机油对GDI发动机微粒排放影响规律的研究

发布时间：2020-07-22 01:29

【摘要】：近年来,缸内直喷汽油机(GDI)凭借其良好的燃油经济性和瞬态响应特性赢得了广阔的市场,然而其微粒排放问题一直比较突出。在众多影响发动机微粒排放特性的因素中,机油对微粒排放的影响不容忽视。相关研究表明,机油具有粘度大,不易挥发,难以雾化等特性,少量机油参与缸内燃油的燃烧会较为显著地增加微粒排放;并且发动机排放的微粒中含有大量来自于机油的金属元素,其中的很多元素会对人体健康造成一定的影响。相关的研究和报道指出,缸内直喷汽油机(特别是涡轮增压缸内直喷汽油机)存在较为明显的烧机油现象。鉴于此,本论文针对机油对GDI发动机微粒排放的影响规律进行了初步探究,开展了微粒数量浓度、质量浓度、粒径分布、微观形貌及元素组成等方面的研究。具体研究内容和成果如下:1.制定曲轴箱通风系统的改造方案,通过增大油气分离器压力控制阀上的压力弹簧的刚度来增加进入发动机气缸内燃烧的机油量,实现参与缸内燃烧的机油量可调节功能。采用机油耗台架测试法依次测出三种不同压力弹簧刚度,不同工况下的试验发动机的机油耗。试验结果表明,相同工况下,参与缸内燃烧的机油量与压力弹簧刚度呈正相关的关系。2.搭建了GDI发动机微粒测试台架,采用二级稀释系统对发动机尾气进行适当稀释以使得进入粒径测量仪的尾气中微粒数量浓度满足粒径测量仪的测量要求。采用EEPS-3090微粒粒径测量仪测量了不同机油耗状态下GDI发动机的微粒排放情况,研究了微粒的数量浓度和质量浓度,微粒数量浓度粒径分布等参数的变化规律。试验结果表明,在大部分工况下,参与燃烧的机油量增加后,微粒数量浓度和质量浓度也随之增加,但粒径分布未呈现明显的变化规律。3.设计了微粒样本采集装置,使用铜网微栅支持膜采集用于微观观察和元素分析的微粒样本。采用TECNAI-F20场发射透射电子显微镜对微粒样本进行微观观察,并对基本碳粒子的粒径,重叠系数,层间距等特征参数进行测量,统计分析。研究发现,参与燃烧的机油量增加后,微粒的典型微观形貌未发生明显改变,基本碳粒子的粒径有变小的趋势,基本碳粒子平均重叠系数的变化相对较小;2000r/min转速,在大部分负荷工况下,参与燃烧的机油量增加后,平均层间距有所减小;100%负荷的速度特性下,参与燃烧的机油量增加后,基本碳粒子平均层间距未出现明显的单一变化规律。4.对比粒径测量仪测得的宏观微粒排放特性和微粒微观图像测量的统计结果发现,基本碳粒子的粒径分布要比粒径测量仪测得的微粒粒径分布要“狭窄”,对应基本碳粒子的峰值粒径比微粒的峰值粒径要大。参与燃烧的机油量增加后,2000r/min转速时,通过平均层间距得到的微粒氧化性变化结论和微粒总的数量浓度变化规律比较吻合;100%负荷速度特性下,二者的结论不吻合。5.采用能量色散X射线光谱仪对微粒样本进行元素分析,发现GDI发动机排放的微粒中含有C、O、N、S、Si、P、Fe、Cu、Mn、Ca、Ti、Pb等元素。对比试验发动机油底壳内机油的元素检测结果,确定微粒中Mn、Ca、Ti、Pb等元素主要来自于机油。综上所述,GDI发动机机油参与缸内燃烧会对微粒排放产生较大影响,降低发动机机油消耗量不仅可提高整机可靠性和使用寿命,更可降低微粒排放量,以及对人体有害的铅(Pb)、铬(Cr)等元素的排放。本文的研究工作揭示了机油参与缸内燃烧对GDI发动机微粒排放特性的影响规律,为提高机油品质,降低GDI发动机微粒排放提供了理论基础和试验数据支持。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK411.5
【图文】：

轻型车,汽油车,缸内直喷,汽油机

吉林大学硕士学位论文缸内直喷汽油机将燃油直接喷入气缸内，使喷油控制更灵活，有利于提和实现稀燃。近年来，缸内直喷汽油机凭借其良好的经济性和更快的动性而赢得了广阔的市场。2015 年欧洲新生产的汽车中，配置缸内直喷汽车占了总数的 76%[7]。然而，GDI 汽油车相对于传统的 MPI 汽油车所M2.5 排放问题不容忽视。图 1.1 为国内研究机构对市场上典型的中小排在符合法规标准的机动车尾气测试系统上利用 MEXA-1000SPCS 测.5 数量值（PN）[8]。从图中可以看出，相比于其它类型轻型车，GDI 汽.5 排放水平处在国四柴油车和国四 MPI 汽油车之间，其数量级为 1012#国四 MPI 汽油车一个数量级。

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它们数量非常少，且具有很大的随机性。发动机排放微粒中主要为核态微粒和积聚态微粒[11][12]。图1.2 为发动机微粒典型的粒径分布示意图[13]。从图中可以看出，典型发动机微粒数量浓度和质量浓度粒径均呈现近似正态分布，数量浓度的峰值出现在 20nm 粒径附近，质量浓度峰值出现在 200nm 粒径附近。核态微粒占据绝大部分的数量，多达 90%。积聚态微粒占据了大部分的质量，约占总质量的 80%。图 1.2 发动机微粒典型的粒径分布

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吉林大学硕士学位论文的成分和生成机理为发动机微粒典型的微观形貌示意图[14]，发动机排放微粒微粒为主。核态微粒主要由燃油燃烧过程中生成的可挥发酸盐和燃烧不完全所生成的碳氢化合物等；积聚态微粒主成的碳烟通过团聚并吸附可溶性有机物和硫酸盐等而形成

【参考文献】