某GDI汽油机低速小负荷瞬态工况下排气微粒浓度及粒径分布特性研究

苗志慧 李君 于凯

摘 要：该文针对某1.4T GDI汽油机发动机低转速小负荷工况下，分析发动机瞬态实验中，GDI汽油机排气中所含的微粒数量、质量浓度特性以及微粒粒径分布特性。结果表明：在低转速小负荷区间瞬态工况下，随着时间的变化，核态区域内的微粒数量浓度峰值有着一定的变化趋势，整体呈现出先增大，随后降低，最后再继续增大的趋势；聚集态区域内，微粒的数量浓度整体呈现出增大的趋势，而微粒数量浓度以及微粒的几何平均直径均呈现出先增大，后减小的趋势。瞬态工况下，三效催化器后的微粒数量浓度曲线出现明显的双峰现象，且三效催化器对核态微粒的催化效率随时间的变化基本保持不变，处于77%左右的水平，其对聚集态微粒的催化效率则随时间的推移出现增加的趋势，并最终达到72%左右。

关键词：微粒 瞬态工况 GDI发动机 分布特性

中图分类号：U46 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）04（b）-0065-05

Abstract：This paper analyzes the exhaust particulate concentration and size distribution characteristics for a 1.4T GDI gasoline under low rotating speed and small torque range transient condition. The results shows that， under low rotating speed and small torque trancient condition， particle number concentration peak of nucleation states has a certain trend over time， showing the overall increase first， then decrease， and finally continue to increase， and make it to a certain level， while the concentration of accumulation particle keeps increasing. The concentration GMD increases first， and then decreases. After the Three-way catalytic （TWC）， the particle number concentration curve shows significant double peaks， and the catalytic efficiency for nucleation particles remains at 77% over time， the catalytic efficiency on accumulation particle is increasing over time and eventually reach a high level， about70%.

Key Words：Particulate；Trancient condition；GDI Engine；Particle distribution

缸內直喷（GDI）发动机目前已经得到了广泛的应用，但是其在臻于完美的路上还有很长的路要走。GDI汽油机的燃烧方式与柴油机类似，因此，GDI汽油机的排气微粒浓度相对较高。而尾气中所含的微粒的产生是发动机燃烧室内的可燃混合气，在缸内混合不均，燃料燃烧不完全导致的。大量研究表明，相对于传统PFI发动机，在冷启动和瞬态工况下GDI汽油机产生的微粒数量明显增多。

汽车所排尾气中所含的微粒主要分为“核态”模式微粒和“聚集态”模式微粒。两种模式微粒有着不同的生成及粒径特性。其中，“核态”模式微粒主要由浓缩挥发性物质（硫酸盐和重质烃）组成，“核态”模式微粒粒径通常小于50 nm。“聚集态”模式微粒主要由无定形碳核以及吸附于碳核表面的有机物分子和无机物分子构成，粒径大于50 nm[1-2]。

核态微粒和聚集态微粒两者均属于纳米级微粒，归属于超细微粒的范围，且两者的质量差距相对较大，通常汽车尾气所含的微粒中，在微粒整体的数量浓度上起到主导作用的是核态微粒，而在微粒整体的质量浓度上起到主导作用的是聚集态微粒[3-4]。

该文研究分为两个部分，一部分为探究三效催化器（TWC）之前的发动机排气微粒浓度和粒径分布特性；第二部分是探究三效催化器（TWC）之后的微粒浓度和粒径分布特性。该项研究展示了在低速小负荷瞬态工况下GDI汽油机排气微粒的实验结果，研究GDI汽油机微粒排放特性并进行相应分析。

1 瞬态实验台架布置及选型

瞬态实验台架布置示意图如图1所示。

实验系统中使用的发动机为大众旗下品牌高尔夫6上所搭载的大众1.4T EA111 GDI汽油发动机，该GDI发动机主要参数见表1。

此次瞬态实验涉及的主要测量仪器及控制仪器有：测功机、测功机控制柜、AVL尾气分析仪、油耗仪、λ分析仪、尾气稀释系统以及Model 3090 EEPS微粒粒径测量仪。实验所用的电脑控制台连接的仪器有测功机控制柜以及微粒粒径测量仪，控制端使用INCA控制程序以控制实验用测功机，同时，可有效检测实验用发动机运行参数，时刻观察以确保其处于良好的工作状态。

