增压直喷汽油机起动怠速及混合气浓度对微粒排放的影响

裴毅强，张建业，秦 静,，李 翔，代玉利，李云龙

增压直喷汽油机起动怠速及混合气浓度对微粒排放的影响

裴毅强1，张建业1，秦 静1,2，李 翔1，代玉利1，李云龙1

(1. 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072；2. 天津大学内燃机研究所，天津 300072)

在一台增压直喷(GDI)汽油机上，使用快速微粒光谱仪(DMS500)对排气中微粒排放分布进行了实验研究．结果表明：在发动机起动后数秒内微粒排放较高，随着暖机进行积聚态微粒排放减少，热机怠速工况排气微粒主要以核模态为主．随着过量空气系数λ 减小缸内峰值压力增加，燃烧持续期缩短，缸内平均温度升高，燃烧后期缸内温度下降幅度增加，混合气氧含量降低，这些均促进了碳烟排放．采用稀混合气时，循环变动升高．低负荷时，积聚态微粒对λ变化较敏感；增加负荷和转速后，积聚态微粒数浓度有所降低，表现为随λ 减小而增加的趋势.采用浓混合气时，排气微粒质量迅速增加．在实验工况，排气微粒的几何平均直径(GMD)和中位直径(CMD)基本在10,nm以内，λ为0.8时微粒的GMD和CMD值较大．

GDI汽油机；缸内压力；放热率；微粒

汽车尾气中的微粒是有害排放物之一．在车用发动机中，柴油机排气中的微粒排放量远超出汽油机，因此国内外学者多注重柴油机排气微粒的研究．汽油机排气微粒的粒径很小，大多为纳米级微粒，属超细微粒．一些研究发现数浓度较高的超细微粒对人体的危害较之粗微粒更加严重[1]．这是因为粒径较大的微粒可以被鼻毛阻挡在呼吸系统之外，但是大量细微微粒经过人体各器官层层过滤，最终还是会沉积于呼吸系统中，且不易排出体外[2]；超细微粒单位质量具有较大表面积，它具有很强的携带能力，其表面可以吸附毒性成分和致癌可溶性有机成分(如多环芳香烃PAHs和气态羰基化合物)，导致癌症发病率升高[3]．因此汽油机排气微粒也应受到重视．近年来，缸内直喷(gasoline direct injection，GDI)发动机以其诸多优点发展迅速．前期研究结果表明，GDI发动机较进气道喷射发动机增加了微粒排放量[4]，欧Ⅵ排放法规对GDI汽油机排气微粒提出了要求．因此进一步了解GDI发动机超细微粒的排放特性更有意义．

发动机排气微粒按照粒径不同可划分为核态、积聚态和粗粒子3个模态[5]．其中排气超细微粒由核态和积聚态两部分构成．核态(nuclei mode)粒子是指粒径在5～30,nm之间的排气微粒[6]．一般认为，核态粒子主要由硫酸盐和HC有机组分构成，其浓度受稀释后的混合气温度、湿度及在通道内的滞留时间等因素影响；积聚态(accumulation mode)粒子的粒径范围为30～1,000,nm．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积聚态微粒，其常以团聚物的形式存在．这部分微粒的粒数浓度一般比较稳定，在实验中，可重复性好，且超细微粒的质量排放主要由积聚态微粒决定[7]．

研究表明，直喷汽油机冷起动和暖机过程会产生大量微粒[8]，过量空气系数λ 是影响微粒排放的重要因素[9]，但其研究仅局限于直喷汽油机排气微粒规律分析，未深入进行燃烧分析．因此笔者采用快速微粒光谱仪(DMS500)在一台壁面引导型增压直喷汽油机进行了实验研究．

1 实验装置和实验方法

实验装置如图1所示，实验所用发动机采用可变气门正时和废气涡轮增压技术．发动机结构性能参数见表1．

微粒分析仪器采用Cambustion公司的DMS500快速型纳米微粒尺寸光谱仪．该仪器的粒径测量范围为5～1,000,nm，对采集到的气溶胶微粒提供38通道尺寸光谱，测试响应时间为200,ms，数据采集频率为10,Hz．该仪器的性能介绍可参阅文献[10]，在此不再赘述．本实验中一级稀释比为4，二级稀释比为100，采样加热管温度设定为100,℃．

实验针对发动机的稳态工况进行采集，为了消除上一个工况的影响，发动机稳定运转2,min后开始测量．每10次采样取一次平均值作为一个采样点，为了保证微粒采集的稳定可靠，每个测试工况连续记录50,s，最后取平均值．

