论文部分内容阅读
摘要：利用整车转鼓试验和发动机台架试验对缸内直喷汽油机（GDI）的主要控制参数，包括配气正时、燃油轨压力、喷油相位、点火时刻等对发动机颗粒物排放的影响，从而优化了配置此款缸内直喷发动机的整车颗粒物排放。
关键词：汽油直喷；颗粒物排放优化；研究
1
GDI发动机颗粒物排放的生成机理及测试设备
1.1GDI发动机颗粒物排放的生成机理
GDI发动机颗粒物排放污染物主要来源是活塞顶面和缸壁的未蒸发油滴以及由于混合不良产生的局部浓混合气；这些燃油在扩散燃烧过程中成核，并在缸内进行表面生长及凝聚，吸附以及凝结成最终的颗粒物。
图1示出了直喷汽油机燃烧室内可能生成碳烟颗粒物的燃油附着区域。除了由于早期喷射而有明显燃油附着的活塞顶面（图1①）外，还有因进气门及进气门座上部的喷雾冲击和扩散引起的燃烧室顶部燃油附着（图1②），因喷油引起的喷嘴端部燃油附着（图1③），以及经由气缸壁面油膜的活塞环岸处燃油附着（图l④）。生成碳烟的另一个原因是混合气不均导致的局部混合气过浓（图1⑤）。新鲜空气与燃油的混合不充分导致燃烧时的混合气存在过浓区域，这也可能是导致生成碳烟颗粒的原因之一。
1.2颗粒物质量（PM）和颗粒物个数（PN）测量设备
PN测试设备：AVL489 Particle Counter，测试范围：23nm～2.5um；23nm（±1nm）测试精度为50%（±2%）；41nm（±1nm）精度至少90%。
PN测试原理：丁醇法，微粒通过饱和丁醇气，包裹上丁醇后直径达到11.3-12.3μm，通过激光计数器计数。
烟度测试设备：AVL415（FSN），精度：5μg/m3。
烟度测试原理：一定容量廢气中的碳烟，积存在滤纸上，通过光电检测出被染黑滤纸。
2测试发动机主要参数
表1发动机主要参数，给出了试验发动机设计的主要参数。
3通过发动机台架试验研究发动机主控参数对颗粒物排放的影响
3.1进排气相位正时对颗粒物排放的影响
因发动机在NEDC循环的冷机阶段颗粒物占循环总数的70-80%，重点以冷机阶段的特征点作为台架试验优化对象作详细试验分析。保持发动机冷却液出口温度在30度，根据实车在NEDC工况的测量运行点，选取2个特征工况点对不同的进排气VVT正时每间隔10度作扫点测量，记录对应的碳烟值（FSN），保持其他控制参数不变。总体来说适当增加气门重叠角有助于降低颗粒物排放。
3.2喷油正时对颗粒物排放的影响
用相似方法选取四个特征工况点，保持发动机其余主控参数不变，在台架上测试起始喷油正时角度260度.310度的烟度。从图2测量结果显示，适当提前喷油相位有助于混合气的充分混合，同时避免活塞上的燃油附着，对降低碳烟有帮助。
3.3点火提前角对颗粒物排放的影响
从理论上来说适当推迟点火提前角有利于混合气的充分混合，减少因后燃而使有机物氧化变少的情况。但如果喷油正时已经充分考虑了混合气点火前预混合时间，那么点火提前角对颗粒物排放的影响将大大降低，且过多推迟点火提前角也会对燃烧稳定性带来负面影响。图3显示特征工况点下单次喷射和二次喷射两种模式下点火提前角对烟度和燃烧稳定性指标（CVO）的影响。
4结语
（1）发动机的主要控制参数包括进排气VVT相位，燃油喷射相位，燃油喷射压力对缸内颗粒物排放有显著的影响，在喷油相位合理的情况下，点火提前角的贡献有限，且会带来较大的燃烧稳定性方面负作用。
（2）针对国内绝大多数缸内最大喷射压力在15MPa-20MPa的GDI发动机，大都可以通过优化控制参数达到国5的颗粒物排放限值（PN 6.0x1012km-1/PM4.5mgkin-1）。
（3）从目前国5排放阶段的GDI发动机普遍排放水平看，仅通过控制参数优化来应对将要实施的国6b颗粒物排放限值（测试循环WLTC，PN 6.0x1011 km-1/PM 3mgkm-1）都存在一定差距。需要通过发动机硬件更改优化缸内燃烧来达到目标，比如采用350MPa缸内燃油喷射压力。
