喷油定时对GDI汽油机燃用含水乙醇汽油的燃烧和颗粒排放的影响

李菲，张小敏，陈振斌，宁萍，刘祥

(1.重庆科创职业学院汽车工程学院，重庆 482160；2.重庆金康赛力斯新能源汽车设计院有限公司，重庆 401135；3.海南大学机电工程学院，海南 海口 570228；4.重庆交通大学航运与船舶工程学院，重庆 400074)

缸内直喷汽油机(gasoline direct injection，GDI)采用燃油直接喷入气缸的方式进行混合气制备，因其热效率高、动态响应好等特点在车用汽油机中所占比例不断增加。然而由于GDI汽油机直接将液体燃油喷入气缸内，导致缸内工质混合时间缩短、局部过浓和燃油湿壁等现象增强，造成尾气颗粒物排放在质量浓度和数量浓度上均有所增加，排放量远高于传统进气道喷射汽油机，而且其颗粒物粒径一般小于1 000 nm。颗粒物按粒径主要分为核态颗粒物和积聚态颗粒物两种，核态的粒径分布范围为5～30 nm，积聚态的粒径范围为30～1 000 nm，这种小直径颗粒物对人体危害更严重。欧Ⅴ和欧Ⅵ排放法规先后对GDI汽油机排放的一次颗粒物质量与数量进行了限制，所以在保持燃油经济性优势的情况下，如何减少GDI汽油机缸内颗粒物生成，成为目前GDI汽油机亟待解决的关键问题之一。缸内工质均匀程度和燃烧质量对发动机颗粒物排放有较大的影响，而发动机控制参数影响工质混合和燃烧过程。本研究选取喷油定时作为主要研究参数，着重研究喷油定时的改变对GDI汽油机燃烧过程和颗粒物排放的影响。

乙醇汽油由于掺混乙醇使得燃料燃烧更充分，尾气中污染物的排放量显著减少。美国橡树岭国家实验室的研究表明，与普通汽油相比，E10乙醇汽油的颗粒物(PM) 减排量为6%～6.6%，E20乙醇汽油的颗粒物(PM)减排量能达到 29.4%～41.8%。含水乙醇相对无水乙醇不仅减少了蒸馏过程产生的大量能耗，而且因其自身含水，降低了遇水敏感性。

乙醇汽油的颗粒物排放已有部分研究, 但含水乙醇汽油应用于GDI发动机的燃烧特性、排放特性研究相对较少，尤其是GDI汽油机燃用含水乙醇汽油的颗粒物排放。因此本研究针对喷油定时对GDI汽油机燃用汽油和含水乙醇汽油的燃烧特性和颗粒物排放特性的影响进行试验测试，旨在为含水乙醇汽油在GDI发动机上的推广应用及降低颗粒物排放提供理论基础。

1 试验装置及方法

1.1 试验装置

试验所用发动机为1台2.0 L 4缸水冷涡轮增压GDI汽油机，满足国Ⅳ排放标准，同时该汽油机还配备了进排气可变气门正时技术，其性能参数如表1所示。

表1 GDI汽油机结构性能参数

发动机台架试验主要测试设备包括GDI汽油机、WF311测功机、KISTLER电荷放大器、AVL GH13Z火花塞缸内压力传感器、MEXA-584L气体分析仪、高速数据釆集卡和LabVIEW 软件等。另外，排气微粒的测量采用DMS500快速型纳米微粒尺寸光谱仪，该仪器的粒径测量范围为 5～1 000 nm，响应时间则可达到100 ms以内，该仪器的采样过程、工作情况参考文献[9]。

1.2 试验材料和试验方法

试验燃料由97号汽油(市售)、含水乙醇和乳化剂Span80混合配制而成，不同占比的含水乙醇汽油记为E10W(89%汽油、10%含水乙醇、1%Span80)、E20W(79%汽油、20%含水乙醇、1%Span80)。汽油和含水乙醇理化性能如表2所示。

