摘要：在一臺單缸柴油機上研究了噴油參數(預主噴間隔角、預噴比例、主噴時刻和噴油壓力等)對汽油壓燃(gasolinecompressionignition，GCI)顆粒物排放特性的影響。研究結果表明：噴油策略對缸內油氣混合及進一步對燃燒過程的影響是其影響顆粒物排放特性的主要因素。在設定的研究工況下，隨預主噴間隔角增大，積聚態顆粒數量濃度下降，但核態顆粒數量濃度基本不變，顆粒物中的核態和超細顆粒比例明顯升高;增大預噴比例，核態顆粒和積聚態顆粒數量濃度均大幅降低，顆粒物中的核態和超細顆粒比例變化較小;主噴時刻提前，顆粒物數量濃度下降，平均粒徑減小，數量濃度峰值向小粒徑方向偏移;提高噴油壓力可有效降低積聚態顆粒數量濃度，縮小缸內生成顆粒物的粒徑范圍，但對核態顆粒的數量濃度影響較小。

　　關鍵詞：汽油壓燃,噴油策略,顆粒物,粒徑,數量濃度

　　柴油機高壓縮比、壓燃燃燒的工作特點使其具有熱效率高、燃油經濟性好的優勢，但傳統柴油機的柴油噴霧擴散燃燒方式會使缸內產生局部過濃和高溫區域，因此顆粒物和NOx排放較高。《中國機動車管理年報(2017)》指出，柴油車排放的NOx占汽車排放總量的70%，顆粒物排放更是超過90%。柴油機顆粒物對大氣環境和人體健康都具有重大危害，其成分中有多種致癌物，同時也被認為是造成中國大規模霧霾的主要原因之一[1-3]。

　　世界各國都制定了相應的排放法規限制顆粒物排放，關于顆粒物排放特性的研究也受到了越來越多的重視。柴油機排放的顆粒物按粒徑(DP)的大小分為納米微粒(粒徑<50.0nm)、超細微粒(50.0mm≤粒徑<100.0nm)、細微粒(100.0nm≤粒徑<2.5μm)和其余PM10微粒(粒徑<10.0μm)4個區域。按照形態的區別可分為核態微粒(1nm≤尺寸范圍≤50nm)、積聚態微粒(50nm≤尺寸范圍為≤500nm)。發動機的運轉條件和控制參數等都會顯著影響顆粒物的生成和氧化歷程，從而對包括粒徑、數量濃度等在內的顆粒物特性產生重要影響[4-7]。

　　文獻[8]研究了不同轉速、空燃比及廢氣再循環(EGR)率對柴油機顆粒物排放的影響。試驗結果表明，提高發動機轉速和空燃比能有效減小顆粒物平均粒徑，但不同EGR率下的顆粒物數量濃度分布變化不明顯。文獻[9]研究了噴射時刻對顆粒物數量濃度分布的影響，發現推遲噴射時刻能夠減少核態顆粒的數量濃度，但積聚態微粒和大粒徑顆粒數量濃度升高。燃料特性也顯著影響著柴油機的燃燒和顆粒物排放[10]。

　　文獻[11-12]研究發現，采用汽柴油混合燃料時，顆粒物的幾何平均粒徑相比純柴油明顯降低，顆粒濃度隨負荷增大而升高;隨汽油摻入比例增大，積聚態微粒的濃度增加程度減慢。當采用正丁醇和柴油混合燃料時，隨著預主噴間隔角增大，顆粒物濃度先增大后明顯降低，當預主噴間隔角大于20°后，繼續增大間隔角對顆粒物排放降低作用不明顯。文獻[13]在一臺4缸柴油機上采用體積分數為80%汽油和20%柴油混合燃料進行研究，發現提高噴射壓力可以減少核態和積聚態顆粒數量，顆粒數量濃度峰值向小粒徑方向偏移。EGR率增大時，微粒數量增多，顆粒數量濃度峰值向大粒徑方向偏移。

　　上述相關研究表明，噴油和EGR等控制策略及燃料特性優化具有改善柴油機顆粒物排放的潛力。與此同時，為實現柴油機高效清潔燃燒，滿足未來更為嚴苛的法規要求，國內外研究者在內燃機新型燃燒理論和技術方面也開展了大量研究，提出了均質壓燃、預混壓燃、部分預混燃燒等一系列以低溫燃燒為主要特征的新型燃燒模式。這些新型燃燒方式實現高效清潔燃燒的核心在于通過油氣混合控制，實現燃燒反應路徑的控制。汽油燃料相比柴油燃料具有辛烷值高、揮發性好，更利于缸內油氣混合的特點。

