喷油策略对汽油压燃颗粒物排放特性的影响

时间：2019年03月29日分类：推荐论文次数：

摘要：在一台单缸柴油机上研究了喷油参数(预主喷间隔角、预喷比例、主喷时刻和喷油压力等)对汽油压燃(gasolinecompressionignition，GCI)颗粒物排放特性的影响。研究结果表明：喷油策略对缸内油气混合及进一步对燃烧过程的影响是其影响颗粒物排放特性的主要

　　摘要：在一台单缸柴油机上研究了喷油参数(预主喷间隔角、预喷比例、主喷时刻和喷油压力等)对汽油压燃(gasolinecompressionignition，GCI)颗粒物排放特性的影响。研究结果表明：喷油策略对缸内油气混合及进一步对燃烧过程的影响是其影响颗粒物排放特性的主要因素。在设定的研究工况下，随预主喷间隔角增大，积聚态颗粒数量浓度下降，但核态颗粒数量浓度基本不变，颗粒物中的核态和超细颗粒比例明显升高;增大预喷比例，核态颗粒和积聚态颗粒数量浓度均大幅降低，颗粒物中的核态和超细颗粒比例变化较小;主喷时刻提前，颗粒物数量浓度下降，平均粒径减小，数量浓度峰值向小粒径方向偏移;提高喷油压力可有效降低积聚态颗粒数量浓度，缩小缸内生成颗粒物的粒径范围，但对核态颗粒的数量浓度影响较小。

　　关键词：汽油压燃,喷油策略,颗粒物,粒径,数量浓度

内燃机工程

　　柴油机高压缩比、压燃燃烧的工作特点使其具有热效率高、燃油经济性好的优势，但传统柴油机的柴油喷雾扩散燃烧方式会使缸内产生局部过浓和高温区域，因此颗粒物和NOx排放较高。《中国机动车管理年报(2017)》指出，柴油车排放的NOx占汽车排放总量的70%，颗粒物排放更是超过90%。柴油机颗粒物对大气环境和人体健康都具有重大危害，其成分中有多种致癌物，同时也被认为是造成中国大规模雾霾的主要原因之一[1-3]。

　　世界各国都制定了相应的排放法规限制颗粒物排放，关于颗粒物排放特性的研究也受到了越来越多的重视。柴油机排放的颗粒物按粒径(DP)的大小分为纳米微粒(粒径<50.0nm)、超细微粒(50.0mm≤粒径<100.0nm)、细微粒(100.0nm≤粒径<2.5μm)和其余PM10微粒(粒径<10.0μm)4个区域。按照形态的区别可分为核态微粒(1nm≤尺寸范围≤50nm)、积聚态微粒(50nm≤尺寸范围为≤500nm)。发动机的运转条件和控制参数等都会显著影响颗粒物的生成和氧化历程，从而对包括粒径、数量浓度等在内的颗粒物特性产生重要影响[4-7]。

　　文献[8]研究了不同转速、空燃比及废气再循环(EGR)率对柴油机颗粒物排放的影响。试验结果表明，提高发动机转速和空燃比能有效减小颗粒物平均粒径，但不同EGR率下的颗粒物数量浓度分布变化不明显。文献[9]研究了喷射时刻对颗粒物数量浓度分布的影响，发现推迟喷射时刻能够减少核态颗粒的数量浓度，但积聚态微粒和大粒径颗粒数量浓度升高。燃料特性也显著影响着柴油机的燃烧和颗粒物排放[10]。

　　文献[11-12]研究发现，采用汽柴油混合燃料时，颗粒物的几何平均粒径相比纯柴油明显降低，颗粒浓度随负荷增大而升高;随汽油掺入比例增大，积聚态微粒的浓度增加程度减慢。当采用正丁醇和柴油混合燃料时，随着预主喷间隔角增大，颗粒物浓度先增大后明显降低，当预主喷间隔角大于20°后，继续增大间隔角对颗粒物排放降低作用不明显。文献[13]在一台4缸柴油机上采用体积分数为80%汽油和20%柴油混合燃料进行研究，发现提高喷射压力可以减少核态和积聚态颗粒数量，颗粒数量浓度峰值向小粒径方向偏移。EGR率增大时，微粒数量增多，颗粒数量浓度峰值向大粒径方向偏移。

