李菲，張小敏，陳振斌，寧萍，劉祥

(1.重慶科創(chuàng)職業(yè)學院汽車工程學院，重慶 482160；2.重慶金康賽力斯新能源汽車設計院有限公司，重慶 401135；3.海南大學機電工程學院，海南 海口 570228；4.重慶交通大學航運與船舶工程學院，重慶 400074)

缸內直噴汽油機(gasoline direct injection，GDI)采用燃油直接噴入氣缸的方式進行混合氣制備，因其熱效率高、動態(tài)響應好等特點在車用汽油機中所占比例不斷增加。然而由于GDI汽油機直接將液體燃油噴入氣缸內，導致缸內工質混合時間縮短、局部過濃和燃油濕壁等現(xiàn)象增強，造成尾氣顆粒物排放在質量濃度和數(shù)量濃度上均有所增加，排放量遠高于傳統(tǒng)進氣道噴射汽油機，而且其顆粒物粒徑一般小于1 000 nm。顆粒物按粒徑主要分為核態(tài)顆粒物和積聚態(tài)顆粒物兩種，核態(tài)的粒徑分布范圍為5～30 nm，積聚態(tài)的粒徑范圍為30～1 000 nm，這種小直徑顆粒物對人體危害更嚴重。歐Ⅴ和歐Ⅵ排放法規(guī)先后對GDI汽油機排放的一次顆粒物質量與數(shù)量進行了限制，所以在保持燃油經(jīng)濟性優(yōu)勢的情況下，如何減少GDI汽油機缸內顆粒物生成，成為目前GDI汽油機亟待解決的關鍵問題之一。缸內工質均勻程度和燃燒質量對發(fā)動機顆粒物排放有較大的影響，而發(fā)動機控制參數(shù)影響工質混合和燃燒過程。本研究選取噴油定時作為主要研究參數(shù)，著重研究噴油定時的改變對GDI汽油機燃燒過程和顆粒物排放的影響。

乙醇汽油由于摻混乙醇使得燃料燃燒更充分，尾氣中污染物的排放量顯著減少。美國橡樹嶺國家實驗室的研究表明，與普通汽油相比，E10乙醇汽油的顆粒物(PM) 減排量為6%～6.6%，E20乙醇汽油的顆粒物(PM)減排量能達到 29.4%～41.8%。含水乙醇相對無水乙醇不僅減少了蒸餾過程產(chǎn)生的大量能耗，而且因其自身含水，降低了遇水敏感性。

乙醇汽油的顆粒物排放已有部分研究, 但含水乙醇汽油應用于GDI發(fā)動機的燃燒特性、排放特性研究相對較少，尤其是GDI汽油機燃用含水乙醇汽油的顆粒物排放。因此本研究針對噴油定時對GDI汽油機燃用汽油和含水乙醇汽油的燃燒特性和顆粒物排放特性的影響進行試驗測試，旨在為含水乙醇汽油在GDI發(fā)動機上的推廣應用及降低顆粒物排放提供理論基礎。

1 試驗裝置及方法

1.1 試驗裝置

試驗所用發(fā)動機為1臺2.0 L 4缸水冷渦輪增壓GDI汽油機，滿足國Ⅳ排放標準，同時該汽油機還配備了進排氣可變氣門正時技術，其性能參數(shù)如表1所示。

表1 GDI汽油機結構性能參數(shù)

發(fā)動機臺架試驗主要測試設備包括GDI汽油機、WF311測功機、KISTLER電荷放大器、AVL GH13Z火花塞缸內壓力傳感器、MEXA-584L氣體分析儀、高速數(shù)據(jù)釆集卡和LabVIEW 軟件等。另外，排氣微粒的測量采用DMS500快速型納米微粒尺寸光譜儀，該儀器的粒徑測量范圍為 5～1 000 nm，響應時間則可達到100 ms以內，該儀器的采樣過程、工作情況參考文獻[9]。

1.2 試驗材料和試驗方法

試驗燃料由97號汽油(市售)、含水乙醇和乳化劑Span80混合配制而成，不同占比的含水乙醇汽油記為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質

根據(jù)車用汽油機實際運行的范圍，試驗工況設定轉速為2 000 r/min、平均有效壓力為0.2 MPa、過量空氣系數(shù)為1、點火提前角為28°BTDC，試驗分別在260°BTDC，300°BTDC，340°BTDC噴油時刻下進行。更換燃料，重復試驗，記錄不同試驗條件下缸內壓力、瞬時放熱率、缸內平均溫度、常規(guī)排放以及顆粒物排放等數(shù)據(jù)。記錄的數(shù)據(jù)均在汽油機穩(wěn)定后平行測量3次，間隔30 s，以確保其準確性?？刂茩C油溫度在(90±1)°，冷卻水溫在(85±1)°，以消除汽油機機油溫度和冷卻水溫度對試驗精度的影響。

