（动力工程及工程热物理专业论文）汽油机微粒排放特性研究.pdf

中文摘要 摘要 汽油机的排气微粒相对柴油机来说，其粒径更小，大都为纳米级微粒，对人 类健康和环境危害更大，而且工作汽油机的数量高于柴油机。随着g d i 发动机逐 渐进入市场，其微粒排放也成了内燃机学者的关注焦点。因此，对汽油机的微粒 排放特性进行研究交得很有必要。本文利用快速微粒光谱仪d m s 5 0 0 对一台p f i 汽油机和一台g d i 发动机的微粒排放特性进行了实验研究。 对于p f i 汽油机，主要研究了转速与负荷对微粒排放特性的影响规律，并且 探讨了催化转化器对微粒数浓度的影响以及催化转化器去除微粒的机制。在中低 负荷下，产生的微粒几乎全部为纳米级核态粒子，随负荷的增加，微粒数浓度单 调增加，并且峰值粒径向粒径增大方向迁移；微粒的几何平均直径和中位直径都 是随负荷增加而逐渐增加的。在高负荷工况开始生成大量的聚集态微粒。随转速 的升高，微粒数浓度大体上是单调增加的。从微粒数浓度通过催化转化器的渗透 比发现，三效催化转化器可以减少微粒排放。微粒数浓度与h c 的转化效率具有相 似的变化趋势，间接说明一些核态微粒是由h c 凝结成核而成，微粒被去除的机理 是催化转化器去除了气相碳氢。 对于g d i 发动机，主要研究了空燃比、点火时刻、喷油时刻和e g r 等燃烧控 制参数对微粒排放特性的影响。当空燃比小于1 4 7 时，微粒数浓度呈三峰分布， 大多数为聚集态粒子。当空燃比大于1 4 7 时，微粒数浓度分布呈单峰状，主要为 核态粒子。随空燃比由小变大，聚集态微粒数浓度峰值逐渐降低，并且峰值粒径 向粒径减小的方向迁移。微粒数浓度和质量浓度随空燃比地减小而增大的。随点 火提前，聚集态微粒数浓度先下降，而后逐渐上升。随点火角从上止点前5 度提 前到2 0 度，微粒总数量和质量是下降的；当从2 0 度提前到5 0 度时，微粒总数量 和质量却是上升的。随喷油定时从上止点前7 0 度提前到1 7 0 度，微粒总数量和质 量剃降，聚集态微粒数浓度峰值明显下降。在e g r 率变化的试验工况中，微粒呈 核态和聚集态双峰分布。随着e g r 率地增加，核态微粒数是急刷上升的，聚集态 微粒数却是逐渐下降的。随e g r 率增加，微粒总数浓度上升，而微粒总质量浓度 是下降的。 关键词：p f i 汽油机；g d i 发动机；微粒排放；粒径分布 英文摘要 a b s t r a c t t h es i z eo fg a s 0 1 i n ee n g i n ee x h a u s tp a n i c u l a t ei ss m a l l e rm a nd i e s e l m o s to ft h e p a n i c u l a t e a r en a l l o s c a l ep a n i c l e st l l a t t 1 1 e y a r ev e r yb a df o rh u m a nh e a l t ha n d e n v i r o n m e n t a n dt h en u m b e ro fg a s 0 1 i n ee n g i n ei sh i 曲e rt 1 1 a 1 1d i e s e l w i t hg d ie n g i n e s 孕a d u a l l ya c c e s st om a r l ( e t ，t h e i rp a r t i c u l a t ee m i s s i o n sh a v eb e c o m et 1 1 er e s e a r c hf b c u s o fi n t e m a lc o m b u s t i o ne n g i n es c h 0 1 a r s t h e r e f o r e ，i t sn e c e s s a r yt os t u d yo nt h e c h a r a c t 甜s t i c so fp a n i c u l a t ee m i s s i o n仔o m g a s 0 1 i n ee n g i n e i nm i sp a p e r ，t h e c h a r a c t e r i s t i c so fp a n i c u l a t ee m i s s i o nf o map f ig a s 0 1 i n ee n g i n ea n dag d ie n g i n e w e r ei n v e s t i g a t e dw i t ht h ef a s tp a n i c l es p e c t r o m e t e rd m s 5 0 0 f o rp f i g a s 0 1 i n ee n g i n e ，e a 、e c to fs p e e da n d1 0 a do np a r t i c l ee m i s s i o nw a ss t u d y e d ， a n dt h em e c h a 血s mo fp a j t i c l e sr 锄o v e db yt h ec a t a l y t