運行工況和直噴正時對雙噴射汽油機顆粒物排放的影響

陳文浩， 夏 淳， 毛克讓， 陶 杰， 方俊華， 黃 震

(上海交通大學 機械與動力工程學院， 上海 200240)

直噴燃油帶來的充量冷卻作用可以讓缸內直噴(GDI)汽油機采用更高的壓縮比，因此GDI發動機具有更好的動力性與燃油經濟性.然而，燃油直噴會縮短油氣混合時間，容易在缸內形成局部燃油過濃區的同時產生燃油濕壁現象[1].因此，GDI發動機的顆粒物排放水平將會大大高于氣道噴射(PFI)發動機[2].根據中國輕型汽車第6階段排放標準，GDI發動機的顆粒物排放量不得超過6×1011個/km[3]，這為GDI發動機的顆粒物排放控制帶來了巨大的挑戰.為了降低GDI發動機的顆粒物排放量，最直接的解決方案是結合氣道噴射與缸內直噴(DI)形成混合雙噴模式[4].

國內外學者針對GDI發動機的顆粒物排放特性進行了許多研究.Qin等[5]發現GDI發動機的顆粒物粒徑呈雙峰分布特征，當噴射正時提前時，顆粒物排放量先下降后升高.He等[6]發現噴射正時是影響顆粒物排放的主導因素，噴射油束撞擊活塞頂部凹坑是導致顆粒物排放量升高的主要原因.Piock等[7]發現提高噴油壓力能夠促進缸內的充量運動，提高混合氣均勻度，減少尖端擴散火焰現象，進而降低顆粒物排放量.Su等[8]發現與單次噴射相比，2次噴射可以使顆粒物排放量降低60%，而3次噴射則能降低80%以上.此外3維計算流體力學(CFD)軟件的模擬結果表明：多次噴射可以減少燃油的濕壁現象，促進混合氣均勻混合，因而能夠降低顆粒物排放量.

2006年豐田推出了搭載D-4S(Direct Injection 4 Stroke Gasoline Engine System Superior Version)系統的雙噴射汽油機2GR-FSE[9].奧迪則在2011年推出的第3代直列4缸TFSI(Turbocharged Fuel Stratified Injection)發動機上首次應用了進氣道-缸內混合雙噴射技術[10]，其最高直噴壓力可達20 MPa.Golzari等[11]基于單缸雙噴射汽油機，固定其DI比例為30%，通過臺架試驗發現：在轉速為 1 000 r/min，凈平均指示壓力(NIMEP)為883 kPa條件下，凈指示燃油消耗率降低了9%;在其他工況下，雙噴模式的凈指示燃油消耗率接近于直噴模式，但其碳煙排放大幅降低.于秀敏等[12]研究了不同DI比例對發動機顆粒物排放的影響，研究表明：隨著DI比例的升高，顆粒物總數先減少后增加，且存在最佳的DI比例使得顆粒物排放量達到最低.

盡管國內外針對雙噴射發動機已經開展了一些研究，但針對汽油雙噴射顆粒物排放特性的研究較少.因此，本文基于一臺四缸雙噴射汽油機，在中低轉速、中低負荷工況下，分析了直噴、雙噴模式中發動機的燃燒特性及顆粒物排放特性；在選定的典型工況下，研究DI正時對雙噴射汽油機顆粒物排放的影響.

1 試驗部分

1.1 試驗發動機及測試設備

試驗所用發動機的原型為一臺缸內直噴增壓汽油機，排量為1.998 L，壓縮比為10∶1，最大轉矩為350 N·m.通過改進進氣歧管，加入氣道噴射所需的低壓油軌及噴嘴，將厚型汽油機改裝成一臺進氣道-缸內雙噴汽油機.缸內壓力信號由Kistler 6125C型缸壓傳感器采集，經由Kistler 5015型電荷放大器放大后，進入D2T Osiris燃燒分析儀.燃燒分析儀所用轉角信號由發動機曲軸信號傳感器提供，曲軸轉角θ每隔0.5° 采集一次缸壓信號，持續記錄100個連續循環的平均值用于燃燒分析.采用湘儀動力設備有限公司FC2000型發動機控制系統以及CAC265型電力測功機.雙噴發動機所用控制器為美國Pi Innovo公司生產的快速原型OpenECU，發動機控制策略由本團隊自主研發，能夠控制直噴和進氣道噴嘴同時工作.OpenECU通過讀取進氣歧管的壓力及溫度信號，計算獲得新鮮空氣量，并結合噴油壓力，進而計算獲得噴油脈寬，最后利用排氣氧傳感器的空燃比反饋信號實現對噴油量的閉環控制.試驗中的顆粒物測量設備采用英國Cambustion公司生產的DMS500快速顆粒分析儀.該儀器配備兩級稀釋系統，粒徑測量范圍為5～1 000 nm，響應時間為0.2 s，可以在線連續測量發動機尾氣中的顆粒物排放量.

