缸内直喷汽油机颗粒物粒径分布特性

潘锁柱，宋崇林，裴毅强，原 达，吴威龙

(1. 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072；2. 重庆大学动力工程学院，重庆 400030)

缸内直喷汽油机颗粒物粒径分布特性

潘锁柱1，宋崇林1，裴毅强1，原 达1，吴威龙2

(1. 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072；2. 重庆大学动力工程学院，重庆 400030)

采用DMS500快速颗粒取样分析仪对一台缸内直喷国Ⅳ汽油机进行了颗粒物粒径分布特性的试验研究．结果表明：缸内直喷汽油机排气颗粒物呈包括核态和积聚态颗粒物的双峰分布，仅怠速工况呈核态单峰分布．随转速升高，总颗粒物数浓度在部分负荷下逐渐降低，外特性先降低后升高；随负荷增加，总颗粒物数浓度在中、低负荷下逐渐降低，满负荷时急剧增加．随转速升高，核态颗粒物在部分负荷速度特性下数密度峰值逐渐降低，外特性下先降低后增加；积聚态颗粒物数密度峰值逐渐降低．随负荷增加，核态颗粒物数密度峰值在中、低负荷时逐渐降低，满负荷时增加；积聚态颗粒物数密度峰值在中、低负荷时先升高后降低，满负荷时最高．

缸内直喷汽油机；颗粒物；粒径分布；数浓度

缸内直喷(gasoline direct injection，GDI)技术由于采用燃油直接喷入气缸的方式进行混合气制备，燃油蒸发雾化将吸收部分热量降低缸内温度，可以提高充量系数，减小爆震倾向，提高压缩比，与传统气道喷射(port fuel injection，PFI)汽油机相比可减少发动机燃油消耗约15%～20%，降低CO2排放[1-2]．GDI汽油机还能够准确计量燃油喷射量，从而可以减少冷启动、加速等瞬态工况未燃HC排放[3]．然而由于GDI汽油机直接将液体燃油喷入气缸内，导致缸内工质混合时间缩短、局部过浓和燃油湿壁等现象增强，造成尾气颗粒物排放在质量浓度和数浓度上均有所增加．据报道，GDI汽油机排气颗粒物质量排放量约为10,mg/km，数量排放量约为1013个/km[4-6]，远高于气道喷射汽油机颗粒物排放浓度(质量浓度小于1,mg/km，数浓度约为1012个/km)[7-9]．所以，GDI汽油机尾气颗粒物排放已引起了国内外学者的广泛关注．

国外学者对GDI汽油机尾气颗粒物排放的研究较多．Maricq等[10]研究发现在FTP测试循环下GDI汽油机颗粒物质量排放介于PFI汽油机和柴油机之间，且强烈依赖于发动机运转模式，当发动机从均质模式向分层模式转换时，尾气颗粒物数量排放增加10～40倍．Graskow等[11]对GDI汽油机颗粒物粒径分布进行了试验研究，结果显示其平均数浓度为108,cm-3，几何平均直径介于68～88,nm之间．Price等[12]研究表明，GDI汽油机颗粒物质量排放和数量排放与发动机运转参数空燃比、喷油定时和点火定时等密切相关．Ntziachristos等[13]研究表明，GDI汽油机在高功率测试循环下颗粒物质量和数量排放接近于柴油机排放水平，且油品指标对颗粒物排放的影响没有一致性规律．此外，Zervas等[14]还发现在EDC测试循环下颗粒物数量排放表现了较好的重复性．另一方面，目前国内对车用发动机尾气颗粒物排放的研究工作主要集中在柴油机上，有关GDI汽油机排气颗粒物的研究仍然较少．因此，为能够采取有效措施控制GDI汽油机尾气颗粒物对环境的不利影响，有必要针对GDI汽油机尾气颗粒物的数浓度排放规律和粒径分布特性进行深入研究．

