點(diǎn)火提前角對(duì)直噴汽油機(jī)微粒排放特性的影響

魏傳芳，董 偉，于秀敏，孫萬臣，孫 平，何 玲

（吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130025）

近幾年來，中國大部分地區(qū)多次出現(xiàn)大范圍的霧霾天氣，其中京津冀最為嚴(yán)重。根據(jù)北京市環(huán)保局的估算，燃煤和機(jī)動(dòng)車污染是北京霧霾天氣的罪魁禍?zhǔn)祝渲袡C(jī)動(dòng)車因素占22.2%，燃煤因素占16.7%［1］。因此有必要采取措施降低機(jī)動(dòng)車微粒排放。

GDI燃燒模式與傳統(tǒng)進(jìn)氣道噴射燃燒不同，研究結(jié)果表明：GDI燃燒模式下，微粒數(shù)量介于傳統(tǒng)進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)與柴油機(jī)之間［2］，并且粒徑在30nm～1μm 之間［3］，對(duì)人體的危害極大［4－5］，因此對(duì)GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的微粒排放進(jìn)行研究尤為迫切。歐Ⅴ排放法規(guī)已經(jīng)將直噴汽油機(jī)微粒排放納入法規(guī)測(cè)試要求。直噴汽油機(jī)分均質(zhì)和分層兩種燃燒模式，考慮到排放后處理技術(shù)，目前國內(nèi)大部分直噴汽油機(jī)都采用均質(zhì)燃燒模式。因此，本研究在直噴汽油機(jī)均質(zhì)燃燒模式下，詳細(xì)研究了點(diǎn)火提前角對(duì)缸內(nèi)燃燒和微粒粒徑分布的影響規(guī)律，為進(jìn)一步研究和降低直噴汽油機(jī)微粒排放奠定了基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本研究采用排量1.8L的增壓直噴汽油機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)具體技術(shù)參數(shù)見表1。

試驗(yàn)使用了自主開發(fā)的ECU［6］，選用的是Freescale MC9S12XDP512單片機(jī)，控制程序利用CodeWarrior IDE軟件編寫，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)點(diǎn)火正時(shí)、噴油正時(shí)、噴油脈寬以及節(jié)氣門開度的精確實(shí)時(shí)控制。

利用測(cè)功機(jī)控制柜及數(shù)據(jù)采集模塊同時(shí)記錄發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩、功率、進(jìn)排氣壓力、進(jìn)排氣溫度、進(jìn)氣流量、冷卻水溫、機(jī)油壓力和機(jī)油溫度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。利用DF－2420油耗儀記錄燃油消耗量。利用AVL GU13Z－24缸壓傳感器、KISTLER 2614B1角標(biāo)儀、DS－9100燃燒分析儀以及上位計(jì)算機(jī)，對(duì)缸內(nèi)燃燒狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量分析。排放測(cè)量采用HORIBA MEXA－7100DEGR尾氣分析儀。

表1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

試驗(yàn)所用粒徑測(cè)量儀器是EEPSTM（3090）發(fā)動(dòng)機(jī)排氣粒徑譜儀，粒徑測(cè)量范圍為5.6～560nm，采樣頻率為10Hz，濃度測(cè)量范圍在103～107之間［7］。試驗(yàn)中為了避免排氣中高溫高濃度尾氣進(jìn)入EEPSTM粒譜儀導(dǎo)致超出量程范圍并損壞儀器，在微粒測(cè)量過程中需要事先利用排氣稀釋系統(tǒng)將尾氣進(jìn)行稀釋并冷卻，將稀釋后的氣體通入EEPSTM粒譜儀。試驗(yàn)使用二級(jí)稀釋系統(tǒng)［8］，能夠精確控制1～400倍的稀釋比。利用HORIBA尾氣分析儀對(duì)稀釋后CO2和沒經(jīng)稀釋的排氣管中CO2進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算出稀釋比的大小［9］。圖1示出發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架 及測(cè)控系統(tǒng)示意圖。

