喷射策略对乙醇汽油发动机颗粒物排放的影响

李庆宇，付建勤, ，刘敬平, ，刘 琦, ，沈瑶瑞

(1.湖南大学 先进动力总成技术研究中心，湖南 长沙 410082；2.湖南大学重庆研究院，重庆 401120)

在“双碳”目标的背景下，低碳、高效和环保成为了内燃机新的发展趋势.推广应用具有碳中性的生物替代燃料，可以真正意义上实现“碳中和”，对内燃机实现“双碳”目标的重要性不言而喻.作为典型的生物替代燃料之一，乙醇掺混汽油能明显改善发动机的热效率和排放性能，但是对于直喷发动机而言颗粒物排放是尚未有效解决的难题.随着燃油喷射技术的进步，油轨压力、燃油喷射次数和喷射持续时间等参数具有更广泛的调节范围和更高的控制精度.因此，乙醇汽油结合多次喷射技术有望成为降低发动机颗粒物排放的一种技术方案.

多次喷射是优化直喷发动机性能和排放的有效方案之一，目前已应用于大量新品发动机.最初，多次喷射主要用于 改善柴油机的碳烟 和氮氧化物排放，这种策略不仅在排放方面，而且在发动机燃烧质量和噪声 方面都取得了良好的效果[1].后来，多次喷射逐渐应用于点燃式发动机，不仅可以提高发动机热效率、减少排放，而且还可以和代用燃料(如双燃料燃烧模式等)进行综合应用[2].侯献军等[3]研究发现二次喷射比例和正时的合理优化能有效降低油耗和颗粒物排放.Singh等[4]将乙醇汽油与二次喷射技术结合，使发动机热效率得到提高.Taehoon等[5]研究发现与单次喷射相比，多次喷射在不降低转矩和燃烧稳定性的前提下显著降低颗粒物浓度.截止目前，现有缸内直喷汽油机(GDI)多次喷射研究大多局限于两次喷射[6]，多次喷射潜力尚未得到全面挖掘.此外，国内外系统开展瞬态工况下多次喷射对乙醇汽油发动机颗粒物的排放规律的研究较少；Fu等[7]研究了冷启动和暖机条件对新欧洲驾驶循环(NEDC)下汽油车PM排放的影响，发现在冷启动发动机条件下前200s产生的颗粒更多.Mamakos等[8]发现，当环境温度从22℃降到-7℃时，汽油机在NEDC循环下PM排放量增一倍.Karavalakis等[9]研究了发动机燃用乙醇汽油混合燃料在美国联邦测试循环(FTP)下的PM排放，发现燃料中的氧含量是颗粒数减少的主要因素.国内外针对瞬态工况下乙醇汽油发动机颗粒物排放特性的研究，主要集中在特定工况，并且几乎没有结合多次喷射来研究颗粒物排放特性及其影响因素.

为了系统性揭示多次喷射策略对不同掺混比的乙醇汽油发动机颗粒物排放的影响，笔者针对一台GDI汽油机开展了喷射次数和乙醇分数的敏感性试验分析，进一步开展了发动机瞬态和稳定工况下不同乙醇掺混比和喷射策略对颗粒物排放影响的对比研究，该研究为改善乙醇汽油发动机排放性能提供理论指导和数据支撑.

1 试验系统及方法

1.1 试验系统和发动机

试验对象为一台2.0L直列4缸涡轮增压GDI发动机.发动机主要技术参数见表1，发动机试验示意如图1所示.目前量产的发动机大多采用6～8孔的电磁阀式喷油器.而笔者采用的是带有空心锥形喷雾的快速压电式喷油器(Piezo-electric喷油器)，具备每个循环最多5次喷射 的能力.与传统的多孔喷嘴相比，压电式喷嘴几乎无节流，喷射压力也明显提升(可达20MPa，高于多孔阀的13MPa).压电式喷油器的高喷射压力与响应更快的压电晶体共同作用产生锥形空心喷雾，其贯穿距仅为传统多孔喷嘴的50%左右.正是考虑到上述优点，以压电式喷油器为对象，开展多次喷射策略对GDI发动机颗粒物排放性能的影响研究.

