李慶宇，付建勤, ，劉敬平, ，劉 琦, ，沈瑤瑞

(1.湖南大學 先進動力總成技術研究中心，湖南 長沙 410082；2.湖南大學重慶研究院，重慶 401120)

在“雙碳”目標的背景下，低碳、高效和環(huán)保成為了內燃機新的發(fā)展趨勢.推廣應用具有碳中性的生物替代燃料，可以真正意義上實現(xiàn)“碳中和”，對內燃機實現(xiàn)“雙碳”目標的重要性不言而喻.作為典型的生物替代燃料之一，乙醇摻混汽油能明顯改善發(fā)動機的熱效率和排放性能，但是對于直噴發(fā)動機而言顆粒物排放是尚未有效解決的難題.隨著燃油噴射技術的進步，油軌壓力、燃油噴射次數(shù)和噴射持續(xù)時間等參數(shù)具有更廣泛的調節(jié)范圍和更高的控制精度.因此，乙醇汽油結合多次噴射技術有望成為降低發(fā)動機顆粒物排放的一種技術方案.

多次噴射是優(yōu)化直噴發(fā)動機性能和排放的有效方案之一，目前已應用于大量新品發(fā)動機.最初，多次噴射主要用于 改善柴油機的碳煙 和氮氧化物排放，這種策略不僅在排放方面，而且在發(fā)動機燃燒質量和噪聲 方面都取得了良好的效果[1].后來，多次噴射逐漸應用于點燃式發(fā)動機，不僅可以提高發(fā)動機熱效率、減少排放，而且還可以和代用燃料(如雙燃料燃燒模式等)進行綜合應用[2].侯獻軍等[3]研究發(fā)現(xiàn)二次噴射比例和正時的合理優(yōu)化能有效降低油耗和顆粒物排放.Singh等[4]將乙醇汽油與二次噴射技術結合，使發(fā)動機熱效率得到提高.Taehoon等[5]研究發(fā)現(xiàn)與單次噴射相比，多次噴射在不降低轉矩和燃燒穩(wěn)定性的前提下顯著降低顆粒物濃度.截止目前，現(xiàn)有缸內直噴汽油機(GDI)多次噴射研究大多局限于兩次噴射[6]，多次噴射潛力尚未得到全面挖掘.此外，國內外系統(tǒng)開展瞬態(tài)工況下多次噴射對乙醇汽油發(fā)動機顆粒物的排放規(guī)律的研究較少；Fu等[7]研究了冷啟動和暖機條件對新歐洲駕駛循環(huán)(NEDC)下汽油車PM排放的影響，發(fā)現(xiàn)在冷啟動發(fā)動機條件下前200s產(chǎn)生的顆粒更多.Mamakos等[8]發(fā)現(xiàn)，當環(huán)境溫度從22℃降到-7℃時，汽油機在NEDC循環(huán)下PM排放量增一倍.Karavalakis等[9]研究了發(fā)動機燃用乙醇汽油混合燃料在美國聯(lián)邦測試循環(huán)(FTP)下的PM排放，發(fā)現(xiàn)燃料中的氧含量是顆粒數(shù)減少的主要因素.國內外針對瞬態(tài)工況下乙醇汽油發(fā)動機顆粒物排放特性的研究，主要集中在特定工況，并且?guī)缀鯖]有結合多次噴射來研究顆粒物排放特性及其影響因素.

為了系統(tǒng)性揭示多次噴射策略對不同摻混比的乙醇汽油發(fā)動機顆粒物排放的影響，筆者針對一臺GDI汽油機開展了噴射次數(shù)和乙醇分數(shù)的敏感性試驗分析，進一步開展了發(fā)動機瞬態(tài)和穩(wěn)定工況下不同乙醇摻混比和噴射策略對顆粒物排放影響的對比研究，該研究為改善乙醇汽油發(fā)動機排放性能提供理論指導和數(shù)據(jù)支撐.

