喷油定时对汽油机燃烧和微粒排放的影响及优化

裴毅强，张淼，秦静，2，李翔，刘懿

(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)

随着雾霾天气频繁出现和PM2.5指数居高不下，空气污染再次成为社会各界的讨论焦点。汽车排气是导致空气污染的重要原因之一，排气微粒也是城市大气中PM 2.5的主要来源，并且微粒的主要成分多换芳烃及其衍生物是致癌物质［1-3］。因此，在能源和环境的双重压力下，欧VI排放法规对汽油机微粒的排放提出了更加严格的要求，促使国内外学者开始广泛关注汽油机的微粒排放。

随着汽油机向小型强化方向发展，缸内直喷(gasoline direct injection，GDI)汽油机发展迅速，相比柴油机的微粒排放，GDI汽油机的微粒排放粒径要小1～2个数量级［4-5］，粒径在1 000 nm以下，按粒径主要分为核模态和积聚模态两种。核模态的粒径分布范围为5～30 nm，积聚模态的粒径范围为30～1 000 nm［6］。这些超细微粒对人体的危害较之粗微粒更加严重［7］。研究表明，发动机微粒排放跟缸内工质混合和燃烧质量有密切联系，而油气混合燃烧过程受制于发动机控制参数的作用［8］。因此，通过研究GDI汽油机控制参数对燃烧过程和微粒排放的影响，可进一步分析和控制GDI汽油机微粒排放［9-10］。其中喷油定时是GDI汽油机主要控制参数之一，显著影响缸内燃烧过程和微粒排放。因此，本文就喷油定时对GDI发动机燃烧和微粒排放的影响进行试验分析。

1 试验装置和试验方法

1.1 试验装置

试验中的汽油机采用可变气门正时和废气涡轮增压技术。所用实验设备主要有 KISTLER电荷放大器、AVL GH13Z型缸压传感器、NI公司 M系列USB-6259型高性能数据采集卡和 LabVIEW软件等。另外。采用Cambustion公司的DMS500快速型纳米微粒尺寸光谱仪进行排气微粒测量。该仪器的粒径测量范围为5～1 000 nm。

1.2 试验方法

根据车用汽油机实际运行的范围，转速定在2 000 r/min、平均有效压力定在0.1 MPa(工况 1)和 0.4 MPa(工况 2)，转速定在3 500 r/min、平均有效压力定在0.4 MPa(工况3)。试验过程中过量空气系数保持为1。工况1、工况2和工况3的点火提前角依次为 32°CABTDC、29°CA BTDC 和37°CA BTDC。在改变喷油定时的过程中其余电控参数保持不变。

试验中为了保证微粒采集数据的稳定可靠，每个测试工况点需在发动机稳定运转2 min后开始测量，每个工况点采集10次，每次连续记录50 s，最后取平均值作为一个采样工况点。本试验缸压传感器缸为AVL GH13Z型，每0.5°CA采集1次，每个工况点采集100个循环。

2 试验结果与分析

2.1 喷油定时对燃烧过程的影响

图1、2为增压GDI汽油机在3个工况下，缸内压力、瞬时放热率和缸内平均温度随着喷油定时的变化情况。对比3个工况图可知，随着转速和负荷的增大，喷油定时对缸内压力、瞬时放热率和缸内平均温度的影响加大。由图1(c)可知，随着喷油定时的不断延迟，缸内压力和瞬时放热率峰值均先升高后降低在275°CA BTDC(上止点前)左右达到峰值，且瞬时放热率和缸内压力峰值位置均为先前移后延迟。这表明喷油定时的推迟使得发动机放热先提前后推迟，燃烧过程先改善后恶化。这主要是由于喷油定时影响了直喷汽油机缸内混合气的形成，喷油定时过早，增加了油束撞击活塞产生燃油湿壁的可能性，从而导致混合气浓度降低和形成壁面油膜等不利于燃烧因素的出现;喷油定时过晚，缸内工质混合时间变短，局部产生过浓区域，影响火核形成和火焰发展的稳定性，因此喷油定时过早和过晚均使缸内工质的燃烧受到抑制。

对比3个工况图可以发现，随转速升高，不同喷油定时下缸内压力之间的差异进一步增大。这可能是因为随转速升高，缸内油气混合时间进一步缩短，喷油定时对混合气形成的影响更加显著。在不同喷油定时下瞬时放热率也呈现类似的趋势。

