降低氣缸內直噴汽油機的顆粒物排放

【德】　H.Dagef?rde　M.Bertsch　H.Kubach　T.Koch

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廢氣凈化

降低氣缸內直噴汽油機的顆粒物排放

【德】H.Dagef?rdeM.BertschH.KubachT.Koch

為了識別顆粒物排放的原因及其影響參數，德國卡爾斯魯厄(Karlsruhe)理工學院(KIT)活塞機械研究所(IFKM)在內燃機研究聯合會(FVV)研究計劃項目中，采用單行程曲柄連桿機構裝置和單缸試驗發動機進行了相關的試驗研究。2種試驗載體都裝配了噴油器布置在中央的汽油缸內直接噴射系統。通過光學、熱力學和廢氣分析測量技術的組合應用及其在試驗裝置上的眾多應用，能夠對各個影響參數進行單獨的考察，并與顆粒物排放的測量值聯系起來。

顆粒物排放混合氣排氣背壓

1　起因

降低有害物排放和提高效率是發動機開發最重要的目標。在過去的幾年中，廢氣渦輪增壓和氣缸內直接噴射已成為汽油機的關鍵技術，但是隨著氣缸內混合氣形成出現了顆粒物排放量的增加，而這些顆粒物絕大多數是有損于人類健康的。

因此，該項研究計劃的目標是了解轎車缸內直噴汽油機顆粒物排放的形成原因，并通過機內措施將顆粒物排放降低到極限。這項研究計劃需要全面了解發動機在顆粒物的形成、氧化、特性和排放等方面的影響因素，并借助光學測量方法分析混合氣的形成和燃燒，測量廢氣中顆粒物的濃度及其尺寸分布，并通過電子顯微光學技術研究排放碳煙的形態學及其化學成分。

2　試驗裝置

發動機試驗研究工作在1臺噴油器布置在中央的單缸試驗發動機上進行，其主要技術規格列于表1。

表1　試驗發動機主要技術規格

其氣缸蓋上的2個光源和攝像機的通道用于燃燒室內的光學試驗研究，并配備了外徑為8mm和視角范圍為70°的內窺鏡，它們的布置狀況示于圖1(a)，而圖1(b)則示出了通過這種結構布置所能觀察到的燃燒室范圍。

3　顆粒物測量技術

為了采集廢氣中的顆粒物濃度，所有試驗都使用了先進的AVL 498型顆粒計數器(APC)，或TSI 3090型發動機廢氣顆粒篩(EEPS)，并將這些裝置一起應用于AVL測量系統的采樣系統(圖2)。為了將揮發性顆粒物清除器(VPR)稀釋廢氣中的顆粒物濃度，使其保持在適合于串聯式測量系統的范圍內，將廢氣稀釋100～2000倍。

圖2　具有公共取樣裝置和稀釋裝置的顆粒測量系統結構

4　試驗結果

下面簡要介紹3年研究計劃的試驗研究成果。試驗研究在3種對新歐洲行駛循環(NEDC)具有重要意義的運行工況點進行： (1) 50km/h等速行駛時，發動機平均指示壓力為0.2MPa，轉速為2000r/min；(2) 加速到120km/h時，發動機平均指示壓力為0.8MPa，轉速為2000r/min；(3) 催化轉化器加熱運行時，發動機平均指示壓力為0.18MPa，轉速為1200r/min，燃燒重心位置大于等于點火上止點后75°CA，該運行工況點附加用當時的廢氣熱焓流量(單位： kW/L)來描述。

顆粒物排放量是眾多影響因素相互作用的綜合結果，這些因素影響混合氣形成和氧化。下面討論影響混合氣形成的某些參數。因為顆粒物基本由碳粒組成的，因此燃油系統是噴油嘴幾何參數、噴油壓力和噴油策略及其所導致的空燃比起著決定性的作用。對燃油進一步深入的試驗研究的成果已在2013年韓國首爾的SAE會議[1]上作過介紹。

