简谈汽油发动机颗粒物排放影响因素

薛康,韩志岐,李建锋，滑海宁

(长安大学汽车学院，陕西西安 710064)

简谈汽油发动机颗粒物排放影响因素

薛康,韩志岐,李建锋，滑海宁

(长安大学汽车学院，陕西西安 710064)

主要对比了缸内直喷发动机与进气道发动机的不同的工作原理。由于二者不同的工作原理，从点火时刻、喷油时刻、空燃比、EGR率等方面介绍了上述因素对发动机超细颗粒物排放(主要针对粒径小于100 nm)的影响。

GDI；汽油机；超细颗粒物

0 引言

汽车颗粒物排放特性目前主要从两方面进行研究：一方面着眼于颗粒物的质量浓度；另一方面着眼于颗粒物的数量浓度。国外针对汽车颗粒物排放的研究结果表明：影响发动机颗粒物粒径分布和数量浓度的因素有发动机所使用燃料、发动机的燃烧模式、发动机运行工况等因素。与柴油机对比，汽油机颗粒物排放的特征是较低的质量浓度，通常仅占柴油机颗粒物排放质量浓度的1%左右[1]；但是汽油机颗粒物排放具有很高的数量浓度，即汽油机颗粒物排放主要是细颗粒物排放。由于全球使用汽油机的车辆占全部车辆的大约四分之三，因此文中只对汽油机的颗粒物数量浓度排放的特征进行介绍[2]。

1 原理结构

目前汽油机采用的电子喷射系统主要为占据大多数的传统进气道喷射PFI(Port Fule Injection)系统和缸内直喷GDI(Gasoline Direction Injection)系统。从热效率上看，GDI发动机(如图1所示)较PFI发动机(如图2所示)有着15%～20%的提升，这对减排非常有利。由于PFI汽油机和GDI汽油机燃油供给过程和混合气形成过程等存在不同，这也导致了装配有这两种类型的发动机的车辆颗粒物的排放存在差异[3]。下面介绍GDI发动机的燃烧特点。

GDI发动机是电控汽油喷射系统发动机的一种。PFI发动机将燃油喷射到进气门上(如图2所示)，由于燃油形成油膜和蒸发这一过程，所以喷油时刻和混合气进入气缸之间有一定延迟；而GDI电控系统是将燃油直接喷射到燃烧室内，所以不存在喷油延迟的问题。GDI发动机的燃烧模式可以分为两种：大负荷时，电控系统在进气行程早期将燃油喷射，形成空燃比在14.7左右的均质混合气；中小负荷工况下，电控系统在压缩行程后期将燃油喷入气缸，通过燃烧室形状、气流组织以及喷油器的合理配置，最终在火花塞附近形成较浓的混合气，并且在燃烧室其他位置空燃比最大可达30～40的稀薄混合气。只有在火花塞跳火瞬间将适当空燃比的混合气引导至火花塞附近才能稳定点火，并且实现混合气在空间内的连续分布，火焰才能实现连续传播。如果火花塞附近混合气过浓，会导致混合气燃烧不完全，导致不完全燃烧产物的排放。在中小负荷时形成的稀薄混合气空燃比也不能超出燃烧极限。由此可知GDI发动机工作原理和PFI工作原理的不同会导致其颗粒物排放的不同。

2 发动机工作参数对颗粒物排放影响因素分析

这一节进行颗粒物排放分析。由于汽油机排放数量浓度较大、粒径分布为超细的颗粒物，因此这里以粒径小于100 nm的颗粒物为分析对象。核态颗粒物峰值粒径在5～10 nm之间,主要指水、润滑油、未燃HC以及燃烧凝聚物，主要包括在尾气稀释和冷却过程中因成核而形成的挥发性有机化合物颗粒和硫酸盐颗粒等。聚集态颗粒物峰值粒径在10～100 nm之间[4]。

首先从二者的总体工作过程可以看到：GDI发动机较PFI发动机油气混合时间短，容易出现局部过浓和燃油湿壁等现象，造成颗粒物排放在质量浓度和数量浓度上有所增加。

2.1 喷油时刻

由于PFI发动机混合气为预混形式，所以这里对GDI发动机喷油时刻的影响作介绍。喷油时刻越靠近上死点，混合时间越短，混合不均匀，通过表面吸附或其他反应实现颗粒物的表面增长，形成更大的颗粒，致使核态颗粒物数目增加；喷油时刻越早，燃油蒸发雾化吸热致使缸内温度降低，氧化速率减慢，因此抑制了氮氧化合物的生成，并且与此同时湿壁现象明显，致使HC排放升高，综上因素导致了聚集态颗粒物增加。喷油时刻早导致聚集态颗粒物增加，喷油时刻靠近上死点导致成核颗粒物增加。随着喷油提前角的增加，氮氧化合物逐渐降低，CO逐渐降低，HC排放增加，燃油经济性变差。