1 試驗系統(tǒng)及方法

1.1 試驗系統(tǒng)和發(fā)動機

試驗對象為一臺2.0L直列4缸渦輪增壓GDI發(fā)動機.發(fā)動機主要技術參數(shù)見表1，發(fā)動機試驗示意如圖1所示.目前量產(chǎn)的發(fā)動機大多采用6～8孔的電磁閥式噴油器.而筆者采用的是帶有空心錐形噴霧的快速壓電式噴油器(Piezo-electric噴油器)，具備每個循環(huán)最多5次噴射 的能力.與傳統(tǒng)的多孔噴嘴相比，壓電式噴嘴幾乎無節(jié)流，噴射壓力也明顯提升(可達20MPa，高于多孔閥的13MPa).壓電式噴油器的高噴射壓力與響應更快的壓電晶體共同作用產(chǎn)生錐形空心噴霧，其貫穿距僅為傳統(tǒng)多孔噴嘴的50%左右.正是考慮到上述優(yōu)點，以壓電式噴油器為對象，開展多次噴射策略對GDI發(fā)動機顆粒物排放性能的影響研究.

圖1 GDI發(fā)動機試驗示意Fig.1 Schematic diagram of the GDI engine

表1 發(fā)動機基本參數(shù)Tab.1 Test engine specifications

1.2 燃料性能對比

該發(fā)動機可燃用純汽油E0(100%的基準汽油，研究辛烷值92)、E100(無水乙醇，純度≥99.5%，H2O≤0.005%)及不同乙醇摻混比的乙醇-汽油混合燃料.研究考慮了E0、E10、E30和E85共4種燃料，其中，基準汽油(E0)燃料為研究級未氧化汽油，E0汽油與E100按體積混合得到不同比例的乙醇-汽油混合燃料，如E30(乙醇體積分數(shù)為30%的乙醇-汽油混合燃料).基準汽油和無水乙醇燃料的物理和化學性質對比，如表2所示.

表2 兩種基準燃料物化特性對比Tab.2 Comparison of the specifications of two reference fuels

1.3 測試設備及方法

試驗測試設備包括AVL燃燒分析儀、燃油消耗測量儀(AVL 7351 CST)、溫度和壓力傳感器等.采用火花塞壓力傳感器(Kistler 6115BFD34Q04)和電荷放大器(Kistler 5010)采集每個氣缸的壓力.通過INCA系統(tǒng)設置每個工況下特定的試驗邊界條件，主要包括噴射參數(shù)和過量空氣系數(shù)等，并通過傳感器記錄發(fā)動機進氣壓力、排氣壓力(渦輪前、后)、排氣溫度、機油和冷卻液溫度等.表3為發(fā)動機穩(wěn)態(tài)工況下多次噴射研究的邊界條件和部件保護限制的工作極限值.

表3 發(fā)動機邊界條件以及臨界值Tab.3 Experimental operating boundary conditions and limited value of engine

在研究瞬態(tài)工況下多次噴射和乙醇比例對顆粒物濃度的影響時，為了避免發(fā)動機爆震，除了過量空氣系數(shù)保持為1.0，進/排氣門正時和點火正時等均為標定值.

試驗發(fā)動機未配備任何排氣后處理系統(tǒng)，為了測量顆粒物的分布及濃度，采用隔熱的不銹鋼管從發(fā)動機排氣流道采樣廢氣.圖2為Cambustion DMS500系統(tǒng)，用于測量排氣中顆粒數(shù)量和粒徑分布.該系統(tǒng)根據(jù)納米顆粒在電場中的遷移率來生成尺寸在5～1000nm之間的納米顆粒分布.采樣的廢氣用150℃的干燥空氣稀釋，第一和第二階段的稀釋比(體積比)分別為6∶1和12∶1，避免由碳氫化合物和水冷凝引起的顆粒凝聚.Cambustion DMS500系統(tǒng)不僅可以測量大尺寸顆粒物，而且具備目前最快速的超微小氣溶膠的測量能力.因此，該系統(tǒng)可適合在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工況下測量發(fā)動機的顆粒物排放.

圖2 測量顆粒物的Cambustion DMS500系統(tǒng)Fig.2Cambustion DMS500 system for particle measurement

在穩(wěn)態(tài)試驗中，采用參數(shù)掃描試驗的方法研究噴射次數(shù)和乙醇比例對顆粒物排放的影響.通過將每個循環(huán)的噴射次數(shù)從單次逐漸增加至最高5次，研究多次噴射對發(fā)動機性能和顆粒物排放的影響.

