喷油比对复合喷射汽油机暖机过程燃烧和排放的影响*

孙 平，刘 泽，刘少振，于秀敏，曹 智，杨 松

（1.吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130022； 2.加拿大滑铁卢大学工程学院，滑铁卢 N2L 3G1）

前言

汽油机在暖机过程中的燃烧和排放特性一直以来都受到国内外学者的广泛关注。面对环境的污染和日益严苛的排放法规，研究人员对汽油机的暖机过程进行了大量的研究以获得良好的性能和较低的排放。燃料的喷射方式对燃烧和排放有显著的影响，缸内直喷（GDI）汽油机由于较高的充量系数和抗爆性能，与进气道喷射（PFI）汽油机相比，可提高燃油经济性（5% ～15%）和动力性［1］，但 GDI发动机有较高的颗粒物排放［2-4］，尤其是在暖机过程中，由于发动机的温度较低，此时的燃油蒸发雾化很差，大量的壁面油膜不能蒸发。研究表明，在汽油机暖机阶段缸内燃油混合极不均匀，容易在缸内形成过浓和过稀区域，导致PN排放和HC排放急剧上升［5-11］。同时，研究表明，在整个 NEDC测试循环中，排放物中60%～80%的HC、CO是在暖机过程中形成的［12-15］。PFI相对于GDI而言燃料具有充分的时间进行蒸发和混合，均质混合气降低了缸内形成过浓区的概率，减少尾气污染物，特别是微粒排放，因此两种喷射方式的结合对于汽油机暖机过程排放的降低具有潜在的意义。基于先前的调查和研究，关于复合喷射发动机暖机过程复合喷射比例对燃烧和排放特性的研究报道很少。

本文中结合课题组试验基础，基于一套自行搭建的复合喷射系统，在一台火花点火发动机上，探究了复合喷射喷油比对汽油机暖机过程的影响。在暖机过程中采用进气道喷射和缸内直喷相结合的策略，使缸内形成分层的混合气，改善了汽油机暖机过程的燃烧性能和排放特性。

1 试验设备与方案

1.1 试验设备

选用一台四缸水冷式复合喷射发动机，该发动机集成缸内直喷／气道喷射的喷射技术。发动机具体参数见表1。

表1 试验发动机主要参数

图1为发动机台架测试平台整体布置图。通过快速控制原型dSPACE搭建的发动机控制系统，可实现缸内直喷和进气道喷射各自以任意脉宽和时刻进行喷射，具有较高的控制精度和灵活性；发动机尾气采集装置为HORIBA MEXA-7100DEGR；测功机为CW160型电涡流测功机；颗粒物采集系统为DMS500，该设备可实现不同微粒直径下的数量浓度和总的微粒数量浓度的测量。

图1 试验台架结构布局示意图

1.2 试验方案

本文中主要研究复合喷射模式下喷油比对汽油机暖机过程中燃烧和排放的影响。试验中固定暖机过程发动机转速为1 000 r／min，直喷时刻为120°CA BTDC，通过试验前的预试验，确定在此工况下的最佳点火提前角为15°CA BTDC，如表2所示。试验过程中保证总油量不变，并通过调节节气门开度保证整个暖机过程过量空气系数为1.0。设置喷油比（进气道喷油量与总喷油量的比值）分别为100%、80%、50%、20%、0，探究喷油比对汽油机暖机过程缸内燃烧特性和排放特性的影响。

表2 试验方案

2 试验结果与分析

2.1 燃烧特性

图2～图4为喷油比对暖机过程缸内压力的影响，展示了低中高3种冷却液温度下不同喷油比对缸内燃烧压力的影响规律。可以看出，在特定的温度下，随着喷油比的增加，缸内燃烧压力先升高后降低，缸压峰值相位先提前后滞后，压力升高率先升高后下降。当喷油比为80%时，缸压曲线数值最高，相应的峰值相位最早，燃烧定容度最高。在低中高3个冷却液温度下，80%的喷油比使缸压峰值比纯GDI时分别提高了49.1%、47.5%和44.5%。这说明复合喷射在暖机初期对于缸压的影响最大。图5和图6为喷油比对暖机过程缸内压力峰值及其相应相位的影响规律。由图可见，随着冷却液温度的上升，缸内燃烧压力峰值逐渐升高，峰值相位也逐渐提前。

