稀燃條件下廢氣再循環對缸內直噴汽油機微粒排放粒徑分布的影響

麻斌,董偉,高瑩,孫平,何玲,徐長建,蒲超杰

(吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室,130025,長春)

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稀燃條件下廢氣再循環對缸內直噴汽油機微粒排放粒徑分布的影響

麻斌,董偉,高瑩,孫平,何玲,徐長建,蒲超杰

(吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室,130025,長春)

在一臺壁面/空氣導向組合式噴霧的汽油缸內直噴(GDI)發動機上進行廢氣再循環(EGR)實驗,以研究稀燃條件下EGR對GDI發動機均質和分層模式下微粒排放粒徑分布及燃燒的影響。實驗結果表明:EGR的引入會抑制缸內燃燒,使缸壓和瞬時放熱率峰值降低、燃燒相位推遲、碳氫化合物排放增多;在均質和分層模式下隨著EGR率升高,核態粒子數量濃度均呈先降后增的趨勢,即存在最優EGR率使核態粒子數量濃度最低,均質模式下最優EGR率為8%,降幅為未加入EGR時的50%左右,而分層模式最優EGR率為5%,降幅只有20%左右;在分層模式下,積聚態粒子數量濃度隨EGR率不斷升高而持續降低;均質模式相較分層模式產生的積聚態粒子較少、核態粒子較多,2 000 r/min相較1 500 r/min產生的積聚態粒子較多、核態粒子較少。該結果可為直噴汽油機稀薄燃燒的微粒排放控制提供參考。

直噴汽油機;稀燃;均質模式;分層模式;廢氣再循環;微粒排放

作為最具經濟效益的先進汽油機技術之一,汽油缸內直噴(gasoline direct injection, GDI)技術在降低燃油消耗率及低碳排放方面具有顯著優勢。一方面因為缸內直噴汽油的霧化吸熱,使得GDI發動機比進氣道噴射(port fuel injection, PFI)發動機擁有更為出色的抗爆性能,從而允許采用更高的壓縮比,同時缸內燃油霧化吸熱也有助于增加發動機新鮮充量;另一方面也因為GDI發動機相較PFI發動機擁有更為出色的稀燃特性。

文獻[1-2]研究結果顯示,采用稀燃的GDI發動機可以在保證燃燒穩定的前提下獲得更高的燃燒效率,進一步降低GDI發動機燃油消耗率,節油效果相較PFI發動機可達20%～25%。然而,工作于稀燃條件的GDI發動機,也帶來兩方面區別于PFI發動機的排放控制問題:一方面其獨特的混合氣制備方式將不可避免地縮短了缸內混合氣制備時間,并有可能出現燃油濕壁等現象,相較PFI發動機其會產生更高的微粒排放且該問題在當量混合氣及加濃混合氣條件下同樣存在[3-4];另一方面傳統三效后處理裝置在稀燃條件下將出現對NOx轉化效率急劇降低的問題,需要采用廢氣再循環(exhaust gas recirculation, EGR)、三效后處理裝置配合NOx吸附催化劑及間歇性加濃混合氣等技術控制NOx排放[5]。

文獻[6-7]研究顯示,三效催化器對GDI發動機核態粒子的產生有明顯的抑制作用,對積聚態粒子則影響不大。文獻[8]研究顯示,GDI發動機排放的微粒數量濃度及核態粒子數量濃度與微粒總數量濃度之比隨點火角的提前而增大。文獻[9]研究顯示,GDI發動機微粒粒徑分布隨過量空氣系數的增大,由核態、積聚態雙峰分布變化為核態單峰分布,且總數量濃度降低。文獻[10-11]研究顯示,在GDI發動機全負荷工況下應用EGR技術,CO2排放最多可降低17%,碳氫化合物(HC)、CO、NOx排放最多可降低80%,且冷EGR可有效抑制爆震。文獻[12]研究了EGR對GDI發動機微粒排放的影響,結果表明在多個工況下EGR可顯著降低微粒排放,且在部分工況內部EGR在降低微粒排放方面比外部EGR更有效。

