孫 平，劉 澤，劉少振，于秀敏，曹 智，楊 松

（1.吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022； 2.加拿大滑鐵盧大學(xué)工程學(xué)院，滑鐵盧 N2L 3G1）

前言

汽油機在暖機過程中的燃燒和排放特性一直以來都受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。面對環(huán)境的污染和日益嚴苛的排放法規(guī)，研究人員對汽油機的暖機過程進行了大量的研究以獲得良好的性能和較低的排放。燃料的噴射方式對燃燒和排放有顯著的影響，缸內(nèi)直噴（GDI）汽油機由于較高的充量系數(shù)和抗爆性能，與進氣道噴射（PFI）汽油機相比，可提高燃油經(jīng)濟性（5% ～15%）和動力性［1］，但 GDI發(fā)動機有較高的顆粒物排放［2-4］，尤其是在暖機過程中，由于發(fā)動機的溫度較低，此時的燃油蒸發(fā)霧化很差，大量的壁面油膜不能蒸發(fā)。研究表明，在汽油機暖機階段缸內(nèi)燃油混合極不均勻，容易在缸內(nèi)形成過濃和過稀區(qū)域，導(dǎo)致PN排放和HC排放急劇上升［5-11］。同時，研究表明，在整個 NEDC測試循環(huán)中，排放物中60%～80%的HC、CO是在暖機過程中形成的［12-15］。PFI相對于GDI而言燃料具有充分的時間進行蒸發(fā)和混合，均質(zhì)混合氣降低了缸內(nèi)形成過濃區(qū)的概率，減少尾氣污染物，特別是微粒排放，因此兩種噴射方式的結(jié)合對于汽油機暖機過程排放的降低具有潛在的意義。基于先前的調(diào)查和研究，關(guān)于復(fù)合噴射發(fā)動機暖機過程復(fù)合噴射比例對燃燒和排放特性的研究報道很少。

本文中結(jié)合課題組試驗基礎(chǔ)，基于一套自行搭建的復(fù)合噴射系統(tǒng)，在一臺火花點火發(fā)動機上，探究了復(fù)合噴射噴油比對汽油機暖機過程的影響。在暖機過程中采用進氣道噴射和缸內(nèi)直噴相結(jié)合的策略，使缸內(nèi)形成分層的混合氣，改善了汽油機暖機過程的燃燒性能和排放特性。

1 試驗設(shè)備與方案

1.1 試驗設(shè)備

選用一臺四缸水冷式復(fù)合噴射發(fā)動機，該發(fā)動機集成缸內(nèi)直噴／氣道噴射的噴射技術(shù)。發(fā)動機具體參數(shù)見表1。

表1 試驗發(fā)動機主要參數(shù)

圖1為發(fā)動機臺架測試平臺整體布置圖。通過快速控制原型dSPACE搭建的發(fā)動機控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)缸內(nèi)直噴和進氣道噴射各自以任意脈寬和時刻進行噴射，具有較高的控制精度和靈活性；發(fā)動機尾氣采集裝置為HORIBA MEXA-7100DEGR；測功機為CW160型電渦流測功機；顆粒物采集系統(tǒng)為DMS500，該設(shè)備可實現(xiàn)不同微粒直徑下的數(shù)量濃度和總的微粒數(shù)量濃度的測量。

圖1 試驗臺架結(jié)構(gòu)布局示意圖

1.2 試驗方案

本文中主要研究復(fù)合噴射模式下噴油比對汽油機暖機過程中燃燒和排放的影響。試驗中固定暖機過程發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 000 r／min，直噴時刻為120°CA BTDC，通過試驗前的預(yù)試驗，確定在此工況下的最佳點火提前角為15°CA BTDC，如表2所示。試驗過程中保證總油量不變，并通過調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度保證整個暖機過程過量空氣系數(shù)為1.0。設(shè)置噴油比（進氣道噴油量與總噴油量的比值）分別為100%、80%、50%、20%、0，探究噴油比對汽油機暖機過程缸內(nèi)燃燒特性和排放特性的影響。