2.2 空燃比对颗粒物粒径的影响

PFI发动机由于混合气基本处于理论空燃比范围内，所以随着空燃比增加，缸内氧浓度增大，作为核态颗粒物的重要组成物的未燃HC减少，所以核态颗粒物数量浓度降低。聚集态颗粒物由于缸内空气组分增加和缸内温度上升，一次颗粒物的氧化率大于生成率，又随着HC组分的减少，所以导致聚集态颗粒物浓度随空燃比增加而减少。由于空燃比的影响，同时也造成GDI发动机空燃比变化对颗粒物粒径的影响与PFI发动机相同。

2.3 点火时刻对颗粒物数量浓度粒径分布的影响

点火时刻对PFI发动机的混合气形成影响较小，但是对GDI发动机影响较大，这里主要以GDI发动机作分析。点火提前角越大，会造成油气混合时间变短，混合越不均匀，所以核态颗粒物随点火提前角的增大，数量浓度逐渐增加。由于颗粒物的氧化速率和生成速率随点火提前角变化不大，所以聚集态颗粒物随点火提前角变化不明显。随点火提前角的增加，氮氧化合物排放逐渐增加，CO和HC逐渐增加。

2.4 EGR率对颗粒物数量浓度的影响

EGR率对PFI发动机和GDI发动机影响基本相同。EGR率增加将导致缸内燃烧速率和燃烧温度相对下降，核态颗粒物则比较容易通过表面吸附或其他反应实现颗粒的表面增长从而形成更大的颗粒，致使核膜态微粒数浓度减少。另外随着EGR率增加，氧浓度降低，缸内温度降低，导致HC、CO排放逐渐增加，油耗逐渐升高，氮氧化合物降低。以上因素造成颗粒物的氧化速率小于生成速率，从而使得聚集态颗粒物数量浓度逐渐增加。所以随着EGR率升高，核态颗粒物数量浓度随EGR率的逐渐增大呈现下降趋势，聚集态颗粒物数量浓度有逐渐上升的趋势。

2.5 轨压对颗粒物数量浓度的影响

PFI发动机由于是预混混合气，所以仅针对GDI发动机进行轨压分析。因为轨压升高后，有利于燃油雾化、蒸发，油气混合均匀，有利于颗粒物的氧化，所以随着轨压压力值升高，核态颗粒物数量浓度呈现逐渐下降的趋势。

3 小结

从喷油时刻、点火时刻、EGR率、轨压4个方面根据PFI发动机和GDI发动机不同的工作机制，对核态颗粒物和聚集态颗粒物数量浓度影响进行了分析，并得出了相应的变化趋势。

【1】 高俊华，李洧，高继东,等.汽油车颗粒物排放特性[J].吉林大学学报:工学版,2010(4)：947-952.

【2】 胡志远，李金，谭丕强,等.汽油轿车NEDC循环超细颗粒物排放特性[J].环境科学，2012,33：4181-4187.

【3】 李彧，刘圣华，宫艳峰,等.GDI发动机研究概况[J].内燃机，2006(2)：4-6.

【4】 李峂.汽油机缸内直喷(GDI)颗粒物排放特性研究[D].天津:天津大学机械工程学院,2011.

ASurveyforInfluenceFactorsofGasolineEngineParticulateEmissions

XUE Kang,HAN Zhiqi,LI Jianfeng,HUA Haining

(School of Automobile,Chang’an University,Xi’an Shaanxi 710064,China)

The different working principles of GDI gasoline engine and PFI gasoline engine were compared. Due to the different working principle, in terms of ignition timing, injection timing, air-fuel ratio, EGR rate, the impacts of these factors on the engine emissions of ultrafine particles(especially on the particle size less than 100 nm) were described.

GDI; Gasoline engine; Ultrafine particles

2014-05-16

薛康(1988—)，研究生，研究方向为汽车新能源与节能。E-mail：751816842@qq.com。