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)我國排放法規(guī)［10］要求的測(cè)試循環(huán)以及車輛各擋速比和行駛阻力（空氣阻力、摩擦阻力）等，可以計(jì)算并統(tǒng)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)各工況的工作時(shí)間。結(jié)果表明，在1180s的1個(gè)循環(huán)內(nèi)，汽車的車速在0～120km／h之間，除怠速外，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1964～2805r／min的范圍內(nèi)，其中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1964～2194r／min范圍內(nèi)時(shí)間最長，持續(xù)了253s，因此確定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2000r／min作為試驗(yàn)工況。在此工況下的噴油時(shí)刻為壓縮上止點(diǎn)前320°，節(jié)氣門開度為15%，空燃比為14.7，稀釋比為200，點(diǎn)火時(shí)刻依次為壓縮上止點(diǎn)前1°，6°，11°，17°和23°，測(cè)量和分析不同點(diǎn)火提前角對(duì)直噴汽油機(jī)燃燒及微粒排放特性的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 缸內(nèi)燃燒分析

圖2至圖4分別示出不同點(diǎn)火正時(shí)對(duì)缸內(nèi)壓力、放熱率和缸內(nèi)溫度的影響規(guī)律。由圖可見，隨著點(diǎn)火正時(shí)的推遲，缸內(nèi)最高壓力與放熱率的峰值都降低，并且隨點(diǎn)火正時(shí)的提前，缸內(nèi)最高壓力和峰值放熱率對(duì)應(yīng)的相位提前。這說明，隨著點(diǎn)火正時(shí)的推遲，缸內(nèi)溫度下降且最高溫度峰值相位后移，但燃燒后期的溫度卻逐漸增加。分析原因：1）隨著點(diǎn)火定時(shí)的推遲，缸內(nèi)混合氣在膨脹沖程中燃燒的比例增加，由于大部分混合氣在膨脹沖程中燃燒，活塞的下行增加了火焰的傳播距離，不利于火焰的快速傳播，從而導(dǎo)致缸內(nèi)放熱速度變慢；壓縮上止點(diǎn)后燃燒氣體所做膨脹功逐漸減小［11］，所以缸內(nèi)峰值壓力也逐漸降低；2）由于點(diǎn)火推遲，燃燒放熱就會(huì)推遲，所以最后的排氣溫度隨點(diǎn)火的推遲而升高。

2.2 微粒排放粒徑分布規(guī)律分析

圖5示出直噴汽油機(jī)不同點(diǎn)火提前角下不同粒徑微粒數(shù)量濃度分布。試驗(yàn)結(jié)果表明，在點(diǎn)火提前角從壓縮上止點(diǎn)前1°變?yōu)閴嚎s上止點(diǎn)前23°的過程中，排氣微粒數(shù)量濃度分布曲線形狀特征沒有明顯變化，都是呈現(xiàn)核模態(tài)和初始微粒的雙峰分布，同時(shí)各點(diǎn)火提前角下核模態(tài)峰值粒徑基本相同，初始顆粒峰值粒徑基本相同，只是微粒數(shù)量濃度不同。在點(diǎn)火提前角從壓縮上止點(diǎn)前1°變?yōu)閴嚎s上止點(diǎn)前11°的過程中，總微粒數(shù)量濃度逐漸增加；在點(diǎn)火提前角從壓縮上止點(diǎn)前11°變?yōu)閴嚎s上止點(diǎn)前23°的過程中，總微粒數(shù)量濃度逐漸減少。