表2 試驗方案

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 燃燒特性

圖2～圖4為噴油比對暖機過程缸內(nèi)壓力的影響，展示了低中高3種冷卻液溫度下不同噴油比對缸內(nèi)燃燒壓力的影響規(guī)律?？梢钥闯觯谔囟ǖ臏囟认?，隨著噴油比的增加，缸內(nèi)燃燒壓力先升高后降低，缸壓峰值相位先提前后滯后，壓力升高率先升高后下降。當噴油比為80%時，缸壓曲線數(shù)值最高，相應(yīng)的峰值相位最早，燃燒定容度最高。在低中高3個冷卻液溫度下，80%的噴油比使缸壓峰值比純GDI時分別提高了49.1%、47.5%和44.5%。這說明復(fù)合噴射在暖機初期對于缸壓的影響最大。圖5和圖6為噴油比對暖機過程缸內(nèi)壓力峰值及其相應(yīng)相位的影響規(guī)律。由圖可見，隨著冷卻液溫度的上升，缸內(nèi)燃燒壓力峰值逐漸升高，峰值相位也逐漸提前。

圖2 噴油比對暖機過程缸內(nèi)壓力的影響（30℃）

圖3 噴油比對暖機過程缸內(nèi)壓力的影響（60℃）

圖4 噴油比對暖機過程缸內(nèi)壓力的影響（80℃）

圖5 噴油比對暖機過程缸壓峰值的影響

圖6 噴油比對暖機過程缸壓峰值相位的影響

圖7 和圖8為噴油比對暖機過程放熱率峰值及其相位的影響規(guī)律?？梢钥闯?，暖機時，放熱率隨噴油比的變化較大。隨著噴油比的增加，放熱率峰值先增加后降低，峰值相位先提前后滯后，當噴油比為80%時，放熱率峰值最高，峰值相位最早。冷卻液溫度對瞬時放熱率和放熱率峰值也有較大的影響，隨著冷卻液溫度的上升，放熱率峰值逐漸上升，放熱率峰值相位逐漸提前；當冷卻液溫度為80℃、噴油比為80%時，放熱率峰值最高。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是在暖機過程中，燃燒室和進氣歧管溫度都比較低，噴油比為100%的進氣道噴射模式，容易在進氣道壁和氣缸壁面形成油膜，大量的燃料不能有效地參與燃燒，釋放的化學(xué)能較少，燃燒不完全，燃燒速率較慢，放熱過程不集中；噴油比為0即缸內(nèi)直噴模式時，全部燃料在相同的噴射時刻噴入燃燒室內(nèi)，直噴脈寬增加，燃油貫穿距離增加，燃油碰壁嚴重，且燃料的混合蒸發(fā)時間更短，放熱率峰值低，峰值相位滯后。當適量地增加噴油比時，可使混合氣在火花塞周圍形成易于點燃的混合氣濃度梯度，燃燒性能變好。與50%的噴油比相比，80%的噴油比能形成更好的分層混合氣，放熱峰值最高，峰值相位最靠前。另外，隨著冷卻液溫度上升，進氣道壁面和氣缸壁面溫度上升，促進燃油的蒸發(fā)和霧化，油膜明顯減少，燃料燃燒更完全，放熱率峰值提高，燃料的燃燒速度更快，峰值相位提前。

圖7 噴油比對暖機過程放熱率峰值的影響

圖8 噴油比對暖機過程放熱率峰值相位的影響

2.2 排放特性

圖9 為不同的噴油比下THC隨冷卻液溫度的變化規(guī)律。首先可以看出，THC的瞬時排放量隨冷卻液溫度的上升迅速下降，而隨噴油比的降低呈現(xiàn)先減后增的趨勢；當噴油比為80%時，THC排放都較低，與純直噴模式相比，平均下降了14.5%。THC排放隨著冷卻液溫度的上升而下降的原因是：首先在暖機過程的初始階段，由于冷卻液溫度較低，燃燒室壁面向冷卻液的傳熱損失較大，缸內(nèi)整體燃燒溫度較低，進入缸內(nèi)的混合氣容易產(chǎn)生濕壁現(xiàn)象，附著在氣缸壁面和活塞頂部形成油膜，由于油膜的吸附和解吸作用，會在主燃燒期結(jié)束后，部分燃油會被釋放；另外，缸內(nèi)溫度較低，混合氣的蒸發(fā)霧化水平差，很難形成均勻的混合氣，導(dǎo)致燃燒很差，部分混合氣未能完全燃燒，以未燃HC的形式排出缸外；再次，燃燒室壁面溫度較低，火焰前鋒在傳播過程中，遇到較冷的壁面而導(dǎo)致火焰淬熄，也使燃燒室壁面附近的可燃混合氣未能有效燃燒。隨著暖機過程的進行，冷卻液溫度逐漸上升，氣缸與冷卻液的傳熱損失降低，燃燒室溫度提高，壁面淬熄現(xiàn)象減弱，燃油的蒸發(fā)和霧化能力加強，燃油燃燒更加充分，油膜的吸附和解吸作用減弱。因此，隨著冷卻液溫度的提高，THC排放迅速下降。