笔者采用英国Cambustion公司的DMS500快速颗粒取样分析仪，在一台排放水平达国Ⅳ的2.0,L增压GDI汽油机上，对不同运行工况下的颗粒物数量排放和粒径分布进行了试验研究．

1 试 验

1.1 试验发动机

本文所用发动机为一台4缸水冷2.0,L增压缸内直喷(GDI)汽油机，装有三元催化转换器(three way catalyst，TWC)，满足国Ⅳ排放标准，其结构参数如表1所示．该类型汽油机广泛应用于城市商用轿车．试验用燃料为市售97号无铅汽油．

1.2 试验设备与仪器

采用湘仪动力测试仪器有限公司生产的CAC380型交流电力测功机及测控系统进行试验工况控制．颗粒物分析仪器为英国Cambustion公司生产的DMS500快速颗粒取样分析仪．DMS500快速颗粒取样分析仪共分22级，粒径测量范围为5～1,000,nm，测量响应时间可达100,ms，带有2级稀释系统，试验设定稀释比分别为4∶1和150∶1，稀释气体为高纯空气．采用德国ETAS公司生产的LA4型λ测量仪测量空燃比．

表1 GDI汽油机结构参数Tab.1 Specification of the tested GDI gasoline engine

1.3 试验工况

为了全面反映GDI汽油机运行过程中颗粒物数量排放和粒径分布特性，本文选取怠速、外特性、部分负荷速度特性和负荷特性进行试验，试验工况如表2所示．试验过程中，每组数据均在发动机工况稳定后平行测量3次，测量点均布置在三元催化转化器前端．试验过程中控制冷却水温在(85±1)℃，机油温度在(90±1)℃，以消除发动机冷却水温和机油温度对颗粒物测量结果的影响．

表2 试验工况Tab.2 Engine operating condition

2 试验结果与讨论

2.1 怠速工况颗粒物粒径分布

图1为试验GDI汽油机怠速(750,r/min)工况下三元催化转化器前颗粒物粒径分布．如图1所示，怠速工况下，GDI汽油机排气颗粒物表现为核态颗粒物的单峰分布，粒子直径分布在20,nm以下，几何平均直径为8.90,nm，且数密度峰值浓度较高，达1.12×109,cm-3．试验GDI汽油机由于采用均质混合气燃烧方式，且怠速工况下实测过量空气系数λ值为1.4，缸内混合气较稀，所以怠速时排气颗粒物中仅存在核态颗粒物，而无积聚态颗粒物．怠速工况运行时转速较低，缸内气体流动较弱，残余废气量较大，导致燃油雾化质量恶化，燃烧不够完全；并且此时缸内燃烧温度较低，不利于颗粒物的氧化；同时低负荷时未完全燃烧的润滑油也将产生较多的核态颗粒物[15]；3者共同作用导致试验GDI汽油机怠速工况下核态颗粒物排放较高．

图1 怠速工况下三元催化转化器前颗粒物粒径分布Fig.1 Particle size distribution measured from upstream of TWC in idle condition

2.2 转速对颗粒物粒径分布的影响

图2为外特性和部分负荷速度特性(平均有效压力pm=0.3,MPa)催化器前总颗粒物数浓度．由图2可见，外特性和部分负荷速度特性下总颗粒物数浓度分别在(8.61×107～4.33×108)cm-3和(1.75×107～2.01×108)cm-3之间，显然外特性下总颗粒物的平均数浓度高于速度特性的平均数浓度；并且，速度特性下总颗粒物数浓度随转速的升高呈逐渐降低的趋势，而外特性下随转速的升高呈先降低后升高的趋势．发动机转速升高，一方面增强缸内气体流动，另一方面缩短每循环工作时间．GDI汽油机在部分负荷速度特性时采用计量比均质混合气组织燃烧，在这种燃烧条件下随转速升高缸内气体流动增强起主导作用，有利于缸内工质混合更加均匀，燃烧更加充分，所以部分负荷速度特性时颗粒物数浓度随转速的升高呈逐渐降低的趋势．然而，GDI汽油机在外特性时采用加浓混合气组织燃烧，在浓混合气条件下，中、低转速时随转速升高缸内气流运动增强依然起主导作用，改善燃烧状态，颗粒物数量随转速升高而降低；高转速时，虽然转速升高仍然有利于改善缸内工质的混合，但在浓混合气条件下转速升高使每循环工作时间变短，缸内工质混合时间减少起主导作用，导致缸内工质混合不均，燃烧恶化，总颗粒物数浓度随转速升高而增加．