圖6示出不同點(diǎn)火正時(shí)下總核模態(tài)、總積聚態(tài)和總微粒對(duì)數(shù)數(shù)量濃度（dN／dlogDp）統(tǒng)計(jì)。由圖6可知，隨點(diǎn)火提前角的增大，總核模態(tài)數(shù)量和總微粒數(shù)量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，而總積聚模態(tài)微粒數(shù)量呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì)，但變化不明顯。分析原因：1）當(dāng)點(diǎn)火提前角由壓縮上止點(diǎn)前1°變?yōu)?1°時(shí)，此時(shí)對(duì)微粒的產(chǎn)生起主要影響作用的是缸內(nèi)溫度，當(dāng)點(diǎn)火提前時(shí)，由圖4可知缸內(nèi)的燃燒溫度增加，在較高的燃燒溫度下，微粒增加，從而會(huì)產(chǎn)生較多的核模態(tài)微粒。2）在壓縮上止點(diǎn)前1°到11°的區(qū)間內(nèi)，點(diǎn)火提前角增加時(shí)，排氣溫度降低，不利于微粒的后期氧化，因此，在該種情況下，點(diǎn)火提前角增加時(shí)，微粒前期生成多而后期氧化少，導(dǎo)致隨點(diǎn)火提前微粒數(shù)呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。3）在上止點(diǎn)前11°到上止點(diǎn)前23°的范圍內(nèi)，微粒數(shù)量隨著點(diǎn)火提前而減少，原因是此時(shí)缸內(nèi)混合氣的燃燒主要集中在壓縮上止點(diǎn)前，對(duì)缸內(nèi)的后燃現(xiàn)象起到明顯的改善作用，從而導(dǎo)致微粒濃度降低。4）微粒的總數(shù)量濃度主要由核態(tài)決定，其數(shù)量濃度占微粒數(shù)總濃度的90%以上，因此，微粒的總數(shù)量濃度與總核模態(tài)的變化趨勢(shì)是一致的，都是先增加后減少。5）總積聚態(tài)微粒數(shù)量變化不明顯，首先從微粒的生成機(jī)理來看，核態(tài)微粒主要由揮發(fā)有機(jī)物（Volatile Organic Compounds）、半 揮 發(fā) 性 有 機(jī) 物 （Semi－volatile Organic Compounds）、含硫化合物、固體單質(zhì)碳及金屬鹽類組成，這種形態(tài)的微粒數(shù)量濃度隨溫度、稀釋比和駐留時(shí)間的不同會(huì)有很大的變化。而積聚態(tài)微粒主要由燃燒過程中形成的無定形碳及吸附在它表面的碳?xì)浠衔锖蜕倭繜o機(jī)化合物構(gòu)成，以團(tuán)聚物的形式存在，這部分微粒數(shù)量濃度一般比較穩(wěn)定，在試驗(yàn)中表現(xiàn)的可重復(fù)性很好［12］。由此可知積聚態(tài)微粒的生成不僅要看核模態(tài)微粒的數(shù)量，也要看在不同點(diǎn)火時(shí)刻生成的HC的量。由圖7可看出，隨著點(diǎn)火提前，HC體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，所以積聚態(tài)粒子的數(shù)量濃度不會(huì)簡單地跟核模態(tài)粒子的數(shù)量濃度呈現(xiàn)先增加后減少的現(xiàn)象。例如在壓縮上止點(diǎn)前11°，此時(shí)缸內(nèi)生成的核模態(tài)粒子最多，由于此時(shí)缸內(nèi)生成的HC量是最少的，大量的核模態(tài)粒子無法吸附足夠的HC生成積聚態(tài)粒子，因此，此時(shí)聚集態(tài)粒子的生成量是最少的。但是HC生成量變化小，因此積聚態(tài)微粒的變化趨勢(shì)也不明顯。

綜上所述，在保證GDI汽油機(jī)動(dòng)力輸出的同時(shí)，合理優(yōu)化點(diǎn)火定時(shí)可以降低GDI汽油機(jī)微粒物排放。

3 結(jié)論

a）點(diǎn)火提前角對(duì)GDI汽油機(jī)缸內(nèi)的燃燒有很大影響，隨點(diǎn)火正時(shí)的推遲，缸內(nèi)的最高溫度、最高放熱率和最高壓力都有所下降，但是排氣溫度升高；

b）GDI汽油機(jī)排氣微粒物在核態(tài)區(qū)域呈現(xiàn)雙峰分布，隨點(diǎn)火正時(shí)的提前，總積聚模態(tài)微粒數(shù)量濃度先減少后增加但變化不明顯，總微粒數(shù)量和總核模態(tài)數(shù)量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)。

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