度峰值在2.5×107～2.7×107個/cm3之間。核態和積聚態數量濃度隨粒徑的變化趨勢與稀釋比為300～800時相同，隨著稀釋比的減小核態濃度峰值降低，積聚態濃度峰值小幅升高，這是因為隨著稀釋比減小，單位體積中顆粒數量多，核態的揮發和半揮發性氣體被未燃燒的碳粒吸收凝固變成積聚態顆粒，使核態顆粒減少，積聚態顆粒增多。

2.1.2 對顆粒濃度的影響

從圖4中可以看出，稀釋比較大時，隨著稀釋比的增大，核態顆粒數量總濃度減小，積聚態顆粒數量總濃度基本沒有變化。這是因為隨著稀釋比的增大，顆粒被稀釋，單位體積中顆粒的數量減少，被吸進旋轉分離器的顆粒數量就會降低，對于那些不穩定的揮發性和半揮發性物質，由于相互之間的距離增大，相互反應的概率降低，凝固成長為積聚態顆粒的概率降低。在較小的稀釋比條件下，核態顆粒總濃度變化很小，積聚態顆粒數量總濃度基本不變，這是因為積聚態顆粒在峰值處濃度高，在150 nm以后濃度降低，表現出數量總濃度沒有明顯變化。大稀釋比條件下的數量濃度比小稀釋比條件下的數量濃度高，是因為稀釋比越小，第一級稀釋時，在經過較高的加熱溫度和蒸發溫度后，沸點較低的未燃HC和其他揮發性組分蒸發的多，在第二級稀釋過程中形成核態顆粒的組分少，核態顆粒變少。由此說明稀釋比對積聚態顆粒的影響較小,在較大稀釋比時對核態顆粒的影響較大。

從圖5中可以看出，核態顆粒質量總濃度為1.8 μg/cm3,不同稀釋比條件下測量的積聚態質量總濃度為57～59 μg/cm3,積聚態質量濃度占總濃度的97%，所以尾氣排放中的顆粒質量幾乎全是由積聚態顆粒貢獻。隨著稀釋比的減小，核態和積聚態顆粒質量總濃度沒有明顯變化，說明稀釋比對顆粒質量濃度影響較小。

2.2 加熱溫度的影響

2.2.1 對顆粒粒徑分布的影響

圖6示出了在蒸發溫度為350 ℃時不同加熱溫度下顆粒粒徑的分布。從圖中可以看出，在加熱溫度為140 ℃時，顆粒數量濃度隨粒徑增大呈現對數正態雙峰分布。加熱溫度為220 ℃和300 ℃時，顆粒濃度隨粒徑增大呈現3峰分布。在10 nm以下，隨著溫度升高，濃度降低。在10～50 nm范圍內隨溫度升高濃度升高，在溫度超過200 ℃之后，粒徑在10～50 nm下的濃度趨于穩定。在積聚態顆粒數量濃度的粒徑分布中，在粒徑為80 nm左右時出現最高濃度峰值，140 ℃對應的峰值濃度稍高，其他粒徑范圍內濃度無明顯變化。說明加熱溫度主要影響核態顆粒粒徑分布，在溫度超過200 ℃之后，核態顆粒濃度隨粒徑分布逐漸穩定。

2.2.2 對顆粒濃度的影響

圖7示出了蒸發溫度為350 ℃時不同加熱溫度下顆粒的數量濃度分布。從圖中可以看出，隨著加熱溫度的升高，10 nm以下的顆粒逐漸減少，10～50 nm范圍內的顆粒逐漸增多，溫度超過200 ℃之后這部分顆粒趨于穩定，積聚態顆粒數量隨加熱溫度升高無明顯變化。這是因為10 nm以下的核態顆粒主要是由金屬灰燼、碳粒、沸點較高的重HC、硫化物組成，隨著加熱溫度的升高，金屬灰燼、碳粒可以吸收沸點較低的輕HC成長為粒徑較大的核態顆粒，溫度超過一定范圍后也會使一些揮發性HC蒸發。積聚態顆粒粒徑較大，以團聚物的形式存在，相對穩定，受加熱溫度影響較小。10～50 nm范圍內的顆粒其組成部分不僅有粒徑較大的固體，還有一些揮發性和半揮發性組分，這些揮發和半揮發性組分是一些沸點較高的HC和硫化物，很不穩定，受加熱溫度影響較大，溫度超過200 ℃之后，10～50 nm范圍內的核態顆粒其數量基本相同。說明加熱溫度到達200 ℃之后此粒徑下的顆粒數量濃度已經趨于穩定。

圖8示出了在蒸發溫度為350 ℃時不同加熱溫度下顆粒的質量濃度。從圖中看不到10 nm以下的核態顆粒質量濃度，因為此粒徑范圍內的核態顆粒雖然數量濃度達到5×107個/cm3,但是粒徑太小，質量濃度在0.02～0.03 μg/cm3；10～50 nm范圍內的核態顆粒質量濃度沒有明顯變化，說明加熱溫度對此粒徑范圍內的質量濃度沒有影響；積聚態顆粒質量在140 ℃和220 ℃時基本相同，300 ℃時明顯減少，下降35%；這是因為粒徑超過100 nm以后，由于粒徑較大，其表面的HC和硫化物可能被蒸發，造成顆粒質量減小。溫度超過一定范圍后對積聚態顆粒的質量濃度有一定影響。