為便于比較不同噴射次數(shù)對發(fā)動機性能的影響，引入了Imaoka等[10]在GDI發(fā)動機噴油研究中提出的“加權噴射中心正時”概念，即基于噴油策略的質量加權平均(COI)如式(1)所示.

式中：Ti為第i次噴射正時的中心位置；mi為第i次噴射時間內的總質量；N為噴射次數(shù).

2 結果與討論

2.1 穩(wěn)態(tài)工況下噴射策略對顆粒物的影響

2.1.1 噴射次數(shù)對顆粒物的影響

圖3示出進氣壓力為0.125MPa的單次、2次和3次噴射策略下發(fā)動機燃用E10的顆粒物粒徑分布.選用了相同COI但不同噴射次數(shù)的工況.無論是核態(tài)(5～50nm)還是聚集態(tài)(50～1000nm)顆粒物，3次噴射的顆粒物排放要少于2次噴射和單次噴射的情況.并且，相較于單次噴射和2次噴射，3次噴射能有效降低核態(tài)顆粒物濃度.由于噴射持續(xù)期較短，3次噴射能減少燃油對氣缸壁的撞擊；并且3次噴射還可以加強燃料與空氣的混合，從而有利于減少顆粒物排放.Fischer等[11]研究表明，由于噴油器更頻繁地開啟和關閉，多次噴射增加了噴油器尖端的潤濕作用，從而有可能導致更多顆粒物的生成.然而在試驗中觀察到的3次噴射顯著降低了顆粒物排放，表明噴油器尖端濕潤并不是顆粒物形成的最重要因素.

圖3 進氣壓力為0.125MPa時噴射次數(shù)對顆粒物排放的影響Fig.3 Effects of injection times on particulate emissions at pin=0.125MPa

圖4示出進氣壓力為0.150MPa時E10噴射次數(shù)對顆粒物排放的影響.與單次噴射和2次噴射相比，3次噴射幾乎降低了所有粒徑范圍(0～1000nm)內的顆粒物排放，尤其在10～100nm的粒徑范圍，3次噴射條件下顆粒物濃度下降尤為明顯.就顆粒物總量而言，3次噴射的PN總濃度比單次噴射降低了近60%，明顯優(yōu)于2次噴射的效果(PN僅下降15%).對比圖3和圖4不難發(fā)現(xiàn)，兩組進氣壓力(或負荷)下顆粒物的分布規(guī)律比較相似，不過發(fā)動機負荷增大后PN總量增加了10%～45%.也就是說，顆粒物濃度隨進氣壓力(或負荷)的增加而上升，這是因為進氣壓力(或負荷)增加意味著需要更多的噴油量和更長的噴油持續(xù)期.噴油持續(xù)期的增加導致更高的噴霧穿透率，從而增加了與壁面和活塞撞擊的可能性，由此形成的油膜是最主要的顆粒物排放源之一.

圖4 進氣壓力為0.150MPa 時噴射次數(shù)對顆粒物排放的影響Fig.4 Effects of injection times on particulate emissions at pin=0.150MPa

2.1.2 燃料乙醇比例對顆粒物的影響

圖5給出在進氣壓力為0.125MPa、單次噴射條件下發(fā)動機燃用E0、E30和E85的顆粒物粒徑分布.隨著乙醇含量的增加，總顆粒物濃度明顯下降，同時核態(tài)和聚集態(tài)顆粒物也均下降.因此，乙醇可以很好地降低顆粒物的排放濃度.這是因為乙醇分子中的OH鍵會促進顆粒物的前期氧化，導致顆粒物排放量減少[12].Westbrook等[13]在其化學動力學建模研究中發(fā)現(xiàn)，乙醇-柴油中氧含量的增加可抑制燃料中的碳進一步轉化成顆粒物.這從化學動力學途徑解釋了摻混乙醇的汽油燃料顆粒物排放減少的原因.

