張秋華，黃昭明，陳偉國

（1.合肥工業(yè)大學 汽車與交通工程學院，合肥 230009；2.蕪湖職業(yè)技術學院 汽車與航空學院，蕪湖 241006；3.皖江工學院 機械工程學院，馬鞍山 243031；4.奇瑞汽車股份有限公司 發(fā)動機工程研究院，蕪湖 241006）

0 概述

生態(tài)環(huán)境部《中國生態(tài)環(huán)境狀況公報2020》指出，全國337 個地級及以上城市中，以PM2.5、PM10為首要污染物的空氣質量超標天數(shù)分別占總超標天數(shù)的51.0% 和11.7%［1］，由機動車所引起的顆粒物排放已成為大中型城市顆粒物污染物的重要來源［2-3］。汽油車是機動車中最主要的組成部分，其占比超過80%［4］。降低車用發(fā)動機顆粒物排放能夠有效抑制城市顆粒物源排放，減少大氣污染。

汽油缸內直噴（gasoline direct injection， GDI）是汽油機最主要的燃燒組織模式之一，燃油缸內直噴壓力、噴射相位、發(fā)動機冷卻液溫度及使用循環(huán)工況等是影響尾氣中顆粒數(shù)量（particle number，PN）排放量的主要因素［5］。國外學者對GDI 車輛PN 排放特性的研究主要集中在缸內流動、混合氣形成、提高噴射壓力及優(yōu)化噴射參數(shù)等方面，結果表明：合理組織缸內流動增強湍流有利于提升混合氣的均質性，減少局部缺氧燃燒的發(fā)生，進而大幅減少PN 排放［6］；噴射壓力提升后，噴霧宏觀特性、貫穿距發(fā)生明顯變化，索特平均直徑（Sauter mean diameter，SMD）顯著減小，有利于油滴蒸發(fā)燃燒，進而抑制碳煙的生成［7-11］。國內學者則主要分析了全球輕型車統(tǒng)一測試循環(huán)（worldwide harmonized light vehicles test cycle，WLTC）下整車PN 排放特征，認為WLTC 工況覆蓋范圍廣、車速高、加速度大等特點導致排放污染物增加，且車輛冷起動、暖機過程的瞬態(tài)過渡工況對車輛污染排放影響較大［12-14］。

已有研究表明，提高噴射壓力有助于強化缸內油氣混合，降低顆粒物尤其是PN 排放，但對于整車測試循環(huán)PN 排放的改善潛力仍有待深入探索。本文中基于發(fā)動機臺架試驗，研究噴射壓力和噴射相位對PN 排放影響的變動規(guī)律，基于優(yōu)化的噴射參數(shù)重新標定發(fā)動機后進行WLTC 測試循環(huán)下整車PN 排放的測試驗證，為直噴車汽油發(fā)動機的開發(fā)設計提供理論支持和技術參考。

1 試驗對象及試驗體系

1.1 試驗對象

試驗對象為一輛承載式3 廂5 門5 座乘用車，搭載一款2.0 L GDI 發(fā)動機，燃油為滿足國標GB17930—2016 的市售92 號汽油，后處理系統(tǒng)僅采用兩級式三效催化器（three way catalyst，TWC），能夠達到國六排放標準。其主要技術參數(shù)如表1所示。

表1 缸內直噴汽油車主要技術參數(shù)

1.2 試驗方法和試驗裝置

1.2.1 試驗方法

試驗用GDI 發(fā)動機燃油直噴壓力最高可達35 MPa，可有效降低發(fā)動機顆粒物PN 排放；但考慮到車輛冷起動工況噪聲-振動-平順性（noise vibration and harshness，NVH）性能，直噴汽油機在低速低負荷運行時采用了較低的缸內噴射壓力，以降低冷起動噪聲。試驗車輛初始缸內噴射壓力MAP 如圖1所示。