i cc o n v e r t e rw a se x p l o r e d p a r t i c l e sp r o d u c e di nt h e1 0 wt om e d i u m1 0 a d ，a l m o s ta 1 1w e r en a n o s c a l en u c l e a t i o n m o d ep a n i c l e s w i t ht h e1 0 a di n c r e a s e d ，t h ep a r t i d en u m b e rc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e d m o n o t o n i c a l l ya n dt h ep e a kp a r t i c l es i z ei n c r e a s e d g e o m e t r i cm e a nd i 锄e t e ra n d m e d i a nd i a m e t e ro fp a r t i c l e sw e r e 铲a d u a l l yi n c r e a s e dw i t ht h el o a di n c r e a s e d l o t so f a c c u m u l a t i o nm o d ep a n i c l e sp r o d u c e di nt h eh i g h1 0 a dc o n d i t i o n s w i t hs p e e di n c r e a s e d ， t h ep a n i c l en u m b e rc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e dm o n o t o n i c a l l y f r o mm ep e n e t r a t i o nr a t i o o fp a n i c l en u m b e rc o n c e n t r a t i o nt h r o u 曲t h e c a t a l 如cc o n v e n e r ， i tw a sg o tt h a t 衄e e w a yc a t a l 如c c o n v e n e rc a nr e d u c ep a n i c l ee m i s s i o n s t h ep a r t i c l e彻m b e r c o n c e n t r a t i o na n dh cc o n v e r s i o ne m c i e n c yh a sas i m i l a rt r e n d ，i tw a s9 0 ti n d i r e c t l y t h a ts o m en u c l e a t i o nm o d ep a n i c l e sw e r ef o m e db yh cc o n d e n s e d p a n i c u l a t er e m o v a l m e c h a n i s mi st h a tg a s e o u sp h a s eh y d r o c a r b o nw a so x i d i z e di nt h ec a t a l y t i cc o n v e n e r f o rg d ie n g i n e ，i tw a si n v e s t i g a t e dt h a te f r e c to fa i r - f h e l r a t i o ，i g n i t i o nt i m i n g ， 删e c t i o nt i m i n ga n de g ro nt h ec h a r a c t 谢s t i c so fp a n i c u l a t ee m i s s i o n s w h e nt h e a i 卜如e 1r a t i ow a sl e s st h a n14 7 ，t h ep a n i c l en u m b e rc o n c e n t r a t i o ns h o w e dat n m o d a l d i s t r i b u t i o n ，m o s to fp a r t i c u l a t ew e r ea c c u m u l a t i o nm o d ep a n i c l e s w h e nt h ea i r - 如e 1 r a t i og r e a t e rt h a i l14 7 ，t h ep a n i c l en u m b e rc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o nw a sas i n 9 1 ep e a k ， t h e yw e r en u c l e a t i o nm o d ep a r t i c l e sm a i n ly w i t ht h ea i r 