表2中的1、2点如图2所示，其为瞬态实验过程的示意图。

2 瞬态工况下微粒浓度和粒径分布特性研究

该实验研究主要通过测功机电脑控制端的INCA控制程序进行编程，以实现整个瞬态实验过程的自动控制，加速的20 s时间将分为0 s、5 s、10 s、15 s、20 s几个节点进行分析（见图3）。

2.1 微粒粒径分布特性

实验结果如图4所示，在GDI发动机瞬态实验中，0 s、5 s、10 s、15 s、20 s五条微粒数量浓度曲线随时间的变化趋势基本一致。微粒数量浓度曲线均于19.11 nm处开始显现微粒数量浓度数值，随后微粒数量浓度曲线呈现上升趋势，并在25.48 nm处获得微粒最大数量浓度值，峰值分别为1.48E+07#/cm3、1.49E+07#/cm3、8.38E+06#/cm3、1.07E+07#/cm3、1.41E+07#/cm3，5 s时获得最大峰值，10s时峰值最小。在25.48 nm微粒数量浓度获得峰值后，曲线开始下降至0。在20 s这条曲线中，再次出现上升趋势并在52.33 nm处获得曲线的第二个峰值，此峰值已经进入聚集态微粒所属区域。

经分析可知，低转速小负荷区域内的瞬态工况下，核态区域内（<50 nm）微粒数量浓度峰值随时间呈现出一定趋势，先增大，随后降低并再次增大；聚集态区域内（>50 nm）的微粒数量浓度则随时间变化呈增大趋势，到20 s时在聚集态区域出现明显的曲线第二峰值现象。

2.2 微粒数量、质量浓度特性

瞬态工况下微粒的数量、质量浓度实验结果如图5所示，随时间从0～20 s的过程中，总体微粒数量浓度呈现出先增大，然后降低并再次增大的趋势。10 s时，可获得微粒数量浓度的最小值，20 s时获得微粒数量浓度的最大值；核态微粒和聚集态微粒的数量浓度变化特性与总体的微粒数量浓度变化特性基本一致，值得注意的是聚集态微粒数量浓度则在0 s时取得数量浓度的最小值；从核态微粒数量浓度随时间变化规律可知，核态微粒始终在总体数量浓度中占据主导地位，但随着时间变化，核态微粒在总体中所占的比例呈逐渐减小趋势。20 s时，核态微粒在总体中所占的比例下降到了约85%。

随时间从0～20 s的过程中，总体的微粒质量浓度呈现出先增大，然后降低并再次增大的趋势。0 s时获得微粒质量浓度的最小值，在20 s时获得微粒质量浓度的最大值；核态微粒质量浓度随时间的变化趋势图中值得注意的是，5 s时获得微粒质量浓度曲线的最大值，10 s时获得微粒质量浓度曲线的最小值，核态微粒质量浓度最终呈现减小的趋势；聚集态的微粒质量浓度变化规律与总体的微粒质量浓度一致，0 s时获得微粒质量浓度曲线的最小值，10 s时获得微粒质量浓度曲线的最大值；随时间从0～20 s的过程中，聚集态微粒质量浓度占总体质量浓度的比例呈现出先增大，然后基本持平并再次增大的趋势，在0 s时获得聚集态微粒质量浓度的最小比例值为32%，在5 s、10 s、15 s的情况下，比例值基本持平，保持在50%左右，20 s时获得聚集态微粒质量浓度的最大比例值为62%。这一实验结果充分说明，低转速小负荷区间的瞬态工况下，核态微粒数量浓度值占据总体数量浓度的主导地位，而在微粒质量浓度方面，核态微粒和聚集态微粒没有出现一方占据明显主导地位的情况，两者的微粒质量浓度基本持平。

