文献综述-缸内直喷汽油机排放特性及影响因素

文献综述缸内直喷汽油机排放特性及影响因素摘要：缸内直喷汽油机具有良好的燃油经济性，也存在颗粒物排放增加的问题。国Ⅴ排放标准也引入PM排放控制指标。通过分析汽油有害排放物生成机理，研究了缸内直喷汽油机有害排放物的影响因素及控制技术。关键词：缸内直喷汽油机排放法规排放物影响因素1引言汽油缸内直喷（gasolinedirectinjection,GDI）技术使得汽油机拥有良好的燃油经济性，冷启动时HC排放低等优点，汽油缸内直喷技术不断普及，但是燃油直接进入气缸，反而使得油气混合不均匀和燃油碰壁的现象产生使得微粒物的排放相对于非直喷汽油机明显增加，在各国的排放法规里都相应的出台了对于颗粒物排放的技术要求。因此对于缸内直喷汽油机研究非常有必要，掌握缸内直喷汽油机的排放特性和影响因素，更加有利于进一步提高该汽油机的性能，降低排放物的量。2我国的排放控制法规有关数据表明，2012年全国的机动车排放污染物为46.121Mt,其中汽油车的CO和HC的排放量最高，超过总排放量的七成。为了控制机动车的污染物排放，我国于2013年7月1日开始全面实行国Ⅳ排放标准，并且，在2018年1月1日起实施国Ⅴ排放标准[1]。表1列出了M1类汽油常温排放限值的变化，可见增加。表1M类汽油车常温排放限值的变化[2]阶段实施日期CO/（g•km-1）HC/（g•km-1）NMHC/（g•km-1）NOx/（g•km-1）PM/（g•km-1）PN/（个•km-1）国Ⅳ2011-07-011.00.100.08国Ⅴ2018-01-011.00.100.0680.060.00453汽油机排放生成机理3.1微粒物生成机理直喷汽油机由于将汽油直接喷入缸内，油气的混合时间短，混合气不均匀，再加上有燃油碰壁的现象，使得颗粒物的排放增加。汽油机碳烟颗粒物主要是不完全燃烧的产物，是燃料在高温缺氧的条件下经过脱氢裂解产生的[3]。3.2NOx生成机理目前被广泛采用的是采尔多维奇（Zeldovich）反应机理，空气中的O2分子，在燃烧区高温的作用下，裂解成O原子，在O原子的诱发下产生生成NO的链反应[4]。3.3HC生成机理引起HC的生成有很多影响因素，混合气过浓或过稀、燃烧室温度偏低、点火系统不正常等会引起混合气中的一部分燃料以未燃烃排出。或者是冷壁火焰淬熄这一燃烧现象，在内燃机的缸壁上附着一层很薄的淬熄层，当火焰传播到紧靠燃烧室壁面的薄层时，由于温度过低无法进行完全燃烧，燃料在此生成未燃的碳氢化合物[4]。3.4CO生成机理CO是烃类燃料在空气不足的情况下的燃烧中间产物。生成的反应过程可概括为RH→R→RO2→RCHO→RCO→CO[4]4缸内直喷汽油机有害排放的影响因素对于汽油机排放物的控制有各种影响因素，为了达到排放法规的标准，需要对排放物进行技术净化处理。从净化的方式来看，分机前处理、机内净化和机后处理。不同的处理方式有不同的效果和影响，如在改善燃烧过程来降低CO、HC和颗粒物的排放量，但NOx的排放量却随之升高。如果为了减少NOx的排放量，通常是采用延迟喷油定时来降低燃烧温度，减少NOx，却带来燃油经济性的问题。故对于汽油机排放物的处理是一个综合性考虑的问题，需要进行大量的研究。4.1颗粒物影响因素汽油机的排放污染物主要是一氧化碳，氮氧化物及碳氢化合物，随着汽油直喷（GDI）技术的普及，燃油由于直接喷入缸内，引起油气混合不均匀，燃油碰壁等现象，导致GDI汽油机的颗粒物排放增加，现代汽油机的颗粒物排放也得到重视，国Ⅴ排放法规也引入了PM这一指标。因此现阶段对于缸内直喷汽油机排放研究大多数是颗粒物的研究。清华大学的帅石金等人对于缸内直喷汽油机的颗粒物排放特性做了试验研究[5]，对于GDI汽油机将燃油喷人缸内，引起混合气不均匀及燃油碰壁现象使得颗粒物排放增加的情况。