表2 含水乙醇和汽油的理化性质

根据车用汽油机实际运行的范围，试验工况设定转速为2 000 r/min、平均有效压力为0.2 MPa、过量空气系数为1、点火提前角为28°BTDC，试验分别在260°BTDC，300°BTDC，340°BTDC喷油时刻下进行。更换燃料，重复试验，记录不同试验条件下缸内压力、瞬时放热率、缸内平均温度、常规排放以及颗粒物排放等数据。记录的数据均在汽油机稳定后平行测量3次，间隔30 s，以确保其准确性。控制机油温度在(90±1)°，冷却水温在(85±1)°，以消除汽油机机油温度和冷却水温度对试验精度的影响。

2 试验结果及分析

2.1 喷油定时对燃烧和排放特性的影响

图1示出增压GDI汽油机分别燃用汽油、E10W、E20W 3种燃料，缸内压力、瞬时放热率随着喷油定时的变化情况。由图1可知，随着喷油时刻的不断延迟，缸内压力峰值和瞬时放热率峰值均呈现下降趋势，在260°BTDC左右达到峰值，且瞬时放热率峰值位置推迟。这表明喷油定时的推迟使得发动机放热推迟，影响燃烧过程。主要原因是喷油定时对GDI汽油机缸内混合气的形成有较大的影响；喷油定时过晚，缸内工质预混合时间减少，工质均匀性较差，局部混合气过浓，影响混合气燃烧的稳定性，燃烧不充分、不完全；喷油定时过早，活塞离上止点距离较短，油束容易撞击活塞，造成燃油湿壁情况，同时剩余油束与空气混合后浓度降低。

图1 喷油定时对缸内压力和瞬时放热率的影响

通过对比可以发现，燃用含水乙醇汽油E10W、E20W与燃用汽油的缸内压力和瞬时放热率走势一致，峰值相差不大，说明在不对发动机做任何改装的情况下，燃烧小比例的含水乙醇汽油是可行的，这与文献[5，11-12]研究一致。由图1b、图1c 可以看出，随着含水乙醇比例的增加，3种喷油时刻下缸内压力、瞬时放热率的差异进一步增大。分析认为，乙醇和水的热值较低，导致工质膨胀功减少，燃烧热效率降低；而且乙醇和水的黏度和汽化潜热均较汽油高，含水乙醇的喷雾贯穿距和雾化效果均低于汽油，含水乙醇比例的增加使得燃油沾湿燃烧室壁后更难以蒸发雾化，导致燃烧不完全。

图2示出GDI汽油机分别燃用3种燃料随着喷油定时变化的缸内平均温度。由图可知，燃用3种燃料时随着喷油定时的推迟，缸内平均温度峰值逐步降低，在260°BTDC达到峰值，且平均温度峰值所对应的曲轴转角相应推迟。主要是因为喷油定时过晚，导致工质混合时间减少，均匀性较差，缸内部分工质过浓，燃烧不完全，导致缸内温度降低。通过对比可知，两种含水乙醇汽油的最高缸内温度均比汽油低。汽化潜热对燃烧温度有较大影响，由表1可知，含水乙醇汽化潜热比汽油高，汽化潜热高促使燃烧温度降低；同时，随着含水乙醇比例增大，乙醇和水含量增多，热值低的乙醇和水也导致缸内平均温度降低。

图3示出了燃用汽油、E10W、E20W 3种燃料喷油定时对CO、THC和NO排放的影响。由图3a看出，3种燃料均在喷油时刻为300°BTDC时CO排放量最大，说明在此喷油时刻，燃料不完全燃烧程度增强。分析认为，过晚喷油使得混合气预混时间变短，缸内工质不均匀程度增加，部分过浓工质无法完全燃烧，燃烧效果不理想，CO的排放增加。由图还可看出，燃料E10W的CO排放量整体比汽油和E20W高，可能因为乙醇和水黏度大，不利于快速形成均匀的混合气，而且汽化潜热高于汽油，易造成湿壁现象，降低缸内温度，使得燃烧效果变差，CO 排放增加；因E20W中乙醇和水的占比较大，较大程度提高了燃料的含氧量，富氧促进燃料完全燃烧，而E10W因氧含量较低，含氧量的优势不足以抵消油束湿壁、工质不均匀等造成的燃烧恶化，所以CO的排放高于其他两种燃料。

