點火時刻對怠速工況缸內(nèi)直噴汽油機微粒排放特性的影響

鐘兵,洪偉,蘇巖,解方喜,婁子睿,許允

(1.吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點實驗室,130025,長春;2.一汽轎車股份有限公司,130012,長春)

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點火時刻對怠速工況缸內(nèi)直噴汽油機微粒排放特性的影響

鐘兵1,洪偉1,蘇巖1,解方喜1,婁子睿2,許允1

(1.吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點實驗室,130025,長春;2.一汽轎車股份有限公司,130012,長春)

為研究缸內(nèi)直噴(GDI)汽油機典型工況、怠速工況時的微粒排放特性,在一臺4G15缸內(nèi)直噴汽油機上,通過控制冷卻液溫度為(80±1) ℃、噴油時刻為上止點前310°、過量空氣系數(shù)為1,研究了點火時刻對缸內(nèi)直噴汽油機怠速工況微粒粒徑分布特性的影響。結(jié)果表明:微粒數(shù)量濃度和表面積濃度隨著點火時刻的提前而增加;微粒數(shù)量濃度隨粒徑分布呈單峰狀態(tài),核模態(tài)微粒數(shù)量濃度粒徑分布峰值很小且不明顯,積聚模態(tài)微粒數(shù)量濃度明顯高于核模態(tài)微粒數(shù)量濃度;微粒的體積濃度隨點火時刻的提前而增大,核模態(tài)微粒體積濃度占總體積濃度的比例隨點火時刻的提前而減小。

直噴汽油機;點火時刻;微粒排放;怠速

進氣道噴射(PFI)火花塞點火汽油機具有噪聲低、NOx和微粒排放低以及快速起動等優(yōu)點,因此在乘用車上得到了廣泛應(yīng)用。與柴油機相比,PFI發(fā)動機燃油經(jīng)濟性較差[1],如果結(jié)合二者的優(yōu)點,缸內(nèi)直噴(GDI)汽油機將得到長足發(fā)展。

GDI發(fā)動機是將燃油直接噴入缸內(nèi),通過精確控制燃油噴射量可降低燃油消耗量,提高輸出功率[1],因此GDI發(fā)動機廣泛應(yīng)用于乘用車[2]。與PFI汽油機相比,GDI發(fā)動機是將燃油直接噴入缸內(nèi),從而造成霧化不良、燃油濕壁等現(xiàn)象,特別是怠速工況下具有較高的微粒排放。所以,對于長期在市區(qū)行駛的汽車來說,研究GDI發(fā)動機怠速過程中的微粒排放特性具有十分重要的意義。

本文在一臺GDI發(fā)動機的冷卻水溫度、噴油時刻和過量空氣系數(shù)不變的情況下,研究了怠速工況點火對GDI汽油機微粒排放特性的影響。

1 試驗裝置

1.1 試驗設(shè)備

試驗在一臺4G15 GDI汽油機上進行,發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)包括排量1.468 L、缸徑77.5 mm、行程82 mm、壓縮比11、最大功率73 kW(6 000 r/min)。選用長春第一光學(xué)有限公司生產(chǎn)的WYCH21A3型光電信號編碼器采集曲軸轉(zhuǎn)角信號,采用瑞士奇石樂(Kistler)的6117B缸壓傳感器測量缸內(nèi)壓力,采用北京瑞博華公司的RBT5300數(shù)據(jù)采集卡采集信號,利用80C196kc單片機對發(fā)動機噴油和點火進行控制,采用美國TSI公司生產(chǎn)的微粒粒徑譜儀EEPSTM3090測量發(fā)動機尾氣微粒粒徑分布。此外,設(shè)計制造了針對本發(fā)動機的溫控系統(tǒng),可以控制冷卻液的溫度范圍為0～115 ℃。發(fā)動機測試臺架布置如圖1所示。

圖1 發(fā)動機測試臺架布置

GDI汽油機排氣中的微粒數(shù)量濃度較高[3],如不進行稀釋直接使用微粒粒徑譜儀測量,會超出測量量程而導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)故障。根據(jù)微粒測量法規(guī)及EEPSTM3090對取樣溫度的要求,必須將取樣氣體溫度降低到52 ℃以下。本試驗中使用的稀釋系統(tǒng)能夠充分滿足測量儀器和測量法規(guī)對測量條件的要求,保證微粒粒徑測量的準確性。稀釋風(fēng)洞系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 稀釋風(fēng)洞系統(tǒng)

1.2 試驗方法

試驗中始終控制過量空氣系數(shù)Φa=1,噴油時刻為進氣行程上止點前310°,冷卻水溫為(80±1) ℃。當轉(zhuǎn)速為800 r/min時,點火時刻分別控制在壓縮上止點前(BTDC)0°、5°、10°、15°、20°,用EEPS采集、記錄數(shù)據(jù),以分析這一工況下點火時刻對微粒排放特性的影響。當發(fā)動機轉(zhuǎn)速分別為1 000 r/min和1 200 r/min時,重復(fù)上述試驗,根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析不同工況下點火時刻對微粒的影響。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 微粒粒徑分布特性

