点火提前角对直喷汽油机微粒排放特性的影响

魏传芳，董 伟，于秀敏，孙万臣，孙 平，何 玲

（吉林大学汽车工程学院汽车仿真与控制国家重点实验室，吉林 长春 130025）

近几年来，中国大部分地区多次出现大范围的雾霾天气，其中京津冀最为严重。根据北京市环保局的估算，燃煤和机动车污染是北京雾霾天气的罪魁祸首，其中机动车因素占22.2%，燃煤因素占16.7%［1］。因此有必要采取措施降低机动车微粒排放。

GDI燃烧模式与传统进气道喷射燃烧不同，研究结果表明：GDI燃烧模式下，微粒数量介于传统进气道喷射汽油机与柴油机之间［2］，并且粒径在30nm～1μm 之间［3］，对人体的危害极大［4－5］，因此对GDI发动机的微粒排放进行研究尤为迫切。欧Ⅴ排放法规已经将直喷汽油机微粒排放纳入法规测试要求。直喷汽油机分均质和分层两种燃烧模式，考虑到排放后处理技术，目前国内大部分直喷汽油机都采用均质燃烧模式。因此，本研究在直喷汽油机均质燃烧模式下，详细研究了点火提前角对缸内燃烧和微粒粒径分布的影响规律，为进一步研究和降低直喷汽油机微粒排放奠定了基础。

1 试验设备与方法

1.1 试验设备

本研究采用排量1.8L的增压直喷汽油机，发动机具体技术参数见表1。

试验使用了自主开发的ECU［6］，选用的是Freescale MC9S12XDP512单片机，控制程序利用CodeWarrior IDE软件编写，能够实现对点火正时、喷油正时、喷油脉宽以及节气门开度的精确实时控制。

利用测功机控制柜及数据采集模块同时记录发动机的转速、扭矩、功率、进排气压力、进排气温度、进气流量、冷却水温、机油压力和机油温度等实时数据。利用DF－2420油耗仪记录燃油消耗量。利用AVL GU13Z－24缸压传感器、KISTLER 2614B1角标仪、DS－9100燃烧分析仪以及上位计算机，对缸内燃烧状态进行测量分析。排放测量采用HORIBA MEXA－7100DEGR尾气分析仪。

表1 试验发动机主要技术参数

试验所用粒径测量仪器是EEPSTM（3090）发动机排气粒径谱仪，粒径测量范围为5.6～560nm，采样频率为10Hz，浓度测量范围在103～107之间［7］。试验中为了避免排气中高温高浓度尾气进入EEPSTM粒谱仪导致超出量程范围并损坏仪器，在微粒测量过程中需要事先利用排气稀释系统将尾气进行稀释并冷却，将稀释后的气体通入EEPSTM粒谱仪。试验使用二级稀释系统［8］，能够精确控制1～400倍的稀释比。利用HORIBA尾气分析仪对稀释后CO2和没经稀释的排气管中CO2进行测量，计算出稀释比的大小［9］。图1示出发动机试验台架 及测控系统示意图。

1.2 试验方法

根据我国排放法规［10］要求的测试循环以及车辆各挡速比和行驶阻力（空气阻力、摩擦阻力）等，可以计算并统计发动机各工况的工作时间。结果表明，在1180s的1个循环内，汽车的车速在0～120km／h之间，除怠速外，发动机转速在1964～2805r／min的范围内，其中发动机转速在1964～2194r／min范围内时间最长，持续了253s，因此确定发动机转速2000r／min作为试验工况。在此工况下的喷油时刻为压缩上止点前320°，节气门开度为15%，空燃比为14.7，稀释比为200，点火时刻依次为压缩上止点前1°，6°，11°，17°和23°，测量和分析不同点火提前角对直喷汽油机燃烧及微粒排放特性的影响。

2 试验结果与分析

2.1 缸内燃烧分析

图2至图4分别示出不同点火正时对缸内压力、放热率和缸内温度的影响规律。由图可见，随着点火正时的推迟，缸内最高压力与放热率的峰值都降低，并且随点火正时的提前，缸内最高压力和峰值放热率对应的相位提前。这说明，随着点火正时的推迟，缸内温度下降且最高温度峰值相位后移，但燃烧后期的温度却逐渐增加。分析原因：1）随着点火定时的推迟，缸内混合气在膨胀冲程中燃烧的比例增加，由于大部分混合气在膨胀冲程中燃烧，活塞的下行增加了火焰的传播距离，不利于火焰的快速传播，从而导致缸内放热速度变慢；压缩上止点后燃烧气体所做膨胀功逐渐减小［11］，所以缸内峰值压力也逐渐降低；2）由于点火推迟，燃烧放热就会推迟，所以最后的排气温度随点火的推迟而升高。

