关于缸内直喷汽油机微粒排放的影响因素分析

荆 莹

(徐州工业职业技术学院，江苏 徐州 221140)

关于缸内直喷汽油机微粒排放的影响因素分析

荆 莹

(徐州工业职业技术学院，江苏 徐州 221140)

针对缸内直喷(GDI)汽油机排放微粒的产生机理及危害，深入分析影响微粒排放特性的多种因素，得出合理控制点火时刻、喷油开始时刻、运行工况等因素，可以有效控制GDI排放特性，为进一步开发设计缸内直喷燃烧系统，有效降低GDI微粒排放具有参考意义.

汽油机；缸内直喷(GDI)；微粒排放

0 引言

缸内直喷汽油机燃烧运行时能有效地降低燃油消耗，同时还具备良好的瞬态性能和全负荷性能，但GDI排放微粒明显高于进气道喷射汽油机，对人体危害很大.欧Ⅴ排放法规已将GDI排放纳入法规测试要求，有效控制GDI发动机排放尤为迫切.

1 GDI排放微粒

1.1 GDI排放微粒的产生机理

GDI汽油发动机的排放物包括CO、HC、NOx和排气微粒.排气微粒主要包括核态和积聚态两种[1]613-617.核态粒子粒径在5～30 nm之间，由硫酸盐、未燃烧的HC和部分金属化合物构成.积聚态粒子粒径范围30～1 000 nm之间，由来自燃油严重不完全燃烧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[2]892-897.

缸内直喷发动机混合气的模式有分层混合气、均质稀混合气、均质混合气三种，在不同的工况下采用不同的模式.当GDI切换到分层燃烧模式时，火焰由浓混合气处向稀混合气处传播中极易产生碳烟.此外，由于缸内直喷式汽油机混合气形成时间短，特别是采用壁面引导时燃油会碰壁，从而使微粒排放显著增加.

1.2 GDI排放微粒的危害

排气微粒中绝大部分为纳米级微粒，对人体危害严重，因为纳米级微粒可以进入肺泡，且不易排出体外；同时，随着粒径的减小，这些粒子的总表面积会迅速增加，其表面可以吸附重金属、毒性成分和致癌可溶性有机成分，导致癌症发病率升高.

2 缸内直喷微粒排放特性的影响因素分析

合理组织缸内气流运动，精确控制喷油时刻和点火时刻，良好的运行工况和保养是进一步改善缸内混合气的质量、提高汽油机燃烧过程、降低微粒排放的重要途径.

2.1 点火时刻

点火时刻的变化能显著影响汽油机燃烧过程，对燃油消耗率、扭矩输出和排放特性等具有较大的影响.由图1发现，排气微粒物在核态区域呈现双峰分布.随着延迟点火定时，GDI汽油机微粒物排放量随之降低[3]25-28.

因为推迟点火定时，缸内燃油与新鲜空气的混合时间逐渐增加，缸内工质的混合雾化状态逐步改善，缸内燃烧更为充分，减轻了局部过浓区域燃油的热裂解和脱氢倾向，有利于抑制初级碳烟粒子的生成，减少积聚态颗粒物的生成；同时，推迟点火定时使膨胀行程缸内燃烧温度和排气温度升高，增强了高温条件下积聚态颗粒物的氧化速率，导致积聚态颗粒物排放降低.

图1 不同点火提前角下微粒粒径数量浓度分布

2.2 喷油开始时刻

控制喷油时刻对发动机性能的影响尤为重要，正确的喷油策略控制形成合理的混合气分布，有效控制燃油碰壁的出现，降低机油被稀释的可能，进而减少碳烟等颗粒物排放的形成，改善燃油经济性和燃烧稳定性.

由图2可见，随着喷油提前角的推迟，燃油碰壁量呈下降趋势.喷油开始时刻为400°曲轴转角时为最佳点，燃烧速率最快且油耗最低；喷油时刻继续推迟，虽然燃油碰壁量进一步降低，但要注意混合气均匀性会变差，燃烧不充分会导致油耗增大且燃烧稳定性恶化[4]565-570.

图2 燃油蒸发比例与累计燃油碰壁量

2.3 火花塞

通过加长火花塞裙部、改变火花塞的点火高度及观察对缸内汽油直喷发动机油气混合的影响，发现由于火花塞在缸内所占容积很小，火花塞的局部改变，对缸内平均湍动能基本无影响.总体上来说，对点火性能、排放性能影响不大.