　　上述相关研究表明，喷油和EGR等控制策略及燃料特性优化具有改善柴油机颗粒物排放的潜力。与此同时，为实现柴油机高效清洁燃烧，满足未来更为严苛的法规要求，国内外研究者在内燃机新型燃烧理论和技术方面也开展了大量研究，提出了均质压燃、预混压燃、部分预混燃烧等一系列以低温燃烧为主要特征的新型燃烧模式。这些新型燃烧方式实现高效清洁燃烧的核心在于通过油气混合控制，实现燃烧反应路径的控制。汽油燃料相比柴油燃料具有辛烷值高、挥发性好，更利于缸内油气混合的特点。

　　此外，汽油压燃(gasolinecompressionignition，GCI)通过缸内燃油喷射策略控制可在着火之前形成适当的混合气浓度分层，相比均质压燃燃烧模式而言，具有更好的燃烧可控性和更宽广的运行范围，具有在实际发动机中应用的潜力。因此，GCI在低温燃烧研究中受到了广泛的关注。近年来关于GCI燃烧和排放控制方面的研究取得了较大进展。文献[14]研究发现在-60°(文中曲轴转角正值代表上止点后，负值代表上止点前)喷射54%燃油的同时采用适量EGR，可以在平均指示压力(IMEP)1.656MPa工况下实现低排放及高热效率。

　　文献[15]在轻型多缸柴油机上的研究表明，GCI结合低压EGR可以在实现极低的NOx和碳烟排放的同时，使最高指示热效率达到51.1%。文献[16]在一台改造后的单缸柴油机上研究了进气压力对GCI的影响，结果表明采用燃油早喷、0.12MPa进气压力和较低的内部EGR率可以实现IMEP为0.47MPa下的高效清洁燃烧。欧Ⅵ排放法已明确提出了颗粒物数量排放的限值，但目前针对GCI燃烧模式下的颗粒物浓度分布和粒径等特性的研究还比较缺乏。因此，本文在一台改造的单缸试验发动机上，研究GCI低温燃烧模式下喷油策略对颗粒物排放特性的影响规律，填补了GCI模式下颗粒物排放特性研究方面的空白，为实现汽油压燃清洁燃烧提供了参考依据。

　　1试验装置与研究方法

　　1.1试验装置

　　本试验所用的发动机台架主要包括单缸试验用发动机、测功机、进气温度控制系统、模拟进气增压系统、高压共轨燃油喷射系统、缸压采集和分析系统等部分。试验用的单缸发动机由一台高压共轨6缸柴油机改造而来，第6缸配有独立的进排气系统、EGR系统和燃油喷射系统。喷射时刻、喷射压力、喷射油量和喷射次数等参数可以通过发动机电控系统精确控制。

　　采用Kistler6125C缸压传感器来测量缸内压力信号，并使用Kistler5018电荷放大器将缸压传感器的电荷信号转换为电压信号输送到数据采集和燃烧分析系统。本试验采用美国TSI公司生产的发动机尾气颗粒粒径分析仪EEPS3090对颗粒物进行粒径和数量浓度的测试分析。该粒径分析仪有32个数据通道和22个电量检测器，能够在1s内检测10次颗粒物的分布数据，检测时间短;可以测量5.6nm～560.0nm粒径范围内的颗粒物分布，灵敏度高，可以测量最低200个/cm3的颗粒物浓度。此粒径分析仪通过USB接口将主机与系统计算机相连。

