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(fā)動機具有更好的動力性與燃油經(jīng)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(qū)的同時產(chǎn)生燃油濕壁現(xiàn)象[1].因此，GDI發(fā)動機的顆粒物排放水平將會大大高于氣道噴射(PFI)發(fā)動機[2].根據(jù)中國輕型汽車第6階段排放標準，GDI發(fā)動機的顆粒物排放量不得超過6×1011個/km[3]，這為GDI發(fā)動機的顆粒物排放控制帶來了巨大的挑戰(zhàn).為了降低GDI發(fā)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(fā)動機的顆粒物排放特性進行了許多研究.Qin等[5]發(fā)現(xiàn)GDI發(fā)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(xiàn)象，進而降低顆粒物排放量.Su等[8]發(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)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(fā)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(fā)現(xiàn)：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(fā)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(shù)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(fā)動機已經(jīng)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(fā)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(fā)動機及測試設備

試驗所用發(fā)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(jīng)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(fā)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(xù)記錄100個連續(xù)循環(huán)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(fā)動機控制系統(tǒng)以及CAC265型電力測功機.雙噴發(fā)動機所用控制器為美國Pi Innovo公司生產(chǎn)的快速原型OpenECU，發(fā)動機控制策略由本團隊自主研發(fā)，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(xiàn)對噴油量的閉環(huán)控制.試驗中的顆粒物測量設備采用英國Cambustion公司生產(chǎn)的DMS500快速顆粒分析儀.該儀器配備兩級稀釋系統(tǒng)，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(xù)測量發(fā)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(shù)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(wěn)態(tài)試驗，采用市售92#汽油，水溫保持為(90±2) ℃，過量空氣系數(shù)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(fā)動機穩(wěn)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(shù)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(qū)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(qū)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(fā)動機排放的顆粒物數(shù)量(PN)基本位于107數(shù)量級；而雙噴模式下PN降至106數(shù)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(fā)動機的顆粒物主要來源于缸內混合氣局部過濃區(qū)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(qū)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(xù)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(fā)動機顆粒物的形成與缸內局部過濃區(qū)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(qū)以及燃油碰壁發(fā)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(xiàn)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(huán)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(fā)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(xù)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(fā)動機爆震傾向增加，因此為了避免爆震，發(fā)動機控制單元可能會推遲點火，從而導致燃油經(jīng)濟性下降.綜合考慮燃油經(jīng)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(shù)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(qū)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(xiàn)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(fā)動機排放的顆粒物按照其Dp的大小被劃分為核膜態(tài)(Dp<30 nm)和積聚態(tài)(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(qū)增加造成混合氣的不充分燃燒，產(chǎn)生大量未燃HC；未燃HC凝聚成核形成大量的核膜態(tài)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(tài)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?shù)膰娪蜁r刻提前能夠在不發(fā)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(tài)顆粒物形成所需的碳煙顆粒數(shù)量減少.因而在雙噴模式下，積聚態(tài)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(qū)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(shù)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.