關于缸內直噴汽油機微粒排放的影響因素分析

荊 瑩

(徐州工業職業技術學院，江蘇 徐州 221140)

關于缸內直噴汽油機微粒排放的影響因素分析

荊 瑩

(徐州工業職業技術學院，江蘇 徐州 221140)

針對缸內直噴(GDI)汽油機排放微粒的產生機理及危害，深入分析影響微粒排放特性的多種因素，得出合理控制點火時刻、噴油開始時刻、運行工況等因素，可以有效控制GDI排放特性，為進一步開發設計缸內直噴燃燒系統，有效降低GDI微粒排放具有參考意義.

汽油機；缸內直噴(GDI)；微粒排放

0 引言

缸內直噴汽油機燃燒運行時能有效地降低燃油消耗，同時還具備良好的瞬態性能和全負荷性能，但GDI排放微粒明顯高于進氣道噴射汽油機，對人體危害很大.歐Ⅴ排放法規已將GDI排放納入法規測試要求，有效控制GDI發動機排放尤為迫切.

1 GDI排放微粒

1.1 GDI排放微粒的產生機理

GDI汽油發動機的排放物包括CO、HC、NOx和排氣微粒.排氣微粒主要包括核態和積聚態兩種[1]613-617.核態粒子粒徑在5～30 nm之間，由硫酸鹽、未燃燒的HC和部分金屬化合物構成.積聚態粒子粒徑范圍30～1 000 nm之間，由來自燃油嚴重不完全燃燒的無定形碳及吸附在它表面的碳氫化合物和少量無機化合物構成[2]892-897.

缸內直噴發動機混合氣的模式有分層混合氣、均質稀混合氣、均質混合氣三種，在不同的工況下采用不同的模式.當GDI切換到分層燃燒模式時，火焰由濃混合氣處向稀混合氣處傳播中極易產生碳煙.此外，由于缸內直噴式汽油機混合氣形成時間短，特別是采用壁面引導時燃油會碰壁，從而使微粒排放顯著增加.

1.2 GDI排放微粒的危害

排氣微粒中絕大部分為納米級微粒，對人體危害嚴重，因為納米級微粒可以進入肺泡，且不易排出體外；同時，隨著粒徑的減小，這些粒子的總表面積會迅速增加，其表面可以吸附重金屬、毒性成分和致癌可溶性有機成分，導致癌癥發病率升高.

2 缸內直噴微粒排放特性的影響因素分析

合理組織缸內氣流運動，精確控制噴油時刻和點火時刻，良好的運行工況和保養是進一步改善缸內混合氣的質量、提高汽油機燃燒過程、降低微粒排放的重要途徑.

2.1 點火時刻

點火時刻的變化能顯著影響汽油機燃燒過程，對燃油消耗率、扭矩輸出和排放特性等具有較大的影響.由圖1發現，排氣微粒物在核態區域呈現雙峰分布.隨著延遲點火定時，GDI汽油機微粒物排放量隨之降低[3]25-28.

因為推遲點火定時，缸內燃油與新鮮空氣的混合時間逐漸增加，缸內工質的混合霧化狀態逐步改善，缸內燃燒更為充分，減輕了局部過濃區域燃油的熱裂解和脫氫傾向，有利于抑制初級碳煙粒子的生成，減少積聚態顆粒物的生成；同時，推遲點火定時使膨脹行程缸內燃燒溫度和排氣溫度升高，增強了高溫條件下積聚態顆粒物的氧化速率，導致積聚態顆粒物排放降低.

圖1 不同點火提前角下微粒粒徑數量濃度分布

2.2 噴油開始時刻

控制噴油時刻對發動機性能的影響尤為重要，正確的噴油策略控制形成合理的混合氣分布，有效控制燃油碰壁的出現，降低機油被稀釋的可能，進而減少碳煙等顆粒物排放的形成，改善燃油經濟性和燃燒穩定性.

由圖2可見，隨著噴油提前角的推遲，燃油碰壁量呈下降趨勢.噴油開始時刻為400°曲軸轉角時為最佳點，燃燒速率最快且油耗最低；噴油時刻繼續推遲，雖然燃油碰壁量進一步降低，但要注意混合氣均勻性會變差，燃燒不充分會導致油耗增大且燃燒穩定性惡化[4]565-570.

圖2 燃油蒸發比例與累計燃油碰壁量

2.3 火花塞

通過加長火花塞裙部、改變火花塞的點火高度及觀察對缸內汽油直噴發動機油氣混合的影響，發現由于火花塞在缸內所占容積很小，火花塞的局部改變，對缸內平均湍動能基本無影響.總體上來說，對點火性能、排放性能影響不大.