圖1 直噴汽油車缸內噴射壓力隨轉速與負荷分布

從圖1 中可以看出，汽油直噴車運行負荷低于0.3 MPa 時，噴射壓力小于35 MPa，這將導致PN排放的上升。特別是WLTCⅠ型試驗的低速段，GDI 發(fā)動機處于低負荷冷機運行狀態(tài)，PN 排放量會大幅增加［15］。由于發(fā)動機在整車測試循環(huán)過程中運行工況點切換極為頻繁，為保證臺架試驗數(shù)據(jù)的可比性，通過對發(fā)動機在整個測試循環(huán)中的工況進行加權聚類，提取少數(shù)典型運行工況點，對個別工況點發(fā)動機性能參數(shù)進行對比分析，能夠較好地評估整車測試循環(huán)過程中發(fā)動機性能特點。為評估整車測試循環(huán)低速段發(fā)動機運轉特性，試驗中選取1 000 r/min、0.1 MPa，1 000 r/min、0.2 MPa，1 500 r/min、0.1 MPa和1 500 r/min、0.2 MPa 這4 個聚類工況點，進行提高噴射壓力和優(yōu)化噴油相位對PN 排放影響的試驗研究。試驗研究過程中選取的工況點均按照最優(yōu)點火提前角控制運行，燃燒循環(huán)變動率（cycle of variation，CoV）控制在3% 以內，進氣恒溫系統(tǒng)控制進氣溫度（35±2）℃，冷卻水溫度保持（30±2）℃，且定義壓縮上止點為0°曲軸轉角。

直噴汽油機臺架PN 排放試驗研究完成后，根據(jù)《輕型汽車污染物排放限制及測量方法（中國第六階段）》Ⅰ型試驗，進行整車循環(huán)測試PN 排放驗證研究。試驗中保持試驗室溫度為（23±5）℃，發(fā)動機靜車至機油和冷卻液溫度達到（23±2）℃。為提高試驗測試準確性，WLTCⅠ型試驗進行3 次PN 測試，取3 次結果的平均值作為試驗驗證結果。WLTC Ⅰ型試驗循環(huán)工況如圖2所 示［16］。

圖2 WLTC 試驗工況分布

1.2.2 試驗裝置

直噴汽油機臺架測試裝置主要由AVL PUMA測控系統(tǒng)、INCA 測試軟件、AVL602 燃燒分析儀、AVL735S 油耗儀、AVL753C 油水溫控單元、AVL365C 角標儀、AVL 電渦流測功機、AVL486 PN 排放分析儀和KISTLER 6115B 缸壓傳感器等組成，如圖3 所示。圖中EGR 表示廢氣再循環(huán)（exhaust gas recirculation）。發(fā)動機臺架試驗中，為保證數(shù)據(jù)的可比性，避免后處理系統(tǒng)狀態(tài)變化對排放值的影響，臺架試驗排放測點布置于后處理系統(tǒng)前，采集發(fā)動機原始排放信息。

圖3 直噴汽油機臺架測試系統(tǒng)布置圖

直噴汽油車WLTC 循環(huán)測試主要采用AVL底盤測功機、AVL 顆粒采樣系統(tǒng)等設備，整車試驗的主要設備參數(shù)如表2 所示。

表2 整車試驗的主要設備參數(shù)

2 試驗結果與分析

2.1 不同噴射條件下PN 排放變化

缸內直噴汽油機冷卻液出口溫度保持30 ℃，分別進行了1 000 r/min、0.1 MPa，1 000 r/min、0.2 MPa，1 500 r/min、0.1 MPa 和1 500 r/min、0.2 MPa 這4 個工況點在不同噴射壓力和不同噴射相位的PN 排放對比試驗。發(fā)動機在1 000 r/min、0.1 MPa 和1 500 r/min、0.1 MPa 工況下的循環(huán)噴油量較低，為了保證噴油器噴射脈寬不進入流量非線性區(qū)間，最高噴射壓力不超過25 MPa；同理，1 000 r/min、0.2 MPa 的最高噴射壓力設定為30 MPa。試驗結果如圖4 所示。

圖4 不同工況和噴射壓力下PN 排放隨噴油提前角的變化

從圖4 中可以看出對于試驗所選負荷工況點，除1 000 r/min、0.1 MPa 工況外，噴射提前角大于280°曲軸轉角后PN 排放呈現(xiàn)數(shù)量級增加趨勢。當汽油機運行在1 000 r/min、0.1 MPa 時PN 排放隨著噴射相位的變化更為敏感。噴射壓力的提升可以較大幅度降低PN 排放，在合理的噴射相位內相較于初始噴射壓力時，隨著噴射壓力提升至35 MPa，PN下降了40%～70%。在噴射相位和噴射壓力較為優(yōu)越的條件下，PN 排放隨著汽油機功率的提升而下降。

