活塞温度对汽油机颗粒物排放的影响

朱小平　陈广

摘要：为降低直喷汽油发动机的颗粒物排放，分析颗粒物产生原因，改进活塞冷却喷嘴结构，设计活塞冷却喷嘴控制策略，研究冷起动阶段活塞温度对发动机颗粒物排放的影响。结果表明：根据机油温度控制活塞冷却喷嘴的开启，在冷起动阶段减少活塞与机油的换热，使活塞温度快速提升，缩短暖机时间，使混合气在活塞温度较高时燃烧，大幅度降低颗粒物排放。

关键词：直喷汽油发动机；活塞冷却喷嘴；冷起动；粒子数量

中图分类号：TK401；TM31文献标志码：A文章编号：1673-6397（2023）05-0082-05

引用格式：朱小平，陈广.活塞温度对汽油机颗粒物排放的影响［J］.内燃机与动力装置，2023，40（5）：82-86.

ZHU Xiaoping， CHEN Guang. Effect of piston temperature on particle emission of gasoline engine［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2023，40（5）：82-86.

0 引言

我国排放标准不断加严，国六排放标准b阶段和实际行驶污染物排放测试标准已于2023年7月1日在全国范围实施[1-2]，国七排放标准当前也在酝酿讨论中。据了解下一阶段的欧七排放对颗粒污染物限值进一步加严，同时要求颗粒直径进一步减小。进一步降低积碳和颗粒物排放、满足更加苛刻的颗粒排放标准要求，是汽车生产厂面临的巨大挑战。

当前，降低直喷汽油机颗粒物排放的主要措施为进一步提高燃油喷射压力和燃烧效率[3]，优化标定策略，同时在排气后处理上增加颗粒捕集器[4]，但是成本增加很高，标定验证工作复杂。优化燃烧室周边水套，缩短暖机时间有利于降低颗粒物排放，但这方面工作基本已经实施，进一步优化的潜力较小；活塞属于燃烧室的重要组成部分，由于活塞是运动件，研究和控制相对困难。本文中通过分析汽油机颗粒物产生的原因和颗粒物产生的主要阶段，重点针对冷起动阶段活塞温度对汽油机颗粒物排放的影响进行研究，并提出优化方案。

1 颗粒物产生原因

直喷汽油发动机的颗粒排放物主要为缸内燃油和机油不充分燃烧产生的积碳。产生积碳原因主要包括3方面：1）燃烧系统如气道、燃油喷雾、火花塞点火位置等设计不合理，导致油气混合慢、混合不均匀、火焰峰传播速度慢、燃烧效率差等产生碳烟颗粒；2）油气分离器的分离效率低、活塞环与缸壁刮油不彻底、增压器和气门油封等零件密封不良等导致进入燃烧室机油过多，机油无法充分燃烧产生积碳；3）燃烧室壁面温度低，靠近壁面的燃油不容易蒸发，导致油气混合不均匀，冷却循环带走燃烧室周边热量，导致燃烧室升温较慢，不充分燃烧时间长，增加积碳累积[5-7]。

当前排放测试采用世界轻型车测试循环（worldwide harmonized light-duty vehicle test cycle， WLTC）模拟车辆实际道路行驶工况，包含低速、中速、高速和超高速4个阶段和加速、减速、怠速等工况。为验证测量结果一致性，对2辆配置相同的城市越野车进行车辆排放转毂台架测试，车辆主要技术参数为：车质量为1 620 kg，发动机排量为1.6 L，变速器为7速双离合变速器。WLTC循环转毂台架测试粒子数量（particle number， PN）结果如图1所示。由图1可知：车辆在前100 s排放的PN较多，即冷机起动工况和加速瞬态工况时排放的颗粒物较多，冷起动工况排放的PN约为稳态工况的8～10倍；其余工况产生的PN较少。

冷起动过程中颗粒物产生的主要原因是燃烧室壁面温度较低、暖机时间较长、油气混合气燃烧不充分。快速提高燃烧室壁面温度，缩短暖机时间，可以减少燃烧时积碳的产生，因此降低冷起动工况颗粒物排放的措施主要包括：1）适当提高热负荷，增加燃烧室热量来源；2）减少燃烧室對外散热。由于冷起动阶段燃烧效率不高，增加热负荷需平衡对油耗和排放的影响，因此减少燃烧室散热成为主要优化方向。