如e 1r a t i o 舫ms m a ut ob i g ， t h ep a n i c l en u m b e rc o n c e n t r a t i o np e a ka n dp e a kp a n i c l es i z er e d u c e d 伊a d u a l l y - w i t h t h ei 盟i t i o n t i m i n ga d v a n c e d ， a c c u m u l a t i o nm o d ep a r t i c l en u n l b e rc o n c e n t r a t i o n d e c r e a s e df i r s t l ya n dt h e ni n c r e a s e d 伊a d u a l l y w i t ht h ei 印i t i o na n 9 1 ew a sa d v a n c e dt o 2 0d e 伊e e 行o m5d e 伊e eb e f o r et d c ，t h ep a n i c l et o t a ln u m b e ra n dt o t a lm a s sw e r e i i l d e c l i n e d b u tt h ep a n i c l et o t a ln u m b e rc o n c e n t r a t i o na n dt o t a l m a s sc o n c e n t r a i o nw e r e n s e d 椭m2 0d e 伊e et o5 0d e 伊e ei na d v a n c e 、m t ht h e - i n j e c t i o n t i m i n g 丹o m7 0d e 盯e e b e f o r et d ct o17 0d e 黟e e ，t h ep a n i c l et o t a lm l m b e ra n d m a s sw e r ed r o p e ds h a r p l y i n t h ee g rr a t ec h a n g e dt e s tc o n d i t i o n s ，t h ep a r t i c l es i z e ( 1 i s t r i b u t i o ns h o w e d b i m o d a lw i t h n u c l e a t l o nm o d ea n da c c 啪u l a t i o nm o d e w i t h t h ei n c i e a s eo fe g r r a t e ，t h en u c l e a t i o n m o d ep a n l c l en m n b e rc o n c e n t r a t i o nw a s i n c r e a s e ds h 叩1 弘b u tt h ea c c u m u l a t i o nm o d e p a n l c l en u m b e rc o n c e n t r a t i o nw a s d e c l i n e d 铲a d u a l ly w i t hm ee g rr a t ei n c r e a s e d t h e p a n l c l et o t a ln u m b e rc o n c e n t r a t i o n i n c r e a s e d ， w h e r e a st h e p a n i c l et o t a lm a s s k e y w o r d s ：p f ig a s o l i n ee n g i n e ； g d ie n g i n e ； p a r t i c u 】a t ee m i s s i o n ； s i z ed i s 劬u t i 。n i v 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 从1 8 7 6 年第一台煤气机( o t t o 机) 及1 8 8 6 年第一台车用汽油机到1 8 9 7 年第 一台柴油机诞生至今的百余年来，内燃机经历了从发明、发展到走向今日辉煌的 历程。内燃机作为动力装置在交通运输、工程机械、农业机械等方面得到全面应 用，成为2 0 世纪以来最重要、最高效的动力装置。当今的内燃机已经成为热效率 最高的动力装置，是国民经济建设和国防安全最关键动力装备。我国的内燃机经 过几十年的发展，从无到有，也已形成了自己的特色。 现代内燃机已不是传统意义的热机，而是机、电、液一体化的、高度智能化 的热动力机械。现代内燃机发展有三大目标，即高动力性、经济性以及低有害排 放物。实现上述目标的措施主要有：采用高效率的内燃机工作循环；采用可变技 术；采用多气门设计；改进燃烧室与燃烧过程；改进燃油供给系统；采用稀薄燃 烧、高能点火；降低运动件的摩擦损失；降低汽车、内燃机的质量等u j 。 随着中国经济的快速发展，机动车保有量也在飞速增长。预计2 0 2 0 年我国机 动车保有量将达到1 2 5 亿辆。