2 試驗結果及分析

2.1 噴油定時對燃燒和排放特性的影響

圖1示出增壓GDI汽油機分別燃用汽油、E10W、E20W 3種燃料，缸內壓力、瞬時放熱率隨著噴油定時的變化情況。由圖1可知，隨著噴油時刻的不斷延遲，缸內壓力峰值和瞬時放熱率峰值均呈現(xiàn)下降趨勢，在260°BTDC左右達到峰值，且瞬時放熱率峰值位置推遲。這表明噴油定時的推遲使得發(fā)動機放熱推遲，影響燃燒過程。主要原因是噴油定時對GDI汽油機缸內混合氣的形成有較大的影響；噴油定時過晚，缸內工質預混合時間減少，工質均勻性較差，局部混合氣過濃，影響混合氣燃燒的穩(wěn)定性，燃燒不充分、不完全；噴油定時過早，活塞離上止點距離較短，油束容易撞擊活塞，造成燃油濕壁情況，同時剩余油束與空氣混合后濃度降低。

圖1 噴油定時對缸內壓力和瞬時放熱率的影響

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，燃用含水乙醇汽油E10W、E20W與燃用汽油的缸內壓力和瞬時放熱率走勢一致，峰值相差不大，說明在不對發(fā)動機做任何改裝的情況下，燃燒小比例的含水乙醇汽油是可行的，這與文獻[5，11-12]研究一致。由圖1b、圖1c 可以看出，隨著含水乙醇比例的增加，3種噴油時刻下缸內壓力、瞬時放熱率的差異進一步增大。分析認為，乙醇和水的熱值較低，導致工質膨脹功減少，燃燒熱效率降低；而且乙醇和水的黏度和汽化潛熱均較汽油高，含水乙醇的噴霧貫穿距和霧化效果均低于汽油，含水乙醇比例的增加使得燃油沾濕燃燒室壁后更難以蒸發(fā)霧化，導致燃燒不完全。

圖2示出GDI汽油機分別燃用3種燃料隨著噴油定時變化的缸內平均溫度。由圖可知，燃用3種燃料時隨著噴油定時的推遲，缸內平均溫度峰值逐步降低，在260°BTDC達到峰值，且平均溫度峰值所對應的曲軸轉角相應推遲。主要是因為噴油定時過晚，導致工質混合時間減少，均勻性較差，缸內部分工質過濃，燃燒不完全，導致缸內溫度降低。通過對比可知，兩種含水乙醇汽油的最高缸內溫度均比汽油低。汽化潛熱對燃燒溫度有較大影響，由表1可知，含水乙醇汽化潛熱比汽油高，汽化潛熱高促使燃燒溫度降低；同時，隨著含水乙醇比例增大，乙醇和水含量增多，熱值低的乙醇和水也導致缸內平均溫度降低。

圖3示出了燃用汽油、E10W、E20W 3種燃料噴油定時對CO、THC和NO排放的影響。由圖3a看出，3種燃料均在噴油時刻為300°BTDC時CO排放量最大，說明在此噴油時刻，燃料不完全燃燒程度增強。分析認為，過晚噴油使得混合氣預混時間變短，缸內工質不均勻程度增加，部分過濃工質無法完全燃燒，燃燒效果不理想，CO的排放增加。由圖還可看出，燃料E10W的CO排放量整體比汽油和E20W高，可能因為乙醇和水黏度大，不利于快速形成均勻的混合氣，而且汽化潛熱高于汽油，易造成濕壁現(xiàn)象，降低缸內溫度，使得燃燒效果變差，CO 排放增加；因E20W中乙醇和水的占比較大，較大程度提高了燃料的含氧量，富氧促進燃料完全燃燒，而E10W因氧含量較低，含氧量的優(yōu)勢不足以抵消油束濕壁、工質不均勻等造成的燃燒惡化，所以CO的排放高于其他兩種燃料。