2.2 微粒排放粒径分布规律分析

图5示出直喷汽油机不同点火提前角下不同粒径微粒数量浓度分布。试验结果表明，在点火提前角从压缩上止点前1°变为压缩上止点前23°的过程中，排气微粒数量浓度分布曲线形状特征没有明显变化，都是呈现核模态和初始微粒的双峰分布，同时各点火提前角下核模态峰值粒径基本相同，初始颗粒峰值粒径基本相同，只是微粒数量浓度不同。在点火提前角从压缩上止点前1°变为压缩上止点前11°的过程中，总微粒数量浓度逐渐增加；在点火提前角从压缩上止点前11°变为压缩上止点前23°的过程中，总微粒数量浓度逐渐减少。

图6示出不同点火正时下总核模态、总积聚态和总微粒对数数量浓度（dN／dlogDp）统计。由图6可知，随点火提前角的增大，总核模态数量和总微粒数量呈现先增加后减少的趋势，而总积聚模态微粒数量呈现先减少后增加的趋势，但变化不明显。分析原因：1）当点火提前角由压缩上止点前1°变为11°时，此时对微粒的产生起主要影响作用的是缸内温度，当点火提前时，由图4可知缸内的燃烧温度增加，在较高的燃烧温度下，微粒增加，从而会产生较多的核模态微粒。2）在压缩上止点前1°到11°的区间内，点火提前角增加时，排气温度降低，不利于微粒的后期氧化，因此，在该种情况下，点火提前角增加时，微粒前期生成多而后期氧化少，导致随点火提前微粒数呈现增加的趋势。3）在上止点前11°到上止点前23°的范围内，微粒数量随着点火提前而减少，原因是此时缸内混合气的燃烧主要集中在压缩上止点前，对缸内的后燃现象起到明显的改善作用，从而导致微粒浓度降低。4）微粒的总数量浓度主要由核态决定，其数量浓度占微粒数总浓度的90%以上，因此，微粒的总数量浓度与总核模态的变化趋势是一致的，都是先增加后减少。5）总积聚态微粒数量变化不明显，首先从微粒的生成机理来看，核态微粒主要由挥发有机物（Volatile Organic Compounds）、半 挥 发 性 有 机 物 （Semi－volatile Organic Compounds）、含硫化合物、固体单质碳及金属盐类组成，这种形态的微粒数量浓度随温度、稀释比和驻留时间的不同会有很大的变化。而积聚态微粒主要由燃烧过程中形成的无定形碳及吸附在它表面的碳氢化合物和少量无机化合物构成，以团聚物的形式存在，这部分微粒数量浓度一般比较稳定，在试验中表现的可重复性很好［12］。由此可知积聚态微粒的生成不仅要看核模态微粒的数量，也要看在不同点火时刻生成的HC的量。由图7可看出，随着点火提前，HC体积分数呈现先减小后增加的趋势，所以积聚态粒子的数量浓度不会简单地跟核模态粒子的数量浓度呈现先增加后减少的现象。例如在压缩上止点前11°，此时缸内生成的核模态粒子最多，由于此时缸内生成的HC量是最少的，大量的核模态粒子无法吸附足够的HC生成积聚态粒子，因此，此时聚集态粒子的生成量是最少的。但是HC生成量变化小，因此积聚态微粒的变化趋势也不明显。

综上所述，在保证GDI汽油机动力输出的同时，合理优化点火定时可以降低GDI汽油机微粒物排放。

3 结论

a）点火提前角对GDI汽油机缸内的燃烧有很大影响，随点火正时的推迟，缸内的最高温度、最高放热率和最高压力都有所下降，但是排气温度升高；

b）GDI汽油机排气微粒物在核态区域呈现双峰分布，随点火正时的提前，总积聚模态微粒数量浓度先减少后增加但变化不明显，总微粒数量和总核模态数量呈现先增加后减少的趋势。

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