噴油時刻在上止點前310°、過量空氣系數(shù)為1.0以及不同點火時刻下微粒數(shù)量濃度dN/d(lgDp)(N為微粒數(shù)量)隨微粒粒徑Dp的變化如圖3所示。

內(nèi)燃機排氣中出現(xiàn)的顆粒是燃料在燃燒過程中經(jīng)歷了成核、生長和氧化過程[4]后形成的。燃料在高溫中經(jīng)過裂解或氧化裂解形成顆粒核心(成核),成核后又經(jīng)歷了表面增長和凝聚2個過程。當顆粒物生長到某一尺寸時,增長速度急劇下降,且以積聚的方式形成鏈狀結(jié)構(gòu)物。這一過程伴隨著顆粒的氧化,因此排氣中顆粒的量是顆粒生成和氧化競爭的結(jié)果[5]。

從圖3可以看出,不同點火時刻GDI發(fā)動機微粒粒徑分布成單峰態(tài),相對積聚模態(tài)微粒(50 nm

噴油時刻為上止點前310°、過量空氣系數(shù)為1.0、轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時,點火時刻于上止點前5°時微粒數(shù)量濃度峰值為1.25×108cm-3,點火時刻于上止點前20°時微粒數(shù)量濃度峰值為3.05×108cm-3。

(a)800 r/min

(b)1 000 r/min

(c)1 200 r/min圖3 噴油時刻在上止點前310°、過量空氣系數(shù)為1.0以及不同點火時刻下微粒數(shù)量濃度隨粒徑的變化

可見,隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高,微粒數(shù)量濃度峰值增大,這是由發(fā)動機轉(zhuǎn)速升高、燃燒持續(xù)期縮短、燃油霧化和油氣混合時間縮短、微粒生成增多[1]所致。

分析可知,4G15 GDI發(fā)動機在上止點前310°噴油,如果缸內(nèi)形成均質(zhì)混合氣后在壓縮上止點附近點火燃燒,那么隨著點火時刻的提前,缸內(nèi)混合氣提前燃燒,從而造成缸內(nèi)最高壓力和溫度升高。缸內(nèi)最大溫度升高會導(dǎo)致微粒成核速率提高,形成核膜態(tài)微粒數(shù)量增多。缸內(nèi)溫度高對微粒和HC的后期氧化不利,使得HC排放量增多,進而顆粒可在膨脹和排氣過程中吸附更多的HC,最終導(dǎo)致核膜態(tài)微粒數(shù)量濃度升高。點火時刻提前使得空氣和燃油的混合時間縮短,從而造成燃油霧化不良,進而促使微粒數(shù)量濃度呈現(xiàn)增加的態(tài)勢。積聚模態(tài)微粒基本上是固態(tài)的,而核膜態(tài)是液態(tài)或半固態(tài)。固態(tài)在高溫下形成,需要在更高溫度下氧化,所以不可能在排氣過程氧化。點火時刻提前,缸內(nèi)溫度提高,由此促進了固態(tài)形成。所以,點火提前,顆粒濃度增大,積聚模態(tài)濃度增大。

2.2 微粒數(shù)量、表面積濃度特性

微粒數(shù)量和表面積濃度隨點火時刻的變化歷程如圖4和圖5所示。

隨著點火時刻的提前,微粒的表面積濃度變化規(guī)律同數(shù)量濃度變化規(guī)律一致,缸內(nèi)最高溫度升高導(dǎo)致核態(tài)微粒數(shù)量增多。固態(tài)的積聚模態(tài)微粒在高溫環(huán)境中生成,其氧化需要更高的溫度,因此在膨脹和排氣過程中不可能生成積聚模態(tài)微粒,該微粒主要是在燃燒過程中形成。點火時刻提前,缸內(nèi)溫度升高,積聚模態(tài)微粒生成速率提高,而微粒的表面積濃度主要是由積聚態(tài)微粒的表面積濃度體現(xiàn)的,最終積聚模態(tài)表面積濃度隨著點火時刻的推移而增大。

2.3 微粒體積濃度特性

微粒的體積濃度隨著點火提前角的增加而增大,尤其是積聚模態(tài)微粒的特征更加明顯,點火提前角在上止點前10°、15°、20°時,積聚模態(tài)微粒的體積濃度相對上止點前0°、5°高,尤其比上止點前0°高出一個數(shù)量級。

