（动力机械及工程专业论文）缸内直喷gdi汽油机微粒排放粒径分布特性研究.pdf

摘要 缸内直喷( g d i ) 汽油机技术具有降低油耗和减少c 0 2 排放的优势，将 成为未来的主要车用动力，但因其具有类似于柴油机的喷油方式而不可避免 的增加了微粒排放。本文对g d i 汽油机，进气道喷射( p f i ) 汽油机和低温 燃烧( l t c ) 柴油机的排气微粒数浓度和粒径分布进行对比研究，阐述g d i 燃烧模式微粒的排放特点，又进一步对一台燃烧组织参数可变的g d i 汽油机 的微粒排放特性进行测量和分析，通过缸内燃烧情况分析各种燃烧组织参数 对微粒排放特性的影响规律。 研究结果表明：1 、在怠速工况，g d i 汽油机微粒数浓度、表面积和质 量多于p f i 汽油机而少于l t c 柴油机，但其几何平均直径( g m d ) 小于p f i 汽油机和低温燃烧柴油机，说明g d i 汽油机产生更多小粒径微粒；2 、随着 负荷的增加，g d l 汽油机的核态微粒数量虽然不断减少，但由于聚集态微粒 的增多，其表面积和质量不断增加，g d i 汽油机微粒总数浓度低于p f i 汽油 机和l t c 柴油机，然而随着负荷的增大表面积和质量却更高；3 、随转速升 高，g d i 汽油机微粒的数浓度与p f i 汽油机变化趋势一致，都不断降低，但 因为采用缸内直接喷射燃油，其表面积和质量却与l t c 柴油机变化一致， 先减少后增加；4 、随着空燃比增加，缸内燃烧温度和后期氧化温度发生变 化，g d i 汽油机核态微粒数浓度先增加后减少，但聚集态微粒逐渐减少，微 粒总数、表面积和质量减少；5 、随着点火时刻的提前，受油气混合时间和 燃烧温度的影响，g d i 汽油机核态和聚集态微粒数浓度有所增加，表面积和 质量也有所增加：6 、随着喷油时刻的提前，g d i 汽油机核态微粒数浓度先 增多后减少，而聚集态微粒则持续增多，总数浓度、表面积和体积增大，此 时油气混合时间与燃油碰壁程度对微粒排放影响很大。 本文的研究初步形成评价g d i 汽油机微粒排放的有效而准确的测量和 分析方法，为进一步研究g d i 汽油机排气微粒提供实验基础，为g d i 汽油 机微粒排放的控制提供依据。 关键词：缸内直喷( g d i ) ；微粒；数浓度；粒径分布 a b s t r a c t w i t h r a p i da d v a n c e m e n to fc o n t r o l t e c h n o l o g y ，g d i ( g a s o l i n e d i r e c t i n j e c t i o n ) ，w h i c ht a k e so u tt h r o t t l et od e c r e a s et h ef u e lc o n s u m p t i o na n dc 0 2 e m i s s i o n w i l lb e c a m et h em a i np o w e ro fv e h i c l e h o w e v e r ，g d is i m i l a rw i t hd i e s e le n g i n ei n t h ew a yo fc o m b u s t i o ni n d i s p e n s a b l yi n c r e a s et h ep a r t i c u l a t er o a r e re m i s s i o n i nt h i s s t u d y ，c h a r a c t e r i s t i co fp a r t i c u l a t em a t t e rf r o mag d ie n g i n e sw a si n v e s t i g a t e d ， c o m p a r e dw i t hap o r tf u e li n j e c t i o n ( p f i ) g a s o l i n ee n g i n ea n dal o wt e m p e r a t u r e c o m b u s t i o n ( l t c ) d i e s e le n g i n e t h e n ，e f f e c to fc o m b u s t i o no r g a n i z a t i o no np a r t i c l e n u m b e ra n ds i z ed i s t r i b u t i o nw a ss t u d i e db a s e do n a n o t h e rg d ie n g i n ew i t h c o n t r o l l a b l ec o m b u s t i o np a r a m e t e r t h er e s u l t ss h o w e da sf o l l o w ： f i r s t ，i nt h ei d l ec o n d i t i o n ，p a r t i c l en u m b e rc o n c e n t r a t i o n ，s u r f a c ea r e aa n dm a s s o f t h eg d i e n g i n ew e r em o r et h a nt h a to f t h ep f ie n g i n e ，b u tl e s st h a nt h el t cd i e s e l e n g i n e i t sg e o m e t r i cm e a nd i a m e t e r ( g m d ) i ss m a l l e rt h a nt h a to fp f ig a s o l i n ea n d l t cd i e s e le n g i n e s e c o n d ，a st h el o a di n c r e a s e d ，a l t h o u g hn u m b e ro fn u c l e a t i o np a r t i c l e so ft h e g d ie n g i n er e d u c e d ，a c c u m u l a t i o np a r t i c l e si n c r e a s e d ，a sw e l la si t ss u r f a c ea r e aa n d m a s s t o t a lp a r t i c l en u m b e ro ft h eg d i e n g i n ei sl o w e rt h a nt h ep f ie n g i n ea n dt h e l t c e n g i n e ，b u ti t ss u r f a c ea r e aa n dm a s sw a sh i g h e rw i t hi n c r e a s i n gl o a d t h i r d ，a st h es p e e di n c r e a s e d ，p a r t i c l en u m b e ro ft h eg d ie n g i n er e d u c e dw i t h t h es a m et e n d e n c yo ft h ep f ie n g i n e i t ss u r f a c ea n dm a s ss h o w e dt h es a m ec h a n g e w i t ht h a to ft h el t c e n g i n e ，w h i c hi sl o w e ri nt h ef i r s t ，a n dt h e ni sh i g h e r f o r t h ，w i t ht h ei n c r e a s i n ga i r - f u e lr a t i o ，t h ec y l i n d e rc o m b u s t i o nt e m p e r a t u r ea n d p o s t 。o x i d a t i o nt e m p e r a t u r ec h a n g e s ，w h i c hc a u s e dt h a tn u c l e a t i o ni sl e s si nt h ef i r s t a n dt h e ni sm o r e a sf o rt h ea c c u m u l a t i o n ，i t sn u m b e r ，s u r f a c ea n dm a s sg r a d u a i i v d e c r e a s e d f i f t y ， w i t ht h e s p a r kt i m i n ga d v a n c e d ，b o t h n u c l e a t i o na n da c c u m u l a t i o n i n c r e a s e da sw e l la si t ss u r f a c ea n dm a s s ，o w i n gt o t h e c h a n g eo fi n c y l i n d e r c o m b u s t i o nt e m p e r a t u r ea n dp o s t o x i d a t i o nt e m p e r a t u r e s i x ，w i t ht h ei n j e c t i o nt i m i n ga d v a n c e d ，t h en u c l e a t i o n o fg d ie n 2 i n ef i r s t i n c r e a s e da n dt h e nd e c r e a s e d ；i t sa c c u m u l a t i o nc o n t i n u e dt oi n c r e a s e t o t a ld a r t i c l e n u m b e r s u r f a c ea n dm a s si n c r e a s e dw i t ht h ee f f e c to ff u e