图2 喷油比对暖机过程缸内压力的影响（30℃）

图3 喷油比对暖机过程缸内压力的影响（60℃）

图4 喷油比对暖机过程缸内压力的影响（80℃）

图5 喷油比对暖机过程缸压峰值的影响

图6 喷油比对暖机过程缸压峰值相位的影响

图7 和图8为喷油比对暖机过程放热率峰值及其相位的影响规律。可以看出，暖机时，放热率随喷油比的变化较大。随着喷油比的增加，放热率峰值先增加后降低，峰值相位先提前后滞后，当喷油比为80%时，放热率峰值最高，峰值相位最早。冷却液温度对瞬时放热率和放热率峰值也有较大的影响，随着冷却液温度的上升，放热率峰值逐渐上升，放热率峰值相位逐渐提前；当冷却液温度为80℃、喷油比为80%时，放热率峰值最高。产生这一现象的主要原因是在暖机过程中，燃烧室和进气歧管温度都比较低，喷油比为100%的进气道喷射模式，容易在进气道壁和气缸壁面形成油膜，大量的燃料不能有效地参与燃烧，释放的化学能较少，燃烧不完全，燃烧速率较慢，放热过程不集中；喷油比为0即缸内直喷模式时，全部燃料在相同的喷射时刻喷入燃烧室内，直喷脉宽增加，燃油贯穿距离增加，燃油碰壁严重，且燃料的混合蒸发时间更短，放热率峰值低，峰值相位滞后。当适量地增加喷油比时，可使混合气在火花塞周围形成易于点燃的混合气浓度梯度，燃烧性能变好。与50%的喷油比相比，80%的喷油比能形成更好的分层混合气，放热峰值最高，峰值相位最靠前。另外，随着冷却液温度上升，进气道壁面和气缸壁面温度上升，促进燃油的蒸发和雾化，油膜明显减少，燃料燃烧更完全，放热率峰值提高，燃料的燃烧速度更快，峰值相位提前。

图7 喷油比对暖机过程放热率峰值的影响

图8 喷油比对暖机过程放热率峰值相位的影响

2.2 排放特性

图9 为不同的喷油比下THC随冷却液温度的变化规律。首先可以看出，THC的瞬时排放量随冷却液温度的上升迅速下降，而随喷油比的降低呈现先减后增的趋势；当喷油比为80%时，THC排放都较低，与纯直喷模式相比，平均下降了14.5%。THC排放随着冷却液温度的上升而下降的原因是：首先在暖机过程的初始阶段，由于冷却液温度较低，燃烧室壁面向冷却液的传热损失较大，缸内整体燃烧温度较低，进入缸内的混合气容易产生湿壁现象，附着在气缸壁面和活塞顶部形成油膜，由于油膜的吸附和解吸作用，会在主燃烧期结束后，部分燃油会被释放；另外，缸内温度较低，混合气的蒸发雾化水平差，很难形成均匀的混合气，导致燃烧很差，部分混合气未能完全燃烧，以未燃HC的形式排出缸外；再次，燃烧室壁面温度较低，火焰前锋在传播过程中，遇到较冷的壁面而导致火焰淬熄，也使燃烧室壁面附近的可燃混合气未能有效燃烧。随着暖机过程的进行，冷却液温度逐渐上升，气缸与冷却液的传热损失降低，燃烧室温度提高，壁面淬熄现象减弱，燃油的蒸发和雾化能力加强，燃油燃烧更加充分，油膜的吸附和解吸作用减弱。因此，随着冷却液温度的提高，THC排放迅速下降。

图9 喷油比对暖机过程THC排放的影响

暖机过程中，随着喷油比的降低，THC排放先减后增的原因是：当喷油比为100%时，全部的燃料由进气道喷射供给，在暖机初期进气道温度和气缸温度都很低，会在进气道内表面和进气阀背面形成大量的油膜，这些过早进入气缸的混合气，由于气缸温度低，湿壁现象严重，这些油膜不能正常燃烧，在主燃烧期结束后，由于油膜的解吸作用，将部分燃料释放到燃烧室中，以THC的形式排出缸外；随着喷油比的降低，进气道燃油的喷射量，以至进气道内表面和进气阀背面的油膜都减少，同时缸内直喷油量的相应增加，促进分层混合气的形成，在缸内形成更好的混合气浓度梯度，改善燃烧状态，导致THC排放降低。但随着喷油比继续降低，缸内直喷油量增加，喷油脉宽变长，燃油喷射贯穿距离增加，导致燃油的撞壁现象严重，形成大量的油膜。另外，过分增加直喷的喷油比例，会缩短燃油的混合时间，形成局部过浓区域，使THC排放回升。因此随着喷油比的降低，THC排放呈先减后增的趋势。