　　1.2试验方法

　　本试验探讨喷油策略对GCI颗粒物排放特性的影响，工况条件如表3所示。首先选定预喷油量比例为20%，主喷时刻为-5°，喷油压力为80MPa，比较了预主喷间隔角分别为20°、30°、50°、70°时的GCI颗粒物排放特性;之后选定预主喷间隔角为30°，主喷时刻为-5°，喷油压力为80MPa，比较了不同预喷比例(10%、20%、30%)对GCI颗粒物排放特性的影响;进而设定预喷油量为20%，预主喷间隔角为30°，喷油压力为80MPa，比较了不同主喷时刻(-2°、-5°、-7°、-9°)对GCI颗粒物排放的影响;最后比较了预喷比例20%、预主喷间隔角30°、主喷时刻-5°时，不同喷油压力(80、100、120MPa)对GCI颗粒物排放特性的影响。

　　2试验结果与分析

　　2.1预主喷间隔对颗粒物排放特性的影响

　　随着预主喷间隔角增大，着火时刻推迟，缸压曲线和放热率曲线都向后推移，缸压峰值基本保持不变，放热率峰值先升高后基本不变。当预主喷间隔角为20°时，放热率曲线有预喷燃油放热、主喷燃油预混放热和扩散燃烧3个峰值。这是因为预主喷间隔较小时，预喷更接近上止点，预喷燃油和空气容易形成自燃着火的混合气，因此预喷燃油放热比较集中，表现出较明显的预喷放热率峰值;随预主喷间隔角增大，预喷燃油形成较稀的混合气，预喷放热减缓。

　　随预主喷间隔增大，滞燃期延长，在主喷放热推迟和放热速率加快的综合影响下，放热重心(即燃烧累计放热量50%对应的曲轴转角，记为CA50)有所提前但变化较小，燃烧持续期缩短，缸内最高温度(Tmax)升高，且由于混合气与氧气的接触时间更长，造成NOx排放上升。随预主喷间隔角增大，缸内局部形成过稀混合气，导致生成的未燃碳氢增多。

　　可以看出发动机排放的颗粒物粒径基本小于300nm，数量浓度峰值对应粒径在45～61nm范围内，数量浓度分布曲线呈单峰形态。随预主喷间隔角增大，总颗粒物数量浓度减小，核态颗粒数量浓度变化很小，积聚态颗粒数量浓度大幅下降，颗粒物数量浓度峰值向粒径减小方向偏移。这是因为预喷时刻较早时，预喷燃油混合时间长，混合更均匀，预喷放热少，其对缸内温度和压力的提升作用减小，导致主喷滞燃期延长，主喷燃油与空气的混合也得到了改善，因此总颗粒物数量浓度下降。

　　同时预混燃烧所占比例增大，主燃烧速率加快，燃烧持续期缩短，扩散燃烧比例减小，抑制了积聚态颗粒物的生成。由于随预主喷间隔增大，CA50更加靠近上止点，缸内压力和燃烧温度也随之升高，大粒径的积聚态颗粒更容易被氧化为小粒径的核态颗粒，此时因氧化效果变好而减少的核态颗粒和因积聚态颗粒氧化生成而增加的核态颗粒数量基本持平，所以核态颗粒的数量浓度随预主喷间隔变化很小。

　　当预主喷间隔由20°增大到70°时，总颗粒物数量浓度下降了35.0%，核态颗粒数量浓度仅仅下降了7.1%，而积聚态颗粒浓度下降达47.7%，颗粒物平均粒径由67.5nm下降至49.8nm。这是由于核态颗粒数量浓度变化很小，全粒径范围内总颗粒数量浓度的减小致使核态颗粒数量比例升高，超细颗粒数量比例增大，导致颗粒平均粒径减小。

　　2.2预喷比例对颗粒物排放特性的影响

　　随着预喷比例的增大，预喷放热增多，主喷放热时刻提前，放热率峰值减小，而缸压快速上升的位置提前，缸压峰值增大。预喷比例增大，CA50更靠近上止点，缸内温度升高，滞燃期缩短。这是因为预喷比例越大，主喷前预喷燃油放热量越多，主喷时缸内的温度、压力升高，着火时刻提前，燃烧相位前移，更接近上止点的燃烧过程致使缸内整体温度更高，且预喷比例增大导致与氧气充分接触的混合气增多，造成了更高的NOx排放。由于预喷比例增大后预喷燃油在上止点前放热较多，导致压缩负功增大，指示热效率下降。