4.1噴油嘴型式

為了分析噴油對產生顆粒物排放的影響，該研究計劃準備了不同的流量、噴嘴幾何參數、噴霧錐角和敏感度的多種噴油器(圖3)。在該研究計劃的前半部分全面地研究了所有噴油器的參數變化[2]，而研究計劃的后半部分則根據試驗結果選擇了具有合適噴霧目標的多孔噴嘴(Delphi M12噴油器)和A型噴嘴(Delphi M20噴油器)2種噴油器。A型噴嘴的噴束自由長度僅45mm，因噴霧較為寬大而直至氣缸壁面，多孔噴束的自由長度為81mm，鑒于噴霧-壁面的相互作用，為混合氣形成提供了明顯有利的條件。在采用A型噴嘴運行并且在進氣行程中單次噴油量超過25mg時，就不能避免燃油潤濕進氣門。此時，除了燃油積聚之外，由于燃油的沖刷效應，可觀察到廢氣中的機油份額增多，從而使用多孔噴嘴能夠通過選擇合適的噴油點來避免燃油與零件的相互作用。

圖3　噴油情況概貌

為了研究噴霧特性(單個噴束與空心噴霧錐體比較)和噴霧錐角(多孔噴嘴的75°錐角與A型噴嘴的90°錐角比較)對顆粒物排放的影響，在催化轉化器加熱運行時，采用進氣行程長的主噴射(大于25mg)，以及在接近點火時刻的針閥彈道運行(噴油器針閥不碰到觸止的部分升程)范圍內的短噴射(約0.3mg)。

在催化轉化器加熱運行時需要準備好大量的廢氣熱焓流量。此時，發動機運行是在無節流地狀態下推遲燃燒重心點。由于燃燒重心點推遲，在充量擾動水平較弱的情況下循環波動較大。在接近點火時刻噴射最小燃油量，在火花塞附近形成濃混合氣，并加強充量的擾動水平，達到穩定的燃燒，這樣發動機就能在略微稀薄的混合氣中運行，從而避免高的碳氫化合物(HC)排放。此時，受到火花塞附近濃混合氣或者燃油未完全蒸發的限制，可能會導致較為顯著的顆粒物排放。

圖4示出了上述2種噴油器在針閥彈道運行范圍內噴射最小燃油量時噴束的擴展過程。從圖中可明顯看出，在A型噴嘴的燃油準備時，無單個油滴情況發生，而且燃油準備較快速，明顯優于多孔噴嘴。而使用多孔噴嘴時，在火花塞周圍范圍內，尤其是在噴油終了即噴油器針閥關閉時，可見單個油滴。主要是因為空心錐體噴霧具有比多孔噴嘴更好的噴束起始段?？招腻F體噴霧中的燃油通過環形縫隙均勻分配，甚至在針閥彈道運行范圍內最小噴油量也是以15MPa的全部壓力進行噴射的，而多孔噴嘴因受到針閥、噴孔等內部節流部位的限制，在針閥開啟過程期間的噴射壓力與共軌壓力并不相符，由于針閥在彈道運行范圍內并沒有完全打開，在噴孔中燃油達到全部壓力之前針閥又重新關閉，因而受到噴束動量較小的限制，使得噴孔中殘余燃油和后滴油的概率增加。加之噴油與點火之間的時間極短，導致了多孔噴嘴接近點火時刻的噴射準備要比A型噴嘴差很多(多孔噴嘴超過1.5×106/cm3，A型噴嘴低于0.5×106/cm3)。

