增压直喷汽油机燃烧及颗粒物排放特性研究

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直喷汽油机以其出色的动力性经济性和瞬态响应能力正逐渐成为汽车的主要动力源。但是直喷汽油机也存在排气颗粒物较多的缺点,由于汽油喷入缸内,相比混合气在缸外形成的进气道喷射,油气混合时间短,以及燃油湿壁等因素造成其排气颗粒物较多,直喷汽油机相比柴油机排气颗粒物的粒径更小,主要为纳米级颗粒,具有较大的面径比,其表面可吸附更多有毒物质,对人类健康危害更大。欧Ⅴ排放法规已经对直喷汽油机颗粒物排放量提出了要求,随着国内排放法规日益严格,有必要对直喷汽油机颗粒物排开展深入研究。作者使用DMS500微粒光谱仪在一台增压直喷汽油机上进行了实验研究。首先研究了增压直喷汽油机起动怠速及中小转速中小负荷工况,研究结果表明,发动机起动瞬间,颗粒物排放较高特别是聚集态颗粒物排放数浓度较高。随着热机时间增加,聚集态颗粒物数浓度逐渐降低,热怠速排气颗粒物主要以核态颗粒物为主,聚集态颗粒物较冷怠速时粒径和数浓度均小很多。增压直喷发动机在中小转速中小负荷各工况点总颗粒物排放数浓度并不在同一数量级,在中等转速和中等负荷颗粒物数浓度最高,总颗粒物数浓度受核态颗粒物数浓度分布影响。相对于发动机转速,发动机负荷对缸内压力和放热率影响较大,不同负荷由于油气混合燃烧速率及燃烧后期缸内温度综合影响颗粒物排放。其次研究了不同控制参数下增压直喷汽油机颗粒物排放,研究结果表明,采用浓混合气时,缸内最高爆发压力升高,燃烧放热率峰值升高,燃烧速率变快,缸内最高燃烧温度升高,燃烧后期缸内温度迅速下降,燃烧后期氧含量降低不利于颗粒物的后期氧化,颗粒物排放增多,组织过量空气系数略大于1.0的稀混合气有利于改善颗粒物排放。喷油过早会产生燃油湿壁现象,导致燃油燃烧不完全,聚集态颗粒物和核态颗粒物排放均较高。喷油过晚油气混合时间缩短,混合气混合不均匀,颗粒物排放会增加,特别是核态颗粒物增加较明显,合理优化喷油时刻可以减少颗粒物排放。随着点火提前角增加,缸内最高压力逐渐升高,缸内压力峰值对应曲轴转角逐渐靠近压缩上止点,燃烧过程加快,缸内最高温度逐渐升高,导致碳烟生成可能性增加,点火提前角的增加,燃烧后期缸内温度迅速下降,不利于颗粒物的后期氧化,同时混合气混合时间缩短,出现局部浓区的可能性增加,这也会导致颗粒物排放增加。进气正时对缸内压力峰值和放热率峰值影响较大,不同气门正时对缸内最高温度有明显的影响,过多的缸内残余废气会使燃烧不稳定最终导致颗粒物排放增加。不同的气门重叠角,不同的气门开启时刻对颗粒物排放都能产生影响,但存在使颗粒物排放最低的最佳值。
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