針對EGR對GDI發動機稀燃條件下微粒排放特性的影響,本文利用一臺1.8 L直列四缸壁面/空氣導向組合式GDI發動機,在稀燃條件下結合自主開發的電子控制單元(ECU),分別研究了GDI發動機均質和分層2種燃燒模式中EGR率rEGR對微粒排放的影響。

1 實驗臺架及測控系統

本文實驗采用的GDI發動機為壁面/空氣導向組合式噴霧,噴油器安裝于進氣道側缸壁,進氣道內安裝滾流擋板,活塞頂面有專門設計的凹坑,發動機具體參數如表1所示。

表1 發動機參數

注:額定功率轉速為5 000～6 200 r/min;額定扭矩轉速為1 500～4 200 r/min。

發動機控制采用實驗室自主開發的實驗ECU,主控芯片為飛思卡爾16位雙核處理芯片9S12XDP-512,噴油器及高壓油泵驅動模塊采用意法公司L9781專業級芯片實現。圖1為發動機實驗臺架布置方案,圖2為實驗臺架實物,圖3為實驗ECU實物。

HC、NOx、CO、CO2等常規排放測試由AVL公司產Di-Gas-4000完成;發動機過量空氣系數由ETAS公司產LANBDA.LA4配合氧傳感器LSU4進行監測;燃燒過程監測及燃燒參數測試由日本Ono Sokki公司產DS9100型燃燒分析儀配合AVL公司產火花塞式缸壓傳感器和Kistler角標儀完成。微粒測量采用TSI Model3090發動機排放顆粒光譜儀,共分22級,粒徑測量范圍為5～560 nm。由于發動機排氣中微粒含量較高,在進行測量之前需先進行稀釋采樣,而相關研究顯示,稀釋采樣條件對微粒測量精度尤其是核態粒子(粒徑≤30 nm) 的測量有很大影響[13],故我們自行開發了GDI發動機排氣微粒2級熱稀釋采樣裝置,具體工作原理參見文獻[14],結構簡圖如圖4所示。利用該設備可精確控制稀釋溫度、稀釋停留時間、稀釋比等排氣稀釋過程關鍵參數[14]。經過前期實驗,選取了稀釋比為260、稀釋溫度為200 ℃,以保證較高的實驗可重復性和實驗精度。

圖1 發動機實驗臺架布置

圖2 發動機實驗臺架實物

圖3 自主研發的實驗ECU

圖4 熱稀釋采樣系統結構簡圖

實驗選取發動機稀燃條件下1 500 r/min及2 000 r/min小負荷工況,分別研究EGR對GDI發動機均質和分層2種燃燒模式下微粒排放粒徑分布和總數量濃度dN/dlg(Dp/nm)的影響,其中N為每毫升微粒的個數,Dp為微粒粒徑。表2對具體實驗工況參數進行了描述。

表2 實驗工況參數描述

2 實驗結果及分析

通常將發動機微粒排放按照當量直徑劃分為核態、積聚態和粗態3種。核態粒子粒徑在3～30 nm之間,積聚態粒子粒徑在30～500 nm之間,粗態粒子粒徑大于2 500 nm。由于粗態粒子數量較少,對GDI發動機微粒排放影響不大[15],所以此處不再討論。

2.1 EGR對GDI發動機均質模式下微粒排放影響

1 500 r/min及2 000 r/min均質燃燒模式下,EGR率對GDI發動機微粒排放粒徑分布及總數量濃度的影響規律分別如圖5和圖6所示。

(a)1 500 r/min

圖6 均質燃燒模式EGR對GDI發動機微粒排放總數量濃度的影響

由圖5可見:均質燃燒模式下積聚態粒子的數量濃度很小,核態粒子的較多,其中1 500 r/min工況粒徑峰值在10 nm附近,2 000 r/min工況粒徑峰值小于10 nm;隨EGR率不斷加大,2種轉速工況的核態粒子數量濃度均呈U型變化趨勢,且拐點出現在EGR率為8%時。由圖6可見,隨EGR率不斷升高,2種轉速工況的微粒總數量濃度也呈U型變化趨勢,與核態粒子數量濃度變化趨勢一致,且最大值出現在EGR率為0時。