　　此外，汽油壓燃(gasolinecompressionignition，GCI)通過缸內燃油噴射策略控制可在著火之前形成適當的混合氣濃度分層，相比均質壓燃燃燒模式而言，具有更好的燃燒可控性和更寬廣的運行范圍，具有在實際發動機中應用的潛力。因此，GCI在低溫燃燒研究中受到了廣泛的關注。近年來關于GCI燃燒和排放控制方面的研究取得了較大進展。文獻[14]研究發現在-60°(文中曲軸轉角正值代表上止點后，負值代表上止點前)噴射54%燃油的同時采用適量EGR，可以在平均指示壓力(IMEP)1.656MPa工況下實現低排放及高熱效率。

　　文獻[15]在輕型多缸柴油機上的研究表明，GCI結合低壓EGR可以在實現極低的NOx和碳煙排放的同時，使最高指示熱效率達到51.1%。文獻[16]在一臺改造后的單缸柴油機上研究了進氣壓力對GCI的影響，結果表明采用燃油早噴、0.12MPa進氣壓力和較低的內部EGR率可以實現IMEP為0.47MPa下的高效清潔燃燒。歐Ⅵ排放法已明確提出了顆粒物數量排放的限值，但目前針對GCI燃燒模式下的顆粒物濃度分布和粒徑等特性的研究還比較缺乏。因此，本文在一臺改造的單缸試驗發動機上，研究GCI低溫燃燒模式下噴油策略對顆粒物排放特性的影響規律，填補了GCI模式下顆粒物排放特性研究方面的空白，為實現汽油壓燃清潔燃燒提供了參考依據。

　　1試驗裝置與研究方法

　　1.1試驗裝置

　　本試驗所用的發動機臺架主要包括單缸試驗用發動機、測功機、進氣溫度控制系統、模擬進氣增壓系統、高壓共軌燃油噴射系統、缸壓采集和分析系統等部分。試驗用的單缸發動機由一臺高壓共軌6缸柴油機改造而來，第6缸配有獨立的進排氣系統、EGR系統和燃油噴射系統。噴射時刻、噴射壓力、噴射油量和噴射次數等參數可以通過發動機電控系統精確控制。

　　采用Kistler6125C缸壓傳感器來測量缸內壓力信號，并使用Kistler5018電荷放大器將缸壓傳感器的電荷信號轉換為電壓信號輸送到數據采集和燃燒分析系統。本試驗采用美國TSI公司生產的發動機尾氣顆粒粒徑分析儀EEPS3090對顆粒物進行粒徑和數量濃度的測試分析。該粒徑分析儀有32個數據通道和22個電量檢測器，能夠在1s內檢測10次顆粒物的分布數據，檢測時間短;可以測量5.6nm～560.0nm粒徑范圍內的顆粒物分布，靈敏度高，可以測量最低200個/cm3的顆粒物濃度。此粒徑分析儀通過USB接口將主機與系統計算機相連。

　　1.2試驗方法

　　本試驗探討噴油策略對GCI顆粒物排放特性的影響，工況條件如表3所示。首先選定預噴油量比例為20%，主噴時刻為-5°，噴油壓力為80MPa，比較了預主噴間隔角分別為20°、30°、50°、70°時的GCI顆粒物排放特性;之后選定預主噴間隔角為30°，主噴時刻為-5°，噴油壓力為80MPa，比較了不同預噴比例(10%、20%、30%)對GCI顆粒物排放特性的影響;進而設定預噴油量為20%，預主噴間隔角為30°，噴油壓力為80MPa，比較了不同主噴時刻(-2°、-5°、-7°、-9°)對GCI顆粒物排放的影響;最后比較了預噴比例20%、預主噴間隔角30°、主噴時刻-5°時，不同噴油壓力(80、100、120MPa)對GCI顆粒物排放特性的影響。

