GDI汽油机起动阶段微粒排放研究

发布时间：2020-05-12 10:29

【摘要】：GDI汽油机由于提高压缩比、供油准确、瞬态响应快、泵气损失低等诸多优点目前在机动车市场上已经得到较为广泛的应用。但相比PFI汽油机排放方面,GDI汽油机的微粒排放更高,而且在所有运行工况中,起动阶段微粒数量浓度排放甚至高出一个数量级。本文基于GDI汽油机搭建实验系统平台,针对不同冷却水温度以及应用不同掺氧燃料燃油对起动阶段排气微粒的物理化学特性、微观特性进行测量分析,采用称重法对起动阶段微粒排放质量测量对比,并利用自制ECU在怠速工况下调整不同控制参数对微粒排放的微粒粒径分布及微粒数量浓度影响等进行研究。结合GDI汽油机起动阶段微粒排放特性及不同起动条件下微粒微观形貌变化规律,建立微粒聚合模型并对聚合碰撞过程进行模拟,对微粒生成的聚合机理进行了深入研究:1.建立微粒采集及分析系统,自行设计二级稀释系统对起动阶段过浓的排气进行稀释,利用微粒粒径分析仪测试设备对不同冷却水温度下包括20℃、40℃、60℃、80℃以及应用不同燃料下的GDI发动机微粒排放的数量浓度变化历程、粒径分布、微粒总质量进行测量,并在怠速工况通过调整不同控制参数对微粒排放的微粒粒径分布及微粒数量浓度影响等理化特性进行研究。应用纯汽油在不同水温下起动阶段排放微粒粒径分布呈单峰态,其数量浓度峰值出现在20nm附近,20℃水温微粒浓度峰值达到1.75×10~(10)/cm~3。不同水温下起动阶段排放核态微粒占比总微粒排放数量浓度均超过90%。应用E10、E20、M5、M15掺氧燃料,相较应用纯汽油,得出微粒各粒径段数量浓度均有所降低。利用自制ECU对不同喷油时刻、点火时刻、过量空气系数及转速等控制参数对怠速工况微粒的排放影响进行了研究。怠速设为1200r/min,过量空气系数设为1.0,测量点火时刻分别为5°、10°、15°和20°CA BTDC时,230°、250°、270°、290°和310°CA BTDC五个喷油时刻下微粒粒径分布进行测量,得出不同点火时刻下调整喷油时刻均呈单峰分布规律。并对起动阶段三个典型怠速转速800、1000和1200r/min,过量空气系数选择0.85、1.0和1.1,对GDI汽油机在不同转速及不同过量空气系数条件下微粒排放特性进行研究。2.利用微粒采样及化学分析实验平台对GDI汽油机起动阶段微粒化学特性进行分析,包括对起动阶段采样微粒所含化学元素、萃取后SOF中的碳数、不同冷却水温条件下及掺混不同含氧燃料下PAHs含量进行测量得出变化规律,并利用PAHs毒性评估方法对各工况采样微粒中PAHs的毒性含量进行评价。对均一基本粒子粒径典型微粒、非均一基本粒子粒径典型微粒、非典型絮状微粒进行能谱元素分析,发现均一基本粒子粒径和非均一基本粒子粒径构成的微粒主要含C、O元素以及极少量的Si元素,而非典型絮状微粒其化学元素构成除C元素外,还包含大量的金属元素如Co、Cr、Fe等。在冷却水温为20℃和80℃时,GDI汽油机燃用纯汽油燃料起动过程过渡阶段的PAHs排放浓度分别为8160.36ug/L和4982.15ug/L,分别约占全阶段总排放的65.1%和65.6%;应用E10燃料在20℃和80℃冷却水温起动时较纯汽油分别降低了39.0%和23.8%;M15燃料在20℃和80℃冷却水温起动时较纯汽油分别降低了30.2%和66.1%。因此通过缩短起动阶段冷却水升温时间可以有效降低过渡过程的PAHs排放以及应用掺氧燃料可以有效地提高起动阶段缸内混合气质量,实现降低GDI汽油机整个起动阶段PAHs排放的目的。3.建立微粒TEM采样及分析平台对微粒微观形貌进行观测并测量,利用透射电子显微镜(TEM)、能谱仪(EDX)等检测仪器对GDI汽油机冷起动阶段不同采样时刻、不同冷却水温下的排气微粒微观形貌进行观察、统计及分析,结合GDI汽油机起动阶段微粒排放的理化特性,研究影响微粒的形成过程及生成机理。对20℃、40℃、60℃、80℃四种冷却水温及起动后0s及30s两个采样时刻下的排气微粒利用TEM进行观测,其中20℃水温下采样的微粒多为长链状、枝接状,呈分形结构特性,构成微粒的基本粒子尺寸均匀性较好,分布范围较窄;80℃水温下微粒结构无明显变化。采用Canny边缘提取法与霍夫变换法对19283个基本粒子微粒TEM采集图像进行批量处理,得出组成微粒的基本粒子粒径主要分布在5-30nm区间,其浓度峰值在10-20nm区间的分布规律。设计纯碳粉微粒实验方法,根据经验公式建立碳粉微粒粒径及计算质量间的关系并进行实验验证,利用GDI汽油机起动阶段微粒数量浓度与粒径分布计算得出微粒实时排放质量分布,并根据计算结果给出降低GDI汽油机起动阶段的微粒质量排放建议策略。4.利用朗之万方程建立基本粒子在有限空间内的运动模型,结合朗之万方程及三维网格DLCA模型建立有限空间内有限基本粒子的运动和聚合碰撞模型。根据GDI汽油机起动阶段微粒排放的基本粒子粒径分布,对模拟空间进行了计算。设定均一粒径基本粒子非重合聚合、均一粒径基本粒子重合聚合、非均一粒径基本粒子非重合聚合、非均一粒径基本粒子重合聚合四种聚合模型,对50、100、200、300及400个基本粒子聚合进行了模拟。结合GDI汽油机起动阶段排放微粒的基本粒子分布,得出了均一粒径基本粒子较多的产生于起动初期聚合过程中,形成较短的枝接状微粒或小团簇的核态微粒,非均一粒径的基本粒子更多的产生于起动阶段中后期,由物理碰撞聚合以及化学吸附进而生成较大粒径的聚集态微粒的生成规律。
【图文】：