圖9 噴油比對暖機過程THC排放的影響

暖機過程中，隨著噴油比的降低，THC排放先減后增的原因是：當噴油比為100%時，全部的燃料由進氣道噴射供給，在暖機初期進氣道溫度和氣缸溫度都很低，會在進氣道內(nèi)表面和進氣閥背面形成大量的油膜，這些過早進入氣缸的混合氣，由于氣缸溫度低，濕壁現(xiàn)象嚴重，這些油膜不能正常燃燒，在主燃燒期結(jié)束后，由于油膜的解吸作用，將部分燃料釋放到燃燒室中，以THC的形式排出缸外；隨著噴油比的降低，進氣道燃油的噴射量，以至進氣道內(nèi)表面和進氣閥背面的油膜都減少，同時缸內(nèi)直噴油量的相應(yīng)增加，促進分層混合氣的形成，在缸內(nèi)形成更好的混合氣濃度梯度，改善燃燒狀態(tài)，導(dǎo)致THC排放降低。但隨著噴油比繼續(xù)降低，缸內(nèi)直噴油量增加，噴油脈寬變長，燃油噴射貫穿距離增加，導(dǎo)致燃油的撞壁現(xiàn)象嚴重，形成大量的油膜。另外，過分增加直噴的噴油比例，會縮短燃油的混合時間，形成局部過濃區(qū)域，使THC排放回升。因此隨著噴油比的降低，THC排放呈先減后增的趨勢。

圖10為噴油比對暖機過程NOx排放的影響規(guī)律。可以看出，NOx排放量隨冷卻液溫度的升高逐漸升高，而隨噴油比的增加呈現(xiàn)先升后降的趨勢，在噴油比為80%時，NOx排放量最高。

圖10 噴油比對暖機過程NO x排放的影響

NOx瞬時排放量隨水溫的上升而逐漸上升的主要原因是：首先，NOx產(chǎn)生條件為高溫、富氧和反應(yīng)時間，在發(fā)動機剛起動后的初始階段，冷卻液溫度還處于較低水平，燃燒室壁面向冷卻液的傳熱損失比較大，導(dǎo)致缸內(nèi)溫度較低，不利于NOx的生成；隨著暖機時間的延長，冷卻液溫度逐漸上升，燃燒室壁面向冷卻液的傳熱損失減少，使缸內(nèi)溫度升高，導(dǎo)致NOx排放增加。

NOx瞬時排放量隨噴油比的增加先升后降的原因是：隨著噴油比的增加，缸內(nèi)燃燒壓力和放熱率峰值都呈現(xiàn)先升后降的趨勢（見圖5和圖7），當噴油比為80%時，缸內(nèi)燃燒壓力和放熱率峰值以致缸內(nèi)溫度都最高，導(dǎo)致NOx排放也最多，與純直噴模式相比，平均增多56.6%。當噴油比進一步增加，缸內(nèi)燃燒壓力和放熱率峰值以及缸內(nèi)溫度都下降，導(dǎo)致NOx排放減少。