圖5 單次噴射條件下E0、E30和E85的顆粒物粒徑分布Fig.5Particle size distribution of E0，E30 and E85 under single fuel injection

圖6給出了3次噴射條件下發(fā)動機燃用E0、E30和E85的顆粒物粒徑分布.總體來說，3次噴射和單次噴射條件下乙醇比例對顆粒物排放的影響規(guī)律相似，即乙醇比例越高，總顆粒物排放越低.這主要是因為混合燃料中的氧含量隨乙醇含量的增加而增大，其對顆粒物的氧化能力也隨之增強.

圖6 3次噴射條件下E0、E30和E85的顆粒物粒徑分布Fig.6 Particle size distribution of E0，E30 and E85 under three fuel injection

圖5a和圖6a左上角的對數(shù)所示，在100～1000nm的顆粒物粒徑范圍內，發(fā)動機燃用E85的顆粒物濃度大于E30.從圖6b可以發(fā)現(xiàn)，E85導致的聚集態(tài)顆粒物明顯比核態(tài)顆粒物濃度高，這是大于100nm的粒徑顆粒物數(shù)量上升的緣故.隨乙醇含量增加，較高的乙醇汽化熱產(chǎn)生較強的蒸發(fā)冷卻效果，加速了殘余油膜的形成，這也是顆粒物的重要來源之一.因此，乙醇汽油燃料對顆粒物的影響需從兩方面考慮，即乙醇對顆粒物的氧化能力以及乙醇汽化熱對壁面油膜形成的影響.而從研究結果來看前者占主導作用；后者主要對大直徑的顆粒物產(chǎn)生影響(導致其增加)，但對總的顆粒物濃度的影響不明顯.

為了研究不同噴射次數(shù)下乙醇比例對顆粒物質量的影響，使用PN粒徑分布(單位體積內顆粒物的個數(shù))數(shù)據(jù)估計PM(單位體積內顆粒物的質量).假設碳煙顆粒為球形，并利用Liu等[14]提出的有效粒子密度關系式計算總PM，結果如圖7所示.無論是單次噴射還是2次噴射，汽油摻混乙醇均可顯著降低PM；但在3次噴射條件下，PM已經(jīng)達到了極低水平，此時乙醇的加入(以及摻混比的增加)對發(fā)動機的PM排放影響不大.并且乙醇汽化熱的增加有助于油膜的形成，從而導致大顆粒物的產(chǎn)生，這對PM的貢獻更大.因此，就PM而言，多次噴射的影響大于乙醇的加入及其摻混比.

圖7 不同噴射次數(shù)和乙醇比例下顆粒物的質量濃度Fig.7Mass concentration of PM under different injecttion times and ethanol ratio

2.2 瞬態(tài)過程噴射策略對發(fā)動機性能的影響

汽車在實際行駛過程中，大部分時間處于過渡工況.由于在瞬態(tài)工況前、后發(fā)動機的運行參數(shù)會發(fā)生急劇變化，僅僅優(yōu)化發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)性能對于提升發(fā)動機在整車運行狀態(tài)下的性能具有一定局限性.更進一步對瞬態(tài)工況下含氧燃料對點燃式發(fā)動機顆粒物排放影響的研究相對較少，尤其是針對單個瞬態(tài)循環(huán)過程的研究更是罕見.因此，有必要研究瞬態(tài)過程噴射策略對發(fā)動機性能的影響.

2.2.1 瞬態(tài)工況下不同噴射策略的影響

為了研究瞬態(tài)工況下不同噴射策略對發(fā)動機性能影響，在試驗臺架上模擬發(fā)動機的瞬態(tài)工況1(包括加減速和勻速過程)，按圖8中給定的轉速和節(jié)氣門位置，分別進行單次噴射和3次噴射試驗.發(fā)動機怠速轉速為800r/min，選取轉速為1750r/min、節(jié)氣門開度分別為35%、40%和43%作為過渡工況點.工況點過渡時間與穩(wěn)定時間均設置為5s.在瞬態(tài)工況、冷機狀態(tài)下的冷卻水初始溫度均控制在25℃.