排放法规,汽车排放,欧盟,欧洲

49-51]。图1.1 欧洲排放法规执行年份及限值要求表1.1 欧盟Ⅵ号标准汽车排放基准质量（kg）限值CO THC NMHC NOx HC+NOx 微粒物质量（PM）微粒物数量（PN）L1(mg/km) L2(mg/km) L3(mg/km L4(mg/km) L2+L4(mg/km) L5(mg/km) L6(#/km)类别级别 PI PI PI PI PI PI PIM - 全部 1000 100 68 60 - 5.0/4.5 6 1012N1Ⅰ RW≤1305 1000 100 68 6 - 5.0/4.5 6 1012Ⅱ 1305＜RM≤1760 1810 130 90 75 - 5.0/4.5 6 1012Ⅲ 1760＜RM 2270 160 108 82 - 5.0/4.5 6 1012N22270 160 108 82 - 5.0/4.5 6 1012注：PI为点燃式为了适应严格的欧Ⅵ排放法规（如表 1.1），各大汽车企业均对 GDI 汽油机在起动阶段的减排技术进行研发，其中最为典型的产品是奥迪公司研发的 EA888 GEN3 系列发动机以及丰田雷克萨斯 3.5L-2GR-FSE 型号发动机，两款发动机均采用缸内直喷+歧管喷射两种喷射形式的喷射系统，即“燃油多重喷射系统”。在起动及暖机阶段利用进气歧管喷射手段降低微粒排放数量及质量，待冷却水温及润滑系统达到最佳温度及状态后，在常规工况下采用缸内直喷方式，通过准确喷油实现稀薄燃烧来达到更高的压缩比提高燃油效率。以EA888 GEN3 系列发动机为例（如图 1.2），其通过缸盖集成排气道设计，实现了提高在起动阶段循环水温与集成排气道内高温排气的换热速率

微粒粒径,发动机排气,质量浓度,和数

100-300nm 粒径下的聚积态微粒质量浓度占比最高，约 90%以上。图1.3 发动机排气微粒粒径与质量浓度和数量浓度的关系对于微粒排放质量的测量，传统的测量方法主要应用过滤称重法：将新鲜空气或氮气对发动机在起动阶段的全部排气进行稀释后收集入袋，利用抽风机将混合气体抽出并通过滤纸或滤膜过滤，，用高精度天平称重对比滤纸或滤膜前后重量差值得出微粒总质量。该方法的优点是测量准确并且重复性较好，尤其对于微粒排放量较高的工况如起动工况，相同的测试条件下可以保证结果的一致性，这对于分析外部单一因素对排气微粒质量的影响非常有利。但过滤称重法仅能做到对重量结果的分析，而对整个起动排气过程中微粒的质量变化情况以及与微粒数量浓度的相关性无法测量并分析，同时由于起动阶段缸内燃烧参数随冷却水升温变化而不断调整
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U464.171

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