伴随机动车的快速增长，发动机行业面临着能源紧 缺和环境危机的双重压力。 其实从1 9 7 3 年发生的震惊美国汽车行业的第一次石油危机和1 9 7 9 年再次拉 高石油价格的第二次石油危机开始，人们就已经深刻意识到能源紧缺的压力。 2 0 世纪4 0 年代在美国洛杉矶首次出现光化学烟雾。2 0 世纪5 0 年代后，汽车 发动机排放物的危害逐渐被发现和确认。汽车发动机污染物的排放是一个事关健 康和环境的双重问题。美国、日本和欧洲主要工业化国家从2 0 世纪6 0 年代开始 先后颁布了各种各样的排放法规。我国从2 0 世纪8 0 年代开始着手车用发动机的 排放控制工作，到2 0 世纪末，我国开始逐步参照直至等效采用欧盟( e u ) 的排放 法规。表1 1 为欧洲轻型汽车排放限值。 针对发动机行业面临的能源紧缺和环境危机的压力，各国政府相继制定了逐 渐严格的、分阶段实施的排放法规和油耗限制法规。 对于火花点燃式内燃机的有害排放物，目前法规主要限制的气体有氮氧化物 ( n o x ) 、一氧化碳( c o ) 、碳氢化合物( h c ) 。对于压燃式内燃机的有害排放物， 除了上述的气体外，还需要限制微粒( p m ) 。发动机排气微粒被认为是环境大气 中悬浮着的大量微粒物的直接流动排放污染源。另外，为了解决全球变暖问题， 世界上多数国家提出限制温室气体，特别是二氧化碳( c 0 2 ) 的排放。欧洲国家已 提出了具体车用内燃机的c 0 2 排放指标。 重庆大学硕士学位论文 从表1 1 中我们可以看到，排放法规的限值是越来越严格。并且，欧v 排放 法规对装备g d i 发动机的轻型车辆的微粒排放开始加以限制，限制标准是 0 0 0 5 鲈锄。，欧v i 开始对压燃发动机排气颗粒物个数( p a n i c l en u m b e r ，p n ) 加以 限制。 表1 1 欧洲轻型汽车排放限值 旦曼：! ：! 里旦! q 巳皇丝! i 韭! 堡垒生! 里里里坐i q 坠! i 翌坐 阶段及实施年限 发动机分类排放物及单位欧i欧i i 欧i i i 欧欧v欧v i 1 9 9 21 9 9 62 0 0 02 0 0 52 0 0 92 0 1 4 注：1 n l 类车总质量 1 3 0 5 k g 。 2 表中“? ”表示两个含义：是否要规定和规定多少未定。 1 2 汽油机燃烧技术 1 2 1p f i 燃烧技术 图1 1 所示为进气道多点喷射( p o r tf u e li n j e c t i o n ，p f i ) 示意图。在经历了从 机械控制喷射( 由燃油分配器来调节喷油量) 到电控喷射( 以应用电子控制喷油器执 行间断燃油喷射为特征) ，从各缸同时喷射或分组喷射到顺序喷射，从单独控制喷 油到综合控制喷油与点火方式的逐步过渡，目前已达到比较完善的程度。它对喷 油压力要求不高( 2 5 0 4 0 0 k p a ) ，有利于降低制造成本，能实现燃油供给量的精 确控制以及在各缸之间的均匀分配，因而目前已发展成为轿车汽油机的主流产品 且应用范围不断扩大。 2 1 绪论 燃油 空气 油器 图1 1 进气道多点喷射1 】 f i g 1 1m u l t i p o i n tf u e li n j e c t i o n 【1 】 1 2 2g d i 燃烧技术 当燃料经济性和排放法规日趋严格的情况，发动机和汽车制造商为了满足这 些法规的要求，不得不对p f i 汽油机的设计进行精炼。不幸的是，先进的燃料管 理系统和燃烧控制策略已经发展到了气道喷射系统设计的极限。从而促使一些发 动机制造商在过去的十多年里不断开发和引进g d i 发动机。g d i 发动机燃烧是当 前国际内燃机界研究的热点。围绕空气运动组织、喷射模式控制、壁面油膜和淬 熄，以及燃烧系统和后处理系统设计方面的研究相当活跃。 缸内直喷( g a s 0 1 i n ed i r e c ti n j e c t i o n ，g d i ) 技术的实质是将汽油机由节气门的 量调节转变为燃油的质调节，以较高的压力( 1 0 1 2 m p a ) 将汽油直接喷入气缸， 依靠良好的喷油雾化配合缸内气流运动形成混合气并点火燃烧。 g d i 燃烧概念最早由德国奔驰公司在2 0 世纪5 0 年代提出，并应用于b e n z 3 0 0 s l 车型和后来的m a n f m 系统。7 0 年代，美国t e x a c o 的t c c s 系统和福特 的p r o c o 系统也开始引入该技术【2 3 。该技术使得早期的g d i 发动机在大部分负 荷范围内实现了无节气门控制，而且燃油经济性与非直喷柴油机十分接近；8 0 年 代，柴油机电控供油系统和涡轮增压技术的引入，使g d i 汽油机的性能直逼柴油 机；9 0 年代后，由于制造技术的迅速发展和高精度、响应快的电控直喷系统的采 用，使得g d i 发动机的研究与应用获得快速发展。