摘要：在一臺(tái)單缸柴油機(jī)上研究了噴油參數(shù)(預(yù)主噴間隔角、預(yù)噴比例、主噴時(shí)刻和噴油壓力等)對(duì)汽油壓燃(gasolinecompressionignition，GCI)顆粒物排放特性的影響。研究結(jié)果表明：噴油策略對(duì)缸內(nèi)油氣混合及進(jìn)一步對(duì)燃燒過(guò)程的影響是其影響顆粒物排放特性的主要因素。在設(shè)定的研究工況下，隨預(yù)主噴間隔角增大，積聚態(tài)顆粒數(shù)量濃度下降，但核態(tài)顆粒數(shù)量濃度基本不變，顆粒物中的核態(tài)和超細(xì)顆粒比例明顯升高;增大預(yù)噴比例，核態(tài)顆粒和積聚態(tài)顆粒數(shù)量濃度均大幅降低，顆粒物中的核態(tài)和超細(xì)顆粒比例變化較小;主噴時(shí)刻提前，顆粒物數(shù)量濃度下降，平均粒徑減小，數(shù)量濃度峰值向小粒徑方向偏移;提高噴油壓力可有效降低積聚態(tài)顆粒數(shù)量濃度，縮小缸內(nèi)生成顆粒物的粒徑范圍，但對(duì)核態(tài)顆粒的數(shù)量濃度影響較小。

　　關(guān)鍵詞：汽油壓燃,噴油策略,顆粒物,粒徑,數(shù)量濃度

　　柴油機(jī)高壓縮比、壓燃燃燒的工作特點(diǎn)使其具有熱效率高、燃油經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)勢(shì)，但傳統(tǒng)柴油機(jī)的柴油噴霧擴(kuò)散燃燒方式會(huì)使缸內(nèi)產(chǎn)生局部過(guò)濃和高溫區(qū)域，因此顆粒物和NOx排放較高。《中國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)管理年報(bào)(2017)》指出，柴油車(chē)排放的NOx占汽車(chē)排放總量的70%，顆粒物排放更是超過(guò)90%。柴油機(jī)顆粒物對(duì)大氣環(huán)境和人體健康都具有重大危害，其成分中有多種致癌物，同時(shí)也被認(rèn)為是造成中國(guó)大規(guī)模霧霾的主要原因之一[1-3]。

　　世界各國(guó)都制定了相應(yīng)的排放法規(guī)限制顆粒物排放，關(guān)于顆粒物排放特性的研究也受到了越來(lái)越多的重視。柴油機(jī)排放的顆粒物按粒徑(DP)的大小分為納米微粒(粒徑<50.0nm)、超細(xì)微粒(50.0mm≤粒徑<100.0nm)、細(xì)微粒(100.0nm≤粒徑<2.5μm)和其余PM10微粒(粒徑<10.0μm)4個(gè)區(qū)域。按照形態(tài)的區(qū)別可分為核態(tài)微粒(1nm≤尺寸范圍≤50nm)、積聚態(tài)微粒(50nm≤尺寸范圍為≤500nm)。發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)條件和控制參數(shù)等都會(huì)顯著影響顆粒物的生成和氧化歷程，從而對(duì)包括粒徑、數(shù)量濃度等在內(nèi)的顆粒物特性產(chǎn)生重要影響[4-7]。

　　文獻(xiàn)[8]研究了不同轉(zhuǎn)速、空燃比及廢氣再循環(huán)(EGR)率對(duì)柴油機(jī)顆粒物排放的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和空燃比能有效減小顆粒物平均粒徑，但不同EGR率下的顆粒物數(shù)量濃度分布變化不明顯。文獻(xiàn)[9]研究了噴射時(shí)刻對(duì)顆粒物數(shù)量濃度分布的影響，發(fā)現(xiàn)推遲噴射時(shí)刻能夠減少核態(tài)顆粒的數(shù)量濃度，但積聚態(tài)微粒和大粒徑顆粒數(shù)量濃度升高。燃料特性也顯著影響著柴油機(jī)的燃燒和顆粒物排放[10]。

