控制參數對增壓缸內直噴汽油機部分負荷下微粒排放特性的影響

鐘兵,洪偉,蘇巖,解方喜,韓林沛

(1.吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室,130025,長春;2.浙江吉利汽車研究院有限公司,311200,杭州)

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控制參數對增壓缸內直噴汽油機部分負荷下微粒排放特性的影響

鐘兵1,洪偉1,蘇巖1,解方喜1,韓林沛2

(1.吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室,130025,長春;2.浙江吉利汽車研究院有限公司,311200,杭州)

為研究控制參數對缸內直噴(GDI)汽油機微粒排放特性的影響,在一臺GDI汽油機上,當控制冷卻液溫度為(85±2) ℃、點火正時為上止點前30°時,研究了部分負荷下噴油壓力、噴油正時和過量空氣系數對微粒的粒徑分布特性和數量濃度排放的影響。結果表明,增大噴油壓力,微粒數量濃度峰值及其對應的粒徑均減小。發動機轉速提高,微粒的總數量濃度升高;1 500 r/min時的積聚態微粒排放高于核態微粒排放,2 000 r/min和2 500 r/min時核態微粒排放高于積聚態微粒排放。噴油正時為上止點前270°時,微粒排放最低;噴油正時為上止點前330°時容易形成較多較大尺寸的微粒,微粒數量濃度比其他噴油時刻高出一個數量級。增大過量空氣系數,采用偏稀混合氣可以降低微粒排放數量,采用濃混合氣,核態微粒數量濃度高于積聚態微粒。該結果可為增壓缸內直噴汽油機微粒排放特性研究提供參考。

缸內直噴汽油機;部分負荷;微粒排放;控制參數

為了滿足日益嚴格的法規要求,很多汽車廠商在汽車上采用了缸內直噴(gasoline direct injection, GDI)汽油機。GDI汽油機直接將燃油噴入缸內,同時可以在不同工況對燃油噴油量和燃燒過程進行更為精確的控制,從而降低燃油消耗量,提高輸出功率[1-2]。若采用分層燃燒、進氣冷卻和增壓等相關措施,可進一步降低冷啟動未燃碳氫和二氧化碳排放,因此GDI汽油機開始廣泛應用于乘用車[3]。盡管如此,GDI汽油機仍存在一些缺點,與進氣道噴射汽油機相比,GDI汽油機是將燃油直接噴入缸內,燃油和空氣混合時間較短,從而造成霧化不良和燃油濕壁等現象發生,因此其具有較高的微粒排放[2]。

微粒對人類健康有著重要影響[4]。大氣中顆粒物按空氣動力學直徑可分為3類:粗顆粒物(<10 μm)、細顆粒物(<2.5 μm)、超細顆粒物(<0.1 μm)。超細顆粒物粒徑小,易在肺內沉積,并可進入體內,同時其表面積較大,可以吸附較多的有害物質[5],因此對人體呼吸系統和心腦血管產生不良影響,影響人類身體健康。所以,研究GDI汽油機的微粒排放特性具有十分重要的現實意義。

中國III、IV階段輕型汽車污染物排放限值并沒有對汽油車顆粒物排放進行限制,V階段加入了對GDI汽油機顆粒物質量(PM)排放的限制,而歐VI排放法規加入了對顆粒物數量(PN)排放的限制。國外學者對GDI微粒排放進行過較多的研究,文獻[1,6-9]探究了噴油正時等對GDI發動機微粒的粒徑、數量濃度和微粒的微觀特性的影響,研究表明微粒生成是因為燃油霧化不良造成的,微粒尺寸對噴油正時較為敏感,提前噴油微粒尺寸增大,推遲噴油更易產生小尺寸納米級顆粒。Bonatesta等探究了點火正時等對微粒尺寸的影響,發現點火正時同樣嚴重影響微粒尺寸[7,10]。Farron等探究了噴油壓力對微粒排放的影響,發現降低噴油壓力會導致微粒和未燃碳氫化合物排放量增大[8]。

國內學者開展了過量空氣系數[11]、點火正時[12-13]和噴油時刻[14]等控制參數對GDI微粒排放的影響,其中過量空氣系數對微粒排放的影響研究不夠深入,且缺少噴油壓力對微粒排放特性的影響研究,因此本文可以作為該方面的有效補充。