2.3 蒸發溫度的影響

2.3.1 對顆粒粒徑分布的影響

圖9示出了加熱溫度260 ℃時，不同蒸發溫度下顆粒數量濃度的粒徑分布。

從圖中可以看出，數量濃度呈現3峰分布。在10 nm和80 nm附近各有一個峰值。粒徑在5～9 nm時，數量濃度急劇下降，主要與金屬灰燼、碳粒、重HC的粒徑較小有關。在10～50 nm范圍內，300 ℃和350 ℃時數量濃度比較穩定，在400 ℃時濃度增加。說明蒸發溫度超過350 ℃之后，此粒徑范圍內的顆粒不穩定。從積聚態數量濃度隨粒徑分布圖中可以看出，400 ℃下的顆粒數量明顯增多，峰值濃度達到1.57×107個/cm3，說明積聚態的顆粒數量濃度受蒸發溫度影響較大。由此可見，蒸發溫度在300～350 ℃范圍內可以保證燃燒產生和稀釋過程中形成的顆粒數量保持穩定。

2.3.2 對顆粒濃度的影響

圖10示出了不同蒸發溫度下顆粒數量濃度的分布。從圖中可以看出，10 nm以下的顆粒數量濃度在4.2×107～5.2×107個/cm3之間，10～50 nm之間的核態數量總濃度在6.4×107～8.2×107個/cm3之間，積聚態數量總濃度在7.5×107～9.0×107個/cm3之間。在300 ℃和350 ℃時，核態和積聚態顆粒數量總濃度沒有明顯變化，當溫度升高到400 ℃之后，10 nm以下的核態顆粒數量總濃度減少，10～50 nm的顆粒和積聚態顆粒數量濃度增加。因為溫度超過350 ℃之后，10 nm以下的固體可能被氧化，某些重的HC超過沸點之后揮發，被固體組分吸收變成粒徑較大的核態顆粒，同時由于10～50 nm范圍內的顆粒極不穩定，相互之間吸附成長，在第二級稀釋通道中凝固成積聚態顆粒，使積聚態顆粒數量總濃度增加。溫度超過350 ℃之后已經影響積聚態顆粒數量濃度，說明稀釋通道中也會產生積聚態顆粒。

圖11示出了不同蒸發溫度下的顆粒質量濃度分布。從圖中可以看出，因為10 nm以下的顆粒粒徑較小，質量濃度在0.01～0.02 μg/cm3之間,沒有在圖中顯示；超過350 ℃后10～50 nm的顆粒數量濃度增加，由于其粒徑小，質量濃度沒有表現出明顯變化；積聚態顆粒質量濃度在超過350 ℃之后明顯增加，由于積聚態大多以團聚物形式存在，粒徑大，數量濃度增加，其質量濃度增加明顯，增加了20%。同時積聚態顆粒質量濃度占到總質量濃度的95%，占顆粒質量的絕大部分。

3 結論

a) 在不同的稀釋比下，數量濃度粒徑分布呈現對數正態雙峰分布，隨著粒徑增大，核態顆粒濃度降低，積聚態濃度先升高后降低，較大的稀釋比對核態數量濃度影響較大，隨著稀釋比減小，核態數量濃度增加，稀釋比對質量濃度無明顯影響；

b) 在不同的加熱溫度下，數量濃度粒徑分布呈現3峰分布；加熱溫度主要影響稀釋通道內10～50 nm顆粒的揮發和半揮發性組分，超過200 ℃后此粒徑下的顆粒相對穩定；加熱溫度達到300 ℃時就會使積聚態顆粒質量濃度降低；

c) 不同蒸發溫度下，數量濃度粒徑分布呈現3峰分布；350 ℃以下各粒徑下的數量濃度和質量濃度相對穩定，超過350 ℃之后，10～50 nm的核態顆粒和積聚態顆粒的數量濃度升高；由于積聚態顆粒以團聚物的形式存在，在蒸發溫度升高一定程度后質量濃度增加的比較明顯。

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[編輯： 姜曉博]

Thermal Physical Property of Particulate Emission for Gasoline Direct Injection Engine

XU Changjian， DONG Wei, YU Xiumin, HE Ling, SUN Ping, MA Bin

(State Key Laboratory of Automobile Simulation and Control, Jilin University, Changchun 130025, China)

To analyze the thermal physical property of GDI engine, a two-stage thermo-dilution system was developed. The particle size distribution and concentration were measured under different dilution ratios, heating temperatures and evaporation temperatures with the EEPS 3090 particle size spectrometer. The results show that the concentration of particle number shows a lognormal bimodal distribution under different dilution ratios and shows trimodal distribution under heating temperatures and evaporation temperatures with the increase of particle size. Moreover, large dilution ratio has great influence on the total concentration of nuclear mode particle number, heating temperature higher than 200 ℃ makes the concentration of particle number stable and evaporation temperature has important influence on accumulation mode particle number.

gasoline engine； in-cylinder direct injection； particle； particle size； concentration

2015-03-18；

2015-05-28

吉林省科學技術廳自然基金項目(130101JC01009568)；國家自然科學基金(51406066)

徐長建(1988—)，男，碩士，主要研究方向為發動機電子控制關鍵子系統開發；1181112508@qq.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.04.014

TK411.51

B

1001-2222(2015)04-0070-06