由图3b可以看出，3种燃料在300°BTDC喷油时刻的THC排放量最小。分析认为，喷油时刻过早，活塞离上止点近，燃油湿壁现象加剧，导致缸壁温度降低，工质混合速度降低，燃烧效率降低；而且，气门重叠角的存在导致排气倒流，部分排气掺入新混合气中，又降低了燃烧效率，所以THC排放增加。喷油时刻过晚，由于混合时间缩短导致工质非均匀部分增多，影响燃烧的稳定性，从而增加THC排放量。由图3b还可知，两种含水乙醇汽油的THC排放均高于汽油，分析认为，含水乙醇汽油中乙醇和水的黏度较大，同时两者汽化潜热均比汽油高，含水乙醇汽油存在燃油湿壁现象，燃油湿壁导致缸内温度降低，进一步使得燃料难以蒸发雾化，THC排放增多。

由图3c可以看出，燃料组分较喷油时刻对NO的排放影响更大。E10W、E20W两种燃料因含水乙醇的加入，提高了混合燃料的氧含量，有利于NO的生成，由此导致E10W、E20W两种燃料NO排放要高于汽油；随着喷油时刻的过分推迟及含水乙醇掺比增加，在汽化潜热和热值两方面因素的共同作用下，E20W燃烧和排气温度下降，在340°BTDC时其NO排放远小于E10W。

图3 喷油定时对排放的影响

2.2 喷油定时对颗粒排放数浓度的影响

图4示出了喷油定时对颗粒物数浓度的影响。由图4a可知，燃用3种燃料在喷油时刻为300°BTDC时颗粒物浓度最小，且随着含水乙醇占比增大，排放的颗粒物数浓度呈减小趋势。燃用3种燃料的核态颗粒物数浓度和积聚态颗粒物数浓度均在300°BTDC时达到最小，且燃用E10W、E20W排放的核态、积聚态颗粒物数浓度在任何时刻都比汽油少。

缸内混合气均匀程度对燃烧过程中颗粒物的生成有着重要的影响，喷油定时影响缸内工质混合状态，进而影响颗粒排放。喷油时刻过早，易导致燃油湿壁现象，燃油蒸发雾化效果降低，影响工质混合速度，降低热效率；喷油时刻过晚，工质预混合时间减少，影响混合气均匀性，促使燃烧不完全。喷油时刻过早过晚都对缸内工质燃烧有影响，从而影响颗粒物的生成与排放，所以3种燃料在260°BTDC和340°BTDC喷油时刻总颗粒数浓度比300°BTDC时高(见图4a)。

图4 喷油定时对颗粒物数浓度的影响

核态颗粒物和积聚态颗粒物形成原因不同。核态颗粒物的成因比较复杂，通常认为主要是由燃烧过程所产生的挥发性有机成分、固态碳粒、金属灰烬等组成的一次颗粒物，以及HSO或HC等气态前体物成核形成的二次颗粒物；积聚态颗粒物主要是由发动机燃烧过程中燃料不完全燃烧产生的碳烟粒子发生团聚作用并吸附部分HC等有机物、金属灰烬和硫酸盐等挥发和半挥发组分形成。喷油定时过早(260°BTDC)，核态颗粒物数浓度较高，这是因为当喷油定时较早时，缸内温度高，促使S元素向SO的转化，进而增加了排气中HSO的含量，因而核态颗粒物数浓度升高；积聚态颗粒物在高温条件下易氧化，所以缸内温度升高，促进积聚态颗粒物氧化成核态，也会导致核态颗粒物数增加。随着喷油定时推迟(340°BTDC)，燃料与新鲜空气混合时间变少，工质混合不均，部分过浓区高温缺氧造成猝熄等现象，为积聚态颗粒物的生成提供了有利条件，导致积聚态颗粒物数浓度增加。对比核态和积聚态颗粒物数浓度变化趋势，在较早喷油时刻(260°BTDC)时存在较高浓度的核态颗粒物、较低浓度的积聚态颗粒物，这与Desantes等的试验结果一致，核态颗粒物与积聚态颗粒物在数浓度上存在此消彼长的关系。当较多的碳粒、HC、金属灰烬等形成核态颗粒物，促使形成积聚态颗粒物生长的组分减少，从而导致其浓度降低。