鑒于點火正時對微粒排放影響的研究較多,因此本文固定點火正時,在一臺GDI汽油機上,針對常用轉速(1 500、2 000和 2 500 r/min),控制發動機冷卻水溫度不變,在部分負荷(約25%,40 N·m)下研究了控制參數(噴油時刻、噴油壓力和過量空氣系數)對微粒的數量濃度和粒徑分布特性的影響。

1 試驗裝置

1.1 試驗設備

圖1為試驗臺架布置,其中發動機參數如表1所示,同時選用長春第一光學有限公司生產的WYCH21A3型光電信號編碼器采集曲軸轉角信號,采用AVL缸壓傳感器測量缸內壓力,利用自行開發的基于飛思卡爾單片機控制系統在線調整發動機的運行參數。

圖1 發動機試驗臺架布置示意圖

試驗采用美國TSI公司生產的微粒粒徑譜儀EEPSTM3090測量發動機尾氣微粒粒徑分布。由于GDI汽油機排氣中的微粒數量濃度具有較高的數量級[6],為防止超出粒徑質譜儀的測量范圍,試驗中采用帶有加熱功能的二級稀釋系統進行稀釋。各個工況點的總稀釋比并不一致,每采集一個工況點記錄一次稀釋比,處理數據時每個數據點乘上各自的稀釋比后得出實際微粒排放。一級和二級加熱的溫度分別為250 ℃和300 ℃,一級加熱的目的主要是為了對稀釋空氣進行加熱,二級加熱用于去除排氣中的揮發性物質。

表1 發動機參數

1.2 試驗方法

試驗中控制發動機轉速為1 500、2 000和2 500 r/min,冷卻液溫度為(85±2) ℃,每一循環供油量為0.063 mL(約25%負荷,40 N·m),使用EEPS采集并記錄微粒排放數據,由此研究了控制參數對增壓GDI汽油機微粒的粒徑Dp分布和數量濃度dN/dlg(Dp/nm)特性的影響,其中N為每立方厘米微粒的個數。試驗中控制參數如表2所示。

表2 試驗中控制參數

注:粗體參數為其他參數變化過程中保持不變的參數。

2 試驗結果及分析

2.1 不同噴油壓力的微粒排放特性

轉速為1 500、2 000和2 500 r/min,每一循環供油量為0.063 mL,點火時刻于上止點前30°,噴油時刻于上止點前270°,過量空氣系數為1.0時微粒排放特性如圖2所示。

從圖2可以看出,隨著燃油噴油壓力的升高,微粒數量濃度峰值逐漸降低,濃度峰值對應的微粒粒徑逐漸減小。以2 500 r/min為例,當噴油壓力從4.5 MPa提升到12.5 MPa時,數量濃度峰值由2.4×107cm-3降低到0.93×107cm-3,峰值濃度對應的粒徑由52.3 nm減小為39.2 nm。

(a)1 500 r/min時微粒的粒徑分布

(b)1 500 r/min時微粒的數量濃度分布

(c)2 000 r/min時微粒的粒徑分布

(d)2 000 r/min時微粒的數量濃度分布

(e)2 500 r/min時微粒的粒徑分布

(f)2 500 r/min時微粒的數量濃度分布圖2 微粒的粒徑分布特性和數量濃度隨噴油壓力的變化歷程

分析可知:隨著噴油壓力的降低,油滴尺寸增大,油束貫穿距縮短,燃油霧化變差,燃油和空氣混合不良,混合氣均勻性變差,微粒和未燃碳氫化合物(UHC)的排放增多,微粒成核量增多,從而導致微粒排放的數量濃度增高;較大的液滴尺寸更易生成較大尺寸的微粒,使UHC排放增多,并對微粒生長過程起到了促進作用,從而加速了一系列表面生長等過程,致使微粒粒徑增大。此外,噴油壓力升高,混合氣混合均勻,燃燒改善,而燃燒溫度和排氣溫度升高都可以加速微粒和UHC的后期氧化,致使微粒粒徑減小,數量濃度降低。