(a)800 r/min

(b)800 r/min

(c)1 000 r/min

(d)1 000 r/min

(e)1 200 r/min

(f)1 200 r/min

(a)800 r/min

(b)800 r/min

(c)1 000 r/min

(d)1 000 r/min

(e)1 200 r/min

(f)1 200 r/min

(a)800 r/min

(b)800 r/min

(c)1 000 r/min

(d)1 000 r/min

(e)1 200 r/min

(f)1 200 r/min

核模態(tài)微粒的體積濃度相對較小,隨著點火時刻的提前,核模態(tài)微粒體積濃度占總體積濃度的比例逐漸下降,當過量空氣系數(shù)為1.0、轉(zhuǎn)速為1 200 r/min時,核模態(tài)微粒的體積濃度百分比由15.38%下降到0.79%,降幅達94.8%。這是因為核模態(tài)微粒的單個體積相對較小,當基礎(chǔ)炭粒吸附于未燃HC后在基礎(chǔ)炭粒表面形成油膜,表面活性增強,加之此時缸內(nèi)溫度較高,更容易發(fā)生聚合反應(yīng)而形成直徑較大的積聚模態(tài)微粒[6],最終核模態(tài)微粒明顯減少。

3 結(jié) 論

本文在一臺4G15發(fā)動機上進行了試驗,冷卻液溫度為(80±1) ℃,噴油時刻在上止點前310°,過量空氣系數(shù)為1.0。試驗中使用EEPS采集、記錄數(shù)據(jù),由此研究了不同點火時刻對怠速工況GDI發(fā)動機微粒排放特性的影響,結(jié)論如下。

(1)不同點火時刻GDI汽油機微粒數(shù)量濃度粒徑呈單峰分布。積聚模態(tài)微粒粒徑分布峰值明顯大于核模態(tài)微粒粒徑。

(2)微粒表面積濃度與數(shù)量濃度變化規(guī)律一致,積聚模態(tài)微粒的單位體積表面積隨著點火提前角的增加而增大。

(3)微粒的體積濃度隨點火時刻的提前而增大,點火時刻在上止點前20°時,積聚模態(tài)微粒的體積濃度比上止點前0°高出一個數(shù)量級。

(4)微粒的表面積濃度和體積濃度主要由積聚模態(tài)微粒體現(xiàn),核模態(tài)上述2個濃度較小且隨著點火時刻的提前進一步減小。

[1] HEEJE S, KYEONG L, SEUNGMOK C. Effects of engine operating parameters on morphology of particulates from a gasoline direct injection (GDI) engine, SAE 2013-01-2574 [R]. Washingdon DC, USA: SAE, 2013.

[2] ZHAO F, LAI M C, HARRINGTON D L. Automotive spark-ignited direct-injection gasoline engines [J]. Progress in Energy and Combustion Science, 1999, 25: 437-562.

[3] SEONG H J, LEE K, CHOI S. Effects of engine operating parameters on morphology of particulates from a gasoline direct injection (GDI) engine, 2013-01-2574 [R]. Washington DC, USA: SAE, 2013.

[4] 原達. 缸內(nèi)直噴(GDI)汽油機微粒排放粒徑分布特性研究 [D]. 天津: 天津大學(xué), 2012

[5] KAYES D, HOCHGREB S. Mechanisms of particulate matter formation in spark-ignition engines: 1 Effect of engine operating conditions [J]. Environmental Science & Technology, 1999, 33(5): 3957-3967.

[6] 周松. 內(nèi)燃機排放與污染控制 [M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2010.

(編輯 苗凌)

Effects of Ignition Timing on Particulate Emission in Idling for Gasoline Direct Injection Engine

ZHONG Bing1,HONG Wei1,SU Yan1,XIE Fangxi1,LOU Zirui2,XU Yun1

(1. State Key Laboratory of Automobile Simulation and Control, Jilin University, Changchun 130025, China; 2. First Automobile Workshop Car Co. Ltd., Changchun 130012, China)

To investigate the particle emission characteristics in idling condition for GDI (gasoline direct injection) engine, a 4G15 GDI engine was chosen as the test bed to reveal the effects of ignition timing on particle size distribution in idling in the cases of coolant temperature of (80±1) ℃, injection timing of 310° CA (crank angle) BTDC (before top dead center) and excess air ratio around 1.0. The results show that the particulate number and surface area concentration increase with the advancing ignition timing; the size of particle number concentration behaves as a unimodal distribution while the size peak of nucleation mode is lower and obscure and the number of accumulation mode particles reaches obviously higher than nucleation mode particles. The particle volume concentration increases with the advancing ignition while the volume concentration ratio of nucleation mode particle in total volume concentration decreases with the advancing ignition.

gasoline direct injection engine; ignition timing; particulate emission; idling condition

2014-07-02。 作者簡介:鐘兵(1989—),男,博士生;蘇巖(通信作者),男,副教授。 基金項目:國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃資助項目(2012AA111702);國家自然科學(xué)基金資助項目(51276080);中國博士后科學(xué)基金項目(2013M540250)。

時間: 2015-01-05

網(wǎng)絡(luò)出版地址: http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150105.0843.001.html

10.7652/xjtuxb201503006

TK41

A

0253-987X(2015)03-0032-06