圖4　最小噴油量(0.3mg)時的噴束準備

4.2噴油策略和空燃比

由于前面已提到的原因，無論是為了減小燃燒波動還是降低顆粒物排放，接近點火時刻的噴射在時間和空間上的正確定位是至關重要的。為了對此進行詳細的試驗研究，曾借助于用于光學測定電極范圍內燃油濃度的火花塞(LaVision ICOS Fuel)測試系統LaVision公司開發的缸內燃燒光學傳感器(ICOS測試系統)就接近點火時刻的噴射對火花間隙附近燃油濃度的影響進行試驗研究，并探討顆粒物排放與燃燒波動之間的關系。為此，發動機采用總體過量空氣系數為1.05、廢氣流單位熱焓為6kW/L、進氣行程2次噴射和接近點火時刻第3次噴射的方式運行，并交替使用多孔噴油器(M12)和A型噴油器(M20)進行試驗。圖5示出了接近點火時刻的噴油時間定位的影響，其中圖5(a)與圖5(b)是多孔噴嘴(MLV)的測量值,而圖5(c)與圖5(d)則是A型噴嘴(A-Düse)的測量值。圖5(a)與圖5(c)第3次噴油(SOI3)各種不同噴油始點時在點火時刻火花塞附近的λ曲線，而圖5(b)與圖5(d)則是相應的顆粒物排放值和燃燒波動幅度(平均指示壓力標準偏差)。在第3次噴油時，2種噴油器以最小的控制持續時間0.22ms運行，從而使接近點火時刻的噴油量在多孔噴嘴時約為0.3mg(總噴油量的1.3%),而在A型噴嘴時約為0.9mg(總噴油量的3.9%)。

圖5　接近點火時刻的第3次噴油的影響

在采用多孔噴嘴時，在整個變化范圍內可觀察到火花塞附近的混合氣被明顯加濃，只有在點火后噴油時混合氣濃度才會減輕。對此，可觀察到穩定的小的燃燒波動(平均指示壓力標準偏差)，而且它始終低于無限接近點火時刻噴油的數值(0.02MPa)。同時，顆粒物排放處于較高的水平，并且隨著噴油與點火之間時間間隔的縮短而不斷地增加。在采用A型噴嘴時的測量結果則明顯不同，與第3次噴油始點無關，火花間隙處的混合氣幾乎沒有加濃，與多孔噴嘴相比，其顆粒物排放始終處于較低的水平，即使是采用無接近點火時刻噴油的運行策略也是如此。與采用多孔噴嘴運行時的情況不同，在第3次噴油始點大于點火時刻前0.5°CA的情況下，其燃燒波動(平均指示壓力標準偏差)比無接近點火時刻噴油運行時增大，但是在其余范圍內則處于非常低的數值。2種噴油器λ測量結果的比較表明，A型噴嘴的混合氣準備明顯較好，特別是在針閥彈道運行范圍內，此時若采用多孔噴嘴的話，因噴油器中的節流損失使得噴嘴處的壓力仍不能達到全部的噴油壓力，這會導致相對較小動量的較大油滴，從而對噴束起始段產生不利的影響。與此相反，在使用針閥向外開啟的A型噴嘴的情況下，即使在針閥彈道運行范圍內，也能提供全部的噴油壓力，因而即使是最小噴油量也具有高的動量，噴霧起始段也不會受到節制。

用這些由噴油器所決定的性能就能解釋圖5中的λ測量曲線。顆粒物排放和運轉平穩性的相互關系表明，雖然點火時刻混合氣的局部加濃會使燃燒變得穩定，但是也會導致或可能導致顆粒物排放的增加，特別是隨著第3次噴油始點與點火時刻之間的時間間隔縮短更會如此。但是，為了獲得可靠穩定的燃燒并且不會明顯增加顆粒物排放，必須避免在明顯低于λ=1的區域強烈地加濃，而是盡可能僅通過噴射產生擾動來達到燃燒穩定的效果。為此，不僅需要接近點火時刻的噴射在空間和時間上精確定位，而且應采用即使最小噴油量也能具有高動量的噴油器來形成混合氣。