　　文獻(xiàn)[11-12]研究發(fā)現(xiàn)，采用汽柴油混合燃料時(shí)，顆粒物的幾何平均粒徑相比純柴油明顯降低，顆粒濃度隨負(fù)荷增大而升高;隨汽油摻入比例增大，積聚態(tài)微粒的濃度增加程度減慢。當(dāng)采用正丁醇和柴油混合燃料時(shí)，隨著預(yù)主噴間隔角增大，顆粒物濃度先增大后明顯降低，當(dāng)預(yù)主噴間隔角大于20°后，繼續(xù)增大間隔角對(duì)顆粒物排放降低作用不明顯。文獻(xiàn)[13]在一臺(tái)4缸柴油機(jī)上采用體積分?jǐn)?shù)為80%汽油和20%柴油混合燃料進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)提高噴射壓力可以減少核態(tài)和積聚態(tài)顆粒數(shù)量，顆粒數(shù)量濃度峰值向小粒徑方向偏移。EGR率增大時(shí)，微粒數(shù)量增多，顆粒數(shù)量濃度峰值向大粒徑方向偏移。

　　上述相關(guān)研究表明，噴油和EGR等控制策略及燃料特性優(yōu)化具有改善柴油機(jī)顆粒物排放的潛力。與此同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)高效清潔燃燒，滿足未來(lái)更為嚴(yán)苛的法規(guī)要求，國(guó)內(nèi)外研究者在內(nèi)燃機(jī)新型燃燒理論和技術(shù)方面也開(kāi)展了大量研究，提出了均質(zhì)壓燃、預(yù)混壓燃、部分預(yù)混燃燒等一系列以低溫燃燒為主要特征的新型燃燒模式。這些新型燃燒方式實(shí)現(xiàn)高效清潔燃燒的核心在于通過(guò)油氣混合控制，實(shí)現(xiàn)燃燒反應(yīng)路徑的控制。汽油燃料相比柴油燃料具有辛烷值高、揮發(fā)性好，更利于缸內(nèi)油氣混合的特點(diǎn)。

　　此外，汽油壓燃(gasolinecompressionignition，GCI)通過(guò)缸內(nèi)燃油噴射策略控制可在著火之前形成適當(dāng)?shù)幕旌蠚鉂舛确謱樱�相比均質(zhì)壓燃燃燒模式而言，具有更好的燃燒可控性和更寬廣的運(yùn)行范圍，具有在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用的潛力。因此，GCI在低溫燃燒研究中受到了廣泛的關(guān)注。近年來(lái)關(guān)于GCI燃燒和排放控制方面的研究取得了較大進(jìn)展。文獻(xiàn)[14]研究發(fā)現(xiàn)在-60°(文中曲軸轉(zhuǎn)角正值代表上止點(diǎn)后，負(fù)值代表上止點(diǎn)前)噴射54%燃油的同時(shí)采用適量EGR，可以在平均指示壓力(IMEP)1.656MPa工況下實(shí)現(xiàn)低排放及高熱效率。

　　文獻(xiàn)[15]在輕型多缸柴油機(jī)上的研究表明，GCI結(jié)合低壓EGR可以在實(shí)現(xiàn)極低的NOx和碳煙排放的同時(shí)，使最高指示熱效率達(dá)到51.1%。文獻(xiàn)[16]在一臺(tái)改造后的單缸柴油機(jī)上研究了進(jìn)氣壓力對(duì)GCI的影響，結(jié)果表明采用燃油早噴、0.12MPa進(jìn)氣壓力和較低的內(nèi)部EGR率可以實(shí)現(xiàn)IMEP為0.47MPa下的高效清潔燃燒。歐Ⅵ排放法已明確提出了顆粒物數(shù)量排放的限值，但目前針對(duì)GCI燃燒模式下的顆粒物濃度分布和粒徑等特性的研究還比較缺乏。因此，本文在一臺(tái)改造的單缸試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)上，研究GCI低溫燃燒模式下噴油策略對(duì)顆粒物排放特性的影響規(guī)律，填補(bǔ)了GCI模式下顆粒物排放特性研究方面的空白，為實(shí)現(xiàn)汽油壓燃清潔燃燒提供了參考依據(jù)。

