缸内直喷汽油机颗粒排放的热物理特性研究

徐长建， 董伟， 于秀敏， 何玲， 孙平， 麻斌

(吉林大学汽车工程学院汽车仿真与控制国家重点试验室， 吉林 长春 130025)



缸内直喷汽油机颗粒排放的热物理特性研究

徐长建， 董伟， 于秀敏， 何玲， 孙平， 麻斌

(吉林大学汽车工程学院汽车仿真与控制国家重点试验室， 吉林 长春 130025)

为了研究缸内直喷汽油机颗粒的热物理特性，基于某发动机试验台架设计了二级热稀释系统。采用EEPS3090粒谱仪对不同稀释比、加热温度、蒸发温度下的颗粒粒径分布和浓度进行了试验研究。试验结果表明：不同稀释比下颗粒数量浓度随粒径的增大呈现对数正态双峰分布，不同加热温度和蒸发温度下颗粒数量浓度随粒径增大呈现三峰分布；较大稀释比对核态数量总浓度影响较大，加热温度高于200 ℃后颗粒数量浓度趋于稳定，蒸发温度对积聚态颗粒有较大影响。

汽油机； 缸内直喷； 颗粒； 粒径； 浓度

随着电控技术的发展和排放法规的日益严格，缸内直喷汽油机(GDI)成为研究热点[1-2]。与传统进气道喷射汽油机相比，缸内直喷汽油机将汽油直接喷射到气缸内，可以实现更加灵活、精确的空燃比控制，提高了燃油经济性，但是缩短了燃油与空气混合的时间，同时燃油喷射到气缸壁和活塞顶部造成湿壁以及局部的混合不均匀现象，增加了颗粒排放[3-4]。在欧Ⅴ排放法规中已经将直喷汽油机颗粒排放纳入法规测试要求[5]。

发动机排气颗粒是指在大气条件下排气各组分中除了水以外的任何类型的分散物质[6]。发动机排气颗粒根据粒径不同划分为3类，即核态颗粒(Dp<50 nm)、积聚态颗粒(50 nm1 000 nm)，其中排气超细颗粒由核态和积聚态两部分构成[7]。颗粒粒径越小，对人体的危害越大，能引发心血管疾病和癌症，对人体的危害可能超过交通事故，因此对颗粒排放特性的研究显得尤为迫切[8-10]。核态颗粒主要是由挥发性、半挥发性有机物，含硫化合物，固体单质碳以及金属盐类组成。积聚态颗粒主要是不完全燃烧形成的碳粒通过吸附碳氢化合物等其他化合物凝结形成，它以团聚物的形式存在[11]。研究表明，纳米颗粒稳定性很差，特别是核态颗粒的物理结构显著被周围环境影响，例如，稀释温度、稀释比、停留时间、空气湿度等[12]。Jaime 等研究了稀释比对颗粒的热物理特性影响，发现随着稀释比的减小，颗粒的平均几何直径会增大[13]。Imad A. Khalek等人研究表明，不同的取样条件和稀释系统选择会对颗粒的浓度和尺寸分布特征有较大的影响[14]。

国Ⅴ排放法规对挥发性粒子去除器设计有明确要求，去除器由初级粒子稀释装置(PND1)、蒸发管(ET)、次级稀释装置(PND2)串联组成[15]。PND1壁温要求在150～400 ℃之间，且不高于PND2壁温。本研究结合国Ⅴ排放法规，自行设计了一套部分流稀释系统，通过测量稀释比、稀释温度、蒸发温度对颗粒的浓度和粒径分布的影响来研究颗粒排放的热物理特性。

1 试验设备及方案

1.1 试验设备

试验选用的是某1.8 L直喷增压发动机，增压方式为涡轮增压，该发动机采用顶置凸轮轴技术并带有可变配气正时技术，其主要技术参数见表1。

试验台架见图1。测功机为CW160，通过测功机控制系统控制发动机的工作状态并实时监测发动机的进气温度、机油温度、水温等运行参数。λ传感器为LAMBDA.LA4，配合宽域氧传感器LSU4.2对发动机空燃比进行控制。排放测量设备采用MEXA-7100DERG尾气分析仪,可以测量排放的CO，HC，NOx浓度，同时测量稀释后和稀释前CO2浓度来计算稀释比。粒径测量仪器为EEPS3090排放颗粒物粒谱仪，其主要功能是测量发动机尾气颗粒物浓度以及颗粒的粒径分布，其测量范围是5.6～560 nm,能在1 s内提供10组颗粒物分布。为满足粒谱仪对排气温度和颗粒浓度的要求，发动机排出的废气需要通过排气稀释系统稀释，再进入粒谱仪。发动机控制系统采用课题组自主研发的ECU，该ECU为基于具备协处理器的MC9SXDP512系列单片机自主研发的控制单元。喷油驱动电路采用PEAK-HOLD电流模式，驱动电流芯片采用意法公司生产的L9707，采用DC/DC变换，电压范围达到40～70 V[16]。