分析以上PN 排放規(guī)律后認為，GDI 發(fā)動機噴油相位過于提前時，活塞尚未充分下行，噴霧油束會撞擊活塞頂部，在頂面形成油膜，此時發(fā)動機冷卻液溫度和負荷均較低，活塞頂面的溫度不足以使撞擊形成的油膜完全蒸發(fā)。隨著燃燒的推進，部分油膜在頂面附近緩慢蒸發(fā)形成濃混合氣，在相對缺氧的條件下燃油烴類脫氫形成干碳煙［17］，因此在圖4（b）～圖4（d）試驗工況范圍內噴射提前角大于280°曲軸轉角時PN 排放呈現(xiàn)大幅上升的趨勢，且轉速越低負荷越低則缸內熱氛圍越差，PN 排放增加就越敏感，呈現(xiàn)出圖4 的變化趨勢。而在合理的燃油噴射相位范圍內，隨著噴射壓力的提高，射入缸內燃油的SMD 逐漸減小，小油滴易于蒸發(fā)與空氣充分混合形成均質的可燃混合氣，構成燃油的烴類分子在斷鏈過程中始終有氧原子包圍，無法產(chǎn)生碳碳鍵進而形成干碳煙［18］。同時由于進氣滾流的掃動作用，噴油壓力的提高并不會導致噴霧貫穿距過分延長而沖擊缸壁，能夠有效減少顆粒物的生成與PN 排放。低轉速低負荷時由于缸內熱氛圍不強，油滴蒸發(fā)導致噴射壓力的影響更為敏感，因此在1 000 r/min、0.1 MPa工況當噴射壓力從8 MPa 提升至25 MPa 時，PN 排放下降了約70%。

由圖4（d）所示，由于直噴汽油機轉速和負荷較高，噴射相位在240°～280°曲軸轉角時活塞頂面濕壁情況改善，缸內熱氛圍較強，PN 排放較低。圖5 給出了1 500 r/min、0.2 MPa 冷卻液溫度30 ℃時不同噴射壓力下PN 詳細變化的數(shù)據(jù)，可以看出噴射壓力從15 MPa 提升至35 MPa 時，PN 排放量下降了約40%。

圖5 1 500 r/min、0.1 MPa 下不同噴油提前角時PN 排放隨噴射壓力的變化

2.2 直噴油氣整車PN 排放對比

基于以上PN 排放的變化規(guī)律和對PN 產(chǎn)生機理的理解，優(yōu)化了WLTC 低速段直噴車發(fā)動機工況運行聚類點的噴射參數(shù)，進行了直噴汽油車初始狀態(tài)和噴射調整后PN 在WLPT 工況下的對比試驗，試驗結果如圖6 和圖7 所示。從圖6 和圖7 可知，在WLTC 低速段，提高噴射壓力后PN 排放明顯下降，降低約40%，而中速、高速和超高速階段PN 沒有顯著變化，最終WLTC 循環(huán)PN 排放值下降了約30%，整車PN 排放量顯著降低。

圖6 WLTC 測試循環(huán)下調整噴射后PN 排放

圖7 WLTC 測試循環(huán)下PN 總排放

對直噴車WLTC 測試循環(huán)下PN 排放變化進行分析可知，低速段車速較低，發(fā)動機剛剛起動，冷卻液溫度低，整個直噴汽油機燃燒室壁面及活塞頂面溫度都較低，并且負荷低使缸內熱氛圍也較弱，此時直噴車初始時采用較低的噴射壓力兼顧NVH 性能，油滴蒸發(fā)慢導致過濃混合氣存在，這些因素綜合作用使得PN 排放較高。在保證足夠滾流強度以避免燃油沖擊缸壁的情況下，提高噴射壓力后噴霧油滴蒸發(fā)過程改善，低速段PN 排放顯著下降。當GDI 車進入中速段后，發(fā)動機負荷上升使得缸內熱氛圍變強，同時冷卻液溫度逐漸升高使得油滴蒸發(fā)過程得以改善，此時提高噴射壓力對PN 排放沒有明顯影響。

3 結論

（1）在試驗所選負荷工況范圍內，除發(fā)動機低速低負荷工況以外，GDI 發(fā)動機噴油提前角在240°～280°曲軸轉角區(qū)間時PN 排放相對較低。

（2）直噴汽油機運行在較低轉速和負荷時，噴射壓力和噴射相位對PN 影響更為敏感；提高噴射壓力可有效降低PN 排放，降低約70%。

（3）直噴汽油機相對高轉速高負荷運行時，噴射壓力提升至35 MPa，PN 排放可下降約40%。

（4）直噴汽油車在WLTC 測試循環(huán)下，提高噴射壓力后，低速段PN 排放下降約40%，整個WLTC 循環(huán)的PN 排放值下降約30%，較大幅度改善了PN 排放特性。