1.2 試驗工況

試驗工況中的各參數如表1所示.其中：n為轉速；pe為制動平均有效壓力、rDI為直噴比例，rDI=100%指代直噴模式，rDI=50%指代雙噴模式，θDI為與直噴正時相對應的曲軸轉角；pinj為直噴壓力；θigt為與點火正時對應的曲軸轉角.在各工況下進行穩態試驗，采用市售92#汽油，水溫保持為(90±2) ℃，過量空氣系數λ=1，固定氣道噴射正時為上止點前(BTDC)350°，氣道噴射壓力為0.4 MPa.固定DMS500快速顆粒分析儀的一級、二級稀釋比分別為5和12.為保證試驗結果的可靠性，每個工況點先讓發動機穩定運行2 min，而后由快速顆粒分析儀采樣記錄1 min，以1 min內的平均值作為顆粒物測量結果進行分析.

表1 試驗工況參數Tab.1 The parameters of operating conditions in the tests

2 結果與討論

2.1 運行工況對雙噴射汽油機燃燒和顆粒物排放的影響

2.1.1燃燒特性 在n=1 600，2 000 r/min、pe=0.2，0.8 MPa工況下直噴模式和雙噴模式的缸壓(pcyl)曲線對比圖如圖1所示.由圖1可知：在低負荷下(pe=0.2 MPa)，直噴模式和雙噴模式的燃燒特性的區別非常小，兩者的pcyl曲線基本重合；當負荷升高后(pe=0.8 MPa)，直噴模式和雙噴模式在燃燒特性上的區別顯著增大，雙噴的pcyl峰值更高，燃燒相位也更加提前.在雙噴射模式下，一部分燃油(50%)通過進氣道噴嘴噴出，在進氣道內與空氣充分混合后再進入氣缸，同時進氣氣流運動也能促進油氣混合，充分的油氣混合能夠使混合氣更加均質，燃燒過程相比直噴模式更加充分.此外，由于缸內直噴燃油量的減少，燃油充量冷卻效應減弱，導致缸內燃燒溫度升高.因而，雙噴模式的燃燒更加充分，pcyl峰值和缸內燃燒溫度均有所升高.

圖1 不同工況下直噴模式和雙噴模式的缸壓曲線Fig.1 The in-cylinder pressure curves of direct-injection and dual-injection modes under different operating conditions

2.1.2顆粒物排放特性 直噴模式和雙噴模式的顆粒物排放等高線如圖2所示.由圖2可知：直噴模式下發動機排放的顆粒物數量(PN)基本位于107數量級；而雙噴模式下PN降至106數量級，表明雙噴模式具有非常顯著的改善顆粒物排放的效果.GDI發動機的顆粒物主要來源于缸內混合氣局部過濃區的非均質燃燒和直噴燃油濕壁造成的池火焰擴散燃燒[1]，兩者都與直噴噴霧質量直接相關.在雙噴模式下，DI燃油量的減少會縮短噴霧貫穿距，使得燃油油束撞擊燃燒室壁面的概率大大降低；同時，由于部分燃油通過氣道噴射與空氣預混后進入氣缸，DI油量的減少也促使油氣混合更加充分，缸內局部過濃區隨之減少；此外，雙噴模式的缸壓峰值更高，燃燒更加充分，缸內溫度較高，這也促進了噴霧霧化和碳煙的后續氧化.綜合以上三者的作用，雙噴模式的顆粒物排放相比直噴模式顯著減少.

圖2 直噴模式和雙噴模式的PN等高線圖Fig.2 The PN concentration contour map of direct-injection and dual-injection modes

直噴模式下，低負荷工況中的顆粒物排放普遍較低，而隨著負荷的升高，顆粒物排放先升高后降低.GDI發動機顆粒物的形成與缸內局部過濃區和噴霧撞壁密切相關.當負荷較小時，噴油量較少，噴霧貫穿距較短，缸內形成局部過濃區以及燃油碰壁發生的概率較低，因而顆粒物排放水平偏低.隨著負荷的升高，噴油量及噴射貫穿距增加，噴霧碰壁現象也有所增加，導致顆粒物排放升高.當負荷進一步加大時，噴油壓力及缸內溫度的升高，改善了缸內燃油噴霧的霧化、混合效果，同時缸內燃燒溫度的增加也進一步促進了碳煙顆粒的氧化生成，故顆粒物排放又會有一定程度的下降.從轉速變化的角度來看，高轉速工況下的顆粒物排放普遍高于低轉速工況.這是由于當轉速升高后，雖然充量運動有所加劇，但每個工作循環中的油氣混合絕對時間有所減少，反而導致了混合氣混合效果變差，顆粒物排放急劇升高.