發動機工作過程生成的HC化合物及燃料不完全燃燒生成的碳煙粒子是GDI發動機微粒排放的主要誘因,前者通過吸附作用形成核態粒子,后者通過吸附作用及團聚形成積聚態粒子[16-17]。為了進一步分析實驗現象,測量了上述均質燃燒工況下、不同EGR率時的燃燒參數和排氣中HC含量(質量分數),如圖7～圖9所示。

(a)缸壓

(b)瞬時放熱率圖7 1 500 r/min均質燃燒模式下EGR對GDI發動機燃燒參數的影響

如圖7、圖8所示,1 500 r/min和2 000 r/min均質工況下,隨著EGR率不斷升高,缸壓和瞬時放熱率峰值持續減小、燃燒相位右移,即缸內放熱過程趨于遲緩。這主要是因為廢氣的熱容效應和稀釋作用隨EGR率升高不斷增強,熱容效應使缸內燃燒溫度降低,稀釋作用使缸內氧濃度降低,兩者共同抑制了缸內燃燒,使發動機燃燒相位后移,燃燒溫度降低,后燃增多。由圖9可見,隨EGR率升高,排氣中HC含量呈先小幅增大后急劇增大的變化趨勢。

分析可知,實驗工況在小EGR率時核態粒子濃度減小、粒徑峰值左移。原因是小EGR率導致的后燃使膨脹行程中缸內溫度升高,對核態粒子產生的氧化作用加強,但此時燃燒產生HC化合物濃度并沒有大幅提升,這有利于減小核態粒子數量濃度和粒徑峰值;大EGR率時,雖然膨脹行程中較高的缸內溫度對核態粒子的氧化作用依然存在,但大EGR率導致燃燒過程中產生的HC含量急劇增大,由此提高了HC化合物的成核幾率,導致核態粒子數量濃度增大,粒徑峰值右移。

(a)缸壓

(b)瞬時放熱率圖8 2 000 r/min均質燃燒模式下EGR對GDI發動機燃燒參數的影響

圖9 均質燃燒模式下EGR對GDI發動機HC排放的影響

2.2 EGR對GDI發動機分層模式下微粒排放的影響

1 500 r/min及2 000 r/min分層燃燒模式下,EGR率對GDI發動機微粒排放粒徑分布及總數量濃度的影響規律分別如圖10、圖11所示。

由圖10可見,分層燃燒模式下,發動機排氣微粒呈核態、積聚態雙峰分布,其中積聚態粒子粒徑峰值在50 nm附近,核態粒子粒徑峰值在10 nm附近。隨EGR率不斷升高,2種轉速工況的核態粒子數量濃度和粒徑峰值均呈U型變化趨勢,拐點發生在EGR率為5%時,不同于均質模式,小EGR率對分層模式下核態粒子的抑制作用較小,且核態粒子數量濃度最大值出現在EGR率為0時。積聚態粒子隨EGR率的不斷升高呈現出數量濃度降低、粒徑峰值左移,即粒徑減小的變化趨勢。如圖11所示,由于實驗工況下積聚態粒子與核態粒子變化趨勢不統一,所以粒子總數量濃度無明顯變化趨勢。