通过分析负荷和三效催化器（TWC），过量空气数，点火角分析直喷汽油机颗粒物排放的情况。对于GDI汽油机的颗粒物排放的粒径分布，在怠速工况下出现核状微粒单峰分布，微粒物的浓度为3.6×108(l/cm3)；在负荷特性下，在小负荷工况下出现最高峰值，其浓度先减少后增加；在中小转速时以核态微粒物为主，并随转速的增加浓度减小；随着空燃比的增加，其浓度先增加后减小，聚集态的微粒在逐渐减少[6]。而对于增压直喷汽油机，在启动的时候颗粒物排放特别是聚集态颗粒物有特别高的浓度，而其随着负荷和转速变化，各个工况下的浓度情况各不相同，随着转速的升高，核态颗粒物浓度逐渐减少，聚集态颗粒物先减少后增涨；随着负荷的增加，核态颗粒物浓度逐渐减少，聚集态颗粒物先减少后增涨，并且峰值的径粒往大径方向偏移[3]。空燃比对于直喷汽油机的微粒排放也有比较大的影响，对微粒的粒径浓度分布曲线形状有影响，随着空燃比的增加，微粒粒径数量浓度分布曲线从核模态和聚集模态双峰分布逐渐变成核模态和初始颗粒的双峰分布一直到核模态单峰分布；核模态微粒的数量浓度曲线出现先增后减，聚集模态微粒数量浓度是一直在减小；稀薄燃烧更有利于减少微粒的数量。在发动机启动后的前几秒中，颗粒排放比较高，聚集态颗粒比较多，冷机怠速工况下聚集态排放也高，随着发动机的暖机过程的进行，聚集态颗粒排放逐渐减少。在热怠速的工况下以核态微粒物为主，聚集态微粒很少。随着过空气量系数λ的减少，不利于排放物的后期氧化，因此促进了碳烟和HC的生成。在低负荷时的颗粒物对于过空气量系数λ的变化比较敏感，混合气的过浓或过稀都将导致聚集态的颗粒物排放增加[7-8]。4.2NOx影响因素天津大学的余小红研究了汽油机在稀薄燃烧时的NOx的生成并做了数值模拟工作[9]。汽油机的稀薄燃烧虽然可以有效的降低燃料的消耗并且大大降低HC和CO的排放，但是增加了NOx的排放，通过模拟试验，尝试了增大空燃比，减小点火提前角，EGR及浓稀混合等方式来控制NOx的排放量，都等到了比较好的控制结果，对未来技术发展有一定影响。4.3燃油添加剂对有害排放物的影响从汽油这一燃料角度来讲，可以通过改善汽油品质和添加汽油添加剂来改善汽油的排放特性。比如将一种棕榈油提取物作为汽油的添加剂，通过实验得到的数据分析，对比得出该添加剂对于93#高清洁汽油和乙醇汽油都能改善其燃烧的完善程度，提高了热效率和经济性。对于93#高清洁汽油来说出了HC的排放稍微提高外，其他都有所下降，特别是CO2的排放量；对于乙醇汽油来说NOX和原来保持同一水平，HC和CO2基本保持不变，除了高浓度的添加剂外，CO在小功率时有所上升而中大功率时有所下降[10]。甲基环戊二烯三羟基锰(MMT)是一种高效清洁的汽油抗爆剂，天津大学的姚春德等通过实验研究了其对于GDI、FPI汽油机微粒排放的影响，实验得出添加MMT后两种发动机的微粒排放量都有所增加，在各个负荷下GDI汽油机的微粒数量浓度比FPI汽油机的高，在超细微粒排放方面高出了1~3的数量级[11]。掺氢汽油机能够获得更好的效率和更低的排放。掺氢汽油机的冷启动时的缸内压力明显升高，有利于汽油机的冷启动并且有效的减少了冷启动时的HC和CO的排放；在怠速及部分负荷下，停缸可以进一步提高该情况下的热效率及HC和CO的排放，并且停缸可以使得汽油机获得最佳的怠速经济性。由于掺入氢气后缸内的燃料燃烧温度上升，所以会使得NOx的排放提高，但其他的HC、CO及颗粒物等都更利于控制和减少排放[12]。5缸内直喷汽油机排放控制技术5.1废气再循环在现在废气再循环（EGR）作为降低NOx的主要技术途径，在缸内直喷汽油机上，EGR可以提高一定的动力性，提高经济性，能大量抑制NOx的生成，在某些时刻能达到91.3%的降低率。