活塞溫度對汽油機顆粒物排放的影響

朱小平　陳廣

摘要：為降低直噴汽油發動機的顆粒物排放，分析顆粒物產生原因，改進活塞冷卻噴嘴結構，設計活塞冷卻噴嘴控制策略，研究冷起動階段活塞溫度對發動機顆粒物排放的影響。結果表明：根據機油溫度控制活塞冷卻噴嘴的開啟，在冷起動階段減少活塞與機油的換熱，使活塞溫度快速提升，縮短暖機時間，使混合氣在活塞溫度較高時燃燒，大幅度降低顆粒物排放。

關鍵詞：直噴汽油發動機；活塞冷卻噴嘴；冷起動；粒子數量

中圖分類號：TK401；TM31文獻標志碼：A文章編號：1673-6397（2023）05-0082-05

引用格式：朱小平，陳廣.活塞溫度對汽油機顆粒物排放的影響［J］.內燃機與動力裝置，2023，40（5）：82-86.

ZHU Xiaoping， CHEN Guang. Effect of piston temperature on particle emission of gasoline engine［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2023，40（5）：82-86.

0 引言

我國排放標準不斷加嚴，國六排放標準b階段和實際行駛污染物排放測試標準已于2023年7月1日在全國范圍實施[1-2]，國七排放標準當前也在醞釀討論中。據了解下一階段的歐七排放對顆粒污染物限值進一步加嚴，同時要求顆粒直徑進一步減小。進一步降低積碳和顆粒物排放、滿足更加苛刻的顆粒排放標準要求，是汽車生產廠面臨的巨大挑戰。

當前，降低直噴汽油機顆粒物排放的主要措施為進一步提高燃油噴射壓力和燃燒效率[3]，優化標定策略，同時在排氣后處理上增加顆粒捕集器[4]，但是成本增加很高，標定驗證工作復雜。優化燃燒室周邊水套，縮短暖機時間有利于降低顆粒物排放，但這方面工作基本已經實施，進一步優化的潛力較小；活塞屬于燃燒室的重要組成部分，由于活塞是運動件，研究和控制相對困難。本文中通過分析汽油機顆粒物產生的原因和顆粒物產生的主要階段，重點針對冷起動階段活塞溫度對汽油機顆粒物排放的影響進行研究，并提出優化方案。

1 顆粒物產生原因

直噴汽油發動機的顆粒排放物主要為缸內燃油和機油不充分燃燒產生的積碳。產生積碳原因主要包括3方面：1）燃燒系統如氣道、燃油噴霧、火花塞點火位置等設計不合理，導致油氣混合慢、混合不均勻、火焰峰傳播速度慢、燃燒效率差等產生碳煙顆粒；2）油氣分離器的分離效率低、活塞環與缸壁刮油不徹底、增壓器和氣門油封等零件密封不良等導致進入燃燒室機油過多，機油無法充分燃燒產生積碳；3）燃燒室壁面溫度低，靠近壁面的燃油不容易蒸發，導致油氣混合不均勻，冷卻循環帶走燃燒室周邊熱量，導致燃燒室升溫較慢，不充分燃燒時間長，增加積碳累積[5-7]。

當前排放測試采用世界輕型車測試循環（worldwide harmonized light-duty vehicle test cycle， WLTC）模擬車輛實際道路行駛工況，包含低速、中速、高速和超高速4個階段和加速、減速、怠速等工況。為驗證測量結果一致性，對2輛配置相同的城市越野車進行車輛排放轉轂臺架測試，車輛主要技術參數為：車質量為1 620 kg，發動機排量為1.6 L，變速器為7速雙離合變速器。WLTC循環轉轂臺架測試粒子數量（particle number， PN）結果如圖1所示。由圖1可知：車輛在前100 s排放的PN較多，即冷機起動工況和加速瞬態工況時排放的顆粒物較多，冷起動工況排放的PN約為穩態工況的8～10倍；其余工況產生的PN較少。

冷起動過程中顆粒物產生的主要原因是燃燒室壁面溫度較低、暖機時間較長、油氣混合氣燃燒不充分。快速提高燃燒室壁面溫度，縮短暖機時間，可以減少燃燒時積碳的產生，因此降低冷起動工況顆粒物排放的措施主要包括：1）適當提高熱負荷，增加燃燒室熱量來源；2）減少燃燒室對外散熱。由于冷起動階段燃燒效率不高，增加熱負荷需平衡對油耗和排放的影響，因此減少燃燒室散熱成為主要優化方向。

