二次噴射時刻對GDI汽油機顆粒物排放的影響

陳雨陽， 莊祝躍， 方俊華， 喬信起

(上海交通大學機械與動力工程學院， 上海 200240)

?

·性能研究·

二次噴射時刻對GDI汽油機顆粒物排放的影響

陳雨陽， 莊祝躍， 方俊華， 喬信起

(上海交通大學機械與動力工程學院， 上海 200240)

研究了缸內直噴汽油機在不同二次噴射時刻條件下的顆粒物粒徑分布特性。試驗工況為最大扭矩轉速2 000 r/min工況，負荷率分別為10%，30%，60%。試驗結果表明：不同二次噴射時刻下，缸內直噴汽油機顆粒物粒徑呈單峰分布，低負荷數量峰值在對應的積聚模態70 nm附近。低負荷下，合理優化二次噴油時刻可以降低顆粒物排放；中等負荷時，單次噴射的顆粒物排放遠低于二次噴射。

汽油機； 二次噴射； 顆粒； 粒徑分布

缸內直噴(GDI)汽油機是直接將燃油噴射到氣缸中,通過改變噴入氣缸的油量來控制發動機負荷。相對傳統進氣道噴射汽油機，GDI發動機燃油消耗減少15%～20%，CO2排放降低，然而顆粒物排放在質量濃度和數濃度上均有所增加[1]。顆粒物排放與缸內直噴汽油混合氣形成密切相關，改變噴油策略會對混合氣形成產生很大影響[2]。因此，可以通過噴油策略控制形成合理混合氣分布，減少顆粒物排放。

二次噴油策略是應用在車用發動機上的一種準均質稀燃技術[3-4]。受缸內流場和噴霧的共同作用，二次噴油策略使得缸內混合氣的均勻性有所降低，形成了火花塞處較濃，周邊較稀的分層混合氣[5]。相關試驗證明，合理的噴油策略下，二次噴射較單次噴射油膜量少，缸內的滾流比總體趨勢有所下降，液滴碰壁現象有改善，濕壁比例由1.79%降至1.32%[6]，燃油消耗率明顯降低[7]。同時，數值模擬和試驗發現，采用二次噴射形成的分層當量比混合氣能夠顯著地降低爆震強度[8]。針對二次噴油策略對顆粒物排放的影響，學者開展了相關研究。Xin He等[9]研究表明，二次噴油策略有降低GDI汽油機顆粒物排放的潛力。通過對比單次噴射，Whitaker P等[10]研究發現，在冷起動、冷機瞬態、熱機瞬態和穩態過程中，二次噴油策略明顯有助于降低顆粒物排放。基于二次噴油控制顆粒物排放的研究方向，研究了中低負荷下第二次噴射時刻對顆粒物粒徑分布的影響，并且和同負荷下的單次噴射顆粒物排放進行對比，以明確噴油策略的調控趨勢，為進一步研究和降低GDI汽油機顆粒物排放提供參考。

1 試驗設備和試驗方法

1.1 試驗樣機

試驗樣機為1臺4缸缸內直噴式增壓汽油機，主要技術參數見表1，試驗用燃料為國Ⅳ95號汽油。

表1 樣機的主要技術參數

1.2 顆粒數量和粒徑分析儀器及測試方法

顆粒物分析儀器采用TSI3034掃描遷移性顆粒粒徑分析儀(Scanning Mobility ParticleSizer，SMPS)，其基本的原理是利用帶電粒子在電場中的偏轉從而篩分不同粒徑粒子，通過凝聚顆粒計數器(CPC)來測定顆粒物濃度。進氣流量為1 L/min，顆粒粒徑測量范圍為10～487 nm，共分54個粒徑分級，每3 min完成整個粒徑范圍的一個掃描，顆粒數濃度測量范圍為102～107個/cm3。在SMPS采樣口前接入熱擴散管TD(thermodenuder)，顆粒物在熱擴散管停留約26 s后進入常溫擴散層，其中揮發組分在擴散層被活性炭吸附，吸附效率接近100%，剩余組分進入SMPS進行檢測，故本試驗主要測排氣中的干炭煙(Dry soot)。為達到測試儀器的測試量程范圍和溫度要求，排氣需通過稀釋通道進行稀釋，顆粒稀釋取樣系統見圖1。本試驗采用兩級稀釋，總稀釋比為84。第1級稀釋系統采用TSI專業旋轉盤稀釋器，對采集到的汽油機排氣進行稀釋，控制初級稀釋系統的加熱溫度為(150±10) ℃，第1級稀釋比為10.5，蒸發管的溫度為(350±10) ℃，第2級稀釋系統加熱溫度為(25±1) ℃，稀釋比為8。稀釋比的確定是通過相同工況下同時測量排氣管和稀釋后混合氣中的CO2濃度得到的，其計算公式如式(1)所示：

(1)

