机油消耗量对缸内直喷汽油机微粒排放影响规律的研究

缸内直喷汽油机以其出色的经济性和瞬态响应性能得到了市场的广泛认可,但其类似于柴油机的喷射特点决定了汽油缸内混合时间短、混合气局部过浓并使得其微粒生成的质量和数量增加;此外机油不可避免地参与燃烧也会影响微粒排放特性。为研究机油消耗量对缸内直喷汽油机微粒排放影响规律,本文采用DMS500粒径分析仪对一台GDI发动机不同机油消耗量条件下的微粒粒径分布特性进行研究。研究结果表明：改变油气分离器的状态可以显著改变GDI发动机的机油消耗量;怠速工况下机油消耗量增加会导致微粒生成质量和数量浓度显著升高;低速工况下,中低负荷时,机油消耗量增加,微粒的质量浓度增加;高负荷时影响不明显。中速工况下,机油消耗量对微粒排放影响不明显。     

点火时刻对怠速工况缸内直喷汽油机微粒排放特性的影响

为研究缸内直喷(GDI)汽油机典型工况、怠速工况时的微粒排放特性,在一台4G15缸内直喷汽油机上,通过控制冷却液温度为(80±1)℃、喷油时刻为上止点前310°、过量空气系数为1,研究了点火时刻对缸内直喷汽油机怠速工况微粒粒径分布特性的影响。结果表明:微粒数量浓度和表面积浓度随着点火时刻的提前而增加;微粒数量浓度随粒径分布呈单峰状态,核模态微粒数量浓度粒径分布峰值很小且不明显,积聚模态微粒数量浓度明显高于核模态微粒数量浓度;微粒的体积浓度随点火时刻的提前而增大,核模态微粒体积浓度占总体积浓度的比例随点火时刻的提前而减小。     

曲轴箱窜气在低转速下对GDI汽油机微粒排放特性影响的实验研究

为了研究缸内直喷汽油机典型工况,低转速工况时的微粒排放特性,在一台EA211缸内直喷汽油机上,通过控制在1000 r/min时的不同负荷,以及曲轴箱通过进气门引入到燃烧室的的窜气量;此时的油气分离器出气口已经被堵死,窜气主要由机油盖处钻的孔引出。结果表明:微粒数量浓度在低转速下会随着负荷的增加而不断增加,微粒数量浓度随粒径分布呈单峰分布,核模态粒径分布增加明显且呈明显的单峰分布;而积聚态粒径分布增加不明显。微粒数量浓度会随着窜气量的增加不断增加,且核模态粒径单峰分布的峰值会向粒径大的方向偏移。     

控制参数对增压缸内直喷汽油机部分负荷下微粒排放特性的影响

为研究控制参数对缸内直喷(GDI)汽油机微粒排放特性的影响,在一台GDI汽油机上,当控制冷却液温度为(85±2)℃、点火正时为上止点前30°时,研究了部分负荷下喷油压力、喷油正时和过量空气系数对微粒的粒径分布特性和数量浓度排放的影响。结果表明,增大喷油压力,微粒数量浓度峰值及其对应的粒径均减小。发动机转速提高,微粒的总数量浓度升高;1 500r/min时的积聚态微粒排放高于核态微粒排放,2 000r/min和2 500r/min时核态微粒排放高于积聚态微粒排放。喷油正时为上止点前270°时,微粒排放最低;喷油正时为上止点前330°时容易形成较多较大尺寸的微粒,微粒数量浓度比其他喷油时刻高出一个数量级。增大过量空气系数,采用偏稀混合气可以降低微粒排放数量,采用浓混合气,核态微粒数量浓度高于积聚态微粒。该结果可为增压缸内直喷汽油机微粒排放特性研究提供参考。     