發動機燃燒室由缸蓋、活塞組成，缸蓋燃燒室的壁面溫度可以通過優化水套設計、控制水套冷卻液的流速實現；活塞頂部面積約占整個燃燒室面積的一半，而且活塞為運動零件，溫度控制相對不容易實現，因此如何快速提高冷起動階段活塞溫度對降低顆粒物排放至關重要。

2 優化方案

活塞頭部熱量來自燃燒室內混合氣體的燃燒放熱，通過活塞冷卻噴嘴噴射的機油及活塞環、活塞與氣缸壁接觸將熱量導出，達到熱平衡[8-9]。由于活塞、活塞環與缸壁的接觸導熱面積有限，因此主要通過冷卻噴嘴噴射機油對活塞進行散熱。假定燃燒放熱、活塞冷卻噴嘴流量、環和活塞與缸壁的導熱不變，活塞溫度與冷卻噴嘴噴射的機油溫度強相關：機油溫度越低，活塞與機油的溫差越大，機油帶走的活塞熱量越多，活塞溫度越低；反之，機油溫度越高，活塞與機油的溫差越小，機油帶走活塞頭部熱量越少，活塞溫度越高[10-11]。

常用的活塞冷卻噴嘴為壓力控制開啟結構，內部有柱塞和彈簧，其結構示意圖如圖2所示。正常情況下彈簧預緊力頂住柱塞封閉油孔，噴嘴處于關閉狀態。當機油壓力大于彈簧預緊力時，柱塞開啟；當機油壓力小于彈簧預緊力時，柱塞關閉。發動機在冷機狀態運行時，燃燒室及相關零部件溫度低，由于機油溫度低、黏度高、壓力大，冷卻噴嘴開啟時，活塞溫度進一步降低，燃油霧化和燃燒惡化，導致燃燒不充分，產生的積碳和顆粒物增加。

因此，冷機階段當活塞溫度較低時，控制活塞冷卻噴嘴晚開，減少活塞與機油的熱交換，可以快速提高活塞表面和燃燒室溫度，縮短暖機時間，減少冷起動時積碳和顆粒排放物的產生，從而降低PN。基于以上分析，提出以下優化方案。

1）結構設計。采用基于機油溫度控制的活塞冷卻噴嘴代替常規壓力開關式活塞冷卻噴嘴，實現噴嘴開啟時刻可控。

2）控制策略。低轉速、低平均有效壓力時，活塞冷卻噴嘴在機油溫度較高時開啟；隨著轉速和平均有效壓力增加，活塞冷卻噴嘴開啟溫度逐步降低。在不出現爆震的情況下，盡量提高冷機狀態的活塞溫度。

3 結果驗證

由于活塞屬于運動件，冷機狀態運行過程中活塞溫度不易直接測量和控制，因此通過控制活塞冷卻噴嘴在不同機油溫度下開啟和關閉，間接控制活塞溫度。

以某2.0 L增壓中冷直噴汽油發動機為研究對象，發動機主要技術參數如表1所示。

傳感器采樣位置位于顆粒捕集器后，測試工況為穩態工況，相同邊界條件、不同轉速負荷、機油攝氏溫度t分別為30、40、50、60 ℃時，測量活塞冷卻噴嘴關閉和開啟狀態下的PN。

發動機轉速n=1 000 r/min、平均有效壓力pBME =0.2 MPa時，活塞冷卻噴嘴開啟與關閉時排放中的PN如表2所示。由表2可知：相比活塞冷卻噴嘴開啟時，關閉狀態下，t=30 ℃時PN約降低32.4%，t=40 ℃ 時PN約降低17.8%，t=50 ℃ 時PN約降低1.8%，t=60 ℃時PN約降低7.7%。

n=1 000 r/min、pBME=0.3 MPa時，活塞冷卻噴嘴開啟與關閉時排放中的PN如表3所示。由表3可知：相比活塞冷卻噴嘴開啟時，關閉狀態下，t=30 ℃時PN約降低45.4%，t=40 ℃時PN約降低42.2%，t=50 ℃時PN約降低27.8%，t=60 ℃時PN約降低6.9%。

n=1 250 r/min、pBME=0.2 MPa時，活塞冷卻噴嘴開啟與關閉時排放中的PN如表4所示。由表4可知：相比活塞冷卻噴嘴開啟，關閉狀態下，t=30 ℃時PN約降低38.8%，t=40 ℃時PN約降低12.5%、t=50 ℃時PN約降低22.0%、t=60 ℃時PN約降低28.2%。