圖8 瞬態(tài)工況1下的轉速和節(jié)氣門位置Fig.8 Speed and throttle position under transient condition 1

圖9為瞬態(tài)工況1下E10兩種噴射策略對發(fā)動機性能影響對比.單次噴射和3次噴射對發(fā)動機在瞬態(tài)運行過程的平均有效壓力(BMEP)和燃燒參數(shù)影響均不大.在節(jié)氣門開度最大時，3次噴射的BMEP比單次噴射稍大.在冷啟動過程中(第7～18s的時間區(qū)間，即圖9b中紅色方框區(qū)域內)，發(fā)動機從怠速切換到1750r/min的特定工況，并在此工況穩(wěn)定了5s；此過程中，單次噴射的燃燒重心比3次噴射更靠前，而BMEP幾乎保持一致，這是由于在冷啟動過程中單次噴射和3次噴射的標定Map不同導致的，并且單次噴射相較于3次噴射點火提前角也更靠前.隨著工況逐漸過渡到高負荷，單次和3次噴射條件下發(fā)動機的性能差異不大.

圖9 瞬態(tài)工況1下E10兩種噴射策略對發(fā)動機性能影響Fig.9 Comparisons of engine performance between single injection and 3 injections of E10 under transient condition 1

圖10比較了瞬態(tài)工況1單次噴射和3次噴射的顆粒物總濃度(0～1000nm范圍內)的變化.在絕大多數(shù)時間段3次噴射的顆粒物濃度都比單次噴射低.尤其是在冷啟動時(第10s左右)，發(fā)動機從怠速工況變化到1750r/min、中等負荷時，單次噴射的顆粒物濃度出現(xiàn)峰值，比3次噴射的顆粒物濃度高出2～3個數(shù)量級.這表明在冷啟動的瞬態(tài)工況下，相較于單次噴射，采取3次噴射可以有效降低顆粒物排放.這是因為在冷啟動條件下，單次噴射的噴霧貫穿距更長，容易導致濕壁，從而產(chǎn)生更多顆粒物.而當發(fā)動機處于暖機狀態(tài)時，即在40s以后，單次噴射與3次噴射的顆粒物濃度差距減小.這是因為在熱機狀態(tài)下噴油量會適當減少，并且壁面溫度升高加速油膜蒸發(fā)，削弱了單次噴射導致的油膜影響，最終使單次和3次噴射的顆粒物濃度差距減小[15].

圖10 瞬態(tài)工況1時E10單次和3次噴射的顆粒物濃度對比Fig.10Comparison of PN emissions between single injection and 3 injections of E10 under transient condition 1

為了研究連續(xù)加速和減速瞬態(tài)工況下噴射策略對發(fā)動機性能的影響，構建了瞬態(tài)工況2，圖11所示瞬態(tài)工況2下的轉速和節(jié)氣門位置.瞬態(tài)工況2是類似鋸齒狀的加減速工況，發(fā)動機轉速始終維持在1750r/min，節(jié)氣門位置在25%到39%之間變化，加減速的時間間隔分別是12.5、10.0、7.5和5.0s.

圖11 瞬態(tài)工況2下的轉速和節(jié)氣門位置Fig.11Speed and throttle position under transient condition 2

圖12為瞬態(tài)工況2下E10單次和5次噴射的發(fā)動機性能對比.由圖12a和圖12b可以發(fā)現(xiàn)，在絕大部分時間內單次噴射和5次噴射的BMEP、燃燒重心的變化趨勢基本一致.不過，當節(jié)氣門開度最大時，5次噴射的燃燒重心要比單次噴射提前，這是由于單次噴射和5次噴射噴射中心的差異導致的.從圖12c可以明顯看出，5次噴射顯著降低了顆粒物排放濃度，尤其是在負荷較大的工況.相較于單次噴射，5次噴射在最大負荷時顆粒物降低了將近80%.而且負荷越大，顆粒物濃度也越大，這與之前穩(wěn)態(tài)工況的結果也是相吻合的.隨著工況點之間過渡時間減少，無論是單次噴射還是5次噴射，顆粒物的峰值都在遞減，這說明加速過程的過渡時間和顆粒物濃度的峰值是正相關的.這主要是由于加速過渡時間越長，發(fā)動機運轉在高負荷的時間越長，而負荷越大越有利于顆粒物的生成，于是隨著加速過渡時間變長，其顆粒物濃度峰值變高.