　　2試驗結果與分析

　　2.1預主噴間隔對顆粒物排放特性的影響

　　隨著預主噴間隔角增大，著火時刻推遲，缸壓曲線和放熱率曲線都向后推移，缸壓峰值基本保持不變，放熱率峰值先升高后基本不變。當預主噴間隔角為20°時，放熱率曲線有預噴燃油放熱、主噴燃油預混放熱和擴散燃燒3個峰值。這是因為預主噴間隔較小時，預噴更接近上止點，預噴燃油和空氣容易形成自燃著火的混合氣，因此預噴燃油放熱比較集中，表現出較明顯的預噴放熱率峰值;隨預主噴間隔角增大，預噴燃油形成較稀的混合氣，預噴放熱減緩。

　　隨預主噴間隔增大，滯燃期延長，在主噴放熱推遲和放熱速率加快的綜合影響下，放熱重心(即燃燒累計放熱量50%對應的曲軸轉角，記為CA50)有所提前但變化較小，燃燒持續期縮短，缸內最高溫度(Tmax)升高，且由于混合氣與氧氣的接觸時間更長，造成NOx排放上升。隨預主噴間隔角增大，缸內局部形成過稀混合氣，導致生成的未燃碳氫增多。

　　可以看出發動機排放的顆粒物粒徑基本小于300nm，數量濃度峰值對應粒徑在45～61nm范圍內，數量濃度分布曲線呈單峰形態。隨預主噴間隔角增大，總顆粒物數量濃度減小，核態顆粒數量濃度變化很小，積聚態顆粒數量濃度大幅下降，顆粒物數量濃度峰值向粒徑減小方向偏移。這是因為預噴時刻較早時，預噴燃油混合時間長，混合更均勻，預噴放熱少，其對缸內溫度和壓力的提升作用減小，導致主噴滯燃期延長，主噴燃油與空氣的混合也得到了改善，因此總顆粒物數量濃度下降。

　　同時預混燃燒所占比例增大，主燃燒速率加快，燃燒持續期縮短，擴散燃燒比例減小，抑制了積聚態顆粒物的生成。由于隨預主噴間隔增大，CA50更加靠近上止點，缸內壓力和燃燒溫度也隨之升高，大粒徑的積聚態顆粒更容易被氧化為小粒徑的核態顆粒，此時因氧化效果變好而減少的核態顆粒和因積聚態顆粒氧化生成而增加的核態顆粒數量基本持平，所以核態顆粒的數量濃度隨預主噴間隔變化很小。

　　當預主噴間隔由20°增大到70°時，總顆粒物數量濃度下降了35.0%，核態顆粒數量濃度僅僅下降了7.1%，而積聚態顆粒濃度下降達47.7%，顆粒物平均粒徑由67.5nm下降至49.8nm。這是由于核態顆粒數量濃度變化很小，全粒徑范圍內總顆粒數量濃度的減小致使核態顆粒數量比例升高，超細顆粒數量比例增大，導致顆粒平均粒徑減小。

　　2.2預噴比例對顆粒物排放特性的影響

　　隨著預噴比例的增大，預噴放熱增多，主噴放熱時刻提前，放熱率峰值減小，而缸壓快速上升的位置提前，缸壓峰值增大。預噴比例增大，CA50更靠近上止點，缸內溫度升高，滯燃期縮短。這是因為預噴比例越大，主噴前預噴燃油放熱量越多，主噴時缸內的溫度、壓力升高，著火時刻提前，燃燒相位前移，更接近上止點的燃燒過程致使缸內整體溫度更高，且預噴比例增大導致與氧氣充分接觸的混合氣增多，造成了更高的NOx排放。由于預噴比例增大后預噴燃油在上止點前放熱較多，導致壓縮負功增大，指示熱效率下降。

　　可以看出，顆粒物粒徑大部分都處于0～300nm范圍內，數量濃度分布呈單峰形態。隨著預噴比例的增大，顆粒物排放數量減少，數量濃度峰值向小粒徑方向偏移，且預噴比例越大，對于顆粒物數量濃度的降低效果越明顯。與圖5不同預主噴間隔對核態顆粒物濃度的降低效果相比(預主噴間隔從20°增大到70°，核態顆粒濃度僅下降7.4%)，增大預噴比例對核態顆粒濃度的降低效果更加明顯(預噴比例從10%增大到30%，核態顆粒數量濃度下降54.7%)。