表1 试验发动机主要参数

国Ⅴ排放法规中针对粒子数量排放的测量推荐了一套采用三级稀释的稀释取样系统，第一级稀释为全流稀释，发动机全部尾气和空气在传输通道内混合，然后在传输通道上进行取样。本试验所用的部分流稀释系统为自行设计的二级热稀释系统(见图2)，与推荐系统的区别是在发动机排气管上直接进行取样，为了保持尾气中颗粒的稳定性，对传输通道进行了加热控制，同时满足法规中要求的在传输通道中的停留时间。因为每次测量时稀释通道的加热温度和蒸发温度不能保持绝对相同，导致测量有误差，其范围在5%以内，满足法规要求。

本稀释系统中发动机尾气经过调节阀门和风机送入的空气一起经过文丘里管进入第一级稀释通道，经过加热和蒸发后和空气一起进入第二级稀释通道，最后被风机抽出，粒谱仪和CO2分析仪在第二级稀释通道后部取样尾气。为保证热稀释的稳定性，自行设计一套智能温控系统，使加热温度(PND1壁温)、蒸发温度(ET壁温)在100～400 ℃范围内可调。每一级稀释系统都有一个可自由调节的阀门，第一级阀门控制进入传输通道的尾气，第二级阀门可以控制进入的新鲜空气量，两级稀释的最高稀释比可达1 500。第二级稀释通道在室温环境下，可以确保进入尾气分析仪的气体温度低于35 ℃，其设计长度满足气体停留时间的要求。稀释气体采用经过净化后的干燥洁净空气，其颗粒浓度相对于被稀释后的尾气可以忽略不计，故不考虑空气与尾气中颗粒的相互反应。文中的颗粒数量和质量浓度数值都是乘以对应稀释比之后的发动机尾气中的颗粒浓度，其颗粒质量浓度根据颗粒数量浓度计算得出，其公式为

式中：Dp为颗粒的平均几何直径；ρ为颗粒密度。

1.2 试验方法

根据排放法规和车辆传动系统的相关参数要求，发动机转速定为1 500 r/min，扭矩为60 N·m。在此工况下，喷油时刻为310°BTDC,点火时刻为22°BTDC, 空燃比为14.7。加热温度在250 ℃左右时，可以保持挥发性和半挥发性组分的稳定性，蒸发温度在300～350 ℃时可以保持颗粒数量浓度和质量浓度的稳定性，所以测量稀释比对颗粒的浓度及粒径的影响时，一级加热温度定为260 ℃，蒸发温度为350 ℃，二级稀释系统的温度为室温，稀释比为780，530，300，240，170，90。在测量蒸发温度和加热温度对颗粒浓度和粒径的影响时，稀释比在250左右时颗粒数量浓度和质量浓度变化不大，颗粒测量的结果稳定，稀释比定为250，依次测量蒸发温度为300 ℃，350 ℃，400 ℃，加热温度为140 ℃，220 ℃，300 ℃下的颗粒粒径和浓度分布。

2 试验结果与分析

2.1 稀释比的影响

利用CO2分析仪和尾气排放仪计算稀释比，通过调节一二级稀释系统的调节阀来控制稀释比。

2.1.1 对颗粒粒径分布的影响

图3示出了稀释比对不同颗粒数量浓度下粒径分布的影响。从图中可以看出，数量浓度随着粒径的增大呈现对数正态双峰分布。稀释比在300～800时，核态浓度峰值在4.3×107～7×107个/cm3之间，粒径主要分布在15 nm以下，积聚态浓度峰值在2.4×107～2.5×107个/cm3之间，粒径主要分布在60～100 nm之间。随着稀释比的增大，核态数量浓度和积聚态数量浓度峰值都降低，但是积聚态的峰值无明显变化,说明较大的稀释比主要影响核态数量浓度，对积聚态数量浓度影响很小。

稀释比为90～250时，核态数量浓度峰值在2.1×107～3×107个/cm3之间，积聚态数量浓度峰值在2.5×107～2.7×107个/cm3之间。核态和积聚态数量浓度随粒径的变化趋势与稀释比为300～800时相同，随着稀释比的减小核态浓度峰值降低，积聚态浓度峰值小幅升高，这是因为随着稀释比减小，单位体积中颗粒数量多，核态的挥发和半挥发性气体被未燃烧的碳粒吸收凝固变成积聚态颗粒，使核态颗粒减少，积聚态颗粒增多。

