活塞溫度對汽油機(jī)顆粒物排放的影響

朱小平　陳廣

摘要：為降低直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒物排放，分析顆粒物產(chǎn)生原因，改進(jìn)活塞冷卻噴嘴結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)活塞冷卻噴嘴控制策略，研究冷起動(dòng)階段活塞溫度對發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物排放的影響。結(jié)果表明：根據(jù)機(jī)油溫度控制活塞冷卻噴嘴的開啟，在冷起動(dòng)階段減少活塞與機(jī)油的換熱，使活塞溫度快速提升，縮短暖機(jī)時(shí)間，使混合氣在活塞溫度較高時(shí)燃燒，大幅度降低顆粒物排放。

關(guān)鍵詞：直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)；活塞冷卻噴嘴；冷起動(dòng)；粒子數(shù)量

中圖分類號：TK401；TM31文獻(xiàn)標(biāo)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(jī)顆粒物排放的影響［J］.內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)不斷加嚴(yán)，國六排放標(biāo)準(zhǔn)b階段和實(shí)際行駛污染物排放測試標(biāo)準(zhǔn)已于2023年7月1日在全國范圍實(shí)施[1-2]，國七排放標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)前也在醞釀?dòng)懻撝小?jù)了解下一階段的歐七排放對顆粒污染物限值進(jìn)一步加嚴(yán)，同時(shí)要求顆粒直徑進(jìn)一步減小。進(jìn)一步降低積碳和顆粒物排放、滿足更加苛刻的顆粒排放標(biāo)準(zhǔn)要求，是汽車生產(chǎn)廠面臨的巨大挑戰(zhàn)。

當(dāng)前，降低直噴汽油機(jī)顆粒物排放的主要措施為進(jìn)一步提高燃油噴射壓力和燃燒效率[3]，優(yōu)化標(biāo)定策略，同時(shí)在排氣后處理上增加顆粒捕集器[4]，但是成本增加很高，標(biāo)定驗(yàn)證工作復(fù)雜。優(yōu)化燃燒室周邊水套，縮短暖機(jī)時(shí)間有利于降低顆粒物排放，但這方面工作基本已經(jīng)實(shí)施，進(jìn)一步優(yōu)化的潛力較??；活塞屬于燃燒室的重要組成部分，由于活塞是運(yùn)動(dòng)件，研究和控制相對困難。本文中通過分析汽油機(jī)顆粒物產(chǎn)生的原因和顆粒物產(chǎn)生的主要階段，重點(diǎn)針對冷起動(dòng)階段活塞溫度對汽油機(jī)顆粒物排放的影響進(jìn)行研究，并提出優(yōu)化方案。

1 顆粒物產(chǎn)生原因

直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒排放物主要為缸內(nèi)燃油和機(jī)油不充分燃燒產(chǎn)生的積碳。產(chǎn)生積碳原因主要包括3方面：1）燃燒系統(tǒng)如氣道、燃油噴霧、火花塞點(diǎn)火位置等設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)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(chǎn)生碳煙顆粒；2）油氣分離器的分離效率低、活塞環(huán)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(dǎo)致進(jìn)入燃燒室機(jī)油過多，機(jī)油無法充分燃燒產(chǎn)生積碳；3）燃燒室壁面溫度低，靠近壁面的燃油不容易蒸發(fā)，導(dǎo)致油氣混合不均勻，冷卻循環(huán)帶走燃燒室周邊熱量，導(dǎo)致燃燒室升溫較慢，不充分燃燒時(shí)間長，增加積碳累積[5-7]。

