英语原文共 14 页
燃油和喷射系统对GDI发动机微粒排放的影响
Chongming Wang a, Hongming Xu a,b,, Jose Martin Herreros a, Jianxin Wang b, Roger Cracknell c
a英国伯明翰大学b清华大学汽车安全与能源国家重点实验室，北京，中国c壳牌全球解决方案公司，英国伦敦
摘要：近年来，汽油直喷(GDI)发动机排放的微粒，特别是超细微粒，已成为人们关注的一个课题。在单缸喷雾导向GDI研究发动机上，研究了燃油(汽油与乙醇的比例)和喷射系统(喷射压力和喷油器条件)对颗粒排放的影响，实验条件为：空燃比为1500rpm，喷油压力为3.5~8.5bar。结果表明，在喷雾导向的GDI发动机中，与汽油相比，乙醇燃烧产生的颗粒质量(PM)要低得多，而颗粒数(PN)排放要大得多。根据所用燃料的不同，PM和PN排放对喷射压力和喷油器条件的响应不同。对于汽油，喷射系统对PM和PN排放有很大的影响。较高的喷射压力和清洁的喷射器条件都是实现低颗粒排放的必要条件。与汽油相比，乙醇燃烧产生的颗粒排放物对喷射系统的敏感性较低，这是因为乙醇燃烧过程中挥发分较高，燃烧过程中产生的碳烟较少。此外，当使用汽油和乙醇时，以及当使用高喷射压力时，观察到PM和PN的权衡。
关键词：颗粒物喷射器；污垢；喷射压力；GDI
1.引言
自20世纪90年代末以来，以提高发动机效率和降低燃油消耗为目的汽油直接喷射(GDI)发动机已进入汽车市场[1-6]，预计到2020年全球GDI发动机的数量将超过进气道燃油喷射(PFI)发动机[7]。通过采用各种先进技术，如直接喷射(DI)、废气再循环(EGR)、可变气门正时、分层充量燃烧、生物乙醇等清洁燃料和高效三效催化剂(TWCS)，在过去的十年中，SI发动机的污染物排放得到了显著降低[8-11]，这些技术包括：直接喷射(DI)、废气再循环(EGR)、可变气门正时、分层充电燃烧、清洁燃料(如生物乙醇)和高效三效催化剂(TWCS)。其他一些技术，如通常用于柴油发动机的涡轮增压器，也有可能被用来提高发动机效率，从而减少排放[12,13]。
从历史上看，微粒排放一直与柴油发动机有关[14-16]。然而近几年来，汽油直喷(GDI)发动机排放的微粒，特别是超细微粒，已成为人们关注的一个课题。研究表明，GDI发动机的微粒质量(PM)和微粒数(PN)排放水平与装有柴油机微粒过滤器(DPFS)的柴油机相当甚至更高[17-21]。由于对环境和健康的关注[22]，欧洲5b法规限制了装有GDI发动机的车辆的PM排放。即将出台的新的排放立法将首次不仅对质量，而且对微粒的数量作出限制。
GDI发动机的微粒排放应通过燃烧过程或后处理系统加以处理。因此，了解颗粒物的特性(即性质、大小、形态、结构等)具有十分重要的意义。以及不同因素对其形成/氧化机理的影响，包括发动机类型、燃料特性和喷射系统。
发动机类型显示了与颗粒物排放的直接联系。研究证据表明，壁面引导式和喷雾引导式GDI发动机的颗粒表现出明显不同的特性。Andersson等人研究了壁面引导式GDI发动机的PM排放，发现碳烟是其组成中最丰富的成分(72%)，与柴油发动机的成分相似[23]。Price等人[24]对喷射引导式GDI发动机的PM排放进行了调查，得出的结论是，颗粒组成以挥发性有机物质为主，而元素碳/碳烟含量最多占其组成的2-29%，这取决于喷射压力、空燃比和喷射开始时刻。上述差异是由于壁面引导式发动机和喷雾引导式发动机在空燃混合气制备上的不同所致。与壁面引导的GDI发动机不同，喷雾引导的GDI发动机对活塞顶部的燃油冲击较小，因此燃烧扩散较小。
颗粒排放差别很大，取决于燃料特性，如芳香烃含量、挥发度和氧含量[25-31]。燃料的挥发性与空气/燃料混合物的制备直接相关，因此与颗粒排放有关[32]。像异辛烷这样的液体燃料比丙烷等气态燃料产生更多的PM排放[33]。Aikawa等人[25]提出了燃料蒸汽压和燃料结构(双键和芳香环)在PM形成中的重要作用。提出了一种预测汽油车PM排放的“PM指数”。他们计算了来自世界各地的1445种商用汽油燃料的PM指数分布，发现全球销售的汽油燃料PM指数下降幅度很大。利奇等人[34]通过设计不同挥发度和芳烃含量的燃料，研究了燃料特性对GDI发动机PN排放的影响，并验证了用于评价商业汽油燃料PM排放的lsquo;PN指数rsquo;。有报道称，与汽油相比，在GDI发动机中，纯乙醇产生的PM排放要少得多[27,35,36]。汽油中乙醇掺入水平对GDI发动机PM排放的影响还不是很清楚。Mohammad等人报告指出，酒精混合物大大减少了碳烟的生成[37]，这得到了其他出版物的支持[38-41]。然而Chen等人的数据显示，添加乙醇后PM和PN排放都会增加，特别是在冷发动机中[26]。其他出版物也得出结论，与纯汽油相比，低乙醇汽油混合物的PM排放量更高或类似[27,32,36,42]。
