關(guān)于缸內(nèi)直噴汽油機(jī)微粒排放的影響因素分析

荊 瑩

(徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221140)

關(guān)于缸內(nèi)直噴汽油機(jī)微粒排放的影響因素分析

荊 瑩

(徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221140)

針對(duì)缸內(nèi)直噴(GDI)汽油機(jī)排放微粒的產(chǎn)生機(jī)理及危害，深入分析影響微粒排放特性的多種因素，得出合理控制點(diǎn)火時(shí)刻、噴油開始時(shí)刻、運(yùn)行工況等因素，可以有效控制GDI排放特性，為進(jìn)一步開發(fā)設(shè)計(jì)缸內(nèi)直噴燃燒系統(tǒng)，有效降低GDI微粒排放具有參考意義.

汽油機(jī)；缸內(nèi)直噴(GDI)；微粒排放

0 引言

缸內(nèi)直噴汽油機(jī)燃燒運(yùn)行時(shí)能有效地降低燃油消耗，同時(shí)還具備良好的瞬態(tài)性能和全負(fù)荷性能，但GDI排放微粒明顯高于進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)，對(duì)人體危害很大.歐Ⅴ排放法規(guī)已將GDI排放納入法規(guī)測(cè)試要求，有效控制GDI發(fā)動(dòng)機(jī)排放尤為迫切.

1 GDI排放微粒

1.1 GDI排放微粒的產(chǎn)生機(jī)理

GDI汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的排放物包括CO、HC、NOx和排氣微粒.排氣微粒主要包括核態(tài)和積聚態(tài)兩種[1]613-617.核態(tài)粒子粒徑在5～30 nm之間，由硫酸鹽、未燃燒的HC和部分金屬化合物構(gòu)成.積聚態(tài)粒子粒徑范圍30～1 000 nm之間，由來自燃油嚴(yán)重不完全燃燒的無定形碳及吸附在它表面的碳?xì)浠衔锖蜕倭繜o機(jī)化合物構(gòu)成[2]892-897.

缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣的模式有分層混合氣、均質(zhì)稀混合氣、均質(zhì)混合氣三種，在不同的工況下采用不同的模式.當(dāng)GDI切換到分層燃燒模式時(shí)，火焰由濃混合氣處向稀混合氣處傳播中極易產(chǎn)生碳煙.此外，由于缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)混合氣形成時(shí)間短，特別是采用壁面引導(dǎo)時(shí)燃油會(huì)碰壁，從而使微粒排放顯著增加.

1.2 GDI排放微粒的危害

排氣微粒中絕大部分為納米級(jí)微粒，對(duì)人體危害嚴(yán)重，因?yàn)榧{米級(jí)微粒可以進(jìn)入肺泡，且不易排出體外；同時(shí)，隨著粒徑的減小，這些粒子的總表面積會(huì)迅速增加，其表面可以吸附重金屬、毒性成分和致癌可溶性有機(jī)成分，導(dǎo)致癌癥發(fā)病率升高.

2 缸內(nèi)直噴微粒排放特性的影響因素分析

合理組織缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)，精確控制噴油時(shí)刻和點(diǎn)火時(shí)刻，良好的運(yùn)行工況和保養(yǎng)是進(jìn)一步改善缸內(nèi)混合氣的質(zhì)量、提高汽油機(jī)燃燒過程、降低微粒排放的重要途徑.

2.1 點(diǎn)火時(shí)刻

點(diǎn)火時(shí)刻的變化能顯著影響汽油機(jī)燃燒過程，對(duì)燃油消耗率、扭矩輸出和排放特性等具有較大的影響.由圖1發(fā)現(xiàn)，排氣微粒物在核態(tài)區(qū)域呈現(xiàn)雙峰分布.隨著延遲點(diǎn)火定時(shí)，GDI汽油機(jī)微粒物排放量隨之降低[3]25-28.

因?yàn)橥七t點(diǎn)火定時(shí)，缸內(nèi)燃油與新鮮空氣的混合時(shí)間逐漸增加，缸內(nèi)工質(zhì)的混合霧化狀態(tài)逐步改善，缸內(nèi)燃燒更為充分，減輕了局部過濃區(qū)域燃油的熱裂解和脫氫傾向，有利于抑制初級(jí)碳煙粒子的生成，減少積聚態(tài)顆粒物的生成；同時(shí)，推遲點(diǎn)火定時(shí)使膨脹行程缸內(nèi)燃燒溫度和排氣溫度升高，增強(qiáng)了高溫條件下積聚態(tài)顆粒物的氧化速率，導(dǎo)致積聚態(tài)顆粒物排放降低.

圖1 不同點(diǎn)火提前角下微粒粒徑數(shù)量濃度分布

2.2 噴油開始時(shí)刻

控制噴油時(shí)刻對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響尤為重要，正確的噴油策略控制形成合理的混合氣分布，有效控制燃油碰壁的出現(xiàn)，降低機(jī)油被稀釋的可能，進(jìn)而減少碳煙等顆粒物排放的形成，改善燃油經(jīng)濟(jì)性和燃燒穩(wěn)定性.

由圖2可見，隨著噴油提前角的推遲，燃油碰壁量呈下降趨勢(shì).噴油開始時(shí)刻為400°曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)為最佳點(diǎn)，燃燒速率最快且油耗最低；噴油時(shí)刻繼續(xù)推遲，雖然燃油碰壁量進(jìn)一步降低，但要注意混合氣均勻性會(huì)變差，燃燒不充分會(huì)導(dǎo)致油耗增大且燃燒穩(wěn)定性惡化[4]565-570.