由圖3b可以看出，3種燃料在300°BTDC噴油時刻的THC排放量最小。分析認為，噴油時刻過早，活塞離上止點近，燃油濕壁現(xiàn)象加劇，導致缸壁溫度降低，工質混合速度降低，燃燒效率降低；而且，氣門重疊角的存在導致排氣倒流，部分排氣摻入新混合氣中，又降低了燃燒效率，所以THC排放增加。噴油時刻過晚，由于混合時間縮短導致工質非均勻部分增多，影響燃燒的穩(wěn)定性，從而增加THC排放量。由圖3b還可知，兩種含水乙醇汽油的THC排放均高于汽油，分析認為，含水乙醇汽油中乙醇和水的黏度較大，同時兩者汽化潛熱均比汽油高，含水乙醇汽油存在燃油濕壁現(xiàn)象，燃油濕壁導致缸內溫度降低，進一步使得燃料難以蒸發(fā)霧化，THC排放增多。

由圖3c可以看出，燃料組分較噴油時刻對NO的排放影響更大。E10W、E20W兩種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，由此導致E10W、E20W兩種燃料NO排放要高于汽油；隨著噴油時刻的過分推遲及含水乙醇摻比增加，在汽化潛熱和熱值兩方面因素的共同作用下，E20W燃燒和排氣溫度下降，在340°BTDC時其NO排放遠小于E10W。

圖3 噴油定時對排放的影響

2.2 噴油定時對顆粒排放數(shù)濃度的影響

圖4示出了噴油定時對顆粒物數(shù)濃度的影響。由圖4a可知，燃用3種燃料在噴油時刻為300°BTDC時顆粒物濃度最小，且隨著含水乙醇占比增大，排放的顆粒物數(shù)濃度呈減小趨勢。燃用3種燃料的核態(tài)顆粒物數(shù)濃度和積聚態(tài)顆粒物數(shù)濃度均在300°BTDC時達到最小，且燃用E10W、E20W排放的核態(tài)、積聚態(tài)顆粒物數(shù)濃度在任何時刻都比汽油少。

缸內混合氣均勻程度對燃燒過程中顆粒物的生成有著重要的影響，噴油定時影響缸內工質混合狀態(tài)，進而影響顆粒排放。噴油時刻過早，易導致燃油濕壁現(xiàn)象，燃油蒸發(fā)霧化效果降低，影響工質混合速度，降低熱效率；噴油時刻過晚，工質預混合時間減少，影響混合氣均勻性，促使燃燒不完全。噴油時刻過早過晚都對缸內工質燃燒有影響，從而影響顆粒物的生成與排放，所以3種燃料在260°BTDC和340°BTDC噴油時刻總顆粒數(shù)濃度比300°BTDC時高(見圖4a)。

圖4 噴油定時對顆粒物數(shù)濃度的影響

核態(tài)顆粒物和積聚態(tài)顆粒物形成原因不同。核態(tài)顆粒物的成因比較復雜，通常認為主要是由燃燒過程所產(chǎn)生的揮發(fā)性有機成分、固態(tài)碳粒、金屬灰燼等組成的一次顆粒物，以及HSO或HC等氣態(tài)前體物成核形成的二次顆粒物；積聚態(tài)顆粒物主要是由發(fā)動機燃燒過程中燃料不完全燃燒產(chǎn)生的碳煙粒子發(fā)生團聚作用并吸附部分HC等有機物、金屬灰燼和硫酸鹽等揮發(fā)和半揮發(fā)組分形成。噴油定時過早(260°BTDC)，核態(tài)顆粒物數(shù)濃度較高，這是因為當噴油定時較早時，缸內溫度高，促使S元素向SO的轉化，進而增加了排氣中HSO的含量，因而核態(tài)顆粒物數(shù)濃度升高；積聚態(tài)顆粒物在高溫條件下易氧化，所以缸內溫度升高，促進積聚態(tài)顆粒物氧化成核態(tài)，也會導致核態(tài)顆粒物數(shù)增加。隨著噴油定時推遲(340°BTDC)，燃料與新鮮空氣混合時間變少，工質混合不均，部分過濃區(qū)高溫缺氧造成猝熄等現(xiàn)象，為積聚態(tài)顆粒物的生成提供了有利條件，導致積聚態(tài)顆粒物數(shù)濃度增加。對比核態(tài)和積聚態(tài)顆粒物數(shù)濃度變化趨勢，在較早噴油時刻(260°BTDC)時存在較高濃度的核態(tài)顆粒物、較低濃度的積聚態(tài)顆粒物，這與Desantes等的試驗結果一致，核態(tài)顆粒物與積聚態(tài)顆粒物在數(shù)濃度上存在此消彼長的關系。當較多的碳粒、HC、金屬灰燼等形成核態(tài)顆粒物，促使形成積聚態(tài)顆粒物生長的組分減少，從而導致其濃度降低。

