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.doc

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1、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　　摘要：为研究缸内直喷汽油机典型工况、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℃、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

2、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。　　关键词：直喷汽油机；点火时刻；微粒排放；怠速　　中图分类号：TK41　　文献标志码：A　　文章编号：0253-987X03-0032-06　　进气道喷射火花塞点火汽油机具有噪声低、NOx和微粒排放低以及快速起动等优点，因此在乘用车上得到了广泛应用。与柴油机相比，PFI发动机燃油经济性较差，如果结合二者的优点，缸内直喷汽油机将得到长足发展。　　GDI发动机是将燃油直接喷入缸内，通过精确控制燃油喷射量可降低燃油消耗量，提高输出功率，因此GDI发动机

3、广泛应用于乘用车。与PFI汽油机相比，GDI发动机是将燃油直接喷入缸内，从而造成雾化不良、燃油湿壁等现象，特别是怠速工况下具有较高的微粒排放。所以，对于长期在市区行驶的汽车来说，研究GDI发动机怠速过程中的微粒排放特性具有十分重要的意义。　　本文在一台GDI发动机的冷却水温度、喷油时刻和过量空气系数不变的情况下，研究了怠速工况点火对GDI汽油机微粒排放特性的影响。　　1试验装置　　1.1试验设备　　试验在一台4G15GDI汽油机上进行，发动机主要技术参数包括排量1.468L、缸径77.5mm、行程82m

4、m、压缩比11、最大功率73kW。选用长春第一光学有限公司生产的WYCH21A3型光电信号编码器采集曲轴转角信号，采用瑞士奇石乐的6117B缸压传感器测量缸内压力，采用北京瑞博华公司的RBT5300数据采集卡采集信号，利用80C196kc单片机对发动机喷油和点火进行控制，采用美国TSI公司生产的微粒粒径谱仪EEPSTM3090测量发动机尾气微粒粒径分布。此外，设计制造了针对本发动机的温控系统，可以控制冷却液的温度范围为0～115℃。发动机测试台架布置如图1所示。　　GDI汽油机排气中的微粒数量浓度较高，

5、如不进行稀释直接使用微粒粒径谱仪测量，会超出测量量程而导致设备出现故障。根据微粒测量法规及EEPSTM3090对取样温度的要求，必须将取样气体温度降低到52℃以下。本试验中使用的稀释系统能够充分满足测量仪器和测量法规对测量条件的要求，保证微粒粒径测量的准确性。稀释风洞系统如图2所示。　　1.2试验方法　　试验中始终控制过量空气系数φ4=1，喷油时刻为进气行程上止点前310°，冷却水温为℃。当转速为800r/min时，点火时刻分别控制在压缩上止点前0°、5°、10°、15°、20°，用EEPS采集、记录数

6、据，以分析这一工况下点火时刻对微粒排放特性的影响。当发动机转速分别为1000r/min和1200r/min时，重复上述试验，根据试验数据分析不同工况下点火时刻对微粒的影响。　　2试验结果及分析　　2.1微粒粒径分布特性　　喷油时刻在上止点前310°、过量空气系数为1.0以及不同点火时刻下微粒数量浓度dN/d随微粒粒径Dp的变化如图3所示。　　内燃机排气中出现的颗粒是燃料在燃烧过程中经历了成核、生长和氧化过程后形成的。燃料在高温中经过裂解或氧化裂解形成颗粒核心，成核后又经历了表面增长和凝聚2个过程。当颗粒

7、物生长到某一尺寸时，增长速度急剧下降，且以积聚的方式形成链状结构物。这一过程伴随着颗粒的氧化，因此排气中颗粒的量是颗粒生成和氧化竞争的结果。　　从图3可以看出，不同点火时刻GDI发动机微粒粒径分布成单峰态，相对积聚模态微粒来说，核膜态微粒峰值较小。　　喷油时刻为上止点前310°、过量空气系数为1.0、转速为1000r/min时，点火时刻于上止点前5°时微粒数量浓度峰值为1.25×108cm-3，点火时刻于上止点前20°时微粒数量浓度峰值为3.05×108cm-3。　　可见，随着发动机转速的提高，微粒数量

8、浓度峰值增大，这是由发动机转速升高、燃烧持续期缩短、燃油雾化和油气混合时间缩短、微粒生成增多所致。　　分析可知，4G15GDI发动机在上止点前310°喷油，如果缸内形成均质混合气后在压缩上止点附近点火燃烧，那么随着点火时刻的提前，缸内混合气提前燃烧，从而造成缸内最高压力和温度升高。缸内最大温度升高会导致微粒成核速率提高，形成核膜态微粒数量增多。缸内温度高对微粒和HC的后期氧化不利，使得HC排放量增多，进而颗粒可在膨胀和排气过程中吸附更多的H