图1 GDI发动机试验示意Fig.1 Schematic diagram of the GDI engine

表1 发动机基本参数Tab.1 Test engine specifications

1.2 燃料性能对比

该发动机可燃用纯汽油E0(100%的基准汽油，研究辛烷值92)、E100(无水乙醇，纯度≥99.5%，H2O≤0.005%)及不同乙醇掺混比的乙醇-汽油混合燃料.研究考虑了E0、E10、E30和E85共4种燃料，其中，基准汽油(E0)燃料为研究级未氧化汽油，E0汽油与E100按体积混合得到不同比例的乙醇-汽油混合燃料，如E30(乙醇体积分数为30%的乙醇-汽油混合燃料).基准汽油和无水乙醇燃料的物理和化学性质对比，如表2所示.

表2 两种基准燃料物化特性对比Tab.2 Comparison of the specifications of two reference fuels

1.3 测试设备及方法

试验测试设备包括AVL燃烧分析仪、燃油消耗测量仪(AVL 7351 CST)、温度和压力传感器等.采用火花塞压力传感器(Kistler 6115BFD34Q04)和电荷放大器(Kistler 5010)采集每个气缸的压力.通过INCA系统设置每个工况下特定的试验边界条件，主要包括喷射参数和过量空气系数等，并通过传感器记录发动机进气压力、排气压力(涡轮前、后)、排气温度、机油和冷却液温度等.表3为发动机稳态工况下多次喷射研究的边界条件和部件保护限制的工作极限值.

表3 发动机边界条件以及临界值Tab.3 Experimental operating boundary conditions and limited value of engine

在研究瞬态工况下多次喷射和乙醇比例对颗粒物浓度的影响时，为了避免发动机爆震，除了过量空气系数保持为1.0，进/排气门正时和点火正时等均为标定值.

试验发动机未配备任何排气后处理系统，为了测量颗粒物的分布及浓度，采用隔热的不锈钢管从发动机排气流道采样废气.图2为Cambustion DMS500系统，用于测量排气中颗粒数量和粒径分布.该系统根据纳米颗粒在电场中的迁移率来生成尺寸在5～1000nm之间的纳米颗粒分布.采样的废气用150℃的干燥空气稀释，第一和第二阶段的稀释比(体积比)分别为6∶1和12∶1，避免由碳氢化合物和水冷凝引起的颗粒凝聚.Cambustion DMS500系统不仅可以测量大尺寸颗粒物，而且具备目前最快速的超微小气溶胶的测量能力.因此，该系统可适合在稳态和瞬态工况下测量发动机的颗粒物排放.

图2 测量颗粒物的Cambustion DMS500系统Fig.2Cambustion DMS500 system for particle measurement

在稳态试验中，采用参数扫描试验的方法研究喷射次数和乙醇比例对颗粒物排放的影响.通过将每个循环的喷射次数从单次逐渐增加至最高5次，研究多次喷射对发动机性能和颗粒物排放的影响.

为便于比较不同喷射次数对发动机性能的影响，引入了Imaoka等[10]在GDI发动机喷油研究中提出的“加权喷射中心正时”概念，即基于喷油策略的质量加权平均(COI)如式(1)所示.

式中：Ti为第i次喷射正时的中心位置；mi为第i次喷射时间内的总质量；N为喷射次数.

2 结果与讨论

2.1 稳态工况下喷射策略对颗粒物的影响

2.1.1 喷射次数对颗粒物的影响

图3示出进气压力为0.125MPa的单次、2次和3次喷射策略下发动机燃用E10的颗粒物粒径分布.选用了相同COI但不同喷射次数的工况.无论是核态(5～50nm)还是聚集态(50～1000nm)颗粒物，3次喷射的颗粒物排放要少于2次喷射和单次喷射的情况.并且，相较于单次喷射和2次喷射，3次喷射能有效降低核态颗粒物浓度.由于喷射持续期较短，3次喷射能减少燃油对气缸壁的撞击；并且3次喷射还可以加强燃料与空气的混合，从而有利于减少颗粒物排放.Fischer等[11]研究表明，由于喷油器更频繁地开启和关闭，多次喷射增加了喷油器尖端的润湿作用，从而有可能导致更多颗粒物的生成.然而在试验中观察到的3次喷射显著降低了颗粒物排放，表明喷油器尖端湿润并不是颗粒物形成的最重要因素.