　　1試驗(yàn)裝置與研究方法

　　1.1試驗(yàn)裝置

　　本試驗(yàn)所用的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架主要包括單缸試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)、測(cè)功機(jī)、進(jìn)氣溫度控制系統(tǒng)、模擬進(jìn)氣增壓系統(tǒng)、高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)、缸壓采集和分析系統(tǒng)等部分。試驗(yàn)用的單缸發(fā)動(dòng)機(jī)由一臺(tái)高壓共軌6缸柴油機(jī)改造而來(lái)，第6缸配有獨(dú)立的進(jìn)排氣系統(tǒng)、EGR系統(tǒng)和燃油噴射系統(tǒng)。噴射時(shí)刻、噴射壓力、噴射油量和噴射次數(shù)等參數(shù)可以通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)精確控制。

　　采用Kistler6125C缸壓傳感器來(lái)測(cè)量缸內(nèi)壓力信號(hào)，并使用Kistler5018電荷放大器將缸壓傳感器的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸送到數(shù)據(jù)采集和燃燒分析系統(tǒng)。本試驗(yàn)采用美國(guó)TSI公司生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣顆粒粒徑分析儀EEPS3090對(duì)顆粒物進(jìn)行粒徑和數(shù)量濃度的測(cè)試分析。該粒徑分析儀有32個(gè)數(shù)據(jù)通道和22個(gè)電量檢測(cè)器，能夠在1s內(nèi)檢測(cè)10次顆粒物的分布數(shù)據(jù)，檢測(cè)時(shí)間短;可以測(cè)量5.6nm～560.0nm粒徑范圍內(nèi)的顆粒物分布，靈敏度高，可以測(cè)量最低200個(gè)/cm3的顆粒物濃度。此粒徑分析儀通過(guò)USB接口將主機(jī)與系統(tǒng)計(jì)算機(jī)相連。

　　1.2試驗(yàn)方法

　　本試驗(yàn)探討噴油策略對(duì)GCI顆粒物排放特性的影響，工況條件如表3所示。首先選定預(yù)噴油量比例為20%，主噴時(shí)刻為-5°，噴油壓力為80MPa，比較了預(yù)主噴間隔角分別為20°、30°、50°、70°時(shí)的GCI顆粒物排放特性;之后選定預(yù)主噴間隔角為30°，主噴時(shí)刻為-5°，噴油壓力為80MPa，比較了不同預(yù)噴比例(10%、20%、30%)對(duì)GCI顆粒物排放特性的影響;進(jìn)而設(shè)定預(yù)噴油量為20%，預(yù)主噴間隔角為30°，噴油壓力為80MPa，比較了不同主噴時(shí)刻(-2°、-5°、-7°、-9°)對(duì)GCI顆粒物排放的影響;最后比較了預(yù)噴比例20%、預(yù)主噴間隔角30°、主噴時(shí)刻-5°時(shí)，不同噴油壓力(80、100、120MPa)對(duì)GCI顆粒物排放特性的影響。

　　2試驗(yàn)結(jié)果與分析

　　2.1預(yù)主噴間隔對(duì)顆粒物排放特性的影響

　　隨著預(yù)主噴間隔角增大，著火時(shí)刻推遲，缸壓曲線和放熱率曲線都向后推移，缸壓峰值基本保持不變，放熱率峰值先升高后基本不變。當(dāng)預(yù)主噴間隔角為20°時(shí)，放熱率曲線有預(yù)噴燃油放熱、主噴燃油預(yù)混放熱和擴(kuò)散燃燒3個(gè)峰值。這是因?yàn)轭A(yù)主噴間隔較小時(shí)，預(yù)噴更接近上止點(diǎn)，預(yù)噴燃油和空氣容易形成自燃著火的混合氣，因此預(yù)噴燃油放熱比較集中，表現(xiàn)出較明顯的預(yù)噴放熱率峰值;隨預(yù)主噴間隔角增大，預(yù)噴燃油形成較稀的混合氣，預(yù)噴放熱減緩。