圖12 瞬態(tài)工況2下E10單次和5次噴射的發(fā)動機性能對比Fig.12 Comparison of engine performances between single injection and 5 injections of E10 under transient condition 2

2.2.2 乙醇比例對瞬態(tài)工況的影響

為比較不同乙醇摻混比對瞬態(tài)工況發(fā)動機顆粒物排放的影響，基于圖8的瞬態(tài)工況1進行試驗對比研究.圖13為單次噴射E0、E30和E85的性能對比.在20～55s的時間段發(fā)動機燃用E0的BMEP均低于燃用E30和E85的水平.這是因為在發(fā)動機達到較高負荷時(轉速為1750r/min)，為防止爆震會推遲點火.燃燒重心在此時間段已經(jīng)大幅延后.并且隨著節(jié)氣門開度增大，燃燒重心進一步延后，導致BMEP和最大爆發(fā)壓力降低，燃燒過程也相應延長.

圖13 瞬態(tài)工況1時單次噴射E0、E30和E85的性能對比Fig.13Comparison of engine performances between single injection with different fuel blends of E0，E30 and E85 under transient condition 1

圖14為瞬態(tài)工況1時單次和3次噴射下E0、E30和E85的顆粒物分布對比.隨著乙醇比例的增加，顆粒物濃度在很大粒徑范圍內下降明顯，尤其是E85發(fā)動機的顆粒物濃度呈數(shù)量級下降.從圖14a可以看出，在單次噴射、發(fā)動機冷啟動(8～15s)時，顆粒物濃度達到了一個尖銳的峰值.與之相反，圖14b顯示在3次噴射、冷啟動過程中，E85和E30發(fā)動機的顆粒物濃度先達到一個小的峰值然后迅速下降，而E0發(fā)動機的顆粒物則變化較為平緩，在負荷最大的時候出現(xiàn)峰值.從這個角度分析可知，在3次噴射時，E0發(fā)動機的顆粒物濃度主要是受負荷和爆震影響，而E30和E85發(fā)動機顆粒物濃度則是在冷啟動過程變化較大，顆粒物濃度在冷啟動前2s急劇上升到峰值，隨后則下降到較低水平.

圖14 瞬態(tài)工況1時單次和3次噴射下E0、E30和E85的顆粒物分布對比Fig.14Comparison of PN emissions between single injecttion and 3 injections with different fuel blends of E0，E30 and E85 under transient condition 1

3 結 論

(1) 與單次和2次噴射相比，3次噴射幾乎可以降低所有粒徑范圍(0～1000nm)內的顆粒物排放，尤其是10～100nm粒徑范圍顆粒物濃度下降明顯；3次噴射的PN總濃度比單次噴射降低近60%，明顯優(yōu)于2次噴射的效果(僅下降15%)；進氣壓力對顆粒物濃度的分布規(guī)律影響較小，但PN總量增加.

(2) 在單次和3次噴射條件下，隨著混合燃料乙醇體積分數(shù)增加，核態(tài)、聚集態(tài)和總顆粒物濃度均降低，而在100～1000nm粒徑范圍內，E85發(fā)動機的顆粒物排放濃度大于E30；但就降低PM效果而言，多次噴射的影響比燃料摻入乙醇更顯著.

(3) 單次和3次噴射對發(fā)動機在瞬態(tài)過程的BMEP和燃燒參數(shù)影響均不大；在絕大多數(shù)的瞬態(tài)工況下，3次和5次噴射都比單次噴射的顆粒物濃度低；相比單次噴射，顆粒物的排放在多次噴射下降低80%；在單次和3次噴射的瞬態(tài)工況下，隨著乙醇比例增加，顆粒物濃度在很大粒徑范圍內下降明顯，尤其是E85發(fā)動機的顆粒物在單次噴射條件下出現(xiàn)數(shù)量級下降.

(4) 應用乙醇混合燃料結合多次噴射策略，在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工況下均可在幾乎不影響發(fā)動機動力性能的同時，有效避免因發(fā)動機爆震引起的性能下降和顆粒物排放惡劣的問題.