发动机燃烧室由缸盖、活塞组成，缸盖燃烧室的壁面温度可以通过优化水套设计、控制水套冷却液的流速实现；活塞顶部面积约占整个燃烧室面积的一半，而且活塞为运动零件，温度控制相对不容易实现，因此如何快速提高冷起动阶段活塞温度对降低颗粒物排放至关重要。

2 优化方案

活塞头部热量来自燃烧室内混合气体的燃烧放热，通过活塞冷却喷嘴喷射的机油及活塞环、活塞与气缸壁接触将热量导出，达到热平衡[8-9]。由于活塞、活塞环与缸壁的接触导热面积有限，因此主要通过冷却喷嘴喷射机油对活塞进行散热。假定燃烧放热、活塞冷却喷嘴流量、环和活塞与缸壁的导热不变，活塞温度与冷却喷嘴喷射的机油温度强相关：机油温度越低，活塞与机油的温差越大，机油带走的活塞热量越多，活塞温度越低；反之，机油温度越高，活塞与机油的温差越小，机油带走活塞头部热量越少，活塞温度越高[10-11]。

常用的活塞冷却喷嘴为压力控制开启结构，内部有柱塞和弹簧，其结构示意图如图2所示。正常情况下弹簧预紧力顶住柱塞封闭油孔，喷嘴处于关闭状态。当机油压力大于弹簧预紧力时，柱塞开启；当机油压力小于弹簧预紧力时，柱塞关闭。发动机在冷机状态运行时，燃烧室及相关零部件温度低，由于机油温度低、黏度高、压力大，冷却喷嘴开启时，活塞温度进一步降低，燃油雾化和燃烧恶化，导致燃烧不充分，产生的积碳和颗粒物增加。

因此，冷机阶段当活塞温度较低时，控制活塞冷却喷嘴晚开，减少活塞与机油的热交换，可以快速提高活塞表面和燃烧室温度，缩短暖机时间，减少冷起动时积碳和颗粒排放物的产生，从而降低PN。基于以上分析，提出以下优化方案。

1）结构设计。采用基于机油温度控制的活塞冷却喷嘴代替常规压力开关式活塞冷却喷嘴，实现喷嘴开启时刻可控。

2）控制策略。低转速、低平均有效压力时，活塞冷却喷嘴在机油温度较高时开启；随着转速和平均有效压力增加，活塞冷却喷嘴开启温度逐步降低。在不出现爆震的情况下，尽量提高冷机状态的活塞温度。

3 结果验证

由于活塞属于运动件，冷机状态运行过程中活塞温度不易直接测量和控制，因此通过控制活塞冷却喷嘴在不同机油温度下开启和关闭，间接控制活塞温度。

以某2.0 L增压中冷直喷汽油发动机为研究对象，发动机主要技术参数如表1所示。

传感器采样位置位于颗粒捕集器后，测试工况为稳态工况，相同边界条件、不同转速负荷、机油摄氏温度t分别为30、40、50、60 ℃时，测量活塞冷却喷嘴关闭和开启状态下的PN。

发动机转速n=1 000 r/min、平均有效压力pBME =0.2 MPa时，活塞冷却喷嘴开启与关闭时排放中的PN如表2所示。由表2可知：相比活塞冷却喷嘴开启时，关闭状态下，t=30 ℃时PN约降低32.4%，t=40 ℃ 时PN约降低17.8%，t=50 ℃ 时PN约降低1.8%，t=60 ℃时PN约降低7.7%。

n=1 000 r/min、pBME=0.3 MPa时，活塞冷却喷嘴开启与关闭时排放中的PN如表3所示。由表3可知：相比活塞冷却喷嘴开启时，关闭状态下，t=30 ℃时PN约降低45.4%，t=40 ℃时PN约降低42.2%，t=50 ℃时PN约降低27.8%，t=60 ℃时PN约降低6.9%。

n=1 250 r/min、pBME=0.2 MPa时，活塞冷却喷嘴开启与关闭时排放中的PN如表4所示。由表4可知：相比活塞冷却喷嘴开启，关闭状态下，t=30 ℃时PN约降低38.8%，t=40 ℃时PN约降低12.5%、t=50 ℃时PN约降低22.0%、t=60 ℃时PN约降低28.2%。