喷油系统参数，如喷油压力和喷油器条件，是决定发动机排气PM特性的重要参数。喷油压力越高，喷雾速度越高，喷射脉冲越短，液滴越小，分布越广泛[43]。he等人。研究了壁面引导的GDI发动机的各种喷射压力(33-68bar)，发现较高的喷射压力降低了PN排放[44]。Matousek等人[45]研究了单缸GDI发动机的直喷压力，发现采用200bar的喷射压力比100bar的喷射压力降低了70%的PN排放，300bar的喷射压力又降低了50%的PN排放。
喷射器条件直接影响喷雾和雾化的质量[1,46]，从而影响发动机排放[46-49]。与PFI发动机相比，GDI发动机的喷油器污垢问题要严重得多，因为喷油器的热条件更恶劣，对燃料和空气混合过程以及燃烧的直接影响[1,47,50,51]。预计被污染的喷射器会引起问题。例如，喷雾质量降低会导致局部混合不良，喷油器喷嘴会被阻塞，从而导致发动机管理系统(EMS)整修和设定点发生变化，孔间流动不均匀会导致气缸(贫区/富区)分布不均匀。据报道，与清洁喷油器相比，燃油流量损失22%的污染喷油器导致HC和CO排放分别增加30%和190%[52]。在[53]中也观察到类似的结果。关于喷油器状况对GDI发动机微粒排放的影响的出版物很少。Berndorfer等人[54]研究了一台GDI光学发动机主燃烧后喷油器结垢并观察到喷射器顶部附近的扩散燃烧现象，导致了高碳烟和高HC排放。
发现喷油器沉积物的形成与喷射器顶部温度[46,48,53,55,56]密切相关。通过对燃烧系统的精心设计，可以减少喷油器结垢的倾向。例如，喷油器顶部温度受以下因素的影响：(1)喷油器顶部伸入气缸内，(2)从喷射器安装插座到冷却剂通道的导电路径，(3)靠近喷嘴位置的缸内充量速度。喷油器相对于火花塞的位置是另一个关键特征；距离越远，喷油器喷嘴温度越低[46,55,57]。提高燃油喷射压力也是控制GDI喷油器沉积物形成的有效方法[48,55]。
在文献研究的基础上，可以得出这样的结论：对GDI发动机的PM特性的了解越来越多，但对燃油和喷射系统的影响的详细研究还很有限，特别是对喷射导向的GDI发动机的研究更是少之又少。尽管汽油燃料和喷射压力都对GDI发动机的微粒排放有显著影响，但尚不清楚这两个因素中哪一个更为突出。因此，本文研究燃油和喷射系统对喷射导向GDI发动机PM排放的影响。对两种燃料(汽油和乙醇)、四种喷射压力(50、100、150、172bar)和三种喷油器(一种清洁喷油器和两种污染喷油器)进行了测试。试验条件为化学计量空燃比、1500rpm发动机转速和3.5~8.5bar IMEP发动机负荷。
2. 实验系统与方法
2.1发动机和仪表
本研究中使用的单缸GDI研究发动机的规格列于表1，其实验系统如图1所示。发动机与直流测功机连接，以保持恒定的转速(plusmn;1rpm)，而不考虑发动机的转矩输出。缸内压力测量采用Kistler6041A水冷压力传感器。所有温度均用K型热电偶测量。使用比例积分微分(PID)控制器和热交换器，冷却剂和油温分别保持在358K和368K(plusmn;3K)。采用100L进气缓冲罐稳定进气流量。
表1 单缸发动机技术条件
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发动机类型 |
四冲程四气门 |
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燃烧系统 |
喷雾引导GDI |
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扫气体积 |
565.6 cc |