喷射策略和运行工况对直喷汽油机微粒排放的影响

应用DMS500型快速颗粒分析仪对一台自然吸气缸内直喷汽油发动机排放的颗粒物粒径分布进行试验研究,考察了运行工况(负荷、冷却水温和点火时刻)以及喷油策略(喷油时刻、喷油压力)对颗粒物粒径分布特性及其微粒数量的影响规律,并分析了不同工况下颗粒物的氧化活化能.结果表明:缸内直喷汽油发动机排放的颗粒物粒径呈现出双峰变化特征,在30℃水温时,低负荷下以生成积聚模态颗粒物为主,高负荷下以生成核模态颗粒物为主;较低的冷却水温会增加排放的颗粒物数量;点火时刻的推迟能够减少颗粒物的生成;在不同负荷的喷油时刻都存在一个最佳的颗粒物排放点;喷油压力越高,生成的颗粒物数量越少,核模态颗粒物的比例越高;随着负荷增加和冷却水温降低,颗粒物的起燃温度升高,颗粒物的氧化活性降低.     

乙醇汽油双燃料双喷射系统发动机燃油互换的对比研究

将1台GDI(gasoline direct injection)增压发动机改装成乙醇汽油的双燃料双喷射系统发动机,系统地对比研究EPI+GDI(进气道喷射乙醇+缸内直喷汽油)和EDI+GPI(缸内直喷乙醇+进气道喷射汽油)2种燃烧模式对提高发动机燃油经济性、降低气态常规排放和微粒排放的影响规律。研究结果表明:当量比油耗bESFC随乙醇质量分数wethanol的增加逐渐降低;由于乙醇较高的汽化潜热对缸内直喷的充量冷却效果更好,EDI+GPI燃烧模式的燃油经济性比EPI+GDI的好;2种燃烧模式的HC排放量均随wethanol增加而减小;CO排放量随着wethanol增加先减小后增大,但在转折点(wethanol=40%)前,EDI+GPI燃烧模式的CO排放量大;在转折点后,EPI+GDI的CO排放量大;EPI+GDI燃烧模式的NOx排放量随wethanol的增加而增大,而EDI+GPI的NOx排放量呈现相反的趋势;微粒粒径均随着wethanol的增加逐渐降低,乙醇良好的蒸发特性和较高的氧摩尔分数不仅抑制了微粒的生成,而且促进了微粒的氧化;EDI+GPI燃烧模式的微粒排放量明显比EPI+GDI的大。     

乙醇汽油双燃料双喷射系统发动机经济性和排放特性

在1台汽油缸内直喷(GDI)发动机上添加进气道乙醇喷射(EPI)系统,将其改装为燃料混合比例实时可调的双燃料双喷射系统发动机。将改进的发动机应用于典型城市工况,重点对燃油经济性、微粒数量和质量排放特性进行研究,同时分析燃烧特性和气态常规排放物。研究结果表明:随着进气道乙醇喷射比(质量分数)R_(ethanol)增加,当量比油耗bESFC降低,摩尔乘数效应增强,更多燃烧产物在膨胀行程做功,从而提高有效热效率。碳氢化合物(HC)排放随着R_(ethanol)增加而逐渐降低,不依赖于发动机负荷的变化。各负荷下微粒数量和质量排放均随R_(ethanol)增加而降低。乙醇良好的蒸发特性和较高的含氧量能够抑制碳烟前驱物的生成,增强微粒氧化特性。乙醇与汽油混合形成的共沸点混合物能够增强汽油的挥发性,改善混合气质量,进而降低微粒排放。     

EGR对GDI汽油机燃烧和排放的影响

为降低GDI发动机污染物排放,试验研究了中小负荷下废气再循环和过量空气系数对缸内直喷汽油机燃烧及排放的影响规律。研究表明：加入EGR能显著降低缸内峰值压力,且过量空气系数小于1时,废气对燃油的蒸发雾化起积极作用,使燃烧持续期增大,但燃烧放热率降低;EGR能显著降低直喷汽油机的NOx排放,但对CO排放的影响较弱;过量空气系数小于1时,EGR对HC排放的影响较明显,HC排放随EGR率增大而减小;随过量空气系数的增大,EGR对HC排放的影响逐渐降低。总体来看,当过量空气系数小于1时,EGR对缸内直喷汽油机的燃烧和排放影响较明显,废气的稀释和热容作用起重要作用;EGR的加入,降低了GDI汽油机核态颗粒物的排放,随EGR率增大,PM排放降低。当过量空气系数大于1后,EGR对缸内直喷汽油机的燃烧和排放的影响逐渐减弱。     