圖11為不同噴油比下冷卻液溫度對暖機過程CO排放的影響。隨著暖機過程的進行，伴隨著冷卻液溫度的上升，CO排放持續(xù)降低。這是因為，冷卻液溫度上升，發(fā)動機燃燒效果改善，燃燒效率提高，CO生成量減少。同時，較高的缸內(nèi)溫度也有利于CO在排氣中進一步被氧化，而降低CO排放。而隨著噴油比的增加，CO排放量先減后增。當噴油比為80%時，CO排放量最低。這說明復(fù)合噴射的方式較傳統(tǒng)的PFI和GDI方式可實現(xiàn)CO排放量的降低。在整個暖機過程中CO排放量最低的噴油比為80%時，復(fù)合噴射的CO排放量比純GDI模式平均降低了27.1%，特別是在暖機初期（冷卻液溫度為30、40、50℃），CO排放量的平均降幅達34.1%。在純GDI模式下，大量燃油直噴進入缸內(nèi)，導(dǎo)致不能及時霧化蒸發(fā)，燃油與空氣不能充分混合而出現(xiàn)的局部過濃區(qū)使得燃燒不完全，從而導(dǎo)致整個暖機過程中CO排放量最高。

圖11 噴油比對暖機過程CO排放的影響

圖12 ～圖17為在不同冷卻液溫度下微粒的粒徑分布隨噴油比的變化規(guī)律。由圖可見：當冷卻液溫度為30～50℃時，粒徑分布呈現(xiàn)核膜態(tài)和積聚態(tài)雙峰分布（盡管次峰不很明顯）；冷卻液溫度為60～80℃時，粒徑分布呈現(xiàn)為核膜態(tài)單峰分布。分析原因可知，冷卻液溫度在較低（30～50℃）時，燃油霧化蒸發(fā)不良，缸內(nèi)存在局部過濃區(qū)使部分未燃燃油隨廢氣排出，從而形成了大粒徑的積聚態(tài)微粒；隨著暖機過程的延續(xù)，冷卻液溫度升高（60～80℃）后，缸內(nèi)溫度上升，燃料充分霧化混合，燃燒更加完全，也更有利于微粒的進一步氧化，因此微粒分布呈小粒徑的核膜態(tài)微粒的單峰分布。隨著冷卻液溫度的上升，微粒數(shù)量濃度（主要集中在核膜態(tài)）峰值逐漸下降，且逐漸向小粒徑方向移動；至于噴油比，主要影響核膜態(tài)微粒的數(shù)量，對積聚態(tài)微粒的影響不明顯。冷卻液溫度一定時，隨著噴油比的增加，微粒數(shù)量濃度曲線的變化呈先降后升的趨勢，而其峰值位置先左移（移向小粒徑）后右移（移向大粒徑）。噴油比為80%時，曲線處在最低位置，其峰值對應(yīng)的粒徑最小。

圖12 噴油比對暖機過程粒徑分布的影響（30℃）

圖13 噴油比對暖機過程粒徑分布的影響（40℃）

圖14 噴油比對暖機過程粒徑分布的影響（50℃）

圖15 噴油比對暖機過程粒徑分布的影響（60℃）

圖16 噴油比對暖機過程粒徑分布的影響（70℃）

圖17 噴油比對暖機過程粒徑分布的影響（80℃）

圖18 和圖19為不同噴油比下核膜態(tài)和積聚態(tài)微粒濃度隨冷卻液溫度的變化圖?？梢钥闯觯涸诶鋮s液溫度為30～60℃時，核膜態(tài)微粒濃度和積聚態(tài)微粒濃度都隨著噴油比的降低呈先減后增的趨勢，核膜態(tài)微粒排放在噴油比為80%時最少，積聚態(tài)微粒在噴油比為50%時最少；在冷卻液溫度為70～80℃時，核膜態(tài)和積聚態(tài)微粒皆隨噴油比的下降而增加。

圖18 噴油比和冷卻液溫度對核膜態(tài)微粒排放的影響

在暖機初期，冷卻水溫度較低，缸內(nèi)溫度和進氣溫度都比較低，同時缸體與外界的傳熱損失大，這些條件都不利于燃油的霧化蒸發(fā)，導(dǎo)致燃油燃燒不完全，造成未然HC、芳香烴和燃油小液滴破裂等增多，燃油的裂解和吸附造成了在這個階段核膜態(tài)微粒和積聚態(tài)微粒明顯高于暖機后期。當冷卻水溫升高后，水溫對微粒的影響要高于噴油比的影響，特別是大噴油比時。但在小噴油比時，大量燃油直噴進入缸內(nèi)后，燃油撞壁、霧化蒸發(fā)不完全和燃燒不完全等因素使兩種形態(tài)的微粒數(shù)量上升。