雙噴模式下，隨著轉速、負荷的升高，發動機的顆粒物排放也逐漸增加.在低轉速、低負荷的工況下，雙噴模式有著極低的顆粒物排放水平.當n=1 600～2 000 r/min,pe=0.2～0.4 MPa時，雙噴模式相比直噴模式的顆粒物排放量的下降幅度超過80%.當轉速升高時，油氣混合的絕對時間縮短，不充分的混合致使顆粒物排放有所升高；當負荷增加時，DI油量也不斷增加，顆粒物排放水平不斷升高.雙噴模式的降低顆粒物排放效果對于負荷的變化更為敏感.當n=1 600～2 000 r/min,pe=0.8 MPa時，雙噴模式的顆粒物排放量的下降幅度跌至20%以下.這說明在中高負荷工況下，為了進一步降低顆粒物排放，最直接的方法便是繼續降低DI燃油比例.然而，DI燃油比例的減少意味著充量冷卻效應的減弱，發動機爆震傾向增加，因此為了避免爆震，發動機控制單元可能會推遲點火，從而導致燃油經濟性下降.綜合考慮燃油經濟性和顆粒物排放，尋找雙噴模式的運行工況邊界具有重要的意義[13].

圖3所示為不同工況下雙噴模式和直噴模式的顆粒物排放粒徑分布情況.其中：Dp為顆粒物的當量直徑；dN/d lgDp代表顆粒物的對數粒徑分布密度.由圖3可知，直噴模式下的PN峰值粒徑基本位于86～100 nm區間內.低轉速時，峰值粒徑較大；轉速升高時，峰值粒徑有所減小.雙噴模式下的PN峰值粒徑相比于直噴模式下的PN峰值粒徑有顯著的減小，這種現象在低負荷工況時尤為顯著.綜合來看，雙噴模式的顆粒物粒徑分布相比直噴模式向小粒徑方向移動.

圖3 不同運行工況下雙噴模式和直噴模式的顆粒物排放粒徑分布Fig.3 The particle size distributions of dual-injection and direct-injection modes under different operating conditions

發動機排放的顆粒物按照其Dp的大小被劃分為核膜態(Dp<30 nm)和積聚態(30 nm

2.2 直噴正時對雙噴射汽油機顆粒物排放的影響

圖4 不同直噴正時下雙噴、直噴模式的PNFig.4 The PN of dual-injection and direct-injection models at different DI injection timings

圖5 不同直噴正時下雙噴和直噴模式的顆粒物粒徑分布Fig.5 The particle size distributions of dual-injection and direct-injection modes under different direct-injection timings

不同直噴正時下，雙噴模式和直噴模式的顆粒物粒徑分布情況如圖5所示.直噴模式下，PN的峰值粒徑基本保持在100 nm附近；而雙噴模式下，PN的峰值粒徑則隨著直噴正時的提前而不斷降低.直噴模式下，過晚噴油會導致油氣混合時間不足，缸內局部過濃區增加造成混合氣的不充分燃燒，產生大量未燃HC；未燃HC凝聚成核形成大量的核膜態顆粒物；而過早噴油會引起嚴重的噴霧撞壁，導致碳煙排放急劇升高.雙噴模式下，DI油量減少，在相同的混合時間能獲得比直噴模式更好的混合效果，因而核膜態顆粒物的排放能夠一直處于較低水平.由于噴霧貫穿距的減小，適當的噴油時刻提前能夠在不發生嚴重燃油濕壁的情況下延長混合時間，使得混合氣得以充分燃燒，積聚態顆粒物形成所需的碳煙顆粒數量減少.因而在雙噴模式下，積聚態PN的占比隨著直噴正時的提前而不斷降低.

3 結論

(1) 低負荷工況下，雙噴模式和直噴模式的燃燒特性區別較小，兩者的缸壓曲線基本重合；在中、高負荷工況下，雙噴模式的缸壓峰值相比直噴模式略有升高.

(2) 當n=1 600～3 200 r/min,pe=0.2～0.8 MPa，DI比例為50%的雙噴模式具有非常顯著的降低顆粒物排放的效果， 顆粒物排放濃度數量級由直噴模式的107下降至106.

(3) 隨著轉速、負荷的升高，雙噴模式的顆粒物排放也逐漸增加.在低轉速、低負荷工況下，雙噴模式有著極低的顆粒物排放水平；在中、高負荷工況下，DI比例為50%的雙噴模式對顆粒物排放的改善效果有所下降.雙噴模式的顆粒物粒徑分布相比直噴模式向小粒徑方向移動.

(4) 直噴模式存在最佳的噴射正時，使得PN最低；而雙噴模式下，最佳的直噴正時要比直噴模式更靠近排氣上止點，即雙噴模式可以采用更加提前的直噴正時.