1 9 9 6 年日本三菱公司率先推出 1 8 l 顶置双凸轮轴1 6 气门4 g 9 3 壁面引导型g d i 发动机；丰田公司开发出了同时 采用g d i 和p f i 两套供油系统的2 g r f s ev 6 发动机；2 0 0 4 年美国通用公司开发 出了采用v v t 技术的分层稀燃g d i 发动机；奥迪公司开始将其2 o t - f s i 燃烧分层 直接喷射增压汽油机推向市场；2 0 0 6 年德国宝马公司开发出了可实现分层稀燃的 r 6 直喷发动机；a v l 公司正在开发基于喷射引导和激光点火系统的新一代分层稀 燃g d i 发动机；根据美国g 1 0 b a li n s i 出i n c 公司预计，到2 0 1 5 年中国的g d i 发动 重庆大学硕士学位论文 机轿车产量将达到2 5 0 万辆以上。目前，国内的一汽集团、华晨、奇瑞、长安和 吉利等汽车企业正联合高校开发理论空燃比混合气和多种燃烧模式相结合的g d i 发动机【4 i 。 g d i 混合气形成 由于汽油过稀的混合气很难点燃，因此部分负荷时直喷式汽油机采用分层混 合气方式，将浓度适合的可燃混合气送往火花塞附近。根据混合气引向火花塞的 方式，g d i 发动机混合气形成方式可分为喷射引导、壁面引导和气流引导三种类 型【5 】( 如图1 2 ) ，工作原理分别如下： ( a ) 喷射引导( b ) 壁面引导( c ) 气流引导 图1 2g d i 汽油机混合气形成方式5 1 f i g 1 2g d ie n g i n em i x t u r ef o n n a t i o n 5 】 1 ) 喷射引导 如图1 2 ( a ) 所示，依靠油束的喷射能量将混合气输送到火花塞，燃烧室壁 及气流运动对混合气输送的影响较小，但是气流运动对火焰在稀薄混合气中的传 播起着决定性作用。这种点火方式着火比较稳定，稀燃能力强。但直接向火花塞 喷油会影响火花塞使用寿命，易产生炭烟，且冷启动困难。喷射引导系统需要将 火花塞与燃油喷嘴都安装在正中，若在四气门汽油机中使用会影响气门大小。 2 ) 壁面引导 如图1 2 ( b ) 所示，火花塞与燃油喷嘴的距离较远，主要靠燃烧室壁的特殊 形状和气流运动的配合将混合气输送至火花塞。壁面引导系统首先将燃油喷向特 殊形状的活塞顶，部分燃油在该处形成油膜。然后利用和燃烧室壁配合的气流运 动，将可燃混合气送到火花塞。它对燃油喷射、气流运动和活塞顶形状的配合要 求很高，而且燃烧室的面容比大，h c 排放高。 3 ) 气流引导 如图1 2 ( c ) 所示，在气流引导系统中，燃油喷嘴远离火花塞，燃油向火花 塞方向喷射，但不直接喷射火花塞，而是利用气流的运动将混合气送往火花塞。 4 1 绪论 这种系统的燃烧室比较紧凑，发动机运转状态、性能都较好。 g d i 发动机工作模式 g d i 发动机的三种工作模式如图1 3 。 ( 2 ) 全负荷工作模式 ( 3 ) 两次燃油嘀射模式示意图 图1 3g d i 发动机工作模式6 】 f i g 1 3g d ie n g i n eo p e r a t i n gm o d e 6 1 ) 部分负荷工作模式【6 部分负荷时，燃油在压缩行程后期喷入，在缸内形成一个混合气浓度梯度， 较浓的区域位于火花塞附近，实现混合气分层稀燃( 九达2 3 ) ，并采用质调节以 避免节气门的节流损失，达到与柴油机相当的燃油经济性。 2 ) 全负荷工作模式 6 全负荷时，主要考虑发动机的动力性，燃油在进气行程中喷入，燃油充满整 个燃烧室，实现均质预混合燃烧，以保持汽油机升功率高的优点。 3 ) 多阶段燃油喷射模式 多阶段燃油喷射模式能够实现部分负荷和全负荷之间的平稳过渡，主要是指 二次混合技术。在进气行程中先喷入所需燃料的1 4 ，形成极稀的均质混合气。在 压缩行程后期再次喷射，喷入剩余燃料，形成分层混合气。故在火花塞点火前， 缸内混合气形成超稀薄均质混合气和较浓的分层混合气。火花塞点火时，首先在 浓混合气处形成较强的火焰，然后向稀混合气空间迅速传播。应用该技术可实现 负荷从中小区域向大负荷区域的平稳过渡，并降低缸内气体温度，从而抑制爆燃 的发生。 g d i 技术的优缺点 缸内直喷燃烧方式改变了油气混合的机理。g d i 发动机是在适当的曲轴转角， 将汽油直接喷入汽缸中，因而它兼有柴油机热效率高和汽油机升功率大的特点， 与传统进气道喷射相比，有以下优点【7 】： 重庆大学硕士学位论文 1 ) 燃油经济性进一步改善 g d i 发动机可以不使用节气门，通过改变喷油的量来控制发动机运行在所需 要的工况下，这就取消了部分负荷时候节气门的节流损失，所以燃油经济性会有 比较明显的改善，如图1 4 。 汽车整备质里k g 图1 4g d i 发动机与其它发动机的燃油消耗比较7 1 f i g 1 4f u e lc o n s u m p t i o no fg d ie n g i n ea n do t h e re n g i n e s 7 】 2 ) 冷起动时h c 排放低 图1 5p f i 汽油机与g d i 发动机起动油量与起动温度的关系7 1 f i g - 1 5t h es t a n i n gm e lo f p f ig a s o l i n ee n g i i l ea n d ( m ie n g i n ew i t hs t a n i n gt e l l l p e r a t l l r e 7 】 p f i 发动机是把汽油喷向进气阀背部和阀口附近的壁上，汽油蒸发和空气混合 主要依靠进气阀和进气道壁面的高温及在进气门打开时灼热的废气的倒流和冲击。 