當(dāng)前排放測試采用世界輕型車測試循環(huán)（worldwide harmonized light-duty vehicle test cycle， WLTC）模擬車輛實(shí)際道路行駛工況，包含低速、中速、高速和超高速4個(gè)階段和加速、減速、怠速等工況。為驗(yàn)證測量結(jié)果一致性，對2輛配置相同的城市越野車進(jìn)行車輛排放轉(zhuǎn)轂臺架測試，車輛主要技術(shù)參數(shù)為：車質(zhì)量為1 620 kg，發(fā)動(dòng)機(jī)排量為1.6 L，變速器為7速雙離合變速器。WLTC循環(huán)轉(zhuǎn)轂臺架測試粒子數(shù)量（particle number， PN）結(jié)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(jī)起動(dòng)工況和加速瞬態(tài)工況時(shí)排放的顆粒物較多，冷起動(dòng)工況排放的PN約為穩(wěn)態(tài)工況的8～10倍；其余工況產(chǎn)生的PN較少。

冷起動(dòng)過程中顆粒物產(chǎn)生的主要原因是燃燒室壁面溫度較低、暖機(jī)時(shí)間較長、油氣混合氣燃燒不充分?？焖偬岣呷紵冶诿鏈囟?，縮短暖機(jī)時(shí)間，可以減少燃燒時(shí)積碳的產(chǎn)生，因此降低冷起動(dòng)工況顆粒物排放的措施主要包括：1）適當(dāng)提高熱負(fù)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(dòng)階段燃燒效率不高，增加熱負(fù)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(yōu)化方向。

發(fā)動(dòng)機(jī)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(yōu)化水套設(shè)計(jì)、控制水套冷卻液的流速實(shí)現(xiàn)；活塞頂部面積約占整個(gè)燃燒室面積的一半，而且活塞為運(yùn)動(dòng)零件，溫度控制相對不容易實(shí)現(xiàn)，因此如何快速提高冷起動(dòng)階段活塞溫度對降低顆粒物排放至關(guān)重要。

2 優(yōu)化方案

活塞頭部熱量來自燃燒室內(nèi)混合氣體的燃燒放熱，通過活塞冷卻噴嘴噴射的機(jī)油及活塞環(huán)、活塞與氣缸壁接觸將熱量導(dǎo)出，達(dá)到熱平衡[8-9]。由于活塞、活塞環(huán)與缸壁的接觸導(dǎo)熱面積有限，因此主要通過冷卻噴嘴噴射機(jī)油對活塞進(jìn)行散熱。假定燃燒放熱、活塞冷卻噴嘴流量、環(huán)和活塞與缸壁的導(dǎo)熱不變，活塞溫度與冷卻噴嘴噴射的機(jī)油溫度強(qiáng)相關(guān)：機(jī)油溫度越低，活塞與機(jī)油的溫差越大，機(jī)油帶走的活塞熱量越多，活塞溫度越低；反之，機(jī)油溫度越高，活塞與機(jī)油的溫差越小，機(jī)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(jié)構(gòu)，內(nèi)部有柱塞和彈簧，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。正常情況下彈簧預(yù)緊力頂住柱塞封閉油孔，噴嘴處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)機(jī)油壓力大于彈簧預(yù)緊力時(shí)，柱塞開啟；當(dāng)機(jī)油壓力小于彈簧預(yù)緊力時(shí)，柱塞關(guān)閉。發(fā)動(dòng)機(jī)在冷機(jī)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，燃燒室及相關(guān)零部件溫度低，由于機(jī)油溫度低、黏度高、壓力大，冷卻噴嘴開啟時(shí)，活塞溫度進(jìn)一步降低，燃油霧化和燃燒惡化，導(dǎo)致燃燒不充分，產(chǎn)生的積碳和顆粒物增加。

因此，冷機(jī)階段當(dāng)活塞溫度較低時(shí)，控制活塞冷卻噴嘴晚開，減少活塞與機(jī)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(jī)時(shí)間，減少冷起動(dòng)時(shí)積碳和顆粒排放物的產(chǎn)生，從而降低PN?；谝陨戏治觯岢鲆韵聝?yōu)化方案。

1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。采用基于機(jī)油溫度控制的活塞冷卻噴嘴代替常規(guī)壓力開關(guān)式活塞冷卻噴嘴，實(shí)現(xiàn)噴嘴開啟時(shí)刻可控。