圖1 顆粒稀釋取樣系統

1.3 試驗工況

為了有效反映GDI汽油機低負荷運行過程中的顆粒物排放特性，試驗選取典型轉速——最大扭矩轉速2 000 r/min，負荷分別選取25 N·m，75 N·m，150 N·m，對應的負荷率為10%，30%，60%。每組試驗均在發動機工況穩定后測量，保持水溫(90±1) ℃，油溫(95±1) ℃，消除發動機冷卻水溫和機油溫度對顆粒物測量結果的影響。在整個發動機二次噴射試驗過程中，為保證火花塞附近混合氣為濃混合氣，同時遠端的混合氣不至于過稀失火，試驗設定第一次噴油量與第二次噴油量之比為1∶1。固定第一次噴射角為303°BTDC，第二次噴射角為160°BTDC，在此基礎上調節第二次噴射角±3°，±9°，研究第二次噴射時刻對顆粒物粒徑分布的影響，并與相同負荷下單次噴射(SI，single injection)顆粒物粒徑分布進行對比分析。

2 試驗結果與討論

2.1 顆粒物粒徑分布

圖2至圖4示出該汽油機在不同二次噴射角下排氣顆粒物的粒徑分布。由圖2至圖4可見：隨著二次噴射角和負荷的變化，最大扭矩轉速下的排氣顆粒粒徑都呈現包含核模態粒子(10 nm

圖2 顆粒數量的粒徑分布(2 000 r/min，10%負荷)

圖3 顆粒數量的粒徑分布(2 000 r/min，30%負荷)

圖4 顆粒數量的粒徑分布(2 000 r/min，60%負荷)

2.2 顆粒總數量濃度與總質量濃度

顆粒質量的含義是指單位體積排氣氣溶膠的總質量。假設所有排氣顆粒都呈球形，密度為1.2 g/cm3，即可將顆粒物數濃度轉化為質量濃度[11]。將各負荷下核模態粒子(10 nm

由圖5至圖7可看出，隨著負荷的遞增，顆粒數濃度呈遞增趨勢。在低負荷下，積聚態顆粒物數量較核模態多，核模態顆粒物數量隨著二次噴射角的變化較小；中等負荷下，核模態的顆粒物隨著二次噴射角的變化趨勢與總的顆粒物變化趨勢相似，且核模態的顆粒數量遠多于積聚模態。

其次，對比單次噴射和二次噴射的顆粒物數量可以發現，低負荷下，相比單次噴射，合適的二次噴射角能降低顆粒物數量；中等負荷時，單次噴射的顆粒物數量相比二次噴射少1個數量級。這主要是因為低負荷時二次噴油形成分層燃燒的效果比單次噴射均質混合氣燃燒的效果好。而中等負荷時，油氣混合時間縮短，二次噴油燃料來不及燃燒，致使顆粒物排放比單次噴射高。每個低負荷工況下均有合適的二次噴油角使得二次噴射較單次噴射的顆粒物排放低。二次噴射較早，導致部分燃油直接撞擊活塞頂部，燃油蒸發量過少，燃燒性能惡化；二次噴射較晚，油氣混合的時間過短，缸內混合氣不均勻，分層燃燒效果不好。

圖8至圖10可看出，顆粒總質量濃度趨勢也與積聚模態質量濃度保持一致。隨著負荷的遞增，顆粒質量濃度呈先增大后減小的趨勢。在中低負荷下，積聚態顆粒物質量濃度均遠大于核模態。其次，對比單次噴射和二次噴射的顆粒物質量濃度可以發現，低負荷下，相比單次噴射，合適的二次噴射角能降低排放顆粒物質量；中等負荷時，二次噴射的顆粒物質量多于單次噴射顆粒物質量，但兩者處于同一量級。

圖5 2 000 r/min，10%負荷時顆粒總數量濃度

圖6 2 000 r/min，30%負荷時顆粒總數量濃度

圖7 2 000 r/min，60%負荷時顆粒總數量濃度

圖8 2 000 r/min，10%負荷時顆粒總質量濃度

圖9 2 000 r/min，30%負荷時顆粒總質量濃度

圖10 2 000 r/min，60%負荷時顆粒總質量濃度

汽油機在低負荷時以計量比混合氣組織燃燒，過量空氣系數高，二次噴射階段燃料在到達富燃區之前即已被燃燒消耗掉，致使富燃區的燃燒得不到后續的燃料補充，同時，選擇合適的二次噴射時刻可使缸內形成火花塞附近較濃、遠端較稀的混合氣，燃燒時火焰傳播速度快，從而使得發動機混合氣燃燒好、排放低；中等負荷時缸內二次噴射使得燃油和空氣混合的時間大大縮短，燃燒環境惡劣化，基礎碳粒子生成量劇增，顆粒物濃度遠大于單次噴射。這與Maricq等[12]的研究結果——尾氣中顆粒物數量隨著汽油機過量空氣系數的降低而增加一致。