但在冷起动时，汽油蒸发和油气混合严重不足，此时就不得不过量供油使发动机 6 1 绪论 得以起动( 如图1 5 ) ，这就造成了很高的h c 排放。g d i 发动机是将汽油直接喷入 缸内，油气混合主要依靠喷雾和缸内空气运动。与冷起动时低温关系不大，喷油 不需要额外加浓，因而h c 排放低。 3 ) 起动快、动态响应好 在起动和瞬态响应的时候，由于燃油直接喷入缸内，这就保证了精确的燃油 量，并且喷射时间也可以精确控制，这样便能够提高发动机的响应速度，与p f i 发动机比较具有起动快，瞬态响应好的特点。 4 ) 压缩比高 g d i 发动机燃油直接喷入缸内，燃油的蒸发所需要的热量主要来自气缸内的 高温气体，这样使得混合气温度和体积降低，充气效率提高，并且爆震倾向降低。 再通过组织气流运动，实现分层稀薄燃烧，故g d i 发动机可以提高压缩比。 g d i 发动机虽然有很多优点，但目前仍存在以下问题【8 j ： 1 ) 中小负荷未燃h c 排放较多 分层混合引起火焰从浓区向稀区的熄灭；稀燃造成缸内温度偏低，不利于后 续氧化；远距离方式组织的燃烧系统因喷雾碰壁较多，而活塞顶和缸壁的温度低； 其他设计不当引起的混合气混合不充分和火焰延迟，也会造成火焰传播速度降低， 使未燃h c 排放高。 2 ) 稀燃使得t w c 得不到有效利用 传统的t w c 在理论空燃比下才有最高的转换效率，在稀燃条件下，它的效率 极低，无法正常工作，所以稀燃使得成熟的t w c 技术得不到有效利用。较高压缩 比和较快的反应放热率使得分层存在局部高温富氧区，n o x 排放较高，吸附式还 原催化转化器技术尚待发展( 主要原因是吸附式催化还原转化器对汽油含硫量要 求极严格) 。 3 ) 在低负荷、过渡工况和冷起动的情况下喷雾不良，油气混合时间短，导致微粒 排放比进气道喷射有明显增加。 4 ) 汽油的直接喷入，导致润滑性能下降，使发动机寿命受到影响。 5 ) 在理论要求的范围内控制分层混合气的组织和燃烧较为困难；工况变化时负荷 平滑过渡所需喷射策略较为复杂；缸内的燃烧沉积物较多造成火花塞污染；高压 供油系统零件的磨损较快、成本较高等。 典型g d i 燃烧系统 1 ) 福特p r o c o 燃烧系统 美国福特公司的p r o c o ( p r o 野a m m e dc o m b u s t i o np m c e s s ) 是g d i 稀燃方式 中应用较早的系统，如图1 6 所示。其分层燃烧采用统一式汽油直接喷射，利用螺 旋气道形成涡流，汽油由喷油器直接喷入燃烧室内，喷油器两侧各装有一只火花 重庆大学硕士学位论文 塞，在火花塞附近为浓混合气，利用涡流和滚流使油气混合。喷油随负荷增加提 前，采用均质模式。燃油在缸内雾化吸收热量，使混合气温度下降，充量提高， 并可使用较高压缩比。低速时功率可增加5 1 0 ，部分负荷和怠速时的油耗可 分别降低5 和1 2 。 峙管 图1 6 福特p i 的c o 燃烧系统8 】 f i g 1 6t h ef o r dp r o c o c o m b u s t i o ns y s t e m c 8 】 2 ) 三菱g d i 燃烧系统 图1 7 三菱g d i 燃烧系统8 1 f i g 1 7m i t s u b i s h ig d ic o m b u s t i o ns y s t e m 【8 图1 7 所示的g d i 燃烧系统采用了旅流式广角度喷油器，使油气混合达到最 佳；并且采用很有特色的立式进气道，以保证高度的滚流及充气系数，从而达到 最佳的缸内气流控制；该燃烧系统还采用了顶面弯曲的活塞，对燃烧非常有利。 1 绪论 低负荷采用分层模式，高负荷、加速或超车时则采用均质模式。空燃比可达4 0 ：1 。 3 ) 丰田d 4 稀薄燃烧系统【8 1 图1 8 为丰田公司开发成功的d 一4 稀薄燃烧系统。进气道上装有电子涡流控制 阀，可形成不同角度的斜向进气涡流，促进缸内混合气的形成。燃烧室为半球屋 顶形，活塞顶部有唇形深凹坑，与进气涡流旋转方向及高精度的喷油时间和喷油 方向控制配合，在火花塞周围形成较浓的易点燃的混合气区域。采用高压( 8 1 3 m p a ) 旋流喷油器，可实现高度微粒化( 喷雾粒度小于5 m ) 喷射，以抑制扩 散燃烧所产生的黑烟。灵活的电喷系统，可对不同工况采用不同的燃烧方式，以 保证所有工况下都能稳定燃烧。在低速及部分负荷时，压缩后期喷油，形成明显 的分层燃烧；在高速及大负荷时，进气行程就开始喷油，以形成均质化学计量比 燃烧；而在这两者之间，则有弱分层燃烧和均质燃烧两个区域。 为了控制分层燃烧的n 0 x 的产生，采用了电控e g r 系统。带有宽域氧传感器、 紧凑三效催化器和吸附还原型稀燃催化器。由于采用了稀燃方式并能保证燃烧稳 定性，怠速时的稳定工作转速可降低到6 0 0 r p m 。在空燃比为4 0 的稀燃条件下， n 0 x 排放可降低6 0 以上，采用e g r 后降低约9 0 。 图1 8 丰田d 4 稀薄燃烧系冽8 f i g 1 8t o y o t ad 4l e a nc o m b u s t i o ns y s t e m 【8 1 1 3 发动机微粒排放物的研究现状 1 3 1 微粒排放物的危害 发动机的排气微粒是指接近于大气条件下存在于排气中除水以外的任何分散 物质。