图2 外特性和速度特性(pm=0.3,MPa)下三元催化转化器前总颗粒物数浓度Fig.2 Total particle number concentration measured from upstream of TWC under WOT condition and speed characteristics(pm=0.3,MPa)

图3 和图4为GDI汽油机在部分负荷速度特性(pm=0.3,MPa)和外特性下三元催化转化器前的颗粒物粒径分布．由图可见，部分负荷速度特性下核态颗粒物数密度峰值随转速的升高而降低，峰值粒径逐渐减小；外特性下核态颗粒物数密度峰值随转速升高先缓慢降低后急剧增加，峰值粒径也呈先减小后增加的趋势．以往研究结果认为核态颗粒物是发动机燃烧过程中生成的初级碳颗粒、硫酸盐以及HC化合物等经过成核现象而形成的[16]．试验GDI汽油机在部分负荷时采用计量比均质混合气，全负荷时为了提高动力输出采用加浓混合气．部分负荷速度特性时随转速升高发动机散热损失减少，缸内湍流强度增加，两者均使缸内混合气更加均匀，燃烧更加充分，缸内燃烧温度逐渐升高．这不但使燃烧过程中初级碳颗粒和HC化合物等物质的生成量随转速升高而逐渐降低，而且随转速升高也增强了初级碳颗粒和HC化合物等物质在高温下的氧化几率，从而导致核态颗粒物的生成量随转速升高而降低．此外，转速升高每循环工作时间变短，初级碳颗粒和HC化合物等物质的成核几率降低，也减弱了HC在这些成核物上的吸附作用，不但抑制了核态颗粒物的生成，而且也使峰值粒径减小．上述2种原因的共同作用导致了部分负荷速度特性工况下核态颗粒物随转速升高而降低的变化规律．在外特性中、低转速时，虽然仍在浓混合气条件下，但随转速升高缸内湍流强度增加仍然起主导作用，使缸内工质混合更加均匀，燃烧更加充分，改善缸内工质燃烧质量，提高缸内燃烧温度，不但减少核态颗粒物的生成量，而且增强核态颗粒物的氧化倾向，并使峰值粒径减小．然而在高转速时，虽然随转速升高缸内气流运动增强仍有利于缸内工质混合，然而缸内工质的混合时间缩短倾向加剧，加之此时混合气较浓，将使缸内工质出现局部混合不均，燃烧品质恶化，初级碳粒和HC等物质的生成量增加，导致核态颗粒物生成量增加，并且HC等物质增加将增大成核物对其的吸附作用，使核态颗粒物峰值粒径略有增加．所以在外特性工况下核态颗粒物数密度峰值和峰值粒径均呈随转速升高先降低后增加的趋势．

图3 速度特性下(pm=0.3,MPa)下三元催化转化器前颗粒物粒径分布Fig.3 Particle size distribution measured from upstream of TWC under speed characteristics(pm=0.3,MPa)

图4 外特性下三元催化转化器前颗粒物粒径分布Fig.4 Particle size distribution measured from upstream of TWC under WOT condition