4.3噴油壓力

在眾多的公開出版物[2-3]中已討論過，提高噴油壓力原則上能對混合氣形成和降低顆粒物排放起到有利的影響，但是也證實了在采用A型噴嘴的情況下，噴油壓力降低到8.0MPa，通過匹配合適的噴油策略也未必會導致顆粒物排放的明顯增加，因此例如在平均指示壓力0.8MPa和轉速2000r/min的運行工況點的顆粒物排放水平可達到低于顆粒數1.0×105/cm3。而多孔噴嘴在這樣的噴油壓力下的顆粒物排放濃度則不會低于顆粒數1.5×106/cm3，但是這不能僅僅用較低的噴油壓力所導致的不良的混合氣準備來進行解釋。更確切地說是，較弱的噴射動量導致了殘留于噴油器頂端的液態燃油沒有完全蒸發，從而形成結焦，而這些結焦即使噴油壓力重新提高到20MPa也無法完全消除，因為在噴油器頂端形成積炭而使顆粒物排放從顆粒數7.1×104/cm3增加到10倍。圖6示出了2種噴油器在上述運行工況點的顆粒尺寸分布狀況，從顆粒尺寸分布的測量中可清楚地看到，由于噴油壓力的降低，在結焦運行模式中平均顆粒直徑也隨之增大，從而可以推斷，隨著噴油壓力的降低，排放的顆粒質量比顆粒數增加得更快，這種現象已在其他的試驗[4]中觀察到了。

圖6　噴油壓力和噴油器狀況對顆粒尺寸的影響

5　結論和展望

在內燃機研究聯合會(FVV)研究計劃工作中，借助機內試驗方法與確定廢氣中顆粒數和顆粒尺寸分布的測量技術的組合，研究各種發動機參數和運行參數對顆粒形成、氧化及其形態學的影響。

該研究計劃的第2部分從2013年8月起就已修改，將研究領域擴展到了更高的負荷范圍(最大負荷1.4MPa)，特別是在增壓運行時，大噴油量的準備對于低顆粒物排放運行是1個挑戰。將各種不同的充量運動和提高噴油壓力作為改善混合氣形成的變化參數進行了試驗研究。在單缸試驗發動機上，能夠與增壓壓力無關地采用不同的廢氣背壓，應用這種自由度及改變配氣定時，就能夠設置各種不同的熱力學邊界條件，此外這樣也就能夠取得與采取附加的外部EGR對熱量的影響一樣的效果。圖7示出了各種變化參數及所應用的測量技術，它們被用于評判顆粒的形成及其氧化。除了常規的廢氣分析以及先前所應用的光學和顆粒測量技術之外，還應用了傅里葉轉換紅外線光譜(FTIR)技術來分析氣態排放。

從該研究項目中所獲得的經驗有助于更深入地理解汽油機顆粒物形成的機理、影響參數和轉化效率，應用由此所獲得的技術能夠使未來發動機通過有針對性地優化零部件和發動機運行參數來降低顆粒物排放。

圖7　系列計劃中的研究重點

[1] Dagef?rde H， Koch T， Beck K， u. a. Influence of fuel composition on exhaust emissions of a DISI engine during catalyst heating operation[C]. SAE Paper 2013-01-2571.

[2] Dagef?rde H, Kubach H, Spicher U.Untersuchung von ma?nahmen zur reduktion der partikel-anzahlemissionen bei Otto-DI-Motoren[C]. Zwischenbericht über das Vorhaben Nr.1046, FVV Heft R558,2012.

[3] Schumann F, Kubach H, Spicher U. The influence of injection pressures of up to 800 bar on catalyst heating operation in gasoline direct injection engines[C]. Comodia Proceedings，2012: 305-310.

[4] Matousek T, Dagef?rde H, Bertsch M. Influence of injection pressures up to 300 bar on particle emissions in a GDI-engine[C]. Proceedings of 17thETH-Conference on Combustion Generated Nanoparticles, Zürich,2013.

2015-12-1)