　　隨預(yù)主噴間隔增大，滯燃期延長(zhǎng)，在主噴放熱推遲和放熱速率加快的綜合影響下，放熱重心(即燃燒累計(jì)放熱量50%對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，記為CA50)有所提前但變化較小，燃燒持續(xù)期縮短，缸內(nèi)最高溫度(Tmax)升高，且由于混合氣與氧氣的接觸時(shí)間更長(zhǎng)，造成NOx排放上升。隨預(yù)主噴間隔角增大，缸內(nèi)局部形成過(guò)稀混合氣，導(dǎo)致生成的未燃碳?xì)湓龆唷?/p>

　　可以看出發(fā)動(dòng)機(jī)排放的顆粒物粒徑基本小于300nm，數(shù)量濃度峰值對(duì)應(yīng)粒徑在45～61nm范圍內(nèi)，數(shù)量濃度分布曲線呈單峰形態(tài)。隨預(yù)主噴間隔角增大，總顆粒物數(shù)量濃度減小，核態(tài)顆粒數(shù)量濃度變化很小，積聚態(tài)顆粒數(shù)量濃度大幅下降，顆粒物數(shù)量濃度峰值向粒徑減小方向偏移。這是因?yàn)轭A(yù)噴時(shí)刻較早時(shí)，預(yù)噴燃油混合時(shí)間長(zhǎng)，混合更均勻，預(yù)噴放熱少，其對(duì)缸內(nèi)溫度和壓力的提升作用減小，導(dǎo)致主噴滯燃期延長(zhǎng)，主噴燃油與空氣的混合也得到了改善，因此總顆粒物數(shù)量濃度下降。

　　同時(shí)預(yù)混燃燒所占比例增大，主燃燒速率加快，燃燒持續(xù)期縮短，擴(kuò)散燃燒比例減小，抑制了積聚態(tài)顆粒物的生成。由于隨預(yù)主噴間隔增大，CA50更加靠近上止點(diǎn)，缸內(nèi)壓力和燃燒溫度也隨之升高，大粒徑的積聚態(tài)顆粒更容易被氧化為小粒徑的核態(tài)顆粒，此時(shí)因氧化效果變好而減少的核態(tài)顆粒和因積聚態(tài)顆粒氧化生成而增加的核態(tài)顆粒數(shù)量基本持平，所以核態(tài)顆粒的數(shù)量濃度隨預(yù)主噴間隔變化很小。

　　當(dāng)預(yù)主噴間隔由20°增大到70°時(shí)，總顆粒物數(shù)量濃度下降了35.0%，核態(tài)顆粒數(shù)量濃度僅僅下降了7.1%，而積聚態(tài)顆粒濃度下降達(dá)47.7%，顆粒物平均粒徑由67.5nm下降至49.8nm。這是由于核態(tài)顆粒數(shù)量濃度變化很小，全粒徑范圍內(nèi)總顆粒數(shù)量濃度的減小致使核態(tài)顆粒數(shù)量比例升高，超細(xì)顆粒數(shù)量比例增大，導(dǎo)致顆粒平均粒徑減小。

　　2.2預(yù)噴比例對(duì)顆粒物排放特性的影響

　　隨著預(yù)噴比例的增大，預(yù)噴放熱增多，主噴放熱時(shí)刻提前，放熱率峰值減小，而缸壓快速上升的位置提前，缸壓峰值增大。預(yù)噴比例增大，CA50更靠近上止點(diǎn)，缸內(nèi)溫度升高，滯燃期縮短。這是因?yàn)轭A(yù)噴比例越大，主噴前預(yù)噴燃油放熱量越多，主噴時(shí)缸內(nèi)的溫度、壓力升高，著火時(shí)刻提前，燃燒相位前移，更接近上止點(diǎn)的燃燒過(guò)程致使缸內(nèi)整體溫度更高，且預(yù)噴比例增大導(dǎo)致與氧氣充分接觸的混合氣增多，造成了更高的NOx排放。由于預(yù)噴比例增大后預(yù)噴燃油在上止點(diǎn)前放熱較多，導(dǎo)致壓縮負(fù)功增大，指示熱效率下降。

