火花点燃直喷增压发动机和进气道燃油喷射增压发动机颗粒物排放比较外文翻译资料

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Particulate Matter Emission Comparison of Spark Ignition Direct Injection (SIDI) and Port Fuel Injection (PFI) Operation of a Boosted Gasoline Engine

火花点燃直喷增压发动机和进气道燃油喷射增压发动机颗粒物排放比较

Jianye Su,Weiyang Lin,Jeff Sterniak,Min Xu,Stanislav V. Bohac

摘要

由于更高的压缩比和较高的比功率输出，汽车具有更好的燃油经济性。在美国，欧洲和中国的车辆中，火花点燃直接喷射汽油机相比于进气道燃油喷射发动机，它的市场份额在逐渐增加，尤其在小型化的增压发动机平台方面。然而，由于对人类健康的不利影响和对环境的影响，以及更严格的排放标准，发动机的颗粒物排放成为人们越来越关注的问题。为了进行SIDI发动机和PFI发动机系统之间的排放颗粒物数量和粒径大小的比较，一个2.0升增压汽油发动机已经装备在不同的负载，空燃比，点火定时，燃料压力和喷射定时时SIDI发动机系统和不同负荷，空燃比，点火正时时PFI发动机系统这两个系统进行测试。无论负载，空燃比，点火正时，燃料压力和喷射时间怎样变化， SIDI发动机和PFI发动机的颗粒物粒径呈双峰分布，表现为核态和聚集态。SIDI发动机产生的颗粒物粒子数比PFI发动机产生的粒子数大一个数量级。无论对于SIDI发动机，还是PFI发动机，都可以通过延迟点火和发动机稀薄燃烧减少粒子数。对于SIDI发动机，增加喷油压力和优化喷油定时也可以减少PM排放。这项研究深入的研究了SIDI发动机和PFI发动机的颗粒物排放的差异，并对SIDI发动机和PFI汽油发动机通过改变运行参数的PM减排潜力进行评估。

1．引言

加上涡轮增压或增压的火花点火直接喷射（SIDI）是目前提高汽油机燃油经济性和高功率输出的最有前途的技术之一，并且相对于燃油喷射（PFI）其市场占有率正在提高。在美国市场，例如，在1997年和2007年之间PFI发动机占99%以上的轻型车 ^{[ 1 ]}。2007年后，SIDI发动机开始迅速进入市场，在2008年占轻型车的2.3%，并且在2010年增加到8.8% ^[1]。据预计到2013年以SIDI发动机为动力的轻型汽车将占销售在欧洲汽车市场轻型车的35%，到2016年占美国市场的60% ^{[ 2,3 ]}。

由于对人类健康和环境的不利影响，颗粒物（PM）的排放正引起注意，特别是对直径小于100纳米（超细颗粒）的颗粒^{[ 4,6 ]}。研究表明，在城市地区的超细颗粒的主要来源是柴油和汽油发动机^[7,8]。据广泛研究，SIDI汽油发动机比柴油发动机产生更高数量的颗粒物的排放，特别是在冷启动、加速和高负荷条件下^{[ 9 ]}。在欧洲，对于以SIDI动力车辆的颗粒物质量限制5毫克/公里也是在欧5a中第一次落实。根据欧洲委员会发布了一份建议，对于SIDI动力车辆在新欧洲行驶循环（NEDC）PM数量限制将在2014年颗粒物限制数为6.0*10¹²粒/公里和在2017 年为6 *10¹¹粒/公里 ^{[ 10 ]}。尽管在现在对PFI发动机没有相应的法规是有效果的，但对颗粒的质量和数量的管理存在着潜在的未来。最近从汽油发动机的PM排放量的研究表明，大多数以自然吸气PFI发动机为动力的汽车在在NEDC中颗粒物数量能够满足6*10¹¹粒/公里的限制，而增加PFI汽车超过这个限制^{[ 11 ]}。 从三种不同类型的SIDI汽油发动机（是自然吸气壁面制导，涡轮增压空气引导，自然吸气喷雾引导洒SIDI ）在新欧洲行驶循环中调查其颗粒物排放并且表明这些配置都不满足所提出的关于6.0*10¹¹粒/公里数的欧6颗粒物规定。

在文献中广泛涉及的的SIDI发动机颗粒物的排放来自两种燃烧：（1）在燃烧室中的局部燃料丰富的混合气；（2）在活塞或气缸壁上稀薄的液体燃料的扩散燃烧，称为“池火灾”^[12,13]。普遍认为预混和均质燃烧是SIDI发动机主燃烧。然而，在许多工况下同一SIDI发动机由于不是很好的燃油蒸发和混合产生非均质燃烧，特别是提高小型化的发动机在大量的燃料喷入气缸时高负荷运转 ^[14]。