2）控制策略。低轉(zhuǎn)速、低平均有效壓力時(shí)，活塞冷卻噴嘴在機(jī)油溫度較高時(shí)開啟；隨著轉(zhuǎn)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(xiàn)爆震的情況下，盡量提高冷機(jī)狀態(tài)的活塞溫度。

3 結(jié)果驗(yàn)證

由于活塞屬于運(yùn)動(dòng)件，冷機(jī)狀態(tài)運(yùn)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(jī)油溫度下開啟和關(guān)閉，間接控制活塞溫度。

以某2.0 L增壓中冷直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對象，發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)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(wěn)態(tài)工況，相同邊界條件、不同轉(zhuǎn)速負(fù)荷、機(jī)油攝氏溫度t分別為30、40、50、60 ℃時(shí)，測量活塞冷卻噴嘴關(guān)閉和開啟狀態(tài)下的PN。

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n=1 000 r/min、平均有效壓力pBME =0.2 MPa時(shí)，活塞冷卻噴嘴開啟與關(guān)閉時(shí)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(shí)，關(guān)閉狀態(tài)下，t=30 ℃時(shí)PN約降低32.4%，t=40 ℃ 時(shí)PN約降低17.8%，t=50 ℃ 時(shí)PN約降低1.8%，t=60 ℃時(shí)PN約降低7.7%。

n=1 000 r/min、pBME=0.3 MPa時(shí)，活塞冷卻噴嘴開啟與關(guān)閉時(shí)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(shí)，關(guān)閉狀態(tài)下，t=30 ℃時(shí)PN約降低45.4%，t=40 ℃時(shí)PN約降低42.2%，t=50 ℃時(shí)PN約降低27.8%，t=60 ℃時(shí)PN約降低6.9%。

n=1 250 r/min、pBME=0.2 MPa時(shí)，活塞冷卻噴嘴開啟與關(guān)閉時(shí)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(guān)閉狀態(tài)下，t=30 ℃時(shí)PN約降低38.8%，t=40 ℃時(shí)PN約降低12.5%、t=50 ℃時(shí)PN約降低22.0%、t=60 ℃時(shí)PN約降低28.2%。

n=1 250 r/min、pBME=0.3 MPa時(shí)，活塞冷卻噴嘴開啟與關(guān)閉時(shí)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(guān)閉狀態(tài)下，t=30 ℃ 時(shí)PN約降低58.4%，t=40 ℃時(shí)PN約降低35.7%、t=50 ℃時(shí)PN約降低25.9%，t=60 ℃時(shí)PN約降低17.4%。

n=1 500 r/min、pBME =0.3 MPa時(shí)，活塞冷卻噴嘴開啟與關(guān)閉時(shí)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(guān)閉狀態(tài)下，t=30 ℃時(shí)PN約降低26.9%，t=40 ℃時(shí)PN約降低10.9%，t=50 ℃時(shí)PN約增加6.2%，t=60 ℃時(shí)PN約增加6.4%。

n=1 500 r/min、pBME=0.4 MPa時(shí)，活塞冷卻噴嘴開啟與關(guān)閉時(shí)排放中的PN如表7所示。由表7可知：不同機(jī)油溫度下關(guān)閉活塞冷卻噴嘴時(shí)的PN比開啟時(shí)大。

通過以上數(shù)據(jù)分析可知：1）轉(zhuǎn)速較小時(shí)，熱負(fù)荷較小，活塞溫度較低，活塞冷卻噴嘴關(guān)閉有利于快速提升活塞頭部溫度，PN降低；轉(zhuǎn)速增大時(shí)，熱負(fù)荷增加，活塞頭部溫度較高，活塞冷卻噴嘴關(guān)閉相對于開啟時(shí)，PN降幅逐步縮??；當(dāng)轉(zhuǎn)速大于一定量時(shí)，由于熱負(fù)荷大活塞溫度很高，關(guān)閉活塞冷卻噴嘴導(dǎo)致活塞頭部溫度過高，產(chǎn)生高爆震傾向，PN增大；2）平均有效壓力相同，機(jī)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(guān)閉活塞冷卻噴嘴PN降幅相比開啟時(shí)大；3）負(fù)荷相同，轉(zhuǎn)速越低，同等時(shí)間內(nèi)做功次數(shù)越少，產(chǎn)生的熱量越少，活塞溫度越低，活塞冷卻噴嘴關(guān)閉PN降幅相比開啟時(shí)更大；4）轉(zhuǎn)速相同，負(fù)荷越小，活塞頭部溫度越低，活塞冷卻噴嘴關(guān)閉PN降幅相對于開啟時(shí)更大。