这种物质可以是固态的，也可能是液态的，包括原始的和二次生成的微粒 物。原始微粒直接来自内燃机的燃烧过程，二次微粒是在大气条件下，排气中气 重庆大学硕士学位论文 态、液态和固态的各化学成分之间发生化学或物理变化所生成的物质，如催化反 应、光化学反应等所生成的微粒1 9 j 。 发动机排放的微粒物一直受到法规的严格限制。近些年的研究表明，世界各 国的汽车生产厂商为了满足日益严格的排放法规所采用的许多：先进的技术手段 ( 如增压中冷技术、废气再循环、高压燃油喷射和燃油品质的改善等等) 使微粒 排放质量浓度在大幅下降，但微粒排放数量浓度，尤其是超细微粒有增加的趋势。 微粒物由粒径0 1 1 0 仇的多孔碳粒组成，粒径小于1 “m 的微粒的数量占9 0 以 上。研究表明，1 0 p m 以下的微粒可进入鼻腔，7 ”m 以下的微粒可进入咽喉，2 5 “m 以 下的微粒可深达肺泡并沉积，尤其是纳米级的超细微粒因为粒径小能沉积在呼吸 道深部肺泡内达数月至数年之久，部分可直接进入肺泡和血液循环，损伤肺功能 和免疫功能，引发哮喘病、恶性肿瘤、肺癌等多种疾病 1 0 12 1 。科学研究表明，超 细微粒对人体的危害更大。超细微粒因粒径小质量轻悬浮于空气中的时间比较长。 内燃机排气中的最小微粒沉降时间在大气中最长可达一周以上。这就增加了微粒 与人体接触以及在大气中受阳光和其他物质作用产生光化学反应的机会。另外， 超细微粒物粒径小，表面积大，在相同质量下，超细微粒所吸附的有害物质要远 远多于粗微粒物，所以其具有很强的吸附力，常黏附有致癌物质，如苯并芘和和 苯并葸等有机物，尤其是0 1 0 5 肛m 的碳烟除了能致癌外，还会被直接吸入人体 内，沉积在肺部，引发慢性病、肺气肿、皮肤病和变态性疾病等，对人类危害极 大，并且对大气能见度也产生严重影响 1 3 16 l 。 许多碳氢化合物被确定对人体的健康有很大的危害，特别是多环芳香烃是一 种强致癌物质【1 7 】。多环芳香烃按分子量不同可分为低环( 2 、3 环) 、中环( 4 环) 和高环( 芝5 环) 。研究表明，2 、3 环等低环的多环芳香烃一般表现出较强的急性 毒性，无致癌作用，但因量多能与其它污染物反应生成更多有毒衍生物。高环数 的多环芳香烃一般并不表现出急性毒性，却对许多生物有致癌、致突变、致畸的 三致作用18 1 。 排气微粒中的金属无机物不仅会对发动机后处理系统造成堵塞和中毒，而且 从环境毒理学角度来看，一些重金属如铅、镉、砷、钴、铬等具有遗传毒性，干 扰d n a 代谢，并可导致染色体和d n a 分子的变异，诱发癌症 1 9 。，另外附着在细 小微粒上的金属物质可以渗入气管，沉积在肺部，首先产生羟基，接着引起不含 氧基的产生，最终导致多种急性和慢性的呼吸系统疾病【2 0 2 2 1 。 由于发动机的微粒排放物具有如此大的危害，因此。各国排放法规对微粒排放 的控制日益严格。并且欧洲新制定的欧v i 排放法规，开始在限制微粒质量排放的 同时，还限制微粒的粒数排放，并且将汽油车纳入微粒控制范围；同时，制定了 微粒检测计划，采用在去除p m 中挥发成分后统计微粒数的方法来检测微粒粒数 1 绪论 排放。 1 3 2 微粒排放物的尺寸及模式划分 典型的发动机排气微粒粒径分布如图1 9 所示。发动机排气微粒粒径分布大体 上是呈对数正态和三峰分布的，粒径范围从几纳米到几微米。通常认为，发动机 尾气中微粒有核模态、聚集模态和粗粒子模态之分。 p a r t i c l ed i 锄e te r ( u m ) 图1 9 典型的发动机排气微粒粒径分布刚 f i g 1 9 聊i c a le n g i n ee x h a u s tp a n i c l es i z ed i s t r i b u t i o n 2 7 1 核模态( n u c l e im o d e ) 粒子由粒径为5 5 0 1 1 i n 的排气微粒组成，属于纳米微 粒( n a n o p a r t i c l e s ) 。核模态粒子的成因比较复杂，通常认为核模态粒子是由缸内 燃烧过程形成的固态碳核、排气在稀释和冷却过程形成的挥发性碳氢化合物以及 含硫混合物，可能还有部分金属化合物成核而成。并且其浓度受环境湿度、温度、 排气中微粒的表面积和微粒在稀释取样系统中的挥发和沉积等因素的影响非常大 2 3 2 5 】 o 聚集模态( a c c u m u l a t i o nm o d e ) 粒子的粒径在5 0 1 0 0 0 n m 范围内，属于细 小微粒( f i n ep a n i c l e s ) 。主要是由发动机燃料和润滑油不完全燃烧产生的碳质初生 核态粒子聚积成团，并且表面吸附和凝聚了一些h c 和硫酸等半挥发性物质组成 1 4 2 6 o 粗粒子模态( c o a r s em o d e ) 是由当量直径大于1 “仇的微粒组成。粗模态粒子 通常不是燃烧过程本身的直接产物，而是为被气流带进排气中的沉积在进排气阀 和燃烧室壁面的积碳。虽然粗模态粒子大而重，但是相对核模态和聚集模态粒子 来说，其数量几乎可以忽略，因此其对微粒总数浓度和质量浓度的贡献都不是很 夕 。 