表1 发动机结构性能参数Tab.1 Engine specifications

缸内燃烧压力采用AVL GH13Z型火花塞缸压传感器测量，采样间隔为0.5°CA，每个工况点采集100个循环．

图1 实验系统示意Fig.1 Experiment setup

2 实验结果及分析

2.1 起动怠速工况下微粒排放分布

图2为发动机冷起动、冷怠速时(冷却水温度为20,℃)微粒排放随时间的分布，Dp为微粒直径，N为微粒数浓度．由图2(a)可知发动机起动后5,s内微粒总数浓度较高，特别是积聚态微粒排放较高．图2(b)为发动机起动后怠速1,min内，微粒数浓度分布变化图谱，颜色越浅表明微粒数浓度越大．随时间推移，积聚态微粒数浓度逐渐减小，核态微粒高浓度区域的粒径范围缩小．

图3为发动机热起动、热怠速时(冷却水温度为85,℃)微粒排放随时间的分布．图3(a)表明发动机起动后5,s内，排气微粒以积聚态为主，此后积聚态微粒数浓度迅速降低，核态微粒数浓度升高．图3(b)表明，随着时间进一步推移，发动机排气微粒主要为核态．对比两种工况可以看出，冷却水温度影响直喷汽油机微粒排放，特别是对积聚态微粒排放影响较为显著．

图2 冷起动及冷怠速工况下排气微粒随时间的变化Fig.2 Exhaust particle emissions of cold start and cold idle

图3 热起动及热怠速工况下排气微粒随时间的变化Fig.3 Exhaust particle emissions of hot start and hot idle

2.2 过量空气系数对燃烧特性的影响

固定喷油时刻、点火时刻及进排气VVT，得到不同空燃比下缸内压力和放热率曲线，如图4所示．牛津大学的Wyszynski等[11]研究表明，GDI汽油机碳烟首峰出现在最高爆发压力时刻；第2峰出现在低温后燃阶段，这可能是火焰前锋面扫过后，液态燃油燃烧产生的干碳烟再氧化的过程．由图4可知，随着λ减小，缸内最大爆发压力逐渐升高，压力升高率增加，最大爆发压力对应的曲轴转角提前，碳烟产生的可能性增加．本文定义燃烧持续期为累积放热率达到10%到累积放热率达到90%所经历的曲轴转角．从图4可以看出，混合气越浓后，燃烧持续期变短燃烧速率增加，50%放热率点对应曲轴转角提前，加之混合气变浓、氧含量低，油气混合时间变短，燃烧恶化，这些均有利于微粒的产生．图5为不同λ下缸内平均温度曲线，随着混合气加浓，缸内最大平均温度升高，高温缺氧条件下，HC化合物生成量增加，也促进了微粒的产生．燃烧后期随λ的减小，缸内平均温度迅速降低，这不利于碳烟的氧化．图6为两种负荷下循环变动随λ变化曲线，发动机采用稀混合气时，循环变动增大，特别是在λ大于1.1时，循环变动增加明显，燃烧不稳定性增加，在一定程度上影响到发动机的微粒排放．

图4 λ对缸压和放热率的影响Fig.4 Effect of excess air ratio on the cylinder pressure and heat release rate

图5 λ对缸内平均温度的影响Fig.5 Effect of excess air ratio on the average temperature inside the cylinder

图6 λ对循环变动的影响Fig.6 Effect of excess air ratio on the cyclic variations

2.3 过量空气系数对微粒排放的影响

图7为转速为2,000,r/min、0.1,MPa，发动机稳态运行时排气微粒粒径尺寸分布，GDI汽油机排气微粒在中小负荷时以核模态微粒为主[12]．小负荷时，排气微粒数浓度对λ变化比较敏感，特别是浓混合气时，积聚态和核态微粒数浓度均明显增加，而λ大于1.1时，积聚态微粒排放增多．负荷增加到0.4,MPa时，排气微粒分布如图8所示，核态微粒出现双峰分布，积聚态微粒则随λ减小逐渐增加，λ小于1时，积聚态微粒数浓度明显增加，较其他工况高出1倍多．图9为3,500,r/min、0.4,MPa时，λ对微粒数浓度分布的影响规律．该工况下微粒排放较前两个工况减少，核态微粒的峰值粒径在10,nm以下，积聚态微粒数浓度均在106这一数量级上，粒径分布在200,nm以内，两种模态微粒数浓度均呈现出随λ减小而增加的趋势．

图7 2,000,r/min、0.1,MPa微粒粒径尺寸分布Fig.7 Particle size distribution at 2,000,r/min，0.1,MPa

图8 2,000,r/min、0.4,MPa微粒粒径尺寸分布Fig.8 Particles size distribution at 2,000,r/min，0.4,MPa

图9 3 500 r/min、0.4 MPa微粒粒径尺寸分布Fig.9 Particle size distribution at 3 500 r/min，0.4 MPa

图10 为3,500,r/min、0.4,MPa时排气核态微粒质量和积聚态微粒质量随λ 的分布规律．由图10可知，核态微粒虽然数浓度大，但其质量远小于积聚态微粒，因此积聚态微粒质量在排气总微粒质量中占的比例较大．该工况下，2种模态微粒的质量均随λ的增加而减小，但是随着混合气逐渐变稀，其减小幅度降低.