从图4还可看出，含水乙醇汽油颗粒物数浓度排放远低于汽油。分析认为：一方面乙醇和水均是含氧物质，在工质燃烧过程中提供氧，促使燃料充分燃烧，有利于减少颗粒物的生成；另一方面汽油是成分复杂的烃类物质，燃料中产生颗粒物的主要来源是汽油，含水乙醇汽油中部分汽油被含水乙醇所替代，从原料上降低了产生颗粒物的量，且随着含水乙醇比例的增加，颗粒物减排效果也更明显。

图5示出不同燃料颗粒物数量浓度粒径分布随喷油定时的变化。由图可知，燃用3种燃料颗粒物数浓度粒径分布近似呈核态颗粒物和积聚态颗粒物双峰分布，汽油粒径分布范围为5～500 nm，E10W和E20W粒径分布范围为5～250 nm。颗粒物数浓度随喷油定时的增大先减少后增加，与图4a呈现的规律一致。

由图5可知，燃用3种燃料的核态颗粒物与积聚态颗粒物峰值对应的粒径相差不大，但是颗粒物数浓度随喷油定时的推迟都呈现先减少后增加趋势。在喷油时刻为300°BTDC时各粒径对应的数浓度最低，这与上文总颗粒物数浓度的趋势是一致的。对比燃用3种燃料颗粒物数浓度粒径分布图可知，随着含水乙醇比例的增加，颗粒物数浓度对应的最大粒径呈现减小趋势，汽油颗粒物粒径最大达到500 nm，E20W颗粒物粒径最大不到250 nm，同时含水乙醇汽油相对汽油积聚态颗粒物数浓度有较大的降低。主要原因是含水乙醇汽油中乙醇和水均是含氧物质，高达36.42%的氧含量使得含水乙醇汽油缓解了高温缺氧的燃烧状况，在燃烧过程中，丰富的氧促进燃料燃烧完全，减少碳烟粒子生成，而且抑制了核态颗粒物粒的团聚和吸附进程，不仅使得积聚态颗粒物峰值粒径逐渐变小，而且整个积聚态颗粒物数浓度也有一定程度的减少。随着含水乙醇比例的增加，汽油占比减少，烃类物质燃烧产生的硫酸盐和挥发性有机成分减少，核态颗粒物生成量随之减少。核态颗粒物数量浓度的降低减少了进一步吸附物质长大成积聚态颗粒物的可能，进而降低积聚态颗粒物数浓度。

图5 喷油定时对颗粒物粒径的影响

3 结论

a) 随着喷油定时的推迟，燃用汽油、E10W、E20W 3种燃料，缸内压力和放热率走势一致，峰值均呈现下降趋势，缸内压力峰值位置几乎不变，放热率峰值位置推迟；缸内平均温度峰值随着喷油定时推迟逐步降低，均在260°BTDC达到峰值，且缸内平均温度峰值位置推迟；

b) 燃用含水乙醇汽油E20W的CO和THC排放与汽油相差不大，但是燃用E10W的CO和THC排放均比汽油高，燃用3种燃料均在喷油时刻为300°BTDC时CO排放量最少，THC排放量最多；燃用E10W和E20W的NO排放量较汽油高；

c) 含水乙醇能有效降低GDI汽油机颗粒物数浓度，燃用E10W和E20W的颗粒物数浓度相对汽油有较大幅度的降低，燃用3种燃料的颗粒物总数浓度、核态和积聚态颗粒物均在喷油时刻为300°BTDC时达到最小值；随着含水乙醇含量的增加，颗粒物粒径的最大值呈减小趋势，且积聚态颗粒物数浓度也呈下降趋势。

致谢

感谢天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室、裴毅强教授团队以及孙姣等为本试验提供的支持与指导。