通常认为积聚态颗粒物是发动机燃烧过程中燃料不完全燃烧而生成的初级碳颗粒通过团聚并吸附HC、金属灰烬和硫酸盐等物质而成[16-17]．由图3和图4可知，在部分负荷速度特性(pm=0.3,MPa)和外特性下，随转速的升高积聚态颗粒物数密度峰值逐渐降低，峰值粒径逐渐减小．GDI汽油机采用液体燃油直接喷入气缸的方式进行混合气制备，将会引起缸内工质出现局部混合不均和燃油湿壁等现象造成燃烧不完全，使缸内燃油在高温条件下发生热裂解和脱氢反应生成初级碳烟粒子，这些粒子通过团聚和吸附HC等物质最终长大为粒子直径较大的积聚态颗粒物．随着发动机转速升高，缸内气流运动增强，缸内工质局部混合不均的倾向减弱，并且，转速越高，缸内温度越高，增强了对积聚态颗粒物的氧化作用，两者的共同作用导致积聚态颗粒物数密度随转速升高而逐渐降低．此外，发动机转速升高，每循环工作时间缩短，燃烧过程中生成的初级碳烟粒子的团聚几率以及对HC等物质的吸附作用均降低，导致积聚态颗粒物峰值粒径减小．

2.3 负荷对颗粒物粒径分布的影响

图5为2,000,r/min、3,500, r/min和5,000,r/min转速下负荷特性时三元催化转化器前总颗粒物数浓度．由图5可见，2,000,r/min、3,500,r/min和5,000 r/min转速时总颗粒物数浓度分别在(2.72×107～1.42×108)cm-3、(1.81×107～6.08×107)cm-3和(1.67×107～1.87×108)cm-3之间．在相同转速下，随着负荷的增加总颗粒物数浓度均呈现在中低负荷逐渐降低，满负荷又急剧增加的趋势．此外，在中、低负荷时，相同负荷下总颗粒物数浓度均随转速的升高而降低．

图5负荷特性下三元催化转化器前总颗粒物数浓度Fig.5Total particle number concentrations measured from upstream of TWC with varying engine load

图6 为试验GDI汽油机在2,000,r/min、3,500,r/ min和5,000,r/min转速下负荷特性时三元催化转化器前颗粒物粒径分布情况．由图6可见，试验工况下，GDI汽油机排气颗粒物呈包括核态和积聚态颗粒物的双峰分布；核态颗粒物峰值数密度较高，峰值粒径除2,000,r/min全负荷工况外均小于10,nm，积聚态颗粒物峰值数密度较低，峰值粒径除全负荷外均在70～100,nm之间．

如图6所示，3种转速下，GDI汽油机尾气中核态颗粒物数密度均表现为中、低负荷时随发动机负荷的增加而降低，高负荷时又有所增加的趋势，且转速越高增加越显著．这主要是由于GDI汽油机在中、低负荷时采用计量比均质混合气组织燃烧，随负荷增加缸内工质的量逐渐增多，缸内燃烧温度逐渐升高，燃烧向高温方向发展，增大了缸内工质燃烧产生的初级碳粒和HC等物质的氧化几率，使其浓度降低，减弱了初级碳粒和HC等物质成核形成核态颗粒物的倾向．同时，Vaaraslahti等[15]研究发现润滑油对发动机低负荷时核态颗粒物影响较大，由润滑油产生的核态颗粒物随负荷增加而减少．因此，核态颗粒物数密度在中、低负荷时随负荷的增加而降低．高负荷时，GDI汽油机为了保证动力输出采用浓混合的方式组织燃烧，导致缸内工质燃烧品质恶化，初级碳粒和HC等物质的生成量增多，成核倾向增强，使GDI汽油机在高负荷时核态颗粒物增加．并且转速越高混合气加浓程度越强，导致转速越高核态颗粒物数密度增加越显著．