圖11所示的不同負荷下HC濃度也證明了在中等負荷下二次噴射使得缸內燃燒環境惡化的說法。60%負荷時HC濃度較其他負荷時高出很多，原因是兩次噴油間隔內燃油和空氣混合時間大大縮短，致使發動機內的燃燒環境惡化，高溫缺氧使得燃油容易裂解成低分子的碳氫，低分子碳氫邊進行脫氫反應邊生成細碳粒子，細碳粒子排出后可能仍以核模態存在，故HC濃度、核模態濃度大幅增加。這也與以往研究結果認為的“核態顆粒物是發動機燃燒過程中生成的初級碳顆粒、硫酸鹽以及HC化合物等經過成核現象而形成的[13]”相符。

圖11 不同負荷的HC濃度(2 000 r/min)

3 結論

a) 隨著二次噴射角的變化，最大扭矩轉速下中、低負荷顆粒粒徑分布均呈現單峰分布，數量峰值在對應的積聚模態70 nm附近；

b) 相對于合適的二次噴油角，試驗測試工況下提前和推遲二次噴射均導致顆粒物排放增加；故在保證GDI增壓汽油機動力性、經濟性的同時，合理優化二次噴油角可以降低GDI增壓汽油機顆粒物排放；

c) 中等負荷時，由于二次噴射的油氣混合時間過短，燃燒環境惡化，單次噴射的顆粒物排放效果要遠遠好于二次噴射。

[1] Spicher U, Reissing J, Kech J M, et al. Gasoline direct injection (GDI) engines-development potentialities[C]. SAE Paper 1999-01-2938.

[2] 雷小呼,王燕軍,王建昕,等. 缸內直噴汽油機燃燒控制策略及實現[J]. 內燃機工程,2004,25(3):4-7.

[3] 裴普成,劉書亮,范永健，等.五氣門汽油機氣道內二次燃油噴射技術的研究[J].內燃機學報,2000,18(1):53-56.

[4] 劉德新,馮洪慶,劉書亮，等.二次噴油過程對稀燃汽油機性能影響的試驗研究[J].內燃機學報,2003,21(5):333-336.

[5] 信曦,丁寧,張小矛，等.二次噴射對直噴增壓汽油機油氣混合與燃油濕壁影響的研究[C]//中國內燃機學會燃燒凈化節能分會2013年學術年會論文集.保定：中國內燃機學會，2013:1-6.

[6] 黃雅卿,王志,王建昕，等.二次噴射對直噴增壓小排量汽油機影響的數值模擬[J].汽車工程,2014(10):1180-1183,1188.[7] Zhao F, Lai M C, Harrington D L. Automotive spark-ignited direct-injection gasoline engines[J]. Progress in energy and combustion science,1999,25(5):437-562.

[8] 白云龍,王志,王建昕. 分層當量比混合氣抑制缸內直噴汽油機爆震的模擬[J]. 內燃機學報,2010(5):393-398.

[9] He X, Ratcliff M A, Zigler B T. Effects of gasoline direct injection engine operating parameters on particle number emissions[J]. Energy & Fuels,2012,26(4):2014-2027.

[10] Whitaker P, Kapus P, Ogris M, et al. Measures to reduce particulate emissions from gasoline DI engines[C]. SAE Paper 2011-01-1219.

[11] Abdul-Khalek I S, Kittelson D B, Graskow B R, et al. Diesel exhaust particle size: measurement issues and trends[C]. SAE Paper 980525,1998.

[12] Maricq M M, Podsiadlik D H, Chase R E. Gasoline vehicle particle size distributions: Comparison of steady state, FTP, and US06,measurements[J]. Environ SciTechnol,1999,33(12):2007-2015.

[13] Kittelson D B. Engines and nanoparticles: a review[J]. Journal of aerosol science,1998,29(5):575-588.

[編輯： 潘麗麗]

Effects of Secondary Fuel Injection Timing on Particle Emission of GDI Engine

CHEN Yuyang， ZHUANG Zhuyue， FANG Junhua， QIAO Xinqi

(Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

The characteristics of particle size distribution under different secondary injection timings were researched under the 10%, 30% and 60% load conditions at the maximum torque speed (2 000 r/min) of GDI engine. The results indicate that the particle size of secondary injection timing shows unimodal distribution with the number peak of low load around 70 nm accumulation mode. At low load, the reasonable optimization of secondary fuel injection timing can reduce particle emission. At medium load, the particle emission of single injection is far less than that of secondary fuel injection.

gasoline engine； secondary fuel injection； particulate matter； particle size distribution

2015-11-03；

2016-01-15

陳雨陽(1990—)，男，碩士，主要研究方向為內燃機顆粒物排放；cyuyang@foxmail.com。

方俊華(1974—)，男，講師，博士，主要研究方向內燃機燃燒與排放，內燃機電子控制；fjunhua@sjtu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.01.009

TK421.5

B

1001-2222(2016)01-0048-04