2.1.2 对颗粒浓度的影响

从图4中可以看出，稀释比较大时，随着稀释比的增大，核态颗粒数量总浓度减小，积聚态颗粒数量总浓度基本没有变化。这是因为随着稀释比的增大，颗粒被稀释，单位体积中颗粒的数量减少，被吸进旋转分离器的颗粒数量就会降低，对于那些不稳定的挥发性和半挥发性物质，由于相互之间的距离增大，相互反应的概率降低，凝固成长为积聚态颗粒的概率降低。在较小的稀释比条件下，核态颗粒总浓度变化很小，积聚态颗粒数量总浓度基本不变，这是因为积聚态颗粒在峰值处浓度高，在150 nm以后浓度降低，表现出数量总浓度没有明显变化。大稀释比条件下的数量浓度比小稀释比条件下的数量浓度高，是因为稀释比越小，第一级稀释时，在经过较高的加热温度和蒸发温度后，沸点较低的未燃HC和其他挥发性组分蒸发的多，在第二级稀释过程中形成核态颗粒的组分少，核态颗粒变少。由此说明稀释比对积聚态颗粒的影响较小,在较大稀释比时对核态颗粒的影响较大。

从图5中可以看出，核态颗粒质量总浓度为1.8 μg/cm3,不同稀释比条件下测量的积聚态质量总浓度为57～59 μg/cm3,积聚态质量浓度占总浓度的97%，所以尾气排放中的颗粒质量几乎全是由积聚态颗粒贡献。随着稀释比的减小，核态和积聚态颗粒质量总浓度没有明显变化，说明稀释比对颗粒质量浓度影响较小。

2.2 加热温度的影响

2.2.1 对颗粒粒径分布的影响

图6示出了在蒸发温度为350 ℃时不同加热温度下颗粒粒径的分布。从图中可以看出，在加热温度为140 ℃时，颗粒数量浓度随粒径增大呈现对数正态双峰分布。加热温度为220 ℃和300 ℃时，颗粒浓度随粒径增大呈现3峰分布。在10 nm以下，随着温度升高，浓度降低。在10～50 nm范围内随温度升高浓度升高，在温度超过200 ℃之后，粒径在10～50 nm下的浓度趋于稳定。在积聚态颗粒数量浓度的粒径分布中，在粒径为80 nm左右时出现最高浓度峰值，140 ℃对应的峰值浓度稍高，其他粒径范围内浓度无明显变化。说明加热温度主要影响核态颗粒粒径分布，在温度超过200 ℃之后，核态颗粒浓度随粒径分布逐渐稳定。

2.2.2 对颗粒浓度的影响

图7示出了蒸发温度为350 ℃时不同加热温度下颗粒的数量浓度分布。从图中可以看出，随着加热温度的升高，10 nm以下的颗粒逐渐减少，10～50 nm范围内的颗粒逐渐增多，温度超过200 ℃之后这部分颗粒趋于稳定，积聚态颗粒数量随加热温度升高无明显变化。这是因为10 nm以下的核态颗粒主要是由金属灰烬、碳粒、沸点较高的重HC、硫化物组成，随着加热温度的升高，金属灰烬、碳粒可以吸收沸点较低的轻HC成长为粒径较大的核态颗粒，温度超过一定范围后也会使一些挥发性HC蒸发。积聚态颗粒粒径较大，以团聚物的形式存在，相对稳定，受加热温度影响较小。10～50 nm范围内的颗粒其组成部分不仅有粒径较大的固体，还有一些挥发性和半挥发性组分，这些挥发和半挥发性组分是一些沸点较高的HC和硫化物，很不稳定，受加热温度影响较大，温度超过200 ℃之后，10～50 nm范围内的核态颗粒其数量基本相同。说明加热温度到达200 ℃之后此粒径下的颗粒数量浓度已经趋于稳定。

图8示出了在蒸发温度为350 ℃时不同加热温度下颗粒的质量浓度。从图中看不到10 nm以下的核态颗粒质量浓度，因为此粒径范围内的核态颗粒虽然数量浓度达到5×107个/cm3,但是粒径太小，质量浓度在0.02～0.03 μg/cm3；10～50 nm范围内的核态颗粒质量浓度没有明显变化，说明加热温度对此粒径范围内的质量浓度没有影响；积聚态颗粒质量在140 ℃和220 ℃时基本相同，300 ℃时明显减少，下降35%；这是因为粒径超过100 nm以后，由于粒径较大，其表面的HC和硫化物可能被蒸发，造成颗粒质量减小。温度超过一定范围后对积聚态颗粒的质量浓度有一定影响。