r a l l i l l a nm 【2 8 等人针对发动机排放的纳米微粒粒径分布提出了一个假说模型， 重庆入学硕士学位论文 如图1 1 0 。根据这个模型，纳米微粒可以分为三大组。 d m = 10 n m ( 5 m d 2 0 n m ) 峰值粒径为1 0 衄左右，处在5 2 0 m 范围内的微粒包含在这一组。这一组 的微粒是相对稳定的。这些粒子假定为核态粒子的核心，可能是金属灰分或碳或 沸点高于4 0 0 的重h c 。 d m = 2 5 m ( 1o 衄 d 5 0 m n ) 峰值粒径为2 5 1 1 1 1 1 左右，处在1 0 5 0 衄范围内的微粒包含在这一组。这一组 的微粒是非常不稳定的。因此其被认为是由一些挥发性成分构成，依条件包含固 态核心或不包含固态核心。挥发性成份可能是在稀释通道中凝结的水蒸气和沸点 小于3 0 0 的h c 分子。 d m = 7 5 n m ( 3 0 n m d 15 0 n m ) 峰值粒径为1 0 0 姗左右，处在3 0 1 5 0 m 范围内的微粒包含在这一组。这一 组的微粒是固态粒子，如s o o t 或一些固态的s 0 0 t 凝聚而成。 图1 1 0 发动机排放的纳米微粒粒径分布模型网 f i g 1 10t h es i z ed i s t r i b u t i o nm o d e lo fe n g i n ee m j 【s s i o nn a n o p a r t i c l e s 【2 8 1 3 3 微粒排放物的组成成分及测量分析方法 燃用无铅汽油的汽油机排放的微粒主要是可溶性有机物质( s o l u b l eo r g a n i c f r a c t i o n s ，s o f ) 。但是g d i 发动机由于存在类似柴油机的扩散燃烧，其排放的固态 碳烟不容忽视。所以汽油机微粒排放物包括可溶性有机物质、固态碳烟和一些金 属灰分等。 1 绪论 稀释和冷却后的柴油机微粒组成如图1 1 1 。它包含两种形式的粒子：( a ) 由直 径为1 5 3 0 n m 的初生粒子凝聚而成的分形状聚集态粒子，由碳元素、金属灰分和 冷凝于表面的有机化合物和硫酸盐组成；( b ) 由冷凝的h c 和硫酸盐组成的核态粒 二z 2 9 】 jo o 碳烟 i 成核粒子 冷凝的比硫酸盐 金属灰分 图1 ，1 1 稀释和冷却后的柴油机微粒2 9 1 f i g 1 1id i e s e lp a r t i c u l a t ea r e rd i l u t i o na 】c l dc 0 0 1 i n g 【2 9 】 柴油机排气微粒的化学组分可分为两类【3 0 ：一类是不溶于有机溶液的不可溶 性组分( i n s 0 1 u b l ef m c t i o n s ，i s f ) ，主要组成是固态碳烟( 气相燃烧过程中产生的纳 米量级的固体微粒) ；另一类是可溶于有机溶液的可溶有机组分，主要组成是高沸 点的碳氢化合物。谭丕强、王桂华3 1 ，3 2 】通过色谱质谱( g a s c h r o m a t o g r a p h y - m a s ss p e c t r o m e t 聪g c m s ) 分析发现，微粒中的s o f 中8 0 左右为正烷烃和支链烷烃，碳数为9 2 8 ；1 2 左右为芳香烃( 茚、芴、菲、 萘等的同系物) ；此外，还有少量的酯类和烯烃。 测量发动机排气微粒中的可溶组份主要有三种方法。热重法 ( t h e 衄。掣a v i m e t r ym e m o d ，t g ) ，在惰性气氛下，用热天平精确测出并记录试样 重量随温度的连续变化规律，其最终质量损失率即为微粒中可挥发组分所占百分 比；溶剂萃取法，根据相似相溶原理，用二氯甲烷等有机溶剂作为萃取液浸泡 样品，微粒中的s o f 转移到溶液中。为了提高溶解度，常采用索氏萃取法；真 重庆大学硕士学位论文 空加热法，将样品置于真空干燥箱内，在9 5 l ( p a 真空度下，恒温2 0 0 持续6 h ， 微粒中的s o f 蒸发后被真空泵抽出。国际上通常用的是萃取法。 分析发动机排气微粒中的各种碳氢成分常用的技术是色谱质谱联机分析。利 用色谱的高效分离特性将微粒中上百种的碳氢化合物分离开，再用质谱定性分析。 经外光谱、紫外光谱、荧光光谱等方法可对微粒中某些碳氢组分进行定性、定量 分析。 对发动机排气微粒的浓度和粒径分布的测量分：忻主要是采用一些成套的分析 仪器，如英国c a m b u s t l 0 n 公司的快速微粒光谱仪( d m s 5 0 0 ) 、美国t s i 公司 的扫描迁移颗粒粒径分析仪( s m p s ) 、芬兰d e 亿盯i 公司的静电低压冲击仪( e l p i ) ， 还有悬浮粒子电子分析仪( e a a ) 、冷凝核计数仪( c n c ) 等。 微粒的形貌可以用透射电子显微镜( t r a n s m i s s 幻ne l e c t r o nm i c m s c o p y ，t e m ) 来观察。在上万倍的放大倍数下，粒子的细微形状可以清晰地显示出来。粒子的 形态分析除了可以直观地看到粒子尺寸外，还可为探讨粒子的形