(a)1 500 r/min

(b)2 000 r/min圖10 分層燃燒模式下EGR對GDI發動機微粒排放粒徑分布的影響

圖11 分層燃燒模式下EGR對GDI發動機微粒排放總數量濃度的影響

同樣,為了進一步分析實驗現象,測量了上述分層燃燒工況在不同EGR率時的燃燒參數和排氣中HC含量,如圖12～圖14所示。

(a)缸壓

(b)瞬時放熱率圖12 1 500 r/min分層燃燒模式下EGR對GDI發動機燃燒參數的影響

如圖12、圖13所示,1 500 r/min和2 000 r/min分層工況下,隨著EGR率的不斷升高,缸壓和瞬時放熱率峰值持續減小、燃燒相位右移,即類似于均質模式,分層模式燃燒同樣受到EGR熱容效應和稀釋作用的抑制,該抑制作用隨EGR率的升高而加強。另一方面,如圖14所示,分層模式下排氣中HC含量隨著EGR率的升高呈現較為均勻地增大趨勢,且除個別點外,HC排放低于均質燃燒模式。這是因為在稀燃工況下分層燃燒模式相較均質燃燒模式擁有更加合理的缸內混合氣分布,所以燃燒效率更高,HC排放降低。

(a)缸壓

(b)瞬時放熱率圖13 2 000 r/min分層燃燒模式下EGR對GDI發動機燃燒參數的影響

分析可知:實驗工況下小EGR率導致核態粒子數量濃度降低、粒徑峰值左移。原因是小EGR率導致的后燃增多使膨脹行程中缸內溫度升高,對核態粒子產生的氧化作用增強造成的,但分層模式后燃量較少,故這種核態粒子的降幅隨之減小;隨著EGR率繼續升高,燃燒過程中產生的HC含量隨之增大,HC化合物的成核幾率增大,而此時膨脹行程中缸內溫度對核態粒子的氧化作用有限,最終導致核態粒子數量濃度顯著增大、粒徑峰值右移。發動機引入EGR后,積聚態粒子的產生明顯受到了抑制。這主要是因為EGR直接導致缸內最高燃燒溫度降低,其抑制了缸內不完全燃燒燃油的脫氫及熱裂解作用,即抑制了碳煙粒子生成,同時降低了已生成碳煙粒子的吸附作用,從而使積聚態粒子濃度降低、粒徑峰值左移。另外,EGR引發的膨脹行程缸內溫度升高、燃油濕壁及局部混合不均現象減弱等也有助于減少積聚態粒子的數量。

圖14 分層燃燒模式下EGR對GDI發動機HC排放的影響

2.3 燃燒模式和轉速對GDI發動機微粒排放的影響

值得注意的是,同等EGR率下GDI發動機工作于不同轉速和燃燒模式,其微粒排放特性有很大區別,此處對上述4種工況在EGR率為8%時的微粒排放特性進行了分析。定燃燒模式時,2種轉速下GDI發動機微粒排放粒徑分布對比如圖15所示;定轉速時,2種燃燒模式下GDI發動機微粒排放粒徑分布對比如圖16所示。

由圖15可見,在2種燃燒模式下,發動機微粒排放均呈現出隨轉速的升高核態粒子濃度降低、積聚態粒子濃度升高的變化趨勢。分析可知,轉速升高使得發動機散熱損失減小、缸內溫度升高,由此增強了HC化合物、核態粒子在高溫下的氧化幾率,較高的轉速也會減小HC化合物在缸內停留的時間,從而抑制HC化合物向核態發展,最終導致2 000 r/min工況核態粒子數量濃度小于1 500 r/min工況。另一方面,2 000 r/min工況采用更高的燃油噴射壓力,使得燃油濕壁現象加劇,燃燒過程產生的碳煙粒子增多,從而導致2 000 r/min工況積聚態粒子濃度大于1 500 r/min工況。