废气再循环对汽油缸内直喷汽油机燃烧和排放的影响

为降低汽油缸内直喷(GDI)发动机污染物排放,试验研究了中小负荷下废气再循环和过量空气系数对缸内直喷汽油机燃烧及排放的影响规律。研究表明:加入废气再循环(EGR)能显著降低缸内峰值压力;且过量空气系数小于1时,废气对燃油的蒸发雾化起积极作用,使燃烧持续期增大;但燃烧放热率降低。EGR能显著降低直喷汽油机的NOx排放,但对CO排放的影响较弱。过量空气系数小于1时,EGR对HC排放的影响较明显,HC排放随EGR率增大而减小。随过量空气系数的增大,EGR对HC排放的影响逐渐降低。总体来看,当过量空气系数小于1时,EGR对缸内直喷汽油机的燃烧和排放影响较明显,废气的稀释和热容作用起重要作用。EGR的加入,降低了GDI汽油机核态颗粒物的排放;随EGR率增大,PM排放降低。当过量空气系数大于1后,EGR对缸内直喷汽油机的燃烧和排放的影响逐渐减弱。     

稀燃条件下废气再循环对缸内直喷汽油机微粒排放粒径分布的影响

在一台壁面/空气导向组合式喷雾的汽油缸内直喷(GDI)发动机上进行废气再循环(EGR)实验,以研究稀燃条件下EGR对GDI发动机均质和分层模式下微粒排放粒径分布及燃烧的影响。实验结果表明:EGR的引入会抑制缸内燃烧,使缸压和瞬时放热率峰值降低、燃烧相位推迟、碳氢化合物排放增多;在均质和分层模式下随着EGR率升高,核态粒子数量浓度均呈先降后增的趋势,即存在最优EGR率使核态粒子数量浓度最低,均质模式下最优EGR率为8%,降幅为未加入EGR时的50%左右,而分层模式最优EGR率为5%,降幅只有20%左右;在分层模式下,积聚态粒子数量浓度随EGR率不断升高而持续降低;均质模式相较分层模式产生的积聚态粒子较少、核态粒子较多,2 000r/min相较1 500r/min产生的积聚态粒子较多、核态粒子较少。该结果可为直喷汽油机稀薄燃烧的微粒排放控制提供参考。     

直喷汽油机颗粒物生成及排放特性研究进展

通过对缸内直喷汽油机颗粒物生成机理、排放特性以及影响因素的研究进行综述,了解到直喷汽油机碳烟的生成主要源于缸内壁面油膜的池火燃烧和局部混合气过浓的影响,多环芳香烃是碳烟生成的主要前驱物;直喷汽油机颗粒物排放要高于进气道喷射汽油机以及装有颗粒捕集器的柴油机,并且与发动机运行及控制参数、混合气组织方式、燃油理化特性等有较大关系,通过优化燃烧组织措施,采用含氧燃料等方法能有效降低颗粒物排放.     

金属型汽油机颗粒捕集器用于缸内直喷汽油机试验

为了满足国Ⅵ排放法规对于颗粒物排放限值的要求,开展了金属型汽油机颗粒捕集器(GPF)用于1.8 L燃油缸内直喷(GDI)汽油机的试验研究。采用静电低压撞击器研究了转速、负荷对发动机颗粒物数量(PN)排放特性的影响,以及不同壁厚、孔隙率、涂覆等对GPF过滤效率的影响。研究结果表明:在转速不变的情况下,随着负荷的增加,PN呈现先下降后上升的趋势;随着孔隙率和壁厚的增加,GPF过滤效率呈现先急剧上升后趋于稳定的趋势,GPF过滤效率分别稳定在73.0%和75.1%。涂覆后,在相同的试验工况条件下,GPF的过滤效率均高于未涂覆的GPF的过滤效率,并且最终GPF过滤效率达到75.8%。     