关键词：汽油直喷；颗粒物排放优化；研究
1
GDI发动机颗粒物排放的生成机理及测试设备
1.1GDI发动机颗粒物排放的生成机理
GDI发动机颗粒物排放污染物主要来源是活塞顶面和缸壁的未蒸发油滴以及由于混合不良产生的局部浓混合气；这些燃油在扩散燃烧过程中成核，并在缸内进行表面生长及凝聚，吸附以及凝结成最终的颗粒物。
图1示出了直喷汽油机燃烧室内可能生成碳烟颗粒物的燃油附着区域。除了由于早期喷射而有明显燃油附着的活塞顶面（图1①）外，还有因进气门及进气门座上部的喷雾冲击和扩散引起的燃烧室顶部燃油附着（图1②），因喷油引起的喷嘴端部燃油附着（图1③），以及经由气缸壁面油膜的活塞环岸处燃油附着（图l④）。生成碳烟的另一个原因是混合气不均导致的局部混合气过浓（图1⑤）。新鲜空气与燃油的混合不充分导致燃烧时的混合气存在过浓区域，这也可能是导致生成碳烟颗粒的原因之一。
1.2颗粒物质量（PM）和颗粒物个数（PN）测量设备
PN测试设备：AVL489 Particle Counter，测试范围：23nm～2.5um；23nm（±1nm）测试精度为50%（±2%）；41nm（±1nm）精度至少90%。
PN测试原理：丁醇法，微粒通过饱和丁醇气，包裹上丁醇后直径达到11.3-12.3μm，通过激光计数器计数。
烟度测试设备：AVL415（FSN），精度：5μg/m3。
烟度测试原理：一定容量廢气中的碳烟，积存在滤纸上，通过光电检测出被染黑滤纸。
2测试发动机主要参数
表1发动机主要参数，给出了试验发动机设计的主要参数。
3通过发动机台架试验研究发动机主控参数对颗粒物排放的影响
3.1进排气相位正时对颗粒物排放的影响
因发动机在NEDC循环的冷机阶段颗粒物占循环总数的70-80%，重点以冷机阶段的特征点作为台架试验优化对象作详细试验分析。保持发动机冷却液出口温度在30度，根据实车在NEDC工况的测量运行点，选取2个特征工况点对不同的进排气VVT正时每间隔10度作扫点测量，记录对应的碳烟值（FSN），保持其他控制参数不变。总体来说适当增加气门重叠角有助于降低颗粒物排放。
3.2喷油正时对颗粒物排放的影响
用相似方法选取四个特征工况点，保持发动机其余主控参数不变，在台架上测试起始喷油正时角度260度.310度的烟度。从图2测量结果显示，适当提前喷油相位有助于混合气的充分混合，同时避免活塞上的燃油附着，对降低碳烟有帮助。
3.3点火提前角对颗粒物排放的影响
从理论上来说适当推迟点火提前角有利于混合气的充分混合，减少因后燃而使有机物氧化变少的情况。但如果喷油正时已经充分考虑了混合气点火前预混合时间，那么点火提前角对颗粒物排放的影响将大大降低，且过多推迟点火提前角也会对燃烧稳定性带来负面影响。图3显示特征工况点下单次喷射和二次喷射两种模式下点火提前角对烟度和燃烧稳定性指标（CVO）的影响。
4结语
（1）发动机的主要控制参数包括进排气VVT相位，燃油喷射相位，燃油喷射压力对缸内颗粒物排放有显著的影响，在喷油相位合理的情况下，点火提前角的贡献有限，且会带来较大的燃烧稳定性方面负作用。
（2）针对国内绝大多数缸内最大喷射压力在15MPa-20MPa的GDI发动机，大都可以通过优化控制参数达到国5的颗粒物排放限值（PN 6.0x1012km-1/PM4.5mgkin-1）。
（3）从目前国5排放阶段的GDI发动机普遍排放水平看，仅通过控制参数优化来应对将要实施的国6b颗粒物排放限值（测试循环WLTC，PN 6.0x1011 km-1/PM 3mgkm-1）都存在一定差距。需要通过发动机硬件更改优化缸内燃烧来达到目标，比如采用350MPa缸内燃油喷射压力。