4 結(jié)束語

發(fā)動(dòng)機(jī)冷機(jī)運(yùn)行階段產(chǎn)生的積碳和顆粒物排放在整個(gè)WLTC循中占比最大。為了滿足更加嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注和優(yōu)化冷起動(dòng)工況的燃油霧化效果，快速提高燃燒室壁面溫度，縮短暖機(jī)時(shí)間，減少由于混合氣不充分燃燒產(chǎn)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(dòng)狀態(tài)下提高活塞溫度可以顯著降低PN。根據(jù)項(xiàng)目開發(fā)研究結(jié)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(guān)式的活塞冷卻噴嘴，實(shí)現(xiàn)活塞溫度可控。

2）優(yōu)化轉(zhuǎn)速和負(fù)荷控制活塞冷卻噴嘴的開啟溫度，可以實(shí)現(xiàn)在不產(chǎn)生爆震情況下活塞快速升溫。

3）適當(dāng)優(yōu)化和減小水套容積，冷起動(dòng)狀態(tài)下降低或者停止水泵運(yùn)轉(zhuǎn)，減少冷卻循環(huán)帶走燃燒室熱量，縮短暖機(jī)時(shí)間。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 環(huán)境保護(hù)部.輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）：GB 18352.6—2016[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2016.

[2] 生態(tài)環(huán)境部，工業(yè)和信息化部，商務(wù)部，等.關(guān)于實(shí)施汽車國六排放標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)事宜的公告[EB/OL].（2023-05-08）[2023-06-12].https：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2023-05/10/content_5754712.htm？eqid=d0b2f82b003544f500000002645de3b4.

[3] 張秋華，黃昭明，陳偉國.燃油噴射壓力對缸內(nèi)直噴汽油車顆粒數(shù)量排放的影響[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2022，43（5）：32-37.

[4] 李配楠，程曉章，駱紅燕，等.基于國六標(biāo)準(zhǔn)的汽油機(jī)顆粒捕集器（GPF）的試驗(yàn)研究[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置， 2017，34（1）：1-5.

[5] 帥石金，董哲林，鄭榮，等.車用汽油機(jī)顆粒物生成機(jī)理及排放特性研究進(jìn)展[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2016，34（2）：105-116.

[6] 薛康，韓志岐，李建鋒，等.簡談汽油發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物排放影響因素[J].汽車零部件，2014（8）：68-69.

[7] 楊昊治，蘇鵬，吳江，等.發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物產(chǎn)生機(jī)理及排放特性的研究現(xiàn)狀[J].當(dāng)代化工，2023，52（6）：1430-1435.

[8] 孟忠偉，鄧盟，范詠玲，等.常溫下發(fā)動(dòng)機(jī)冷熱啟動(dòng)工況排放特性實(shí)驗(yàn)研究[J].西華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2022，41（5）：1-9.

[9] 侯宇旭，葛蘊(yùn)珊，王欣，等.增壓直噴汽油機(jī)細(xì)小顆粒物排放特性研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2021，42（4）：24-29.

[10] 侯亦波. TMPI汽油機(jī)降低顆粒物排放研究[D].天津：天津大學(xué)，2021.

[11] 賴益土.國六輕型汽車超細(xì)顆粒排放特性研究[J].車輛與動(dòng)力技術(shù)，2022（2）：52-55.

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(zé)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?yàn)檐囕v動(dòng)力總成、三電系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)，E-mail： Xping.zhu@163.com。