　　可以看出，顆粒物粒徑大部分都處于0～300nm范圍內(nèi)，數(shù)量濃度分布呈單峰形態(tài)。隨著預(yù)噴比例的增大，顆粒物排放數(shù)量減少，數(shù)量濃度峰值向小粒徑方向偏移，且預(yù)噴比例越大，對(duì)于顆粒物數(shù)量濃度的降低效果越明顯。與圖5不同預(yù)主噴間隔對(duì)核態(tài)顆粒物濃度的降低效果相比(預(yù)主噴間隔從20°增大到70°，核態(tài)顆粒濃度僅下降7.4%)，增大預(yù)噴比例對(duì)核態(tài)顆粒濃度的降低效果更加明顯(預(yù)噴比例從10%增大到30%，核態(tài)顆粒數(shù)量濃度下降54.7%)。

　　這是因?yàn)轭A(yù)噴比例增加，缸內(nèi)燃燒溫度升高幅度更大，更有利于顆粒物后期的氧化。且預(yù)噴比例越大，預(yù)噴燃油形成的混合氣比例就越大，大量減少了缸內(nèi)的局部過(guò)濃區(qū)，抑制了碳核的生成，進(jìn)而顯著降低了包括核態(tài)顆粒在內(nèi)的絕大部分顆粒物數(shù)量濃度。在預(yù)噴比例為30%時(shí)，預(yù)噴放熱量顯著增多，CA50更接近上止點(diǎn)，會(huì)產(chǎn)生更高的燃燒溫度。當(dāng)預(yù)噴比例由10%增加到30%后，缸內(nèi)最高平均溫度由1590K提升至1672K，對(duì)缸內(nèi)顆粒物氧化效果明顯增強(qiáng)。

　　隨著預(yù)噴比例增加，顆粒物數(shù)量濃度下降速度加快，預(yù)噴比例從10%提高至20%，顆粒物數(shù)量濃度下降16.2%;進(jìn)一步將預(yù)噴比例提高至30%，總顆粒物數(shù)量濃度下降64.1%，這說(shuō)明預(yù)噴比例從20%增加到30%的過(guò)程中缸內(nèi)氧化速度明顯加快。將預(yù)噴比例由10%增加至30%后，積聚態(tài)顆粒數(shù)量濃度下降69.2%，超細(xì)顆粒數(shù)量濃度降低了62.0%，顆粒物平均直徑由66.1nm下降至56.3nm。

　　3結(jié)論

　　(1)在汽油壓燃高負(fù)荷工況，不同噴油策略下的油氣混合狀態(tài)、缸內(nèi)溫度和預(yù)混燃燒比例等是影響顆粒物排放特性的主要因素。油氣混合越充分，缸內(nèi)溫度越高，預(yù)混燃燒比例越大，顆粒物數(shù)量濃度下降越明顯。

　　(2)預(yù)主噴間隔增大有利于降低積聚態(tài)顆粒物數(shù)量濃度，但是核態(tài)顆粒的數(shù)量濃度變化很小。預(yù)主噴間隔角從20°增大到70°，核態(tài)顆粒數(shù)量濃度僅僅下降了7.1%，而積聚態(tài)顆粒數(shù)量濃度下降了47.7%。

　　(3)增大預(yù)噴比例可以在全粒徑范圍明顯降低顆粒物的數(shù)量濃度。且預(yù)噴比例越大，顆粒物數(shù)量濃度下降速度越快。

　　(4)主噴時(shí)刻提前，總顆粒物數(shù)量濃度降低，積聚態(tài)顆粒濃度降低幅度相比于核態(tài)顆粒更加明顯，顆粒物平均粒徑減小，核態(tài)顆粒和超細(xì)顆粒比例升高。

　　(5)提高噴油壓力可以顯著降低積聚態(tài)顆粒物數(shù)量濃度，同時(shí)核態(tài)顆粒物濃度也有一定下降。提高噴油壓力可以極大地改善燃油霧化，降低缸內(nèi)生成顆粒物的粒徑范圍。隨噴油壓力提高，小粒徑顆粒在總顆粒中所占數(shù)量比例增大，核態(tài)顆粒占比68.6%，超細(xì)顆粒占比達(dá)到了93.4%。

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