图10为喷油比对暖机过程NOx排放的影响规律。可以看出，NOx排放量随冷却液温度的升高逐渐升高，而随喷油比的增加呈现先升后降的趋势，在喷油比为80%时，NOx排放量最高。

图10 喷油比对暖机过程NO x排放的影响

NOx瞬时排放量随水温的上升而逐渐上升的主要原因是：首先，NOx产生条件为高温、富氧和反应时间，在发动机刚起动后的初始阶段，冷却液温度还处于较低水平，燃烧室壁面向冷却液的传热损失比较大，导致缸内温度较低，不利于NOx的生成；随着暖机时间的延长，冷却液温度逐渐上升，燃烧室壁面向冷却液的传热损失减少，使缸内温度升高，导致NOx排放增加。

NOx瞬时排放量随喷油比的增加先升后降的原因是：随着喷油比的增加，缸内燃烧压力和放热率峰值都呈现先升后降的趋势（见图5和图7），当喷油比为80%时，缸内燃烧压力和放热率峰值以致缸内温度都最高，导致NOx排放也最多，与纯直喷模式相比，平均增多56.6%。当喷油比进一步增加，缸内燃烧压力和放热率峰值以及缸内温度都下降，导致NOx排放减少。

图11为不同喷油比下冷却液温度对暖机过程CO排放的影响。随着暖机过程的进行，伴随着冷却液温度的上升，CO排放持续降低。这是因为，冷却液温度上升，发动机燃烧效果改善，燃烧效率提高，CO生成量减少。同时，较高的缸内温度也有利于CO在排气中进一步被氧化，而降低CO排放。而随着喷油比的增加，CO排放量先减后增。当喷油比为80%时，CO排放量最低。这说明复合喷射的方式较传统的PFI和GDI方式可实现CO排放量的降低。在整个暖机过程中CO排放量最低的喷油比为80%时，复合喷射的CO排放量比纯GDI模式平均降低了27.1%，特别是在暖机初期（冷却液温度为30、40、50℃），CO排放量的平均降幅达34.1%。在纯GDI模式下，大量燃油直喷进入缸内，导致不能及时雾化蒸发，燃油与空气不能充分混合而出现的局部过浓区使得燃烧不完全，从而导致整个暖机过程中CO排放量最高。

图11 喷油比对暖机过程CO排放的影响

图12 ～图17为在不同冷却液温度下微粒的粒径分布随喷油比的变化规律。由图可见：当冷却液温度为30～50℃时，粒径分布呈现核膜态和积聚态双峰分布（尽管次峰不很明显）；冷却液温度为60～80℃时，粒径分布呈现为核膜态单峰分布。分析原因可知，冷却液温度在较低（30～50℃）时，燃油雾化蒸发不良，缸内存在局部过浓区使部分未燃燃油随废气排出，从而形成了大粒径的积聚态微粒；随着暖机过程的延续，冷却液温度升高（60～80℃）后，缸内温度上升，燃料充分雾化混合，燃烧更加完全，也更有利于微粒的进一步氧化，因此微粒分布呈小粒径的核膜态微粒的单峰分布。随着冷却液温度的上升，微粒数量浓度（主要集中在核膜态）峰值逐渐下降，且逐渐向小粒径方向移动；至于喷油比，主要影响核膜态微粒的数量，对积聚态微粒的影响不明显。冷却液温度一定时，随着喷油比的增加，微粒数量浓度曲线的变化呈先降后升的趋势，而其峰值位置先左移（移向小粒径）后右移（移向大粒径）。喷油比为80%时，曲线处在最低位置，其峰值对应的粒径最小。

图12 喷油比对暖机过程粒径分布的影响（30℃）

图13 喷油比对暖机过程粒径分布的影响（40℃）

图14 喷油比对暖机过程粒径分布的影响（50℃）

图15 喷油比对暖机过程粒径分布的影响（60℃）

图16 喷油比对暖机过程粒径分布的影响（70℃）

图17 喷油比对暖机过程粒径分布的影响（80℃）

图18 和图19为不同喷油比下核膜态和积聚态微粒浓度随冷却液温度的变化图。可以看出：在冷却液温度为30～60℃时，核膜态微粒浓度和积聚态微粒浓度都随着喷油比的降低呈先减后增的趋势，核膜态微粒排放在喷油比为80%时最少，积聚态微粒在喷油比为50%时最少；在冷却液温度为70～80℃时，核膜态和积聚态微粒皆随喷油比的下降而增加。