對比圖2的柱狀圖發現:①發動機轉速提高,微粒數量濃度總和的排放量升高;②發動機轉速為1 500 r/min時積聚態微粒排放高于核態微粒排放,與2 000 r/min和2 500 r/min的規律相反。例如,當發動機轉速為1 500 r/min、噴油壓力為4.5 MPa時,數量濃度峰值為1.2×107cm-3,其對應的微粒粒徑為69.8 nm,而2 000 r/min、噴油壓力為4.5 MPa時,數量濃度峰值為2.0×107cm-3,對應粒徑為52.3 nm。分析可知,發動機轉速升高,氣體溫度(缸內和排氣)升高,氣體停留時間縮短,升高的缸內最高溫度增大了微粒的生成和氧化率,但縮短了的停留時間會降低上述2個過程的持續時間。從試驗結果來看,微粒的生成速率大于氧化速率。同等負荷下,與2 000 r/min和2 500 r/min相比,1 500 r/min時節氣門開度較小,發動機缸內氣流運動較弱,較弱的氣流運動不利于燃油霧化,這種環境利于生成較多的積聚態微粒。燃油霧化不良,碳氫化合物排放量增多,進而顆粒可在膨脹和排氣過程中吸附更多的碳氫化合物,使得核態和積聚態微粒尺寸進一步增大。

2.2 不同噴油正時的微粒排放特性

轉速為1 500、2 000和2500 r/min,每一循環供油量為0.063 mL,點火時刻于上止點前30°,噴油壓力為8.5 MPa,過量空氣系數為1.0時微粒排放特性如圖3所示。

(a)1 500 r/min時微粒的粒徑分布

(b)1 500 r/min時微粒的數量濃度分布

(c)2 000 r/min時微粒的粒徑分布

(d)2 000 r/min時微粒的數量濃度分布

(e)2 500 r/min時微粒的粒徑分布

(f)2 500 r/min時微粒的數量濃度分布圖3 微粒的粒徑分布特性和數量濃度隨噴油時刻的變化歷程

本試驗是在進氣行程噴油。從圖3中可以看出,隨著噴油時刻的推遲(由上止點前330°到210°),微粒總數量先降低后升高,核態和積聚態微粒也呈現出同樣的規律。噴油正時于上止點前330°出現較多、較大尺寸的微粒,積聚態微粒數量濃度明顯高于核態微粒數量濃度,前者是后者的2～3倍。例如,圖3c、3d中噴油正時于上止點前330°生成的微粒總數量濃度高達40.0×108cm-3,比270°噴油高出一個數量級。噴油正時于上止點前270°出現了最少的微粒排放。

文獻[10]研究發現,噴油正時于上止點前330°,加之較高的噴油壓力(8.5 MPa),燃油噴霧可能撞擊到活塞頂部,小部分的燃油將停留在缸壁和活塞頂端,直至壓縮行程末期,這種局部富油區域和液態燃油的存在促進了微粒成核[11],致使微粒成核率增大,進而使顆粒發生碰撞而凝聚和聚集的概率增大,容易形成較多、較大尺寸的微粒,最終使積聚態微粒排放高于核態微粒。推遲噴油,液態燃油和局部富油區域減小,上述情況得到改善,微粒排放降低。若繼續推遲噴油,則燃燒溫度降低,低溫環境加之縮短了停留時間,不利于燃油和空氣的混合,雖然存在局部過濃區域,但是低溫環境對微粒的成核、聚集和凝聚過程起到了抑制作用,從而使得微粒排放呈現出上述規律。進氣行程后期噴油,微粒排放相應增多,但增長幅度不大,這是因為相較于早噴,燃油空氣混合時間縮短,燃油霧化不良容易形成較大尺寸的微粒。再者,推遲噴油,排溫降低,低溫環境使得微粒的后期氧化不足[12],最終生成較多、較大尺寸的微粒。

2.3 不同過量空氣系數的微粒排放特性

轉速為1 500、2 000和2 500 r/min時,每一循環供油量為0.063 mL,點火時刻于上止點前30°,噴油正時于上止點前270°,噴油壓力為8.5 MPa時的微粒排放特性如圖4所示。

(a)1 500 r/min時微粒的粒徑分布

(b)1 500 r/min時微粒的數量濃度分布

(c)2 000 r/min時微粒的粒徑分布

(d)2 000 r/min時微粒的數量濃度分布

(e)2 500 r/min時微粒的粒徑分布

(f)2 500 r/min時微粒的數量濃度分布圖4 微粒的粒徑分布特性和數量濃度隨過量空氣系數的變化歷程

從圖4中可以看出,當過量空氣系數為1.2時,微粒數量濃度最低,隨著過量空氣系數的減小,數量濃度峰值增大。采用濃混合氣,核態微粒數量濃度和微粒總數量濃度較高。例如:轉速為2 000 r/min,過量空氣系數由0.9增大到1.2時,微粒總數量濃度由3.4×108cm-3降低為0.7×108cm-3;過量空氣系數為0.9時,核態微粒數量濃度是積聚態微粒的1.5倍左右;過量空氣系數增大到1.2時,核態和積聚態二者排放水平相當。