图10 λ对排气微粒质量的影响Fig.10 Effect of excess air ratio on the exhaust particle mass

2.4 微粒粒径分布特征

几何平均直径(geometric mean diameter，GMD)是假设所有排气微粒均呈球形，然后对所有微粒的粒径用几何平均法求得的直径．中位直径(count median diameter，CMD)是累积百分比为50%时所对应的粒子直径[13]．GMD和CMD是表达微粒粒径的重要参数，二者数值越大表明发动机排气微粒中大粒径微粒数浓度越高．图11给出了3种工况下，排气微粒的GMD和CMD随λ的分布．实验工况下，微粒的GMD和CMD值基本都在10,nm以下，这与该发动机排气微粒中核态微粒数浓度较大有关．二者随λ的变化规律性并不明显．3种工况下，λ为0.8时，排气微粒的GMD和CMD值均较大．

图11 λ对微粒GMD和CMD的影响Fig.11 Effect of excess air ratio on the GMD and CMD of particle

3 结 论

(1) 发动机在起动后前几秒中微粒排放较高，其中积聚态微粒排放较显著．冷机怠速工况较热机怠速工况积聚态微粒排放高，随着发动机暖机过程的进行积聚态微粒排放逐渐减少．热怠速工况以核态微粒排放为主，积聚态微粒排放很少．

(2) 随λ减小缸内最大爆发压力升高，最大压升率增加，燃烧持续期变短，缸内最高平均温度逐渐升高，燃烧后期缸内温度迅速下降，加之混合气变浓、氧含量低，不利于排放物后期氧化，因此这些因素都促进了碳烟和HC化合物的生成，发动机λ 大于1.1时，循环变动增大，一定程度上影响到燃用稀混合气时的微粒排放．

(3) 在低负荷时，排气中的微粒数浓度对λ变化较敏感，混合气过浓或过稀均导致积聚态微粒排放增加．在2,000,r/min、0.4,MPa和3,500,r/min、0.4,MPa时，积聚态微粒数浓度呈随着λ的减小而增加的趋势；积聚态微粒质量在微粒的总质量中占很大比例，在3,500,r/min、0.4,MPa时，微粒总质量随过量空系数减小而增加，且加浓混合气后，微粒总质量明显增加．

(4) 在测试工况下，排气微粒的GMD和CMD基本都在10,nm以内，这与核态微粒数浓度较高有关，λ 为0.8时，排气微粒的GMD和CMD值较大．参考文献：

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(责任编辑：孙立华)

Effect of Starting Idling Condition and Mixture Concentration of a Turbocharged GDI Engine on Particle Emission

Pei Yiqiang1，Zhang Jianye1，Qin Jing1,2，Li Xiang1，Dai Yuli1，Li Yunlong1
(1. State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Internal Combustion Engine Research Institute，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

This is an experimental research on the distribution of particulate emissions in the exhaust gas of a turbocharged gasoline direct injection(GDI) engine by using a fast particle spectrometer (DMS500). The results showed high particulate emissions within a few seconds after startup. As the machine continued to warm up, the accumulation mode particulate emissions reduced. In hot idling condition, nucleation mode particulates were the dominant exhaust particulates . With the excess air ratio reduced, the peak cylinder pressure increased, the combustion duration shortened, the average temperature inside the cylinder gradually increased, post-combustion cylinder temperature decreased and the oxygen content in the mixture lowered, which were conducive to soot formation and elevated cyclic variations when using lean gas. At low load, the accumulation mode particulates were sensitive to the change of the excess air ratio. After we increased load and speed, concentrations of accumulation mode particles decreased, which was demonstrated by the decreasing excess air ratio and increasingconcentrations of accumulation mode particles. When using concentrated mixture, exhaust particulate mass rapidly increased. In the experimental conditions, the geometric mean diameter (GMD) and count median diameter (CMD) of exhaust gas particles were basically less than 10 nm. When the excess air ratio is 0.8, the values of GMD and CMD particulates were comparatively large.

gasoline direct injection engine；cylinder pressure；heat release rate；particulate

TK411.5

A

0493-2137(2014)10-0892-06

10.11784/tdxbz201306054

2013-06-25；

2013-09-04.

国家自然科学基金资助项目(50976076).

裴毅强（1967— ），男，博士，副教授.

裴毅强，peiyq@tju.edu.cn.

时间：2014-03-24.

http：//www.cnki.net/kcms/doi/10.11784/tdxbz201306054.html.