l - a i rm i x i n gt i m e a n d w e r e d w a l l i ns u m ，t h i ss t u d yp r e l i m i n a r i l yf o r m e da ne f f e c t i v es y s t e mo fe v a l u a t i o no fg d i e n g i n ep a r t i c u l a t ee m i s s i o n sa n da r la c c u r a t em e t h o do fm e a s u r i n g a n da n a l y z i n gsf o r f u r t h e rr e s e a r c h m o r e o v e r ，t h i se x p e r i m e n tp r o v i d e da nb a s i sf o rp r o v i d et h eb a s i sf o r c o n t r o l l i n go fp a r t i c u l a t ee m i s s i o n s f r o mt h eg d ie n g i n e k e y w o r d s ：g d i ( g a s o l i n e d i r e c ti n j e c t i o n ) , p m ( p a r t i c u l a t em a t t e r ) ，p a r t i c l e n u m b e r ，p a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论弟一早三；百记 随着科技和文明的进步，人类社会的物质和精神生活得到了空间的发展，在 享用进步带来的生产效率和生活品质的提高的同时，有面临许多负面问题。生产 的繁荣和生活的便利所付出的代价便是能源的枯竭和环境的污染。当这种负面影 响超过环境能够承受的范围，必将威胁到生态系统的运行，也直接危害到人类的 身体健康和社会的可持续发展。 从1 8 8 6 年人类历史上的第一辆汽车在德国问世，到2 l 世纪初期，世界范围 内的汽车保有量己超过6 亿辆，预计到2 0 1 0 年将增加到1 0 亿辆。近年来，我 国的汽车产业得到飞速发展，国家统计局统计数据表明，截止2 0 0 9 年3 月，全 国汽车保有量达到6 6 8 9 万辆。2 0 1 0 年，我国己成为世界第一大汽车生产和消费 国，汽车产量和销量分别达到1 8 2 6 4 7 万辆和1 8 0 6 1 9 万辆。中国汽车的产能和 市场需求将保证2 0 年的持续、高速、稳定发展，到2 0 1 2 年第一季度全国汽车保 有量将达到8 6 5 0 万辆，2 0 2 0 年将高达1 5 亿辆。 汽车产业的飞速发展给人们的生产生活和交通运输带来极大便利，但其排放 的有害物质也大幅增加，人类生活的自然环境受到严峻的考验。汽车排出的尾气 中有毒成分复杂，大体可分为气体和微粒两大类。气体排放包括一氧化碳( c o ) 、 氮氧化物( n o x ) 和碳氢化合物( h c ) 等；微粒包括碳烟、半挥发性有机和无 机组份以及重金属等。有毒气体和微粒被吸入人体，将会对人体健康产生严重影 响，甚至威胁到生命。因此，对人体和环境危害极大微粒物的研究越来越受人们 的重视，对于城市中微粒的主要来源的汽车发动机的研究也越来越多得受到国内 外学者的关注。 1 2 微粒 1 2 1 微粒的危害 微粒按其空气动力学直径( a e r o d i a m e t e r ) 分为总悬浮微粒( t s p ，d p l0 0l am ) ， 可吸入微粒( p m l0 ，d p l0 l am ) ，细微粒( p m 2 5 ，d p 2 5t am ) 和超细微粒 第一章绪论 ( u f p s ，d p 1 0 0n m ) 。不同粒径的吸入微粒在人体内的沉积特性存在差异，越 细小的微粒，越容易深入人体呼吸系统。 大量研究表明，大气中微粒与居民发病率和死亡率明显相关 2 - 3 1 。美国癌症 协会( a c s ) 对美国各主要城市5 0 万民众暴露在不同水平大气污染后的健康状 况进行了研究1 4 j ，得出规律：空气中p m l 0 每上升0 0 1 m g m 3 ，居民总死亡率增 加4 0 。钱孝琳等1 5 j 综合分析了国内外大气中p m 2 5 短期暴露与人群死亡关系 的流行病学资料，发现大气p m 2 5 浓度每升高0 1m g m 3 ，居民死亡发生率增加 1 2 0 7 。 一些毒理学研究也表明，机动车污染物中微粒与人群健康效应终点的流行病 学联系密切1 6 1 。超细微粒的生物学作用是由其组成成分和表面积决定的，表面积 越大，越易于生物细胞之间的相互作用，从而产生强烈的炎性反应。o b e r d o k 等 1 7 j 等对动物进行实验，得出数浓度较高的超细微粒对人体的危害较之粗微粒更加 严重的结论。超细微粒较p m l 0 、p m 2 5 更易引起炎性反应的原因可能是由于超 细微粒具有破坏肺泡巨噬细胞清除有害物质的能力，并能通过上皮屏障，释放大 量炎性反应介质1 8 】。