圖2 燃油蒸發(fā)比例與累計(jì)燃油碰壁量

2.3 火花塞

通過加長(zhǎng)火花塞裙部、改變火花塞的點(diǎn)火高度及觀察對(duì)缸內(nèi)汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)油氣混合的影響，發(fā)現(xiàn)由于火花塞在缸內(nèi)所占容積很小，火花塞的局部改變，對(duì)缸內(nèi)平均湍動(dòng)能基本無影響.總體上來說，對(duì)點(diǎn)火性能、排放性能影響不大.

2.4 不同辛烷值的汽油

高辛烷值汽油可以增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性，改善燃油經(jīng)濟(jì)性.但在大負(fù)荷時(shí)，由于使用95 號(hào)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火提前角推遲，使缸內(nèi)最高燃燒溫度降低，生成NOx量減少，隨著轉(zhuǎn)速的升高，生成NOx降幅量越大；燃燒相位后移，使排氣行程中已燃?xì)怏w的溫度增加，提高了CH、CO后期的氧化速率，THC、CO排放降低.在中低負(fù)荷，辛烷值的變化對(duì)CO排放影響不大.因此，燃用低辛烷值汽油可以降低THC、CO和NOx的排放量，但影響程度會(huì)隨負(fù)荷和轉(zhuǎn)速不同而變化.

2.5 活塞形狀

對(duì)于直噴汽油機(jī)，有燃燒室凹坑的活塞燃燒效果要明顯優(yōu)于平頂活塞.以四氣門發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，活塞頂部具備4氣門對(duì)應(yīng)的凹坑為基本結(jié)構(gòu)，形成以下4種活塞頂：大凹坑(如圖3中a)，在活塞頂部添加滾流引導(dǎo)槽(如圖3中b)，取消導(dǎo)流槽(如圖3中c)或活塞頂面平齊，取消燃燒室凹坑的高背(如圖3中d).通過模擬直噴汽油機(jī)的進(jìn)氣、噴油和燃燒等工作過程，有研究發(fā)現(xiàn)：圖3中d的設(shè)計(jì)有利于加強(qiáng)缸內(nèi)湍流，促進(jìn)燃油的蒸發(fā)，減少活塞的燃油碰壁量，有利于降低碳煙的排放，但缸內(nèi)溫度和壓力峰值更高，增加了 NOx的生成[5]345-352.

圖3 4種活塞的結(jié)構(gòu)圖

2.6 良好的運(yùn)行工況和保養(yǎng)

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況會(huì)影響微粒排放情況.冷機(jī)怠速工況微粒排放較高，隨著暖機(jī)進(jìn)行，微粒排放減少.這是由于冷車起動(dòng)時(shí)，汽缸的混合氣濃度高，混合氣氧含量低，排氣微粒質(zhì)量迅速增加，顆粒物的毒性最大.因此，對(duì)于缸內(nèi)直噴汽油機(jī)，起動(dòng)前同樣需要預(yù)熱，特別是冬季及嚴(yán)寒地區(qū).

另外缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)具有高壓縮比，可達(dá)到 25∶1，缸內(nèi)具有高溫、高壓的特點(diǎn)，因此為保證發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部良好的潤(rùn)滑和冷卻，降低微粒排放，一般情況下需要加合成機(jī)油，個(gè)別車型發(fā)動(dòng)機(jī)要求加注全合成機(jī)油.

3 結(jié)語

缸內(nèi)直噴汽油機(jī)以高動(dòng)力、低油耗、高功率質(zhì)量比在世界范圍內(nèi)得到認(rèn)可，但同時(shí)要重視缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的微粒排放.通過以上的分析發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)?shù)难舆t點(diǎn)火定時(shí)，推遲噴油提前角，選擇“平頂+凹坑”的活塞設(shè)計(jì)、快速暖機(jī)、合理控制空燃比等措施，可以優(yōu)化GDI汽油機(jī)燃燒過程，能有效控制GDI微粒排放.

[1] 李新令，黃 震. 柴油機(jī)排氣尾流中核模態(tài)顆粒數(shù)濃度和粒徑分布變化特性[J]. 科學(xué)通報(bào)，2012(01).

[2] 裴毅強(qiáng)，張建業(yè)，李 翔，等.增壓直噴汽油機(jī)起動(dòng)怠速及混合氣濃度對(duì)微粒排放的影響[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)與工程技術(shù)版),2014(02).

[3] 魏傳芳，董 偉，于秀敏，等.點(diǎn)火提前角對(duì)直噴汽油機(jī)微粒排放特性的影響[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī),2014(04).

[4] 韓文艷，許思傳，周岳康，等.噴油開始時(shí)刻對(duì)缸內(nèi)直噴汽油機(jī)性能的影響[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013,41(4).

[5] 鄭朝蕾,劉春濤,胡鐵剛,等.活塞形狀對(duì)直噴汽油機(jī)工作影響的數(shù)值模擬[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2014(04).

[責(zé)任編輯 迎客松]

The Study on the Influence Factor of Particle Emission for Gasoline Direct Injection Engine

JING Ying

(DepartmentofElectricalEngineering,XuzhouIndustrialandVocationalTechnologyInstitute,Xuzhou221140,China)

In view of the mechanism and hazard of Particle Emission for Gasoline Direct Injection Engine，the thesis analyzed influence factors of the characteristics of particulateemissions. The results show that particulate emission can be effectively put under control with the correct of ignition timing，start of injection, cycles and so on. The result of the analysis has some important significance in developingElectronic Fuel Injection System.

gasoline engines; Gasoline Direct Injection (GDI); particulate emission; influence factor

2015-07-11

荊 瑩(1982- )，女，山東東營(yíng)人，徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院講師，主要從事汽車檢測(cè)與維修研究。

1671-8127(2015)05-0056-03

TK419

A