2.4 不同辛烷值的汽油

高辛烷值汽油可以增强发动机的动力性，改善燃油经济性.但在大负荷时，由于使用95 号汽油发动机的点火提前角推迟，使缸内最高燃烧温度降低，生成NOx量减少，随着转速的升高，生成NOx降幅量越大；燃烧相位后移，使排气行程中已燃气体的温度增加，提高了CH、CO后期的氧化速率，THC、CO排放降低.在中低负荷，辛烷值的变化对CO排放影响不大.因此，燃用低辛烷值汽油可以降低THC、CO和NOx的排放量，但影响程度会随负荷和转速不同而变化.

2.5 活塞形状

对于直喷汽油机，有燃烧室凹坑的活塞燃烧效果要明显优于平顶活塞.以四气门发动机为研究对象，活塞顶部具备4气门对应的凹坑为基本结构，形成以下4种活塞顶：大凹坑(如图3中a)，在活塞顶部添加滚流引导槽(如图3中b)，取消导流槽(如图3中c)或活塞顶面平齐，取消燃烧室凹坑的高背(如图3中d).通过模拟直喷汽油机的进气、喷油和燃烧等工作过程，有研究发现：图3中d的设计有利于加强缸内湍流，促进燃油的蒸发，减少活塞的燃油碰壁量，有利于降低碳烟的排放，但缸内温度和压力峰值更高，增加了 NOx的生成[5]345-352.

图3 4种活塞的结构图

2.6 良好的运行工况和保养

发动机运行工况会影响微粒排放情况.冷机怠速工况微粒排放较高，随着暖机进行，微粒排放减少.这是由于冷车起动时，汽缸的混合气浓度高，混合气氧含量低，排气微粒质量迅速增加，颗粒物的毒性最大.因此，对于缸内直喷汽油机，起动前同样需要预热，特别是冬季及严寒地区.

另外缸内直喷发动机具有高压缩比，可达到 25∶1，缸内具有高温、高压的特点，因此为保证发动机内部良好的润滑和冷却，降低微粒排放，一般情况下需要加合成机油，个别车型发动机要求加注全合成机油.

3 结语

缸内直喷汽油机以高动力、低油耗、高功率质量比在世界范围内得到认可，但同时要重视缸内直喷汽油机的微粒排放.通过以上的分析发现，适当的延迟点火定时，推迟喷油提前角，选择“平顶+凹坑”的活塞设计、快速暖机、合理控制空燃比等措施，可以优化GDI汽油机燃烧过程，能有效控制GDI微粒排放.

[1] 李新令，黄 震. 柴油机排气尾流中核模态颗粒数浓度和粒径分布变化特性[J]. 科学通报，2012(01).

[2] 裴毅强，张建业，李 翔，等.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[J].天津大学学报(自然科学与工程技术版),2014(02).

[3] 魏传芳，董 伟，于秀敏，等.点火提前角对直喷汽油机微粒排放特性的影响[J].车用发动机,2014(04).

[4] 韩文艳，许思传，周岳康，等.喷油开始时刻对缸内直喷汽油机性能的影响[J]. 同济大学学报(自然科学版)，2013,41(4).

[5] 郑朝蕾,刘春涛,胡铁刚,等.活塞形状对直喷汽油机工作影响的数值模拟[J]. 内燃机学报，2014(04).

[责任编辑 迎客松]

The Study on the Influence Factor of Particle Emission for Gasoline Direct Injection Engine

JING Ying

(DepartmentofElectricalEngineering,XuzhouIndustrialandVocationalTechnologyInstitute,Xuzhou221140,China)

In view of the mechanism and hazard of Particle Emission for Gasoline Direct Injection Engine，the thesis analyzed influence factors of the characteristics of particulateemissions. The results show that particulate emission can be effectively put under control with the correct of ignition timing，start of injection, cycles and so on. The result of the analysis has some important significance in developingElectronic Fuel Injection System.

gasoline engines; Gasoline Direct Injection (GDI); particulate emission; influence factor

2015-07-11

荆 莹(1982- )，女，山东东营人，徐州工业职业技术学院机电工程学院讲师，主要从事汽车检测与维修研究。

1671-8127(2015)05-0056-03

TK419

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