眾所周知,隨著過量空氣系數的增大,油少氣多,發動機排溫升高,較高的排氣溫度增強了核態微粒的氧化(核態微粒是液態或半固態,積聚態微粒基本是固態的),加之碳氫化合物排放降低,抑制了膨脹和排氣行程中微粒尺寸的增大[15],因此,過量空氣系數增大、發動機排溫升高對微粒的成核和尺寸增大起到了抑制作用[16]。采用濃混合氣燃燒提高了微粒的成核速率,由于不存在局部富油區域和液態燃油,因此不會產生像低轉速(1 500 r/min)和燃油早噴(上止點后330°)時生成較多積聚態微粒,而是生成較多的核態微粒。

3 結 論

本文在一臺增壓直噴汽油機上保持發動機點火時刻不變,轉速為1 500、2 000和2 500 r/min,冷卻液溫度為(85±2) ℃,研究了改變控制參數(噴油壓力、噴油正時和過量空氣系數)對部分負荷下微粒粒徑分布特性和微粒數量濃度的影響,結論如下。

(1)增大噴油壓力,噴霧貫穿距增大有助于燃油霧化而形成均勻混合氣,數量濃度峰值及其對應的粒徑均減小。發動機轉速提高,微粒數量濃度排放量升高;當發動機轉速為1 500 r/min時,積聚態微粒排放高于核態微粒排放,而2 000 r/min和2 500 r/min時核態微粒排放高于積聚態微粒排放。

(2)噴油正時于上止點前270°左右時,微粒排放較低。推遲噴油時刻,微粒總數量濃度先降低后升高,核態和積聚態微粒呈現出同樣的規律。噴油正時于上止點前330°時,出現了較多、較大尺寸的微粒,比其他噴油時刻高出了一個數量級,且積聚態微粒數量濃度大約是核態微粒的2～3倍。

(3)增大過量空氣系數、采用偏稀混合氣燃燒有利于降低微粒排放。采用濃混合氣燃燒,核態微粒的數量濃度高于積聚態微粒。

[1] HEEJE S, KYEONG L, SEUNGMOK C. Effects of engine operating parameters on morphology of particulates from a gasoline direct injection (GDI) engine, SAE 2013-01-2574 [R]. Washington, DC, USA: SAE, 2013.

[2] LIANG Bin, GE Yunshan. Comparison of PM emissions from a gasoline direct injected (GDI) vehicle and a port fuel injected (PFI) vehicle measuredby electrical low pressure impactor (ELPI) with two fuels: gasoline and M15 methanol gasoline [J]. Journal of Aerosol Scienc, 2013, 57(5): 22-31.

[3] ZHAO F, LAI M C. Automotive spark-ignited direct-injection gasoline engines [J]. Progress in Energy and Combustion Science, 1999, 25(5): 437-562.

[4] CUCCHI M, SAMUEL S. Influence of the exhaust gas turbocharger on nano-scale particulate matter emissions from a GDI spark ignition engine [J]. Applied Thermal Engineering, 2015, 76(2): 167-174.

[5] 趙金鐲. 大氣超細顆粒物的分布特征及其對健康的影響 [J]. 環境與職業醫學, 2007, 24(1): 76-79. ZHAO Jinzhuo. The distributing character and composition of ultrafine particles and its effects on human health [J]. Journal of Environmental and Occupational Medicine, 2007, 24(1): 76-79.

[6] SEONG S H. CHOI examination of nanoparticles from gasoline direct-injection (GDI) engines using transmission electron microscopy (TEM) [J]. International Journal of Automotive Technology, 2014, 15(2): 175-181.

[7] MATTI-MARICQ M. Particulate emissions from a direct-injection spark-ignition (DISI) engine, SAE 1999-01-1530 [R]. Washington, DC, USA: SAE, 1999.

[8] FARRON C. Particulate characteristics for varying engine operation in a gasoline spark ignited, direct injection engine, SAE 2011-01-1220 [R]. Washington, DC, USA: SAE, 2011

[9] PRICE P. Particulate matter and hydrocarbon emissions measurements: comparing first and second generation DISI with PFI in single cylinder optical engines, SAE 2006-01-1220 [R]. Washington, DC, USA: SAE, 2006.