圖19 噴油比和冷卻液溫度對積聚態(tài)微粒排放的影響

圖20 為噴油比對暖機過程總微粒數(shù)量濃度的影響規(guī)律?？梢钥闯觯何⒘？倲?shù)量隨著冷卻液溫度的上升而減少；隨著噴油比的增加，顆粒物總數(shù)量排放呈現(xiàn)先減后增的趨勢，在噴油比為80%時，微?？倲?shù)量排放最低，在冷卻液溫度到達70℃以后，顆粒物數(shù)量排放很低，并趨于穩(wěn)定。整個暖機過程中，純直噴時顆粒物數(shù)量排放始終最高，在暖機前期，其總數(shù)量排放為噴油比為80%時的4～5倍，即使冷卻液溫度到達70℃后，微?？倲?shù)量排放仍維持一定的水平。

圖20 噴油比對暖機過程總微粒數(shù)量濃度的影響

隨著冷卻液溫度的上升，微?？倲?shù)量濃度迅速下降，說明冷卻液溫度對微粒數(shù)量的影響顯著。暖機初期，由于發(fā)動機處于低溫階段，無論噴油比多少，燃油的霧化蒸發(fā)效果差，缸內(nèi)形成局部過濃區(qū)，燃料的燃燒不完全產(chǎn)生未然HC，微小液滴的形成，還有起機階段轉(zhuǎn)速小，氣流活動較弱等原因，都將導(dǎo)致微粒排放的增加。

至于隨著噴油比的降低，顆粒物總數(shù)量排放先減后增原因是：首先，噴油比的降低，會減少進氣道燃料的噴射量，在100%的噴油比時，燃料全部由進氣道噴射供給，在暖機過程進氣歧管和燃燒室壁面的溫度都比較低，容易形成濕壁現(xiàn)象，形成油膜；隨著噴油比的降低，進氣道燃料的噴射量和濕壁現(xiàn)象減少，而相應(yīng)增加的缸內(nèi)直噴有利于分層混合氣的形成和火焰前鋒的傳播，促進燃料的充分燃燒，因而顆粒物數(shù)量排放降低。隨著噴油比的繼續(xù)下降，缸內(nèi)直噴的燃油量增加，噴射時間延長，隨著活塞向上止點的推移，大量的燃油將直接撞擊到活塞頂和燃燒室壁面，并且由于燃料的混合時間較短，混合氣中氧氣成分迅速降低，也促進了局部過濃區(qū)域的形成，導(dǎo)致顆粒物數(shù)量排放迅速增加。因此，顆粒物數(shù)量排放隨著噴油比的降低呈現(xiàn)先減后增的趨勢。

3 結(jié)論

本文中在一臺GDI發(fā)動機上增加了PFI噴射裝置，開發(fā)了一套實時控制的復(fù)合噴射平臺，并基于此進行了試驗。探究了噴油比和冷卻水溫度對發(fā)動機暖機過程中燃燒和排放的影響，得出了如下主要結(jié)論。

（1）汽油機暖機過程冷卻液溫度對燃燒和排放影響很大。冷卻液溫度從30上升至80℃時，燃燒和排放逐漸得到改善?？s短發(fā)動機暖機過程溫升時間是降低汽油機暖機過程排放的重要舉措。噴油比為80%時，缸壓曲線最高，其峰值最靠近上止點，與純GDI相比，在暖機過程中缸壓峰值最多可提高49.1%，效果顯著。

（2）對于尾氣排放，隨著噴油比的降低，HC和CO排放先減后增，在噴油比為80%時排放最低。然而，隨著噴油比的降低，NOx的排放先增后減。在噴油比為80%時達到最高。隨著暖機過程的進行，冷卻水溫的增加，HC和 CO持續(xù)減少，NOx持續(xù)增加。

（3）噴油比和冷卻液溫度對粒徑分布的影響具有一定的耦合關(guān)系，隨著冷卻液溫度從30上升至80℃，核膜態(tài)微粒和積聚態(tài)微粒迅速下降，在暖機過程初期（水溫30～60℃），核膜態(tài)微粒和積聚態(tài)微粒隨缸內(nèi)噴油比的增加呈現(xiàn)先減后增的趨勢，分別在噴油比為80%和50%時最低?？偟奈⒘?shù)量在80%時達到最低。微粒中核膜態(tài)微粒占主導(dǎo)。