图1 喷油定时对缸内压力和瞬时放热率的影响Fig.1 Effect of injection timing on cylinder pressureand heat release rate

图2为GDI汽油机在3个工况下的缸内平均温度曲线，可知随着喷油定时的推迟，平均温度峰值先升高后降低，在275°CA BTDC左右达到峰值，且峰值所对应的曲轴转角先提前后推迟，而在中间喷油定时下缸内平均温度曲线比较接近。这是由于喷油定时过早，易形成燃油湿壁，造成活塞顶部和燃烧室壁面温度降低，使燃油未能充分燃烧。同时由于气门重叠角存在，部分排气倒流稀释新鲜混合气，燃烧速率变慢，缸内最高平均温度降低。此外喷油定时过晚，缸内工质混合时间缩短，油气混合均匀度下降，这些因素的共同作用是导致平均温度随喷油定时变化的重要原因。

图2 喷油定时对缸内平均温度的影响Fig.2 Effect of injection timing on cylinder mean temperature

图3为增压直喷汽油机在3个工况下喷油定时对火焰发展期、快速燃烧期和循环波动的影响。火焰发展期定义为点火时刻到累积放热率为10%的曲轴转角间隔，快速燃烧期定义为累积放热率为10%～90%所对应的曲轴转角间隔，循环波动指平均指示压力的循环波动率。由图3可知，随着喷油定时的推迟，火焰发展期、快速燃烧期和循环波动均呈先降低后增大的趋势。这表明随着喷油定时的推迟，火焰核心的形成和火焰传播速度先加快后减缓。存在最佳喷油定时，使得燃烧较为稳定快速、循环波动最小。这与缸内压力、瞬时放热率和缸内平均温度的变化趋势是一致的。可见，喷油定时通过影响燃油和新鲜空气的混合状态，间接对燃烧相位和燃烧效率都有较大影响。

此外，由图3可知随喷油定时的推迟，低转速、小负荷工况1的快速燃烧期变化明显，而较高转速、较大负荷工况3的火焰发展期变化明显。这是由于工况1的缸内平均温度和气流运动强度长期维持在较低水平，导致喷油定时改变引起的油气混合不均匀成为影响快速燃烧期的主要因素;转速较大、负荷较高的工况3喷油量较大，燃油湿壁可能性比较大，油气混合质量有较大波动，直接影响了火核的成形，所以喷油定时改变对火焰发展期的影响较大，最佳喷油相位也相对推迟。

图3 喷油定时对火焰发展、快速燃烧期和循环波动的影响Fig.3 Effect of injection timing on flame development duration，rapid burning duration and cycle to cycle variations

2.2 喷油定时对微粒排放的影响

图4为3个工况下不同喷油定时对微粒径分布的影响，D为微粒直径，N为微粒数浓度。由图可知，增压GDI汽油机微粒排放在工况1时，呈现核态单峰分布，粒径分布范围为5～10 nm;在工况2和3时，呈现为包括核态和积聚态微粒的近似双峰分布，粒径分布范围为5～100 nm。

从图4可知，核态在3个工况下的粒径分布范围较一致，且随着喷油定时的不断推迟，核态颗粒物峰值数浓度先上升后降低，在喷油定时为280～300°CA BTDC区间内达到峰值，上升约 2.3倍。而峰值粒径无明显变化趋势，维持在6 nm左右。由喷油定时对燃烧过程的影响可知，随着喷油定时的不断推迟:1)油气混合时间缩短，缸内混合不均匀，有利于缸内燃油发生热裂解和脱氢反应生成初级碳烟颗粒;2)活塞油膜产生池火会增加HC排放，研究表明对于壁面引导直喷汽油机，不合理的喷油定时会导致池火发生会增加35%～58%的HC排放［16］;3)喷油定时的过度推迟，缸内燃烧严重恶化，促使核态颗粒通过团聚和吸附转变成积聚态微粒，间接使核态微粒减少。上述因素共同作用下导致核态颗粒物峰值数浓度的变化规律。