n=1 250 r/min、pBME=0.3 MPa時，活塞冷卻噴嘴開啟與關閉時排放中的PN如表5所示。由表5可知：相比活塞冷卻噴嘴開啟，關閉狀態下，t=30 ℃ 時PN約降低58.4%，t=40 ℃時PN約降低35.7%、t=50 ℃時PN約降低25.9%，t=60 ℃時PN約降低17.4%。

n=1 500 r/min、pBME =0.3 MPa時，活塞冷卻噴嘴開啟與關閉時排放中的PN如表6所示。由表6可知：相比活塞冷卻噴嘴開啟，關閉狀態下，t=30 ℃時PN約降低26.9%，t=40 ℃時PN約降低10.9%，t=50 ℃時PN約增加6.2%，t=60 ℃時PN約增加6.4%。

n=1 500 r/min、pBME=0.4 MPa時，活塞冷卻噴嘴開啟與關閉時排放中的PN如表7所示。由表7可知：不同機油溫度下關閉活塞冷卻噴嘴時的PN比開啟時大。

通過以上數據分析可知：1）轉速較小時，熱負荷較小，活塞溫度較低，活塞冷卻噴嘴關閉有利于快速提升活塞頭部溫度，PN降低；轉速增大時，熱負荷增加，活塞頭部溫度較高，活塞冷卻噴嘴關閉相對于開啟時，PN降幅逐步縮小；當轉速大于一定量時，由于熱負荷大活塞溫度很高，關閉活塞冷卻噴嘴導致活塞頭部溫度過高，產生高爆震傾向，PN增大；2）平均有效壓力相同，機油溫度越低，活塞冷卻噴嘴開啟后帶走的熱量越多，活塞溫度降低越多，因此關閉活塞冷卻噴嘴PN降幅相比開啟時大；3）負荷相同，轉速越低，同等時間內做功次數越少，產生的熱量越少，活塞溫度越低，活塞冷卻噴嘴關閉PN降幅相比開啟時更大；4）轉速相同，負荷越小，活塞頭部溫度越低，活塞冷卻噴嘴關閉PN降幅相對于開啟時更大。

4 結束語

發動機冷機運行階段產生的積碳和顆粒物排放在整個WLTC循中占比最大。為了滿足更加嚴格的排放標準，發動機設計開發過程中，應重點關注和優化冷起動工況的燃油霧化效果，快速提高燃燒室壁面溫度，縮短暖機時間，減少由于混合氣不充分燃燒產生的積碳，從而降低PN。活塞是燃燒室的重要組成部分，冷起動狀態下提高活塞溫度可以顯著降低PN。根據項目開發研究結果，針對提高燃燒室溫度降低顆粒排放物提出如下建議。

1）采用基于溫度控制的活塞冷卻噴嘴取代壓力開關式的活塞冷卻噴嘴，實現活塞溫度可控。

2）優化轉速和負荷控制活塞冷卻噴嘴的開啟溫度，可以實現在不產生爆震情況下活塞快速升溫。

3）適當優化和減小水套容積，冷起動狀態下降低或者停止水泵運轉，減少冷卻循環帶走燃燒室熱量，縮短暖機時間。

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Effect of piston temperature on particle emission of gasoline engine

ZHU Xiaoping， CHEN Guang

Ningbo Geely Royal Engine Components Co.， Ltd.， Ningbo 315336， China

Abstract：In order to reduce the particle emission level of gasoline direct injection engine，the cause of particulate matter is analyzed， the structure of piston cooling jet is optimized， and a control strategy for the piston cooling jet? is designed.The effects of piston temperature during cold start phase on particle emission are studied. The results show that controlling the piston cooling jet open and close timing， reducing the heat exchange between piston and oil during cold start phase， can help the piston temperature rise more quickly and shorten engine warm up duration. Keeping the fuel and air mixture burn on higher piston temperature， the particle number can be reduced.

Keywords：gasoline direct injection engine;piston cooling jet;cold start;particle number（責任編輯：劉麗君）

收稿日期：2023-07-12

第一作者簡介：朱小平（1978—），男，湖南衡東人，高級工程師，主要研究方向為車輛動力總成、三電系統、熱管理系統，E-mail： Xping.zhu@163.com。