[10]BONATESTA F, CHIAPPETTA E. Part-load particulate matter from a GDI engine and the connection with combustion characteristics [J]. Applied Energy, 2014, 124(1): 366-376.

[11]裴義強. 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, 47(10): 892-897. PEI Yiqiang. Effect of Starting idling condition and mixture concentration of a turbocharged GDI engine on particle emission [J]. Journal of Tianjin University: Science and Technology, 2014, 47(10): 892-897.

[12]左子農. 點火定時對增壓直噴汽油機燃用甲醇汽油混合燃料微粒排放的影響研究 [J]. 內燃機工程, 2014. (2014-07-31) [2015-10-15]. http:∥www.cnki.net/kcms/detail/31.1255.TK.20140731.1144.001.html. ZUO Zinong. Investigation on the effect of ignition timing on the particulate matter emissions from a turbo-charged GDI engine fueled with gasoline/methanol blends [J]. Chinese Internal Combustion Engine Engineering, 2014. (2014-07-31) [2015-10-15]. http:∥www.cnki.net/kcms/detail/31.1255.TK.20140731. 1144. 001.html.

[13]鐘兵. 點火時刻對怠速工況直噴汽油機微粒排放特性的影響 [J]. 西安交通大學學報, 2015, 49(3): 32-37. ZHONG Bing. Effects of ignition timing on particulate emission characteristics of idling condition for gasoline direct injection (GDI) engine [J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2015, 49(3): 32-37.

[14]黃雅卿. 噴油時刻對缸內直噴汽油機顆粒物排放的影響 [J]. 內燃機學報, 2014, 5(32): 420-425. HUANG Yaqing. Effects of injection timing on particulate emission in gasoline direct injection engine [J]. Transactions of CSICE, 2014, 5(32): 420-425.

[15]United States Environmental Protection Agency. Light-duty automotive technology, carbon dioxide emissions, and fuel economy trends: 1975-2015, EPA-420-R-12-001a [R]. Washington, DC, USA: United States Environmental Protection Agency, 2012.

[16]SEONG H, CHOI S, LEE K. Examination of nanoparticles from gasoline direct-injection(GDI) engines using transmission electron microscopy (TEM) [J]. International Journal of Automotive Technology, 2014, 15(2): 175-181.

(編輯 苗凌)

Effects of Control Parameters on the Particulate Emission Characteristics of Turbocharged Gasoline Direct Injection Engine under Part Load

ZHONG Bing1,HONG Wei1,SU Yan1,XIE Fangxi1,HAN Linpei2

(1. State Key Laboratory of Automobile Simulation and Control, Jilin University, Changchun 130025, China; 2. Zhejiang Geely Automobile Research Institute Co., Ltd., Hangzhou 311200, China)

To investigate the effects of control parameters on the particulate emission characteristics of gasoline direct injection (GDI) engine, a GDI engine was chosen to reveal the effects of control parameters (fuel injection pressure, fuel injection timing and excess air coefficient) on particle diameter distribution and particle number density of emission with the coolant temperature of 85 ℃±2 ℃, ignition timing of 30° CA BTDC under part load. The results show that the peak of the particle number density and the corresponding particle diameter reduced with the increase in fuel injection pressure. The total particle number density increased with the higher engine rotation speed. When the engine rotation speed was 1 500 r/min, the accumulation mode particle emissions were higher than the nucleation mode particle emissions compared with 2 000 r/min and 2 500 r/min which had opposite results. The particle emissions were lowest at the fuel injeciton timing of 270° CA BTDC, and there had bigger particles whose number density was about one order of magnitude higher than other fuel injection timing when the fuel injection timing was 330° CA BTDC. Increasing the excess air coefficient and using lean mixtures could reduce particle emissions. The number density emissions of the nucleation mode particles were higher than accumulation mode particles with using rich fuel-air mixture. The results could provide references for the study of particulate emission characteristics of turbocharged gasoline direct injection engine.

GDI engine; part load; particulate emission; control parameter

10.7652/xjtuxb201605014

2015-12-18. 作者簡介:鐘兵(1989—),男,博士生;蘇巖(通信作者),男,副教授。 基金項目:國家自然科學基金資助項目(51276080,51206059);中國博士后科學基金資助項目(2013M540250)。

時間:2016-03-01

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160301.1018.014.html

TK417

A

0253-987X(2016)05-0095-06