图3 进气压力为0.125MPa时喷射次数对颗粒物排放的影响Fig.3 Effects of injection times on particulate emissions at pin=0.125MPa

图4示出进气压力为0.150MPa时E10喷射次数对颗粒物排放的影响.与单次喷射和2次喷射相比，3次喷射几乎降低了所有粒径范围(0～1000nm)内的颗粒物排放，尤其在10～100nm的粒径范围，3次喷射条件下颗粒物浓度下降尤为明显.就颗粒物总量而言，3次喷射的PN总浓度比单次喷射降低了近60%，明显优于2次喷射的效果(PN仅下降15%).对比图3和图4不难发现，两组进气压力(或负荷)下颗粒物的分布规律比较相似，不过发动机负荷增大后PN总量增加了10%～45%.也就是说，颗粒物浓度随进气压力(或负荷)的增加而上升，这是因为进气压力(或负荷)增加意味着需要更多的喷油量和更长的喷油持续期.喷油持续期的增加导致更高的喷雾穿透率，从而增加了与壁面和活塞撞击的可能性，由此形成的油膜是最主要的颗粒物排放源之一.

图4 进气压力为0.150MPa 时喷射次数对颗粒物排放的影响Fig.4 Effects of injection times on particulate emissions at pin=0.150MPa

2.1.2 燃料乙醇比例对颗粒物的影响

图5给出在进气压力为0.125MPa、单次喷射条件下发动机燃用E0、E30和E85的颗粒物粒径分布.随着乙醇含量的增加，总颗粒物浓度明显下降，同时核态和聚集态颗粒物也均下降.因此，乙醇可以很好地降低颗粒物的排放浓度.这是因为乙醇分子中的OH键会促进颗粒物的前期氧化，导致颗粒物排放量减少[12].Westbrook等[13]在其化学动力学建模研究中发现，乙醇-柴油中氧含量的增加可抑制燃料中的碳进一步转化成颗粒物.这从化学动力学途径解释了掺混乙醇的汽油燃料颗粒物排放减少的原因.

图5 单次喷射条件下E0、E30和E85的颗粒物粒径分布Fig.5Particle size distribution of E0，E30 and E85 under single fuel injection

图6给出了3次喷射条件下发动机燃用E0、E30和E85的颗粒物粒径分布.总体来说，3次喷射和单次喷射条件下乙醇比例对颗粒物排放的影响规律相似，即乙醇比例越高，总颗粒物排放越低.这主要是因为混合燃料中的氧含量随乙醇含量的增加而增大，其对颗粒物的氧化能力也随之增强.

图6 3次喷射条件下E0、E30和E85的颗粒物粒径分布Fig.6 Particle size distribution of E0，E30 and E85 under three fuel injection

图5a和图6a左上角的对数所示，在100～1000nm的颗粒物粒径范围内，发动机燃用E85的颗粒物浓度大于E30.从图6b可以发现，E85导致的聚集态颗粒物明显比核态颗粒物浓度高，这是大于100nm的粒径颗粒物数量上升的缘故.随乙醇含量增加，较高的乙醇汽化热产生较强的蒸发冷却效果，加速了残余油膜的形成，这也是颗粒物的重要来源之一.因此，乙醇汽油燃料对颗粒物的影响需从两方面考虑，即乙醇对颗粒物的氧化能力以及乙醇汽化热对壁面油膜形成的影响.而从研究结果来看前者占主导作用；后者主要对大直径的颗粒物产生影响(导致其增加)，但对总的颗粒物浓度的影响不明显.

为了研究不同喷射次数下乙醇比例对颗粒物质量的影响，使用PN粒径分布(单位体积内颗粒物的个数)数据估计PM(单位体积内颗粒物的质量).假设碳烟颗粒为球形，并利用Liu等[14]提出的有效粒子密度关系式计算总PM，结果如图7所示.无论是单次喷射还是2次喷射，汽油掺混乙醇均可显著降低PM；但在3次喷射条件下，PM已经达到了极低水平，此时乙醇的加入(以及掺混比的增加)对发动机的PM排放影响不大.并且乙醇汽化热的增加有助于油膜的形成，从而导致大颗粒物的产生，这对PM的贡献更大.因此，就PM而言，多次喷射的影响大于乙醇的加入及其掺混比.