增压直喷汽油机起动怠速及混合气浓度对微粒排放的影响

在一台增压直喷(GDI)汽油机上,使用快速微粒光谱仪(DMS500)对排气中微粒排放分布进行了实验研究.结果表明:在发动机起动后数秒内微粒排放较高,随着暖机进行积聚态微粒排放减少,热机怠速工况排气微粒主要以核模态为主.随着过量空气系数λ减小缸内峰值压力增加,燃烧持续期缩短,缸内平均温度升高,燃烧后期缸内温度下降幅度增加,混合气氧含量降低,这些均促进了碳烟排放.采用稀混合气时,循环变动升高.低负荷时,积聚态微粒对λ变化较敏感;增加负荷和转速后,积聚态微粒数浓度有所降低,表现为随λ减小而增加的趋势.采用浓混合气时,排气微粒质量迅速增加.在实验工况,排气微粒的几何平均直径(GMD)和中位直径(CMD)基本在10,nm以内,λ为0.8时微粒的GMD和CMD值较大.     

燃料特性和工况对直喷汽油机微粒排放的影响

在一台四缸增压直喷式汽油机上研究了其微粒粒径分布特性,考察了燃料属性(T90温度、乙醇添加)、发动机运行工况参数(负荷、点火时刻等)、喷射策略(喷射时刻、2次喷射)对微粒粒径分布以及微粒数目的影响规律.研究发现:T90温度对微粒排放有显著的影响,T90温度升高,微粒排放增加;增压直喷式汽油在中等负荷下的微粒排放浓度最高,在大负荷下由于轨压升高和高温排气的氧化,最大微粒排放浓度反而减小;汽油中添加10%的乙醇可以使得微粒排放适度减少;较早的喷射时刻使得燃料蒸发时间延长,混合气更加均匀,有助于减少微粒排放;而2次喷射有助于抑制微粒排放,选择合适的第2次喷射时刻,可使其抑制效果最佳;点火时刻对微粒排放影响显著,推迟点火可以减少直喷式汽油机的微粒排放.     

汽油直喷发动机燃烧特性分析

通过试验研究了2.0 L汽油直喷(GDI)发动机在中、低转速和部分负荷下的燃烧特性,并与进气道喷射(PFI)发动机的燃烧特性进行了对比,同时分析了滚流比对GDI燃烧特性的影响.结果表明:在转速为2 000 r/min、平均有效压力为0.2 MPa的工况下,GDI发动机的燃烧速度要低于PFI发动机的;发动机在中、低转速工况下,提高气道滚流比可以增强缸内气流运动强度,提高混合气的燃烧速度;当发动机转速达到3 000 r/min时,高滚流比会引起燃烧过程恶化.进气道翻板的应用可以提高低转速发动机的气流运动速度,加快缸内混合气的燃烧,改善低转速发动机的热效率.在转速为2 000 r/min、平均有效压力为0.2 MPa工况下的计算流体力学分析结果显示,进气道翻板的关闭会增强缸内气流运动强度,提高可燃混合气分布的均匀性.     

基于汽油机缸内直喷技术的发展与排放研究

该文通过介绍汽油机缸内直喷(Gasoliine Direct Injection,GDI)技术的发展背景、技术特点、技术现状,在油价不断上涨压力下和汽车带来的污染日益严重,全球范围内对温室气体CO2排放控制的呼声不断高涨的条件下,满足排放要求,因此,提升燃油经济性则显得意义尤为重要。GDI今后研究工作的重点是排放的控制技术,同时展望了汽油机缸内直喷技术的发展。     

增压直喷甲醇汽油机在不同喷油时刻下的微粒排放特性研究

为研究增压直喷甲醇汽油机在不同喷油时刻下的微粒排放特性,在一台增压直喷汽油机上进行了不同喷油时刻下燃用M0,M10,M15和M20(甲醇体积分数分别为0%,10%,15%和20%的甲醇汽油混合燃料)的微粒排放测量试验。结果表明：微粒数量浓度粒径谱密度呈双峰分布,核态微粒峰值粒径主要集中在23.71-27.38 nm,积聚态微粒峰值粒径主要集中在64.94-86.6 nm,各模态微粒峰值变化与数量浓度变化相同,随喷油时刻的推迟先下降后上升,在80°CA ATDC(进气上止点后)喷油时最少,随甲醇比例的增大先升高后降低,燃用M15时最多;燃用纯汽油M0时,发动机在100°CA ATDC喷油时排放微粒最多,燃用甲醇汽油混合燃料时,发动机在40°CA ATDC喷油时排放微粒最多;微粒表面积浓度粒径谱密度均呈单峰分布,峰值粒径主要集中在86.6-153.99 nm,总表面积浓度变化与总数量浓度变化相同,但变化幅度更大。     