　　這是因為預噴比例增加，缸內燃燒溫度升高幅度更大，更有利于顆粒物后期的氧化。且預噴比例越大，預噴燃油形成的混合氣比例就越大，大量減少了缸內的局部過濃區，抑制了碳核的生成，進而顯著降低了包括核態顆粒在內的絕大部分顆粒物數量濃度。在預噴比例為30%時，預噴放熱量顯著增多，CA50更接近上止點，會產生更高的燃燒溫度。當預噴比例由10%增加到30%后，缸內最高平均溫度由1590K提升至1672K，對缸內顆粒物氧化效果明顯增強。

　　隨著預噴比例增加，顆粒物數量濃度下降速度加快，預噴比例從10%提高至20%，顆粒物數量濃度下降16.2%;進一步將預噴比例提高至30%，總顆粒物數量濃度下降64.1%，這說明預噴比例從20%增加到30%的過程中缸內氧化速度明顯加快。將預噴比例由10%增加至30%后，積聚態顆粒數量濃度下降69.2%，超細顆粒數量濃度降低了62.0%，顆粒物平均直徑由66.1nm下降至56.3nm。

　　3結論

　　(1)在汽油壓燃高負荷工況，不同噴油策略下的油氣混合狀態、缸內溫度和預混燃燒比例等是影響顆粒物排放特性的主要因素。油氣混合越充分，缸內溫度越高，預混燃燒比例越大，顆粒物數量濃度下降越明顯。

　　(2)預主噴間隔增大有利于降低積聚態顆粒物數量濃度，但是核態顆粒的數量濃度變化很小。預主噴間隔角從20°增大到70°，核態顆粒數量濃度僅僅下降了7.1%，而積聚態顆粒數量濃度下降了47.7%。

　　(3)增大預噴比例可以在全粒徑范圍明顯降低顆粒物的數量濃度。且預噴比例越大，顆粒物數量濃度下降速度越快。

　　(4)主噴時刻提前，總顆粒物數量濃度降低，積聚態顆粒濃度降低幅度相比于核態顆粒更加明顯，顆粒物平均粒徑減小，核態顆粒和超細顆粒比例升高。

　　(5)提高噴油壓力可以顯著降低積聚態顆粒物數量濃度，同時核態顆粒物濃度也有一定下降。提高噴油壓力可以極大地改善燃油霧化，降低缸內生成顆粒物的粒徑范圍。隨噴油壓力提高，小粒徑顆粒在總顆粒中所占數量比例增大，核態顆粒占比68.6%，超細顆粒占比達到了93.4%。

　　參考文獻：

　　[1]GULLANDA.Airpollutionresponsiblefor600000prematuredeathsworldwide[J].BritishMedicalJ，2002，325：1380.

　　[2]GOLDSTEINAH，GALBALLYIE.Knownandunexploredorganicconstituentsintheearth�餾atmosphere[J].EnvironmentalScience&Technology，2007，41(5)：1514-1521.

　　[3]KLEEMANMJ，SCHAUERJJ，CASSG.Sizeandcompositiondistributionoffineparticulatematteremittedfrommotorvehicles[J].EnvironmentalScience&Technology，2016，34(7)：1132-1142.

　　[4]MARICQMM.Chemicalcharacterizationofparticulateemissionsfromdieselengines：areview[J].JournalofAerosolScience，2007，38(11)：1079-1118.

　　[5]劉雙喜，寧智，付娟，等.柴油機排氣微粒冷卻演變特性的實驗研究[J].環境科學，2007，28(6)：1193-1197.LIUSX，NINGZ，FUJ，etal.Evolutioncharacteristicsofdieselparticlesundercoolingcondition[J].EnvironmentalScience，2007，28(6)：1193-1197.

　　[6]鞠洪玲，成曉北，陳亮，等.柴油機缸內碳煙顆粒形成過程與尺寸分布特性[J].內燃機工程，2011，32(6)：18-24.JUHL，CHENGXB，CHENL，etal.Sootparticleformationprocessandsizedistributioncharacteristicsincylinderofdieselengine[J].ChineseInternalCombustionEngineEngineering，2011，32(6)：18-24.

　　相關期刊推薦：《內燃機工程》(雙月刊)1979年創刊，為專業技術性刊物。刊登各種用途內燃機的科研與技術應用成果，報道重要學術會議消息與動態。