有学者使用层状扩散火焰法获得超细微粒粒径范围的气态烟 雾和含铁微粒，使成年鼠暴露于其中，结果显示烟雾型微粒和含铁微粒有明显的 协同作用，能引起明显的肺铁蛋白感应和氧化应激【9 】op e r k k a n e n 和p e t e r 1 0 、1 1 】 在流行病学的研究中发现超细微粒对于儿童及哮喘病人的呼吸系统影响更大，更 容易使患病人群症状加重。h a r d e r 等【l2 】通过对超细微粒的研究表明，其进入白 鼠体内能导致其改变心肌节律。最近研究【1 3 】发现超细微粒作用于巨噬细胞会释放 出i l 6 ，能刺激肝细胞分泌纤维蛋白原，使机体血黏度增高，而当血液处于高凝 状态时，易导致心肌缺血缺氧，引发心血管不良反应。超细微粒单位质量具有较 大表面积，其通常吸附较多的可溶性有机成分( 如多环芳香烃p a h s 和气态羰基 化合物) ，p a h s 已被证明为致癌物质和基因毒性诱变物质，其直接导致癌症的 发病率升副1 4 j 。a u g u s t i n u s 掣1 5 】的研究发现微粒对人体健康和生命的危害甚至高 于交通事故。 1 2 2 微粒来源和研究现状 微粒源解析表明，大部分城市大气中的超细微粒源自汽车发动机的尾气排放。 发动机排气微粒按照粒径不同被划分为核态( n u c l e a t i o nm o d e ，d p 5 0n m ) 、积 聚态( a c c u m u l a t i o nm o d e ，5 0 n m d p 1 0 0 0r i m ) 三个 模态( 见图1 1 ) 。其中排气超细微粒由核态和积聚态两部分构成。 第一章绪论 核态微粒主要由挥发有机物( v o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d s ) 和半挥发性有机 物( s e m i v o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d s ) 、含硫化合物、固体单质碳及金属盐类组 成。这种形态的微粒粒数浓度随温度、稀释比和驻留时间的不同会有很大的变化。 聚集态微粒主要由燃烧过程中形成的无定形碳及吸附在它表面的碳氢化合物和 少量无机化合物构成，以团聚物的形式存在。这部分颗粒物的粒数浓度一般比较 稳定，在实验中表现的可重复性很好。【1 6 】微粒的质量排放主要由聚集态决定。核 态在排气微粒总质量中所占比例仅为1 1 0 ，但其数浓度在排气总微粒数浓度中 所占比例达到9 0 以上【l 川。 童 0 0 1 o ，11 = a 一 ce ：i a m e t e ri u l l , 图1 1 典型发动机排放微粒粒径分布【1 8 】 一般认为，汽油机排放的主要是含铅微粒和一些低分子量的物质。柴油机排 放微粒的主要成分有碳微粒( 干碳烟) 、有机成分( s o f ) 和硫份物质眇2 ，还有微 量由润滑油和燃油带入的金属成分【2 l 】。s h i 等运用化学分析方法研究了发动机 排气微粒中s o f 、干碳烟和硫酸根的含量，结果表明，在所有运行工况下，s o f 、 干碳烟和硫酸根均是排气微粒的主要成分。k l e e m a n 等 2 3 1 应用m o u d l 分级收集 并分析了低硫燃料汽油机和柴油机的1 8u m 以下的细微粒的主要成分，发现汽 油机主要的成分是有机物，柴油机的主要成分是有机物和碳烟( 结果见图1 2 和 1 3 所示) 。 ofjo一|)、of)coi】1【：11i_i一(1 mn一i)mn|i亿ll_lez 第一章绪论 m o u d i s u l l b t e r “ a m r l h o l l l u l 11 n h 眦一 s o d l u m f 一 嚣l 一 c l u o r m e 一 三l e l m m ic m 一 雷。，一 “驴“”9 0 。u r h e r ”1 5 每5 ； 一冀：| 一 黪霪鏊彗燕 e ：。：羹落瓢：o 。；量。卜： 塞i 薹鎏鋈霪j j 萎j 鏊娄垂落黑 一 图1 2 汽油机微粒组成图1 3 柴油机微粒组成 微粒组成及形成机理【2 3 】 微粒形成的机理复杂，目前微粒生成过程一般认为是多步多途径，包括初始 微粒形成以及成核和凝结等。初始微粒由燃料分子的氧化和裂解产物组成。二次 微粒主要由硫酸以及未完全燃烧形成的半挥发性有机物成核生成，如图1 - 4 中的 虚线所示【2 4 】。核态微粒主要由有机物和硫份所构成，它主要是半挥发性组分在稀 释过程中发生成核和凝结等动力学作用形成的二次微粒，同时也包括少量的固体 碳和金属组分。聚集态微粒则主要是由碳微粒聚集成团并凝结部分h c ：和硫酸等 半挥发组份形成。 图l - 4 微粒的形成机理【2 4 j 现在的排放法规对于微粒物排放的规定是以发动机排放微粒的质量为标准 的，也就是说对于排放出同样多质量的微粒被认定为具有相同的排放特性。然而， 研究结果表明排放相同质量微粒的情况下可能具有不同的微粒数量和平均几何 直径。根据以上观点，这就存在一个问题，因为不同数量和大小的微粒毒性是不 同的，相同质量的微粒也可能对人体的危害是不同的。