但是使用EGR可能使得HC的排放量有小幅度的增加，从实验中得到的数据是在各工况下平均增长了15.7%。EGR相对于汽油机的CO排放几乎不造成影响[13-14]。5.2可变气门正时现代发动机采用的可变气门正时技术（VVT）对于排放也有影响。在标定的VVT点处的NOx和HC排放都有了很大的改善，在小负荷时期相对较高，但再中高负荷阶段改善的效果尤其明显。分析认为，随着VVT的开度增大，气门的重叠角范围增加，加强了汽油机内部的EGR，降低了缸内的燃烧温度和氧气的浓度，使得NOx的排放量相应的减少。但VVT对于CO的排放影响较小，在不同负荷下的两种相同配气相位的CO排放量基本相同[15]。5.3点火定时天津大学的潘锁柱等研究了定时点火对于缸内直喷汽油机的燃烧和颗粒物排放情况。分析了在点火定时不断推迟时，火焰发展期渐渐缩短，快速燃烧器不断增大；推迟点火定时缸内的压力和瞬时放热率峰值都逐渐降低，缸内的最高燃烧温度逐渐向后移，膨胀行程的平均温度逐渐升高；随着点火定时的不断延迟，核态和聚集态颗粒物峰值密度都在降低，颗粒物的总浓度在减少，聚集态颗粒物峰值粒径减小，但是核态颗粒物峰值粒径受到的影响较小[16]。GDI汽油机喷油定时的不断推迟瞬时放热率和缸内平均温度峰值都是先增后减，火焰的发展期和快速燃烧期先缩后增。聚集态微粒峰值数量浓度先降后增，聚集态颗粒物峰值粒径渐渐减少，但核态微粒粒径几乎不变，微粒的总浓度与聚集态微粒数量浓度都出现了先降后升的现象[17]。6结语缸内直喷发动由于产生的新的排放问题是颗粒物排放增多，故研究比较集中于对于颗粒物，过空气量系数的增加及点火时刻的推迟都有助于颗粒物的减少；从空燃比来说，过浓过稀的混合气浓度都会使得颗粒物浓度增加，稀薄燃烧有助于减少颗粒物；燃料的不同添加剂，其对于排放物的影响各有不同。不同的发动机控制技术对于各种排放物的影响各不相同。废气再循环技术可有效的降低缸内直喷汽油机的NOx和HC的生成，但对CO影响不大；可变气门正时技术也降低NOx，对CO影响不大。点火定时的不断推迟对于颗粒物的排放呈现先降后升的影响。参考文献：[1]杨友文，胡云昊，张子庆，孟铭.新油耗与排放法规下汽油发动机技术对燃油的要求，石油炼制与化工，2015.06[2]GB18352.3-2005.轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ阶段）[S].2005[3]张建业.增压直喷汽油机燃烧及颗粒物排放特性研究：[学位论文].天津：天津大学，2013.[4]刘永长.内燃机原理.华中科技大学出版社，2001.[5]帅石金，郑荣，王银辉，付海超，徐宏明.缸内直喷汽油机微粒排放特性的试验研究，汽车安全与节能，2014,5(3):304-310[6]原达.缸内直喷（GDI）汽油机微粒排放粒径分布特性研究：[学位论文].天津：天津大学，2011.[7]董伟，于秀梅，杨松，孙万臣，张春贤.空燃比对直喷汽油机微粒排放特性的影响。2013中国汽车工程学会年会优秀论文，2013.10[8]裴毅强，张建业，秦静，李翔，代玉利，李云龙.增压直喷汽油机起动怠速及混合器浓度微粒排放的影响，天津大学学报，2014.10[9]余小红.汽油机稀薄燃烧及NOx排放净化数值模拟和实验研究：[学位论文].天津：天津大学，2007.[10]姚春德，李琦，宋金瓯，王艳霞.生物添加剂对汽油机燃油经济性及废气排放影响的研究，工程热物理学报，2006.05[11]姚春德，危红媛，耿培林，窦站成，刘辰，王全刚.MMT对GDI、PFI汽油机微粒排放的影响，环境科学报，2015.09[12]王硕峰.掺氢汽油机燃烧与排放特性的试验性研究：[学位论文].北京：北京工业大学，2013.[13]刘明.