n=1 250 r/min、pBME=0.3 MPa时，活塞冷却喷嘴开启与关闭时排放中的PN如表5所示。由表5可知：相比活塞冷却喷嘴开启，关闭状态下，t=30 ℃ 时PN约降低58.4%，t=40 ℃时PN约降低35.7%、t=50 ℃时PN约降低25.9%，t=60 ℃时PN约降低17.4%。

n=1 500 r/min、pBME =0.3 MPa时，活塞冷却喷嘴开启与关闭时排放中的PN如表6所示。由表6可知：相比活塞冷却喷嘴开启，关闭状态下，t=30 ℃时PN约降低26.9%，t=40 ℃时PN约降低10.9%，t=50 ℃时PN约增加6.2%，t=60 ℃时PN约增加6.4%。

n=1 500 r/min、pBME=0.4 MPa时，活塞冷却喷嘴开启与关闭时排放中的PN如表7所示。由表7可知：不同机油温度下关闭活塞冷却喷嘴时的PN比开启时大。

通过以上数据分析可知：1）转速较小时，热负荷较小，活塞温度较低，活塞冷却喷嘴关闭有利于快速提升活塞头部溫度，PN降低；转速增大时，热负荷增加，活塞头部温度较高，活塞冷却喷嘴关闭相对于开启时，PN降幅逐步缩小；当转速大于一定量时，由于热负荷大活塞温度很高，关闭活塞冷却喷嘴导致活塞头部温度过高，产生高爆震倾向，PN增大；2）平均有效压力相同，机油温度越低，活塞冷却喷嘴开启后带走的热量越多，活塞温度降低越多，因此关闭活塞冷却喷嘴PN降幅相比开启时大；3）负荷相同，转速越低，同等时间内做功次数越少，产生的热量越少，活塞温度越低，活塞冷却喷嘴关闭PN降幅相比开启时更大；4）转速相同，负荷越小，活塞头部温度越低，活塞冷却喷嘴关闭PN降幅相对于开启时更大。

4 结束语

发动机冷机运行阶段产生的积碳和颗粒物排放在整个WLTC循中占比最大。为了满足更加严格的排放标准，发动机设计开发过程中，应重点关注和优化冷起动工况的燃油雾化效果，快速提高燃烧室壁面温度，缩短暖机时间，减少由于混合气不充分燃烧产生的积碳，从而降低PN。活塞是燃烧室的重要组成部分，冷起动状态下提高活塞温度可以显著降低PN。根据项目开发研究结果，针对提高燃烧室温度降低颗粒排放物提出如下建议。

1）采用基于温度控制的活塞冷却喷嘴取代压力开关式的活塞冷却喷嘴，实现活塞温度可控。

2）优化转速和负荷控制活塞冷却喷嘴的开启温度，可以实现在不产生爆震情况下活塞快速升温。

3）适当优化和减小水套容积，冷起动状态下降低或者停止水泵运转，减少冷却循环带走燃烧室热量，缩短暖机时间。

参考文献：

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Effect of piston temperature on particle emission of gasoline engine

ZHU Xiaoping， CHEN Guang

Ningbo Geely Royal Engine Components Co.， Ltd.， Ningbo 315336， China

Abstract：In order to reduce the particle emission level of gasoline direct injection engine，the cause of particulate matter is analyzed， the structure of piston cooling jet is optimized， and a control strategy for the piston cooling jet  is designed.The effects of piston temperature during cold start phase on particle emission are studied. The results show that controlling the piston cooling jet open and close timing， reducing the heat exchange between piston and oil during cold start phase， can help the piston temperature rise more quickly and shorten engine warm up duration. Keeping the fuel and air mixture burn on higher piston temperature， the particle number can be reduced.

Keywords：gasoline direct injection engine;piston cooling jet;cold start;particle number（責任编辑：刘丽君）

收稿日期：2023-07-12

第一作者简介：朱小平（1978—），男，湖南衡东人，高级工程师，主要研究方向为车辆动力总成、三电系统、热管理系统，E-mail： Xping.zhu@163.com。