图18 喷油比和冷却液温度对核膜态微粒排放的影响

在暖机初期，冷却水温度较低，缸内温度和进气温度都比较低，同时缸体与外界的传热损失大，这些条件都不利于燃油的雾化蒸发，导致燃油燃烧不完全，造成未然HC、芳香烃和燃油小液滴破裂等增多，燃油的裂解和吸附造成了在这个阶段核膜态微粒和积聚态微粒明显高于暖机后期。当冷却水温升高后，水温对微粒的影响要高于喷油比的影响，特别是大喷油比时。但在小喷油比时，大量燃油直喷进入缸内后，燃油撞壁、雾化蒸发不完全和燃烧不完全等因素使两种形态的微粒数量上升。

图19 喷油比和冷却液温度对积聚态微粒排放的影响

图20 为喷油比对暖机过程总微粒数量浓度的影响规律。可以看出：微粒总数量随着冷却液温度的上升而减少；随着喷油比的增加，颗粒物总数量排放呈现先减后增的趋势，在喷油比为80%时，微粒总数量排放最低，在冷却液温度到达70℃以后，颗粒物数量排放很低，并趋于稳定。整个暖机过程中，纯直喷时颗粒物数量排放始终最高，在暖机前期，其总数量排放为喷油比为80%时的4～5倍，即使冷却液温度到达70℃后，微粒总数量排放仍维持一定的水平。

图20 喷油比对暖机过程总微粒数量浓度的影响

随着冷却液温度的上升，微粒总数量浓度迅速下降，说明冷却液温度对微粒数量的影响显著。暖机初期，由于发动机处于低温阶段，无论喷油比多少，燃油的雾化蒸发效果差，缸内形成局部过浓区，燃料的燃烧不完全产生未然HC，微小液滴的形成，还有起机阶段转速小，气流活动较弱等原因，都将导致微粒排放的增加。

至于随着喷油比的降低，颗粒物总数量排放先减后增原因是：首先，喷油比的降低，会减少进气道燃料的喷射量，在100%的喷油比时，燃料全部由进气道喷射供给，在暖机过程进气歧管和燃烧室壁面的温度都比较低，容易形成湿壁现象，形成油膜；随着喷油比的降低，进气道燃料的喷射量和湿壁现象减少，而相应增加的缸内直喷有利于分层混合气的形成和火焰前锋的传播，促进燃料的充分燃烧，因而颗粒物数量排放降低。随着喷油比的继续下降，缸内直喷的燃油量增加，喷射时间延长，随着活塞向上止点的推移，大量的燃油将直接撞击到活塞顶和燃烧室壁面，并且由于燃料的混合时间较短，混合气中氧气成分迅速降低，也促进了局部过浓区域的形成，导致颗粒物数量排放迅速增加。因此，颗粒物数量排放随着喷油比的降低呈现先减后增的趋势。

3 结论

本文中在一台GDI发动机上增加了PFI喷射装置，开发了一套实时控制的复合喷射平台，并基于此进行了试验。探究了喷油比和冷却水温度对发动机暖机过程中燃烧和排放的影响，得出了如下主要结论。

（1）汽油机暖机过程冷却液温度对燃烧和排放影响很大。冷却液温度从30上升至80℃时，燃烧和排放逐渐得到改善。缩短发动机暖机过程温升时间是降低汽油机暖机过程排放的重要举措。喷油比为80%时，缸压曲线最高，其峰值最靠近上止点，与纯GDI相比，在暖机过程中缸压峰值最多可提高49.1%，效果显著。

（2）对于尾气排放，随着喷油比的降低，HC和CO排放先减后增，在喷油比为80%时排放最低。然而，随着喷油比的降低，NOx的排放先增后减。在喷油比为80%时达到最高。随着暖机过程的进行，冷却水温的增加，HC和 CO持续减少，NOx持续增加。

（3）喷油比和冷却液温度对粒径分布的影响具有一定的耦合关系，随着冷却液温度从30上升至80℃，核膜态微粒和积聚态微粒迅速下降，在暖机过程初期（水温30～60℃），核膜态微粒和积聚态微粒随缸内喷油比的增加呈现先减后增的趋势，分别在喷油比为80%和50%时最低。总的微粒数量在80%时达到最低。微粒中核膜态微粒占主导。