此外，对比图4(a)、(b)和(c)可知，核态颗粒物数密度随着转速和负荷的增加而降低，略高负荷时又有所上升，即最佳工况点为工况2(2 000 r/min、0.4 MPa)左右。发动机随着转速和负荷的提高，一方面每个工作循环的时间缩短，降低了燃烧过程中初级碳颗粒和HC化合物的生成几率;一方面缸内湍流运动加强，有利于油气的均匀混合，抑制了成核物的吸附能力;另一方面负荷过高时，缸内工质的燃烧过程恶化，细微碳粒和HC化合物的生成量增加，成核倾向加强。在上述因素的共同作用下导致核态颗粒物数浓度的变化规律。

从图4可知，聚集态颗粒物在低转速、小负荷的工况1中含量几乎为零，但随着转速和负荷增加到工况2和工况3，积聚态的粒径分布范围和数浓度峰值都增加。随着喷油定时的推迟，积聚态颗粒物峰值数浓度先降低后增加，最佳峰值点出现在340°CA BTDC左右。喷油定时可直接影响混合气的状态，间接影响工质缸内放热过程和缸内温度，因此是GDI汽油机微粒排放的重要影响因素之一。随着喷油定时的不断推迟，一方面燃油湿壁可能性降低，喷油雾化质量和油气混合质量均提升，使燃烧快速均匀并充分的进行，从而有效抑制了积聚态微粒的前驱物形成和团聚进程;另一方面缸内燃油和新鲜空气的混合时间缩短，局部过浓区增加，促进于燃油发生热裂解和脱氢反应生成为初级碳烟粒子，这些粒子通过团聚和吸附HC等物质形成积聚态微粒，此外较低的缸内温度和排气温度减缓了聚集态微粒的氧化速率。由以上2个方面共同作用下，随着喷油定时的推迟，缸内工质混合状态呈现先良好后恶化的过程，积聚态微粒呈现先降低后升高的趋势，且存在最佳的喷油定时区间，使积聚态微粒排放处于较低值。

图4 喷油定时对微粒粒径分布的影响Fig.4 Effect of injection timing on particle size distribution

由图4(c)可以看出随着喷油定时的推迟，积聚态微粒峰值粒径逐渐减小，从100 nm减小到60 nm左右。主要是由于均匀的混合气缓解了高温缺氧的燃烧状况，减少碳烟粒子的生成，抑制了核态微粒的团聚和吸附进程，使得积聚态微粒峰值粒径逐渐变小。

此外，随着喷油定时的推迟，核态和聚集态成相反的变化趋势。除了二者各自的生成原因，由于积聚态微粒对燃烧过程中生成的HC等物质具有一定程度的吸附作用，积聚态微粒数量增加，对HC等物质的吸附作用也增强，HC等物质经成核生成核态微粒的趋势变弱，使核态微粒数量降低;相反，积聚态微粒数量减少，HC等物质的吸附作用也减弱，HC等物质经成核生成核态微粒的趋势增加，使核态微粒数量升高。

图5、6给出了3个工况下，随着喷油定时的变化，积聚态微粒数量浓度和微粒总数量浓度的变化。可以看到，随着喷油定时的推迟，积聚态微粒和微粒总数量均为先降低后增加。总体上，喷油定时对应的油气混合和燃烧状况越好，微粒数量排放越少。喷油太提前或推迟均使得油气混合和燃烧恶化，进而使微粒排放增加。可见喷油定时通过影响缸内油气混合和燃烧，间接影响发动机的微粒排放，选择合理的喷油定时能够有效的减少微粒排放。

图5 喷油定时对积聚态微粒数量浓度的影响Fig.5 Effect of injection timing on number concentration of accumulation mode particles

图6 喷油定时对微粒总数量浓度的影响Fig.6 Effect of injection timing on total particle number concentration

3 结论

1)随着喷油定时的不断推迟，缸内压力、瞬时放热率和缸内平均温度峰值先增加后降低，峰值位置先提前后推迟。

2)随着喷油定时的不断推迟，火焰发展期和快速燃烧期先缩短后增大;存在最佳喷油定时使得循环波动最小。

3)GDI汽油机排气微粒在核态区和积聚态区都呈现峰值趋势。随着喷油定时的延迟，积聚态微粒峰值数量浓度先降低后增加，核态微粒则呈现相反的变化趋势;积聚态微粒峰值粒径逐渐降低，而核态微粒峰值粒径近乎不变;微粒总数量浓度和聚积态微粒数量浓度均呈现先降低后增加的趋势，最佳喷油区间为280°CA ～310°CA BTDC，据此可进行喷油定时的优化设计。

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