從圖4還可看出，含水乙醇汽油顆粒物數(shù)濃度排放遠低于汽油。分析認為：一方面乙醇和水均是含氧物質，在工質燃燒過程中提供氧，促使燃料充分燃燒，有利于減少顆粒物的生成；另一方面汽油是成分復雜的烴類物質，燃料中產(chǎn)生顆粒物的主要來源是汽油，含水乙醇汽油中部分汽油被含水乙醇所替代，從原料上降低了產(chǎn)生顆粒物的量，且隨著含水乙醇比例的增加，顆粒物減排效果也更明顯。

圖5示出不同燃料顆粒物數(shù)量濃度粒徑分布隨噴油定時的變化。由圖可知，燃用3種燃料顆粒物數(shù)濃度粒徑分布近似呈核態(tài)顆粒物和積聚態(tài)顆粒物雙峰分布，汽油粒徑分布范圍為5～500 nm，E10W和E20W粒徑分布范圍為5～250 nm。顆粒物數(shù)濃度隨噴油定時的增大先減少后增加，與圖4a呈現(xiàn)的規(guī)律一致。

由圖5可知，燃用3種燃料的核態(tài)顆粒物與積聚態(tài)顆粒物峰值對應的粒徑相差不大，但是顆粒物數(shù)濃度隨噴油定時的推遲都呈現(xiàn)先減少后增加趨勢。在噴油時刻為300°BTDC時各粒徑對應的數(shù)濃度最低，這與上文總顆粒物數(shù)濃度的趨勢是一致的。對比燃用3種燃料顆粒物數(shù)濃度粒徑分布圖可知，隨著含水乙醇比例的增加，顆粒物數(shù)濃度對應的最大粒徑呈現(xiàn)減小趨勢，汽油顆粒物粒徑最大達到500 nm，E20W顆粒物粒徑最大不到250 nm，同時含水乙醇汽油相對汽油積聚態(tài)顆粒物數(shù)濃度有較大的降低。主要原因是含水乙醇汽油中乙醇和水均是含氧物質，高達36.42%的氧含量使得含水乙醇汽油緩解了高溫缺氧的燃燒狀況，在燃燒過程中，豐富的氧促進燃料燃燒完全，減少碳煙粒子生成，而且抑制了核態(tài)顆粒物粒的團聚和吸附進程，不僅使得積聚態(tài)顆粒物峰值粒徑逐漸變小，而且整個積聚態(tài)顆粒物數(shù)濃度也有一定程度的減少。隨著含水乙醇比例的增加，汽油占比減少，烴類物質燃燒產(chǎn)生的硫酸鹽和揮發(fā)性有機成分減少，核態(tài)顆粒物生成量隨之減少。核態(tài)顆粒物數(shù)量濃度的降低減少了進一步吸附物質長大成積聚態(tài)顆粒物的可能，進而降低積聚態(tài)顆粒物數(shù)濃度。

圖5 噴油定時對顆粒物粒徑的影響

3 結論

a) 隨著噴油定時的推遲，燃用汽油、E10W、E20W 3種燃料，缸內壓力和放熱率走勢一致，峰值均呈現(xiàn)下降趨勢，缸內壓力峰值位置幾乎不變，放熱率峰值位置推遲；缸內平均溫度峰值隨著噴油定時推遲逐步降低，均在260°BTDC達到峰值，且缸內平均溫度峰值位置推遲；

b) 燃用含水乙醇汽油E20W的CO和THC排放與汽油相差不大，但是燃用E10W的CO和THC排放均比汽油高，燃用3種燃料均在噴油時刻為300°BTDC時CO排放量最少，THC排放量最多；燃用E10W和E20W的NO排放量較汽油高；

c) 含水乙醇能有效降低GDI汽油機顆粒物數(shù)濃度，燃用E10W和E20W的顆粒物數(shù)濃度相對汽油有較大幅度的降低，燃用3種燃料的顆粒物總數(shù)濃度、核態(tài)和積聚態(tài)顆粒物均在噴油時刻為300°BTDC時達到最小值；隨著含水乙醇含量的增加，顆粒物粒徑的最大值呈減小趨勢，且積聚態(tài)顆粒物數(shù)濃度也呈下降趨勢。

致謝

感謝天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室、裴毅強教授團隊以及孫姣等為本試驗提供的支持與指導。