图7 不同喷射次数和乙醇比例下颗粒物的质量浓度Fig.7Mass concentration of PM under different injecttion times and ethanol ratio

2.2 瞬态过程喷射策略对发动机性能的影响

汽车在实际行驶过程中，大部分时间处于过渡工况.由于在瞬态工况前、后发动机的运行参数会发生急剧变化，仅仅优化发动机的稳态性能对于提升发动机在整车运行状态下的性能具有一定局限性.更进一步对瞬态工况下含氧燃料对点燃式发动机颗粒物排放影响的研究相对较少，尤其是针对单个瞬态循环过程的研究更是罕见.因此，有必要研究瞬态过程喷射策略对发动机性能的影响.

2.2.1 瞬态工况下不同喷射策略的影响

为了研究瞬态工况下不同喷射策略对发动机性能影响，在试验台架上模拟发动机的瞬态工况1(包括加减速和匀速过程)，按图8中给定的转速和节气门位置，分别进行单次喷射和3次喷射试验.发动机怠速转速为800r/min，选取转速为1750r/min、节气门开度分别为35%、40%和43%作为过渡工况点.工况点过渡时间与稳定时间均设置为5s.在瞬态工况、冷机状态下的冷却水初始温度均控制在25℃.

图8 瞬态工况1下的转速和节气门位置Fig.8 Speed and throttle position under transient condition 1

图9为瞬态工况1下E10两种喷射策略对发动机性能影响对比.单次喷射和3次喷射对发动机在瞬态运行过程的平均有效压力(BMEP)和燃烧参数影响均不大.在节气门开度最大时，3次喷射的BMEP比单次喷射稍大.在冷启动过程中(第7～18s的时间区间，即图9b中红色方框区域内)，发动机从怠速切换到1750r/min的特定工况，并在此工况稳定了5s；此过程中，单次喷射的燃烧重心比3次喷射更靠前，而BMEP几乎保持一致，这是由于在冷启动过程中单次喷射和3次喷射的标定Map不同导致的，并且单次喷射相较于3次喷射点火提前角也更靠前.随着工况逐渐过渡到高负荷，单次和3次喷射条件下发动机的性能差异不大.

图9 瞬态工况1下E10两种喷射策略对发动机性能影响Fig.9 Comparisons of engine performance between single injection and 3 injections of E10 under transient condition 1

图10比较了瞬态工况1单次喷射和3次喷射的颗粒物总浓度(0～1000nm范围内)的变化.在绝大多数时间段3次喷射的颗粒物浓度都比单次喷射低.尤其是在冷启动时(第10s左右)，发动机从怠速工况变化到1750r/min、中等负荷时，单次喷射的颗粒物浓度出现峰值，比3次喷射的颗粒物浓度高出2～3个数量级.这表明在冷启动的瞬态工况下，相较于单次喷射，采取3次喷射可以有效降低颗粒物排放.这是因为在冷启动条件下，单次喷射的喷雾贯穿距更长，容易导致湿壁，从而产生更多颗粒物.而当发动机处于暖机状态时，即在40s以后，单次喷射与3次喷射的颗粒物浓度差距减小.这是因为在热机状态下喷油量会适当减少，并且壁面温度升高加速油膜蒸发，削弱了单次喷射导致的油膜影响，最终使单次和3次喷射的颗粒物浓度差距减小[15].

图10 瞬态工况1时E10单次和3次喷射的颗粒物浓度对比Fig.10Comparison of PN emissions between single injection and 3 injections of E10 under transient condition 1

为了研究连续加速和减速瞬态工况下喷射策略对发动机性能的影响，构建了瞬态工况2，图11所示瞬态工况2下的转速和节气门位置.瞬态工况2是类似锯齿状的加减速工况，发动机转速始终维持在1750r/min，节气门位置在25%到39%之间变化，加减速的时间间隔分别是12.5、10.0、7.5和5.0s.