(a)均質燃燒模式

(b)分層燃燒模式圖15 不同轉速下GDI發動機微粒排放粒徑分布對比

由圖16可見,在2種轉速下,均質模式產生的核態粒子均高于分層模式,而積聚態粒子則遠低于分層模式。分析可知,分層燃燒模式的燃油噴射時刻靠近壓縮上止點,導致燃油濕壁現象加劇,燃料不完全燃燒產生的碳煙粒子團聚和吸附作用加強,它一方面產生了數量濃度遠高于均質燃燒模式的積聚態粒子,另一方面碳煙粒子對HC化合物的大量吸附使HC化合物自身的成核作用受到了抑制,從而導致該模式下核態粒子數量濃度較均質燃燒模式低。

(a)1 500 r/min

(b)2 000 r/min圖16 不同燃燒模式下GDI發動機微粒排放粒徑分布對比

3 結 論

通過對一臺GDI發動機進行EGR實驗,研究了稀燃條件下EGR率對GDI發動機均質和分層模式下微粒排放的影響,獲得結論如下。

(1)EGR的引入會抑制缸內燃燒,使缸壓和瞬時放熱率峰值降低、燃燒相位推遲。隨著EGR率不斷升高,均質燃燒模式下HC排放呈先小幅增大后急劇增大的變化趨勢,分層燃燒模式下HC排放則呈現較為均勻的增大趨勢。

(2)GDI發動機均質燃燒模式比分層燃燒模式產生的積聚態粒子數量濃度低,核態粒子數量濃度則較高;1 500 r/min工況比2 000 r/min工況產生的積聚態粒子數量濃度低,核態粒子數量濃度則較高。

(3)在均質模式下引入EGR,核態粒子數量濃度隨EGR率的不斷升高呈U型變化趨勢,變化拐點發生在EGR率為8%時,較未加入EGR時降幅約50%,發動機微粒排放的總數量濃度變化趨勢與核態粒子一致。

(4)在分層模式下引入EGR,核態粒子數量濃度隨EGR率的不斷升高呈U型變化趨勢,但不同于均質模式,拐點發生在EGR率為5%時,且降幅較未加入EGR時只有20%左右;積聚態粒子數量濃度隨EGR率的不斷升高呈持續降低趨勢,在EGR率為18%時濃度最低,發動機微粒排放的總數量濃度無明顯變化。

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(編輯 苗凌)

Effects of EGR on the Particle Emission Size Distribution in Lean Burn Condition for Gasoline Direct Injection Engine

MA Bin,DONG Wei,GAO Ying,SUN Ping,HE Ling,XU Changjian,PU Chaojie

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

The effects of exhaust gas recirculation (EGR) on the combustion and particle emissions of a gasoline direct injection (GDI) engine in homogeneous or stratified combustion mode under lean burn condition were investigated by an EGR experiment on a GDI engine with a combination of wall-guiding spray and air-guiding spray. The results show that the adoption of EGR suppresses the cylinder combustion, reduces the peak values of cylinder pressure and instantaneous heat release rate, delays the combustion phase and increases the emission of hydrocarbon. In the homogeneous and stratified mode, the nucleation particle number concentration firstly decreases and then increases with the increasing EGR rate, so there exists an optimum EGR rate to lead to a least number concentration of nucleation mode particles. The optimum rate of 8% results in a 50% reduction of concentration in the homogeneous mode while the rate of 5% results in a 20% reduction of concentration in the stratified mode. The number concentration of accumulation mode particle decreased with the increase of EGR rate in the stratified mode. The number concentration of accumulation mode gets less and the number concentration of nucleation mode gets more in the homogeneous mode compared with the stratified mode. The number concentration in accumulation mode gets more and the number concentration in nucleation mode less at the speed of 2 000 r/min compared with the speed of 1 500 r/min.

gasoline direct injection engine; lean burn condition; homogeneous mode; stratified mode; particulate emission

10.7652/xjtuxb201605013

2015-11-03。 作者簡介:麻斌(1989—),男,博士生;董偉(通信作者),女,副教授。 基金項目:國家自然科學基金資助項目(51406066);吉林省自然科學基金資助項目(130101JC01009568)。

時間:2016-03-01

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160301.1017.010.html

TK417

A

0253-987X(2016)05-0087-08