　　可以看出，颗粒物粒径大部分都处于0～300nm范围内，数量浓度分布呈单峰形态。随着预喷比例的增大，颗粒物排放数量减少，数量浓度峰值向小粒径方向偏移，且预喷比例越大，对于颗粒物数量浓度的降低效果越明显。与图5不同预主喷间隔对核态颗粒物浓度的降低效果相比(预主喷间隔从20°增大到70°，核态颗粒浓度仅下降7.4%)，增大预喷比例对核态颗粒浓度的降低效果更加明显(预喷比例从10%增大到30%，核态颗粒数量浓度下降54.7%)。

　　这是因为预喷比例增加，缸内燃烧温度升高幅度更大，更有利于颗粒物后期的氧化。且预喷比例越大，预喷燃油形成的混合气比例就越大，大量减少了缸内的局部过浓区，抑制了碳核的生成，进而显著降低了包括核态颗粒在内的绝大部分颗粒物数量浓度。在预喷比例为30%时，预喷放热量显著增多，CA50更接近上止点，会产生更高的燃烧温度。当预喷比例由10%增加到30%后，缸内最高平均温度由1590K提升至1672K，对缸内颗粒物氧化效果明显增强。

　　随着预喷比例增加，颗粒物数量浓度下降速度加快，预喷比例从10%提高至20%，颗粒物数量浓度下降16.2%;进一步将预喷比例提高至30%，总颗粒物数量浓度下降64.1%，这说明预喷比例从20%增加到30%的过程中缸内氧化速度明显加快。将预喷比例由10%增加至30%后，积聚态颗粒数量浓度下降69.2%，超细颗粒数量浓度降低了62.0%，颗粒物平均直径由66.1nm下降至56.3nm。

　　3结论

　　(1)在汽油压燃高负荷工况，不同喷油策略下的油气混合状态、缸内温度和预混燃烧比例等是影响颗粒物排放特性的主要因素。油气混合越充分，缸内温度越高，预混燃烧比例越大，颗粒物数量浓度下降越明显。

　　(2)预主喷间隔增大有利于降低积聚态颗粒物数量浓度，但是核态颗粒的数量浓度变化很小。预主喷间隔角从20°增大到70°，核态颗粒数量浓度仅仅下降了7.1%，而积聚态颗粒数量浓度下降了47.7%。

　　(3)增大预喷比例可以在全粒径范围明显降低颗粒物的数量浓度。且预喷比例越大，颗粒物数量浓度下降速度越快。

　　(4)主喷时刻提前，总颗粒物数量浓度降低，积聚态颗粒浓度降低幅度相比于核态颗粒更加明显，颗粒物平均粒径减小，核态颗粒和超细颗粒比例升高。

　　(5)提高喷油压力可以显著降低积聚态颗粒物数量浓度，同时核态颗粒物浓度也有一定下降。提高喷油压力可以极大地改善燃油雾化，降低缸内生成颗粒物的粒径范围。随喷油压力提高，小粒径颗粒在总颗粒中所占数量比例增大，核态颗粒占比68.6%，超细颗粒占比达到了93.4%。

　　参考文献：

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　　[2]GOLDSTEINAH，GALBALLYIE.Knownandunexploredorganicconstituentsintheearthsatmosphere[J].EnvironmentalScience&Technology，2007，41(5)：1514-1521.

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　　[5]刘双喜，宁智，付娟，等.柴油机排气微粒冷却演变特性的实验研究[J].环境科学，2007，28(6)：1193-1197.LIUSX，NINGZ，FUJ，etal.Evolutioncharacteristicsofdieselparticlesundercoolingcondition[J].EnvironmentalScience，2007，28(6)：1193-1197.

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　　相关期刊推荐：《内燃机工程》(双月刊)1979年创刊，为专业技术性刊物。刊登各种用途内燃机的科研与技术应用成果，报道重要学术会议消息与动态。

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