另外，大量小粒径核态微 4 第一章绪论 粒存在于低质量排放的微粒中，这些小粒径核态微粒的化学成分通常包括大量有 机物和多环芳香烃( p a h s ) ，因为他们非常小，大多时候不能被滤纸称重的方 法统计到。基于以上的假设，因为不能提供有依据性的和可以参考的数据对不同 粒径和类型的微粒加以区别，所以采用以微粒质量为标准的方法不能充分衡量微 粒的排放。 因此，为了更全面的衡量微粒对人体的危害，仅仅测量和限制微粒的质量是 不准确的，更加细化和全面的对微粒排放进行测量十分有意义。测量微粒的粒数 和粒径分布可以有效的评价微粒的构成和物理特性，不同尺寸的微粒有着不同的 毒性和被人体吸收的程度，通过对微粒粒数和粒径的测量和分析可以综合衡量微 粒排放的危害程度。由此可见，对微粒粒数和粒径分布的研究是很有价值的。最 近欧美等国家相继开展机动车超细微粒测量研究计划，旨在替代或完善现行的排 放法规所采用的微粒质量评价方法和标准。 目前，国外很多学者就发动机排气微粒数浓度和粒径分布特性做了大量研究 工作，研究内容主要包括各种因素条件下微粒排放粒数和粒径分布特性，分析其 组成和形成原因，目标是掌握超细微粒的生成机理。s u r e s h 等【2 5 】研究了稀释比对 核态微粒和聚集态微粒的影响，结果表明稀释气体温度对微粒的粒数和粒径分布 没有明显影响。j a i m e 掣2 6 j ，对稀释比的变化做了相关实验研究，研究发现虽然 其对发动机尾气的核态和聚集态微粒数浓度没有量的影响，但是随着稀释比的增 大，微粒的平均几何直径会明显减小。s h i 等【2 7 】研究发现采样条件中稀释气体的 湿度和稀释比对发动机的微粒粒数和粒径分布均有很大影响，并得出结论高湿度 高稀释比有利于核态微粒的增多，采样湿度的增加和稀释比的增加导致硫酸的大 量生成是其核态微粒增多的原因。 燃料的性质( 燃料种类，含氧量，含硫量等) 和润滑油的成分不同，发动机 的微粒排放也明显不同。李新令掣1 7 j 通过台架实验测得液化天然气( g t l ) 燃料 发动机的排气相对于燃用柴油小的多。c h e n g 等【2 8 】发现含氧燃料d m m 的添加有 利于改善发动机超细微粒的排放，排气超细微粒的数浓度相对于柴油机明显减小。 k i m 等【2 9 】自勺研究也表明，f e 的添加有利于一些微粒氧化活化能的降低，从而降 低其起燃温度，有利于其氧化，从而减少了微粒排放。s c h n e i d e r 等1 3 0 j 通过台架 实验和道路实验研究了机动车超细微粒的成核机理，发现燃用高含硫量燃料排气 核态微粒浓度较高，硫酸是成核作用的主体。w a h l i n 等p l j 通过长期研究发现， 由于丹麦市场上的柴油含硫量下降，2 0 0 0 年相对1 9 9 9 年哥本哈根街道峡谷的超 细微粒下降了约5 6 。a n d e r s s o n 等【3 2 】研究了润滑油对发动机细微粒排放的影响， 发现润滑油成分对柴油机细微粒排放有明显的改变，主要是由于其中金属添加成 第一章绪论 分的差异。j u n g 等【3 3 】的研究发现润滑油里面的金属成分对发动机超细微粒的排 放有明显的影响。 高压喷射，可变气门正时( v v t ) ，废弃再循环( e g r ) ，涡轮增压等发动 机新技术的开发和应用，降低了燃油的消耗率，改善了排放，但其减少微粒质量 的同时对微粒数量也有很大影响。d e s a n t e s 等【3 4 】研究了燃油喷射压力( i p ) 、燃 油喷射起始角( s 0 1 ) 和废气再循环( e g r ) 对重型柴油发动机细微粒排放的影 响。发现增加i p 会减少发动机排气聚集态微粒的数浓度，却有利于核态微粒的 形成：增大s o l 会轻微的减少排气聚集态数浓度，但是并没有减小排气总微粒数 浓度；e g r 的应用会减少排气核态微粒的数浓度，却会引起排气积聚态微粒数 浓度的迅速增大。陈永贤【3 5 】对低温燃烧柴油机的排气微粒进行测量，结果表明随 着进气压力的增大，核态微粒数浓度减少，聚集态微粒数浓度增多，微粒数浓度 受e g r 影响的敏感度降低。 后处理技术对改善发动机的微粒排放也有重要影响，目前控制机动车微粒排 放的常规后处理技术有氧化催化器( d o c s ) 和微粒过滤器( d p f s ) ，二者的联 合应用能够去除8 5 9 5 质量的微粒。但是也发现氧化催化剂下s 0 2 容易被氧 化成s 0 3 ，在稀释冷却过程中，s 0 3 很容易和水分成核形成1 0 - 8 0 n m 的超细微粒 3 6 】。另有实验表明，新型的湿式静电捕积器【3 7 对发动机排放的微粒净化效率达 6 7 9 6 ，而且对纳米级微粒也有3 0 一4 0 吸收效果。潘锁柱【38 j 对于汽油机后 处理器做了实验研究，结果表明三效催化器对汽油机排气核态微粒的净化效果很 好，而对积聚态微粒的净化效果相对较差，对低转速下的微粒粒径分布影响较为 明显，催化器后峰值粒径明显增加。 1 3g d i 汽油机发展及其微粒排放的研究 1 3 1g d i 汽油机的发展 由于能源危机的加重，人们越来越多考虑汽车的燃油经济性，节油已经成为 汽车发动机发展的首要方向，同时驾驶者对于汽车驾驶性能的要求也不断的提升， 这就要求对于发动机的控制更精确，响应时间更短。