图11 瞬态工况2下的转速和节气门位置Fig.11Speed and throttle position under transient condition 2

图12为瞬态工况2下E10单次和5次喷射的发动机性能对比.由图12a和图12b可以发现，在绝大部分时间内单次喷射和5次喷射的BMEP、燃烧重心的变化趋势基本一致.不过，当节气门开度最大时，5次喷射的燃烧重心要比单次喷射提前，这是由于单次喷射和5次喷射喷射中心的差异导致的.从图12c可以明显看出，5次喷射显著降低了颗粒物排放浓度，尤其是在负荷较大的工况.相较于单次喷射，5次喷射在最大负荷时颗粒物降低了将近80%.而且负荷越大，颗粒物浓度也越大，这与之前稳态工况的结果也是相吻合的.随着工况点之间过渡时间减少，无论是单次喷射还是5次喷射，颗粒物的峰值都在递减，这说明加速过程的过渡时间和颗粒物浓度的峰值是正相关的.这主要是由于加速过渡时间越长，发动机运转在高负荷的时间越长，而负荷越大越有利于颗粒物的生成，于是随着加速过渡时间变长，其颗粒物浓度峰值变高.

图12 瞬态工况2下E10单次和5次喷射的发动机性能对比Fig.12 Comparison of engine performances between single injection and 5 injections of E10 under transient condition 2

2.2.2 乙醇比例对瞬态工况的影响

为比较不同乙醇掺混比对瞬态工况发动机颗粒物排放的影响，基于图8的瞬态工况1进行试验对比研究.图13为单次喷射E0、E30和E85的性能对比.在20～55s的时间段发动机燃用E0的BMEP均低于燃用E30和E85的水平.这是因为在发动机达到较高负荷时(转速为1750r/min)，为防止爆震会推迟点火.燃烧重心在此时间段已经大幅延后.并且随着节气门开度增大，燃烧重心进一步延后，导致BMEP和最大爆发压力降低，燃烧过程也相应延长.

图13 瞬态工况1时单次喷射E0、E30和E85的性能对比Fig.13Comparison of engine performances between single injection with different fuel blends of E0，E30 and E85 under transient condition 1

图14为瞬态工况1时单次和3次喷射下E0、E30和E85的颗粒物分布对比.随着乙醇比例的增加，颗粒物浓度在很大粒径范围内下降明显，尤其是E85发动机的颗粒物浓度呈数量级下降.从图14a可以看出，在单次喷射、发动机冷启动(8～15s)时，颗粒物浓度达到了一个尖锐的峰值.与之相反，图14b显示在3次喷射、冷启动过程中，E85和E30发动机的颗粒物浓度先达到一个小的峰值然后迅速下降，而E0发动机的颗粒物则变化较为平缓，在负荷最大的时候出现峰值.从这个角度分析可知，在3次喷射时，E0发动机的颗粒物浓度主要是受负荷和爆震影响，而E30和E85发动机颗粒物浓度则是在冷启动过程变化较大，颗粒物浓度在冷启动前2s急剧上升到峰值，随后则下降到较低水平.

图14 瞬态工况1时单次和3次喷射下E0、E30和E85的颗粒物分布对比Fig.14Comparison of PN emissions between single injecttion and 3 injections with different fuel blends of E0，E30 and E85 under transient condition 1

3 结 论

(1) 与单次和2次喷射相比，3次喷射几乎可以降低所有粒径范围(0～1000nm)内的颗粒物排放，尤其是10～100nm粒径范围颗粒物浓度下降明显；3次喷射的PN总浓度比单次喷射降低近60%，明显优于2次喷射的效果(仅下降15%)；进气压力对颗粒物浓度的分布规律影响较小，但PN总量增加.

(2) 在单次和3次喷射条件下，随着混合燃料乙醇体积分数增加，核态、聚集态和总颗粒物浓度均降低，而在100～1000nm粒径范围内，E85发动机的颗粒物排放浓度大于E30；但就降低PM效果而言，多次喷射的影响比燃料掺入乙醇更显著.

(3) 单次和3次喷射对发动机在瞬态过程的BMEP和燃烧参数影响均不大；在绝大多数的瞬态工况下，3次和5次喷射都比单次喷射的颗粒物浓度低；相比单次喷射，颗粒物的排放在多次喷射下降低80%；在单次和3次喷射的瞬态工况下，随着乙醇比例增加，颗粒物浓度在很大粒径范围内下降明显，尤其是E85发动机的颗粒物在单次喷射条件下出现数量级下降.

(4) 应用乙醇混合燃料结合多次喷射策略，在稳态和瞬态工况下均可在几乎不影响发动机动力性能的同时，有效避免因发动机爆震引起的性能下降和颗粒物排放恶劣的问题.