2.3 蒸发温度的影响

2.3.1 对颗粒粒径分布的影响

图9示出了加热温度260 ℃时，不同蒸发温度下颗粒数量浓度的粒径分布。

从图中可以看出，数量浓度呈现3峰分布。在10 nm和80 nm附近各有一个峰值。粒径在5～9 nm时，数量浓度急剧下降，主要与金属灰烬、碳粒、重HC的粒径较小有关。在10～50 nm范围内，300 ℃和350 ℃时数量浓度比较稳定，在400 ℃时浓度增加。说明蒸发温度超过350 ℃之后，此粒径范围内的颗粒不稳定。从积聚态数量浓度随粒径分布图中可以看出，400 ℃下的颗粒数量明显增多，峰值浓度达到1.57×107个/cm3，说明积聚态的颗粒数量浓度受蒸发温度影响较大。由此可见，蒸发温度在300～350 ℃范围内可以保证燃烧产生和稀释过程中形成的颗粒数量保持稳定。

2.3.2 对颗粒浓度的影响

图10示出了不同蒸发温度下颗粒数量浓度的分布。从图中可以看出，10 nm以下的颗粒数量浓度在4.2×107～5.2×107个/cm3之间，10～50 nm之间的核态数量总浓度在6.4×107～8.2×107个/cm3之间，积聚态数量总浓度在7.5×107～9.0×107个/cm3之间。在300 ℃和350 ℃时，核态和积聚态颗粒数量总浓度没有明显变化，当温度升高到400 ℃之后，10 nm以下的核态颗粒数量总浓度减少，10～50 nm的颗粒和积聚态颗粒数量浓度增加。因为温度超过350 ℃之后，10 nm以下的固体可能被氧化，某些重的HC超过沸点之后挥发，被固体组分吸收变成粒径较大的核态颗粒，同时由于10～50 nm范围内的颗粒极不稳定，相互之间吸附成长，在第二级稀释通道中凝固成积聚态颗粒，使积聚态颗粒数量总浓度增加。温度超过350 ℃之后已经影响积聚态颗粒数量浓度，说明稀释通道中也会产生积聚态颗粒。

图11示出了不同蒸发温度下的颗粒质量浓度分布。从图中可以看出，因为10 nm以下的颗粒粒径较小，质量浓度在0.01～0.02 μg/cm3之间,没有在图中显示；超过350 ℃后10～50 nm的颗粒数量浓度增加，由于其粒径小，质量浓度没有表现出明显变化；积聚态颗粒质量浓度在超过350 ℃之后明显增加，由于积聚态大多以团聚物形式存在，粒径大，数量浓度增加，其质量浓度增加明显，增加了20%。同时积聚态颗粒质量浓度占到总质量浓度的95%，占颗粒质量的绝大部分。

3 结论

a) 在不同的稀释比下，数量浓度粒径分布呈现对数正态双峰分布，随着粒径增大，核态颗粒浓度降低，积聚态浓度先升高后降低，较大的稀释比对核态数量浓度影响较大，随着稀释比减小，核态数量浓度增加，稀释比对质量浓度无明显影响；

b) 在不同的加热温度下，数量浓度粒径分布呈现3峰分布；加热温度主要影响稀释通道内10～50 nm颗粒的挥发和半挥发性组分，超过200 ℃后此粒径下的颗粒相对稳定；加热温度达到300 ℃时就会使积聚态颗粒质量浓度降低；

c) 不同蒸发温度下，数量浓度粒径分布呈现3峰分布；350 ℃以下各粒径下的数量浓度和质量浓度相对稳定，超过350 ℃之后，10～50 nm的核态颗粒和积聚态颗粒的数量浓度升高；由于积聚态颗粒以团聚物的形式存在，在蒸发温度升高一定程度后质量浓度增加的比较明显。

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[编辑： 姜晓博]

Thermal Physical Property of Particulate Emission for Gasoline Direct Injection Engine

XU Changjian， DONG Wei, YU Xiumin, HE Ling, SUN Ping, MA Bin

(State Key Laboratory of Automobile Simulation and Control, Jilin University, Changchun 130025, China)

To analyze the thermal physical property of GDI engine, a two-stage thermo-dilution system was developed. The particle size distribution and concentration were measured under different dilution ratios, heating temperatures and evaporation temperatures with the EEPS 3090 particle size spectrometer. The results show that the concentration of particle number shows a lognormal bimodal distribution under different dilution ratios and shows trimodal distribution under heating temperatures and evaporation temperatures with the increase of particle size. Moreover, large dilution ratio has great influence on the total concentration of nuclear mode particle number, heating temperature higher than 200 ℃ makes the concentration of particle number stable and evaporation temperature has important influence on accumulation mode particle number.

gasoline engine； in-cylinder direct injection； particle； particle size； concentration

2015-03-18；

2015-05-28

吉林省科学技术厅自然基金项目(130101JC01009568)；国家自然科学基金(51406066)

徐长建(1988—)，男，硕士，主要研究方向为发动机电子控制关键子系统开发；1181112508@qq.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.04.014

TK411.51

B

1001-2222(2015)04-0070-06