传统的迸气道多点喷射汽油 机( p f i ) 通过排气氧浓度进行闭环控制，利用三元催化器降低一氧化碳( c 0 ) ， 未燃碳氢( h c ) 和氮氧化物( n o x ) 排放。然而，通过化学当量比控制混合气的浓 度和通过调节发动机进气量的方式改变发动机的负荷虽然可以很好的控制发动 机的有害气体排放，但由于其调节进气量的方式无法精确的控制燃油喷射的精度， 以及闭环排气氧浓度的反馈控制方法限制了发动机的瞬态响应性，降低了驾驶的 第一章绪论 操纵性和舒适度。另外，其采用节气门调节进气流量的方式增加了发动机的泵气 功量，大大降低了发动机的热效率，增加其油耗值。因此，近年来缸内直喷( g d i ) 汽油机以其出色的经济性和瞬态响应性能，得到了广泛的认可。 缸内喷注式汽油发动机顾名思义是在气缸内喷射燃油，它将喷油嘴安装在燃 烧室内，将汽油直接喷注在气缸燃烧室内，空气则通过进气门进入燃烧室与汽油 混合成混合气被点燃做功，这种燃烧模式与直喷式柴油机相似。g d i 发动机具有 以下优点： 1 ) 燃油经济性高，部分负荷经济性可改善达3 0 5 0 ，一般为2 0 ，并相应降 低c 0 2 排放； 2 ) 由于燃油直接喷射到缸内，发动机瞬态响应得到改善： 3 1 发动机起动时间短 4 1 冷启动h c 排放得到改善 g d i 发动机燃油经济性的改善主要归功于： 1 ) 混合气采用变质调节，无节气门装置，泵气损失降低； 2 ) 部分负荷使用稀混合气，混合气等熵指数k 增加； 3 ) 燃油缸内早期喷射，燃油蒸发吸热使进气温度下降，冲量系数提高； 4 ) 燃油蒸发使末端混合气温度降低，许用压缩比提高； 5 ) 分层混合气燃烧，外围空气起到隔热层作用，壁面传热损失降低。 然而，当前的g d i 发动机存在以下问题和困难，需要进一步改进： 1 1 难以在所要求的运转范围内使燃烧室内混合气实现理想的分层。分层燃烧对 燃油蒸汽在缸内的分布要求很高，通常喷油时刻、点火时刻、空气运动、喷雾特 性和燃烧室形状配合必须控制得十分严格，否则很容易发生燃烧不稳定和失火； 2 ) 喷油器置于气缸内，喷孔自洁能力差，容易结垢，影响喷雾特性和喷油量； 3 ) 低负荷时h c 排放高，高负荷时n o x 排放高： 4 ) 部分负荷时混合气稀于理论空燃比，三效转化器转化效率下降，需选择选择 性催化器转化n o x ； 5 ) 汽油缸内直喷分层燃烧，易使混合不均匀，排气微粒增加。 1 3 2g d i 汽油机微粒物的研究 早先，国内外学者对机动车尾气微粒的相关研究工作主要集中于柴油机，而 汽油机尾气微粒由于质量浓度较小而较少被关注。然而，城市地区汽油车的数量 远远多于柴油车，由汽油车尾气微粒产生的环境污染贡献率并不可忽视。f u j i t a 3 9 1 等和g i l d e m e i s t e r l 4 0 1 等证实在美国丹佛和底特律地区汽油车排放的细粒子大约是 第一章绪论 柴油车的3 倍，而且汽油车尾气微粒中主要是对人体伤害较大的细粒子h ，所以 汽油车尾气微粒排放应引起高度重视。与传统的p f i 汽油机相比，由于g d i 汽 油机直接将燃油喷入气缸内，导致缸内工质混合时间缩短、局部过浓和燃油湿壁 等现象，造成微粒尾气排放在质量浓度和数量浓度均有所增加，其浓度约为 10 m g k m 和1 0 1 3 个l 锄【4 2 。4 4 1 ，远高于气道喷射汽油机微粒排放浓度( 质量浓度小 于l m g k m ，数量浓度约为1 0 1 2 个k m ) 4 5 - 4 6 。所以，g d i 汽油机微粒尾气排放 已被国内外学者广泛关注。m a r i c q 等m7 】研究发现在f t p 测试循环下g d i 汽油机 微粒质量排放介于p f i 汽油机和柴油机之间，且强烈的依赖于发动机的运转模式， 当发动机从均质模式向分层模式转换时，尾气微粒数量排放增加1 0 - 4 0 倍。k a y e s 等m 副研究发现，与在计量比模式下运转相比，空燃比、喷油定时和点火定时等发 动机运转参数的改变会使g d i 汽油机排气微粒浓度增加1 3 个数量级。g r a s k o w 掣4 9 】对g d i 汽油机微粒粒径分布进行了测量，结果显示其平均粒数浓度为x10 8 个c m 3 ，几何平均直径介于6 8 8 8 n m 之间。p r i c e 5 0 j 等研究表明，g d i 汽油机微 粒质量排放和数量排放与发动机运转参数空燃比、喷油定时和点火定时等密切相 关。然而，国内对车用发动机排气微粒的研究工作还主要集中在柴油发动机上， 有关g d i 汽油机排气微粒的研究仍然较少。因此，为能够采取有效措施消除g d i 汽油车排气微粒对环境和人体健康的不利影响，有必要针对g d i 汽油机排气微 粒的粒数浓度和粒径分布特性进行深入研究。 1 4 课题的研究意义 随着发动机电子控制技术和燃烧理论的长足进步，g d i 汽油机技术取得了 飞速的发展，由于其取消节气门控制方式具有降低油耗和减少c 0 2 排放的优势， 将成为未来的主要动力车用。但其具有类似于柴油机的燃烧方式不可避免的增加 了微粒排放。因此，针对g d i 燃烧模式微粒排放特性开展研究具有一定的现实 意义。