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钻孔冲程 |
90 88.9 mm |
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压缩比 |
11.5:1 |
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发动机转速 |
1500 rpm |
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二次压力/喷油正时 |
15 MPa/280 bTDC[1] |
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进气门开启 |
16.5 bTDCa |
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排气门关闭 |
36.7 aTDCa |
图1 发动机和仪表设置示意图
使用Labview编写的内部控制软件对发动机进行控制。使用分辨率为1ppm的Horiba MEXA-7100DEGR气体分析仪测量HC排放。排气样品取自排气阀下游0.3米处，并通过一条加热管道(保持在464K)抽运至气体分析仪。使用TSI提供的扫描迁移率粒子粒度光谱仪(SMPS3936)测量了PM的发射。PM样品通过TSI提供的旋转圆盘稀释系统在排气门下游0.33m处采集。取样头保持在425K，这是可用于旋转磁盘稀释系统的最高设置。本研究设定稀释比为50。
2.2喷油器和流量试验
本实验研究中使用的喷油器包括两个GDI喷油器，这两个喷油器在未来发动机和伯明翰燃料实验室的先前发动机实验中使用，在3.5至8.5bar IMEP发动机负荷条件下使用约3个月的各种燃料。在喷油器喷嘴和喷油器顶部都有积炭现象。为了定量地表征这两个喷油器的状态，以异辛烷为试验燃料，在150bar喷射压力的试验台上测量了它们的流量。选择了10个喷油脉冲宽度为0.3~6ms的喷油脉冲，用分辨率为0.1g的天平对1000次喷油进行了定量测量。所有的测量至少重复三次，平均的结果被用来计算流量损失，如图2所示。注入器1的流量损失为8.5%，注射器2的流量损失为5.3%。喷射器3是作为基准的清洁喷射器。在流量试验后，利用喷油器研究了喷油器结垢对PM排放的影响。
图2 以异辛烷为测试流体，在150bar注入压力下进行喷油器流动测试
在PM测量过程中保持喷射器状态的一致性是非常重要的，因此在本实验研究中考虑了喷射器沉积物被冲走或进一步积累的可能性。将喷油脉冲宽度在一定喷射量下的变化作为喷油器状态变化的一个简单指标。为研究喷油器污染对PM排放的影响而设计的发动机试验，每个喷油器持续3 h。每个发动机工作点(3.5~8.5bar IMEP)至少重复3次，记录喷油脉冲宽度。在这项研究中，没有证据表明注射器1和2在PM测量过程中有任何明显的变化。图3显示了整个PM测量过程中喷油器1的注入脉冲宽度。可见，3个试验中的喷油脉冲宽度具有很好的重复性，因此认为整个试验研究中的喷油器条件是一致的。
在PM测量过程中保持喷射器状态的一致性是非常重要的，因此在本实验研究中考虑了喷油器沉积物被冲走或进一步积累的可能性。将喷油脉冲宽度在一定喷射量下的变化作为喷油器状态变化的一个简单指标。为研究喷油器污染对PM排放的影响而设计的发动机试验，每个喷油器持续3 h。每个发动机工作点(3.5~8.5bar IMEP)至少重复3次，记录喷油脉冲宽度。在这项研究中，没有证据表明注射器1和2在PM测量过程中有任何明显的变化。图2。3显示了整个PM测量过程中喷油器1的注入脉冲宽度。可见，3个试验中的喷油脉冲宽度具有很好的重复性，因此认为整个试验研究中的喷油器条件是一致的。
总之，尽管喷油器没有受到定制技术的污染，但每个喷射器中的流动损失水平已经被准确地描述出来，并且表明在整个实验研究过程中，低损失水平一直保持一致。
图3 在PM测量过程中，在150bar喷油压力下，喷油器1在3.5-8.5bar IMEP下的喷射脉冲宽度
2.3 PM质量计算
本文用开关电源(SMPS)直接测量PN。Pm质量由Pn用E
资料编号：[4959]
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