增压直喷甲醇汽油机在不同喷油时刻下的微粒排放特性

为研究增压直喷甲醇汽油机在不同喷油时刻下的微粒排放特性,在一台增压直喷汽油机上进行了不同喷油时刻下燃用M0、M10、M15和M20(甲醇体积分数分别为0%、10%、15%和20%的甲醇汽油混合燃料)的微粒排放测量试验。结果表明:微粒数量浓度粒径谱密度呈双峰分布,核态微粒峰值粒径主要集中在23.71~27.38 nm,积聚态微粒峰值粒径主要集中在64.94~86.6 nm,各模态微粒峰值变化与数量浓度变化相同,随喷油时刻的推迟先下降后上升,在80°CA ATDC(进气上止点后)喷油时最少,随甲醇比例的增大先升高后降低,燃用M15时最多;燃用纯汽油M0时,发动机在100°CA ATDC喷油时排放微粒最多,燃用甲醇汽油混合燃料时,发动机在40°CA ATDC喷油时排放微粒最多;微粒表面积浓度粒径谱密度均呈单峰分布,峰值粒径主要集中在86.6~153.99 nm,总表面积浓度变化与总数量浓度变化相同,但变化幅度更大。     

国Ⅵ直喷汽油机颗粒数量及微观形貌排气输运演变特性

开展了某一国Ⅵ直喷汽油机三元催化转化器（TWC）前、TWC后、汽油机颗粒捕集器（GPF）后3个位置的颗粒物采样及微观形貌研究,分析了发动机工况、TWC、GPF对国Ⅵ直喷汽油机尾气颗粒数量、粒径分布、微观形貌的影响。结果表明,该直喷汽油机尾气颗粒数量排放整体上呈单峰分布,低转速小负荷工况下,粒径<23 nm的颗粒数量较高。随着发动机转速和负荷的增大,峰值粒径向大粒径方向移动。直喷汽油机尾气颗粒物由“核?壳”结构基本碳粒子堆积形成,呈链状、枝状、簇状等结构;负荷增大,颗粒物尺寸略有增大,基本碳粒子重叠度增强,分形维数增大;转速增大,颗粒物尺寸减小,基本碳粒子重叠度减弱,分形维数减小。随着排气输运的进行,颗粒数量逐渐降低;TWC不影响颗粒的粒径分布形态,颗粒数量净化效率41.6%~94.2%,对<23 nm的小粒径颗粒净化效果较好,低转速小负荷工况的颗粒数量净化效率较高;GPF的颗粒数量净化效率约80%,23~100 nm颗粒数量净化效率较高,对粒径<10 nm的颗粒净化作用不大。TWC和GPF不影响颗粒物结构形式, TWC和GPF后颗粒物基本碳粒子重叠度减弱,分形维数减小。     

直喷汽油机恒转速增转矩工况燃烧与排放

在一台直喷汽油机(GDI)上,利用发动机瞬态控制和测试系统,研究恒转速增转矩工况下节气门切换幅度和切换耗时对发动机燃烧与排放动态响应的影响,并通过基于比例积分(PI)调节的过量空气系数(λ)闭环控制和节气门超调策略优化瞬态工况的燃烧和排放.试验结果表明:在恒转速增转矩工况,发动机工作参数相对于节气门的变化有一定的滞后,切换时间越长各参数与节气门变化的跟随性越好;切换幅度较大时,各参数稳定性较差;进气的响应特性是影响发动机瞬态工况下燃烧与排放的主要因素.在所研究的工况下,过量空气系数闭环控制的最优PI(比例值、积分值)组合为P=0.08/I=0.5;进气门超调策略可以更有效地减小进气响应的滞后时间,使燃烧更充分,降低颗粒物数量浓度和碳氢(HC)排放.