本课题旨在阐明g d i 燃烧模式微粒的排放特点，研究各种燃烧组织措施 对微粒排放特性的影响规律，形成评价g d i 汽油机微粒排放的有效而准确的测 量和分析方法，为g d i 汽油机微粒排放控制技术的发展提供理论支持。 第二章实验方法和实验系统 第二章实验方法和实验系统 实验采用c a m b u s t i o n 公司的d m s 5 0 0 快速微粒测试分析仪对分别针对g d i 汽油机，p f i 汽油机和l t c 柴油机的排气微粒进行采集和分析，对比不同燃烧组 织模式下微粒粒数和粒径分布特性。并针对g d i 汽油机排放微粒特点，进一步 研究燃烧参数对微粒数浓度和粒径分布的影响。 2 1 微粒测量方法 实验选用c a m b u s t i o n 公司的d m s 5 0 0 快速微粒测试分析仪做为微粒测量和 分析的设备。对其测量原理和技术特点进行阐述，确定微粒数浓度、表面积和质 量、平均几何直径的计算方法，并研究实验过程中采样条件对测量结果产生的影 响，确定采样条件。 2 1 1 测量微粒的仪器 测量微粒粒数及粒径分布的仪器主要有d m s 5 0 0 ，e l p i ，c p c ，和p a s s 等，不同的仪器采用不同的结构和测量原理，测量结果的精度和重点不同。表 2 1 显示了几种典型微粒测量仪器的原理和技术参数。 表2 一i 微粒测量仪器测量原理及技术参数 d m $ 5 0 0 e l p ic p cp a s s 仪器名称 ( c a m b u s t i o n )( d e k a t i )( t s i3 0 2 2 a )( a v l ) 测量原理带电粒子分级内部电子撞击光学计数 光声检测技术 数浓度空气动数浓度& 电迁移 测量对象 数浓度炭黑质量 力直径 直径 测量范围 5 1 0 0 03 0 3 0 0 0 01 0 3 0 0 0 ( r i m ) 响应时间1 ( 计数模式) 0 2 0 1 ( m s ) 5 ( 光学扫描) 第二章实验方法和实验系统 d m s ( d i f f e r e n t i a lm o b i l i t ys p e c t r o m e t e r ) 是一种利用不同直径的带电粒子 在分级器中有不同偏移距离实现不同粒径的微粒数量测量的仪器，其对微粒浓度 从1 0 到9 0 的测量响应时间只有2 0 0 m s ，数据的采样率可以达到1 0 h z 。 p a s s ( p h o t oa c o u s t i cs o o ts e n s o r ) 是利用光声技术来测量微粒的质量的仪 器，其原理是发射一定频率的红外光照射稀释后的采样尾气，使用声波接收器监 测结果，与标准声波做对比，进而得出碳烟的质量，a v l 公司的a v l4 8 3 p r o t o t y p e 是p a s s 的一种。 c p c ( c o n d e n s a t i o np a r t i c l ec o u n t e r ) 是制定微粒数数量排放法规的仪器， 其运用光学的方法对稀释的排气进行计数来确定微粒的数量，例如t s i 公司的 3 0 2 2 a 就是最常用的c p c 仪器。 e l p i ( e l e c t r i c a ll o wp r e s s u r e ) 通过内部的低压撞击发生器使不同粒径的 微粒分级，从而进行测量，微粒的数量由检测到的电子流大小决定。 对以上不同测量原理的仪器分析表明，d m s 5 0 0 和e l p i 对于微粒粒径分布 的测量有很好的一致性，d m s 5 0 0 测量的粒径范围更大，它可以测量更小粒径的 微粒。比如在更换档的时候和缸内直喷g d i 变换工况时，会有大量的细小微粒 产生，他们构成了发动机微粒数量排放的重要部分。实验发现p a s s 也可以测量 出短时间的细小尖端信号，这种细小尖端响应信号可能被e l p i ，甚至被c p c 所 忽略( 比如在断油时的换挡过程中的微粒的瞬间的变化) 。 5 1 1 2 1 2d m s 5 0 0 的采集和测量原理 基于以上仪器的特点和本实验的测量要求，实验选用d m s s 0 0 快速微粒粒径 分布仪作为微粒测量的仪器，其主要由采样通道、回转分离器、一级螺旋稀释器、 二级转盘稀释器、充电器、分级器、和静电计等组成。基本原理为发动机排气首 先从采样通道引入回转分离器，过滤掉微粒直径大于1 0 0 0 n m 的粗微粒，避免大 微粒堵塞仪器，再进入一级螺旋稀释器对尾气进行一级稀释，其稀释比为5 ：1 ， 排气通过整个采样通道过程中温度保持在1 0 0 。c 以上，随后采样气体进入转盘 稀释器进行二次稀释，稀释比范围为2 0 ：1 至5 0 0 ：1 ，经过稀释的气体被充电赋 予正电，带电粒子进入分级器，并根据电子位移大小对带电的微粒进行分级，被 分级的微粒进入静电计产生不同的电流，仪器对其电流值进行测量，从而确定不 同粒径微粒的数浓度。图2 - 1 ，图2 - 2 分别为其测量原理图和稀释系统示意图1 5 2 | 。 第二章实验方法和实验系统 一二一 e 日酬 h t 、 4 * ，一一 5h e m 一 s _ 一-， 0 拍t i e r 0 m c 日2 “ m 雾 囊 螺4 誓。 