2.4 不同辛烷值的汽油

高辛烷值汽油可以增強發動機的動力性，改善燃油經濟性.但在大負荷時，由于使用95 號汽油發動機的點火提前角推遲，使缸內最高燃燒溫度降低，生成NOx量減少，隨著轉速的升高，生成NOx降幅量越大；燃燒相位后移，使排氣行程中已燃氣體的溫度增加，提高了CH、CO后期的氧化速率，THC、CO排放降低.在中低負荷，辛烷值的變化對CO排放影響不大.因此，燃用低辛烷值汽油可以降低THC、CO和NOx的排放量，但影響程度會隨負荷和轉速不同而變化.

2.5 活塞形狀

對于直噴汽油機，有燃燒室凹坑的活塞燃燒效果要明顯優于平頂活塞.以四氣門發動機為研究對象，活塞頂部具備4氣門對應的凹坑為基本結構，形成以下4種活塞頂：大凹坑(如圖3中a)，在活塞頂部添加滾流引導槽(如圖3中b)，取消導流槽(如圖3中c)或活塞頂面平齊，取消燃燒室凹坑的高背(如圖3中d).通過模擬直噴汽油機的進氣、噴油和燃燒等工作過程，有研究發現：圖3中d的設計有利于加強缸內湍流，促進燃油的蒸發，減少活塞的燃油碰壁量，有利于降低碳煙的排放，但缸內溫度和壓力峰值更高，增加了 NOx的生成[5]345-352.

圖3 4種活塞的結構圖

2.6 良好的運行工況和保養

發動機運行工況會影響微粒排放情況.冷機怠速工況微粒排放較高，隨著暖機進行，微粒排放減少.這是由于冷車起動時，汽缸的混合氣濃度高，混合氣氧含量低，排氣微粒質量迅速增加，顆粒物的毒性最大.因此，對于缸內直噴汽油機，起動前同樣需要預熱，特別是冬季及嚴寒地區.

另外缸內直噴發動機具有高壓縮比，可達到 25∶1，缸內具有高溫、高壓的特點，因此為保證發動機內部良好的潤滑和冷卻，降低微粒排放，一般情況下需要加合成機油，個別車型發動機要求加注全合成機油.

3 結語

缸內直噴汽油機以高動力、低油耗、高功率質量比在世界范圍內得到認可，但同時要重視缸內直噴汽油機的微粒排放.通過以上的分析發現，適當的延遲點火定時，推遲噴油提前角，選擇“平頂+凹坑”的活塞設計、快速暖機、合理控制空燃比等措施，可以優化GDI汽油機燃燒過程，能有效控制GDI微粒排放.

[1] 李新令，黃 震. 柴油機排氣尾流中核模態顆粒數濃度和粒徑分布變化特性[J]. 科學通報，2012(01).

[2] 裴毅強，張建業，李 翔，等.增壓直噴汽油機起動怠速及混合氣濃度對微粒排放的影響[J].天津大學學報(自然科學與工程技術版),2014(02).

[3] 魏傳芳，董 偉，于秀敏，等.點火提前角對直噴汽油機微粒排放特性的影響[J].車用發動機,2014(04).

[4] 韓文艷，許思傳，周岳康，等.噴油開始時刻對缸內直噴汽油機性能的影響[J]. 同濟大學學報(自然科學版)，2013,41(4).

[5] 鄭朝蕾,劉春濤,胡鐵剛,等.活塞形狀對直噴汽油機工作影響的數值模擬[J]. 內燃機學報，2014(04).

[責任編輯 迎客松]

The Study on the Influence Factor of Particle Emission for Gasoline Direct Injection Engine

JING Ying

(DepartmentofElectricalEngineering,XuzhouIndustrialandVocationalTechnologyInstitute,Xuzhou221140,China)

In view of the mechanism and hazard of Particle Emission for Gasoline Direct Injection Engine，the thesis analyzed influence factors of the characteristics of particulateemissions. The results show that particulate emission can be effectively put under control with the correct of ignition timing，start of injection, cycles and so on. The result of the analysis has some important significance in developingElectronic Fuel Injection System.

gasoline engines; Gasoline Direct Injection (GDI); particulate emission; influence factor

2015-07-11

荊 瑩(1982- )，女，山東東營人，徐州工業職業技術學院機電工程學院講師，主要從事汽車檢測與維修研究。

1671-8127(2015)05-0056-03

TK419

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