不像SIDI运行，在PFI运行时燃油是普遍喷入关闭的进气门背面，利用加热的进气门和进气口表面有助于燃油的雾化。一部分雾化的燃油可以在气门表面形成一个薄的燃料膜，然后作为小液滴进入气缸。 对气门表面的薄油膜扩散燃烧，气缸壁和活塞表面是PFI发动机的PM排放的主要来源^[15] 。

对PFI发动机，Gupta等人研究了速度和载荷作用对颗粒物数量和尺寸的分布。当载荷增加，颗粒物排放数量急剧增加，特别是负载超过20Nm时^[16]。超过2500转时颗粒浓度也会突然增加^[16]。进一步说明颗粒物排放对自然吸气PFI发动机在空燃比和点火正时表现了相关性。对SIDI发动机也发现喷油正时是颗粒物数量排放的主导因素，而且，在高负荷时点火正时和凸轮相位也影响颗粒物的排放量。

上述研究概述发动机运行参数对PFI和SIDI发动机的颗粒物排放量的作用，可少数可利用的信息比较增压PFI和SIDI发动机的颗粒物排放，以及如何可以通过调节发动机运行参数来减少增压PFI和SIDI发动机的颗粒物数量。本研究目的是使用单一发动机来比较增压PFI和SIDI运行时颗粒物的排放 ，以及给出在高负荷增压PFI和SIDI发动机运转时通过各种发动机运行参数评价颗粒物降低潜力。

2 实验细节

2.1 发动机

改进的2升Ecotec发动机MY2010 GM（如用于雪佛兰HHR）应用于这项研究。发动机侧悬挂式（壁）直喷（DI）系统被中间悬挂的直喷系统和PFI系统取代，启用SIDI或PFI任何一个运行。博世HDEV5高压直接喷射式喷油器以15毫升/秒的流速在10 MPa共轨压力下在靠近工作范围可达15 MPa的燃烧室的中心（中心喷射）工作，而对PFI运转，在3bar的共轨压力下具有4.2毫升/秒120D流量博世EV14低压喷射器安装在进气口。该发动机专为中间悬挂的喷油器配有定制的活塞。

该发动机的气缸盖和定制活塞式压缩比从9.25增加到10.5。电装的双独立电动VVT代替坐式液压VVT发动机。发动机保留了博格华纳k04固定几何双涡流涡轮增压器与废气旁通阀。在进行发动机运行环境研究时中冷器控制发动机的进气温度在38plusmn;1℃ 。发动机规格如表1所示。

博世med17.3.2 ECU和ETAS ES910.3原型接口模块以及EPA Tier II EEE汽油燃料驱动来控制发动机。AVL交流测功机系统是用来保持所需的发动机转速。微运动CMF010M科里奥利燃油表提供了燃油流量的测量。

2.2排放测量

使用Cambustion微分迁移光谱仪测定粒度分布和颗粒数浓度（DMS500）。仪器测量颗粒在5和1000纳米之间。由于颗粒尺寸跨越几个数量级，粒径（Dp）被绘制在对数x轴，使得最小的颗粒也清晰可见。y轴显示的是dN/dlogD_p（数/cm³）所以曲线下面积等于总颗粒浓度。注意logD_p是实际的log（D_p/1mu;m）。排气样本通过加热线保持在150℃与干燥空气稀释（露点温度62℃）在稀释比为6:1时防止水和烃冷凝到仪器（这会导致损坏）和避免大量颗粒团聚。数据收集的采样率为每90秒10赫兹，并且最后要平均。

2.3实验条件和测试过程

SIDI和PFI的颗粒物的比较要在1500rpm和lambda;=1(平均指示压力=6,8,9bar)三种负荷运行下进行。当燃油闭环控制维持lambda;=1时，节气门被用来调节平均指示压力。对发动机效率和烟尘排放量的合理优化的发动机运转参数显示在表2的上部。

用来计算发动机的运转参数如何影响从SIDI和PFI在固定喷油量（大约8bar的平均有效压力），1500rpm和lambda;=1的条件下颗粒物的排放。当节气门和涡轮增压器旁通阀调节来维持lambda;=1时燃油量固定下来。lambda;、点火提前角、喷油定时、燃油压力、并且对SIDI运转时喷油正时被估计出来，而对PFI运转时lambda;、点火提前角估计出来。当研究一个发动机的运行参数时，其他参数应该保持在它们的基线设置。对于燃料经济性和烟尘排放基线条件被合理优化，并在显示表2的下部。

3 结果和讨论

在这项研究中，颗粒小于30纳米被称为成核模式颗粒，其中包括大部分的挥发性有机和硫化合物，而排气被冷却和稀释时，可能形成含有固体碳和金属化合物^{[ 19 - 21 ]}。大于30纳米的颗粒称为积聚模态颗粒物，主要包括固碳，也可能包括冷凝或吸附挥发性物质^{[ 19,22 ]}。所有的结果表明，无论负载、空燃比、点火正时、喷油正时、燃油压力、喷油正时，对SIDI和PFI，颗粒物尺寸分布都是双峰的，呈现核态和聚集态颗粒。