繁1 8 ” 2 6 = s r j | 等蒜 h “v w h 口，m 7一 c o o , m fh 瓢u ”m 鼬 o h 嗽， 一 图2 1d m s 5 0 0 分级器和充电器原理图 图2 2d m s 的两级稀释系统示意图 图2 3 为d m s 5 0 0 的测量界面。d m s 5 0 0 可对核态微粒和聚集态微粒进行正 态拟合，其中红色曲线是总微粒的粒径分布，黄色曲线代表核态微粒的粒径分布， 绿色曲线代表聚集态微粒的粒径分布，紫色区域为背景噪音。 图2 3d m s 5 0 0 实时显示与测量界面 实验中对发动机的稳态工况进行采集，对仪器的每1 0 次采样取一次平均值 作为一个采样点( 仪器的采样频率为1 0 h z ，因此每秒记录一个采样点) ，为了 保证微粒采集的稳定可靠，每个测试工况连续记录5 0 秒钟，再对记录数据取平 均值。 第二章实验方法和实验系统 2 1 3 微粒数浓度，表面积和质量的计算 为了更准确和有效的表示微粒数浓度和粒径分布，实验中采用底数为1 0 的 对数坐标作为横坐标来表示微粒半径( d p ) ，用自然坐标作为纵坐标来表示微 粒数浓度的分布。其中数浓度的单位为1 c c ，纵坐标的单位为d n d l o g d p1 c o ， 为数浓度对粒径的对数一阶导数，因此采样微粒的数量浓度n ( 1 c c ) 为从最小 粒径d p m m 到最大粒径d p m 觚的积分，即： n = j ：篙罴 d n d l 。g d p d l 。g d p ( 公式2 1 ) 平均几何直径g m d 为所有微粒粒径乘积的n 次方根，n 为微粒的数量，也 可以表示为： d 1 0 9 d p d n d l o g d p d l o g d p i g md = 10 可一j ( 公式2 2 ) 对于微粒数浓度，几何直径，表面积和质量的计算可以用以下公式表示： d c w d l o g d p = s ( d n d l o g d p ) ( d p ) w( 公式2 - 3 ) 其中，c w 是对粒径的第w 次加权的结果，w 为加权值，s 为形状因子，是 一个专有常量，它使经过加权的浓度c w 有一个物理意义，即对微粒形状的一个 修订参数。对丁立方体，s = i ，w = l ，2 ，3 时，c w 分别代表长度，投影面积和体积 浓度。在实际中，微粒常常被假设成球形，而其表面积是一个更有意义的物理参 数。表2 2 为实验中采用的参数数值及其对应的物理意义： 表2 2 数浓度，直径，表面积，体积对应的形状因子值 w物理量形状因子单位 0n u m b e rln c c ld i a m e t e r1 ui i l c c 2s u r f a c ea r e a3 1 4 2 um 2 c c 3v o l u m e0 5 2 4 l am c c 因此，微粒的密度因子可以表示为： d e n s i t yf a c t 。r = 而s 茹 ( 公式2 4 ) 第二章实验方法和实验系统 对于聚集态粒径范围的微粒，其粒径和质量之间有很好的计算关系。但是不 同仪器对于聚集态微粒的定义有所不同，比如由微粒的吸引力确定微粒的直径和 由带电粒子的吸引力确定微粒的直径，对于微粒质量的计算也有微小的不同。这 些差异只是对于粒径远大于1 0 0 n m 的微粒( 即存在很多复杂的带电粒子时) 表 现的比较明显，所以对于传统的发动机排放微粒的测量影响不大。 根据微粒尺寸和质量之间的关系，对于粒径求积分可以计算出微粒的质量。 然而，在计算微粒质量的时候，聚集态微粒的尾部( 5 0 0 r i m 1 0 0 0 n m ) 对整体微 粒的质量有非常大的影响。考虑到这点，p a r k 等协列最近对比了d m s 5 0 0 和s m p s 等测试仪器，研究表明在d m s 5 0 0 数据中微粒尺寸和质量的关系最优应表示为： m a s s ( 嵋) = 1 5 3 1 0 1 6 d p 3 1 9 ( n m ) ( 公式2 - 5 ) 实验仪器采用d m a ( m o b i l i t ye q u i v a l e n td i a m e t e r ) 来标定d m s ，因此仪器的 数据处理结果需要很少的修正，考虑到这些： 对手柴油发动机，实验采用微粒尺寸与质量对应关系的算法如下： m a s s ( “g ) = 2 2 0 1 0 1 5 d p 2 6 5 ( r i m ) ( 公式2 - 6 ) 实验中选用的- - d i e s e l d m d ”模型文件来处理l t c 柴油机测得的微粒数据。 对于g d i 发动机，实验采用标准的“球型标定法”和假定的单位密度，算 法如下： m a s s ( 昭) = 5 2 0 1 0 1 6 d p 3 ( n m ) ( 公式2 7 ) 实验中选用的毛d i 一d m d ”模型文件来处理g d i 汽油机测得的微粒数据。 实验中一些物理因素会影响微粒数据的采集，导致输出实验结果的粒径分布 大于实际的粒径分布范围。如果不对实验结果进行修正会影响微粒数量和质量的 计算，因