由图6还可看出，3种转速下，积聚态颗粒物数密度在中、低负荷时随负荷的增加先升高后降低，满负荷时数密度最高．中、低负荷时，虽然随负荷增加缸内燃烧温度升高有利于积聚态颗粒物的氧化使其密度降低，但随负荷的增加燃油喷射量逐渐增多，缸内工质混合不均和燃油湿壁等现象增强起主导作用，使燃烧品质逐渐恶化，缸内燃油在高温条件下发生热裂解和脱氢反应生成初级碳烟粒子并通过团聚和吸附HC等物质生成积聚态颗粒物的倾向增强，导致50%以下负荷时积聚态颗粒物随负荷增加而增加；而75%负荷时积聚态颗粒物数密度降低可能是由于此时缸内温度升高增强了对积聚态颗粒物的氧化作用所致，确切原因需进一步试验验证．满负荷时，由于采用加浓混合气，缸内混合气不均和燃油湿壁等现象加剧，燃油不完全燃烧倾向增强，导致积聚态颗粒物数量进一步增加．

图6 负荷特性下三元催化转化器前颗粒物粒径分布Fig.6 Particle size distribution measured from upstream of TWC with varying engine load

3 结 论

(1) GDI汽油机怠速工况运行时排气颗粒物粒径分布呈核态颗粒物的单峰分布，粒子直径小于20,nm，几何平均直径为8.90,nm，数密度峰值较高，达1.12×109cm-3．

(2) GDI汽油机排气颗粒物呈包括核态颗粒物和积聚态颗粒物的双峰分布；核态颗粒物所占比重较大，峰值粒径多数小于10,nm，积聚态颗粒物所占比重较小，峰值粒径除全负荷外均在70～100,nm之间．

(3) 总颗粒物数浓度在部分负荷速度特性下随转速的升高逐渐降低，满负荷外特性下随转速的升高先降低后升高．在相同转速下，总颗粒物数浓度在中、低负荷下随着负荷的增加逐渐降低，满负荷下急剧增加．

(4) 随着转速的升高，核态颗粒物在部分负荷速度特性下数密度峰值逐渐降低，峰值粒径逐渐减小，满负荷外特性下数密度峰值先缓慢降低后急剧增加，峰值粒径先减小后增加；积聚态颗粒物数密度峰值逐渐降低，峰值粒径逐渐减小．随着负荷的增加，核态颗粒物数密度峰值在中、低负荷时逐渐降低，高负荷时有所增加，且转速越高增加越显著；积聚态颗粒物数密度峰值在中、低负荷时先升高后降低，满负荷时数密度峰值最高．

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Particle Size Distribution from Gasoline Direct Injection Engine

Pan Suozhu1，Song Chonglin1，Pei Yiqiang1，Yuan Da1，Wu Weilong2
(1. State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. College of Power Engineering，Chongqing University，Chongqing 400030，China)

A DMS500 fast particulate spectrometer was employed to characterize the particle size distribution from a gasoline direct injection (GDI) engine, which meets the regulations of China Ⅳ standards. The results show that exhaust particulates from GDI engine are bimodal in form with nucleation mode particle and accumulation mode particle, except for a unimodal nucleation mode particle which is shown in idle condition. With the increase in engine speed, the total particle number concentration increases gradually under the speed characteristics in part load condition, but decreases after an initial increase in wide open throttle (WOT) condition. With the increase in engine load, the total particle number concentration decreases gradually in part load condition, but increases abruptly in full load condition. The peak value of number density for nucleation mode particle drops gradually under the speed characteristics in part load condition, but increases after an initial decrease in WOT condition with the increase in engine speed. The peak value of number density for accumulation mode particle shows a decreasing trend with the increase in engine speed. At the constant speed, the peak value of number density shows a gradually decreasing trend for nucleation mode particle and a dropping trend after an initial increase for accumulation mode particle as the load increases, except for an increasing trend for nucleation mode particle and a peak value for accumulation mode particle in full load condition.

gasoline direct injection engine；particulate matter；particle size distribution；number concentration

TK411.5

A

0493-2137(2013)07-0629-06

DOI 10.11784/tdxb20130710

2011-10-24；

2011-12-14.

国家自然科学基金资助项目(50976076).

潘锁柱（1980— ），男，博士研究生，suozhup@163.com.

裴毅强，peiyq@tju.edu.cn.