2.3 微粒几何平均直径特性

实验结果如图6所示，微粒数量浓度几何平均直径（GMD）随时间的变化，呈现出先增大后减小的整体趋势。在0 s时达可获得曲线最小值26.2 nm，在15 s时获得曲线最大值29.8 nm；这一结果显示，随着时间的推移，GDI发动机产生的微粒数量浓度整体有一定的规律性，呈现出先移向大粒径方向，随后向小粒径方向偏移的特征。微粒质量浓度几何平均直径随时间的变化，呈现出先增大，然后减小，并再次增大的过程，在0 s时可获得微粒质量浓度几何平均直径最小值为37.3 nm，在20 s时可获得微粒质量浓度几何平均直径的最大值为47.6 nm；这一实验结果说明，GDI发动机随时间产生的微粒质量浓度整体有一定的变化趋势，呈现出先向大粒径方向移动，随后稍向小粒径方向偏移的趋势，最终向大粒径方向再次移动的特性。

2.4 TWC对微粒排放的影响

发动机台架实验结果如图7所示，从0～20 s的5条微粒数量浓度曲线随时间的变化趋势基本一致，整体曲线呈现出双峰趋势。随着微粒粒径的增大，微粒的数量浓度先呈现出增大趋势，并在25.48 nm粒徑处获得曲线的第一核态微粒区域峰值，之后，微粒数量浓度随粒径的增大而降低，在50～60 nm处开始反弹，随后一直呈上升趋势，在93.06 nm粒径处获得数量浓度的第二聚集态微粒区域峰值。将图7与三效催化器前的微粒数量浓度曲线进行比较可知，核态区域内的微粒数量浓度峰值明显减小，且在聚集态区域内出现明显的第二峰值。这一结果说明，大量的核态微粒经过三效催化器后进行了形态转化，生成了聚集态的微粒。

图8所示为三效催化器随时间变化对核态微粒和聚集态微粒的催化效率。从实验数据可知，三效催化器对核态微粒的催化效率较高，几乎能够稳定保持在77%的催化效率上下，大部分的核态微粒经由三效催化器转化为聚集态微粒，从而大大降低了三效催化器后的核态微粒的浓度；三效催化器对聚集态微粒的催化效率在实验初期时处于较低的水平，只有54.06%，随后呈上升趋势，最终可达到72.55%左右。出现这一催化效率上升的现象是因为实验开始时排气温度较低，三效催化器没有起燃，催化效果相对较差，当实验开始并进行一段时间后，温度上升后，其催化效果逐渐好转，因此，可达到并维持在催化效率较高的水平。

3 结论

该文针对某1.4T GDI汽油机分析低速小负荷区间下，发动机瞬态实验中该GDI汽油机排气微粒数量、质量浓度和微粒粒径分布的规律特性。从实验数据可知，在低转速小负荷区间瞬态工况下，有如下情况。

（1）排气微粒数量浓度核态区域内峰值随时间变化，呈现出先增大，随后降低并再次增大的趋势；排气微粒数量浓度在聚集态区域则呈现出增大趋势，20 s时排气微粒浓度曲线显示聚集态区域内形成了曲线的第二峰值。

（2）总体微粒的数量浓度方面，核态微粒占据85%以上，起到主导作用。

（3）总体微粒的质量浓度方面，核态微粒和聚集态微粒基本持平。0 s时，核态微粒占据比例以36%的优势领先于聚集态微粒；5～15 s时，核态微粒与聚集态微粒占比基本一致，于50%上下浮动；20 s时，核态微粒占据比例以24%落后于聚集态微粒。

（4）在瞬态工作条件下，三效催化器对核态微粒的催化效率始终处于较高水平，保持在77%左右；三效催化器对聚集态微粒的催化效率在开始时较低，只有54.06%，随着实验温度的升高，其催化效率逐渐上升到较高水平，达到72.55%左右并保持这一水平。

参考文献

[1] I.S Abdul-Khalek，DB Kittelson，BR Graskow，et al.Diesel Exhaust Particle Size：Measurement Issues and Trends[C]//Sae Technical Papers.1998.

[2] Baumgard K，Johnson J H.The effect of fuel and engine design on diesel exhaust particle size distributions[C]//Sae Technical Papers.1996.

[3] Su D.S.，Muller J.O.，Jentoft R.E.，et al. Fullerene-like Soot from Euro IV Diesel Engine：Consequences for Catalytic Automotive Pollution Control[J].Topics in Catalysis，2004，30（31）：24l-245.

[4] Stephen J，Harris，MM Maiicq.Signature Size Distributions for Diesel and Gasoline Exhaust Particulate Matter[J].Journal of Aerosol Science，2001，32（6）：749-764.