【摘要】：GDI汽油機(jī)由于提高壓縮比、供油準(zhǔn)確、瞬態(tài)響應(yīng)快、泵氣損失低等諸多優(yōu)點(diǎn)目前在機(jī)動(dòng)車(chē)市場(chǎng)上已經(jīng)得到較為廣泛的應(yīng)用。但相比PFI汽油機(jī)排放方面,GDI汽油機(jī)的微粒排放更高,而且在所有運(yùn)行工況中,起動(dòng)階段微粒數(shù)量濃度排放甚至高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。本文基于GDI汽油機(jī)搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái),針對(duì)不同冷卻水溫度以及應(yīng)用不同摻氧燃料燃油對(duì)起動(dòng)階段排氣微粒的物理化學(xué)特性、微觀特性進(jìn)行測(cè)量分析,采用稱(chēng)重法對(duì)起動(dòng)階段微粒排放質(zhì)量測(cè)量對(duì)比,并利用自制ECU在怠速工況下調(diào)整不同控制參數(shù)對(duì)微粒排放的微粒粒徑分布及微粒數(shù)量濃度影響等進(jìn)行研究。結(jié)合GDI汽油機(jī)起動(dòng)階段微粒排放特性及不同起動(dòng)條件下微粒微觀形貌變化規(guī)律,建立微粒聚合模型并對(duì)聚合碰撞過(guò)程進(jìn)行模擬,對(duì)微粒生成的聚合機(jī)理進(jìn)行了深入研究:1.建立微粒采集及分析系統(tǒng),自行設(shè)計(jì)二級(jí)稀釋系統(tǒng)對(duì)起動(dòng)階段過(guò)濃的排氣進(jìn)行稀釋,利用微粒粒徑分析儀測(cè)試設(shè)備對(duì)不同冷卻水溫度下包括20℃、40℃、60℃、80℃以及應(yīng)用不同燃料下的GDI發(fā)動(dòng)機(jī)微粒排放的數(shù)量濃度變化歷程、粒徑分布、微�？傎|(zhì)量進(jìn)行測(cè)量,并在怠速工況通過(guò)調(diào)整不同控制參數(shù)對(duì)微粒排放的微粒粒徑分布及微粒數(shù)量濃度影響等理化特性進(jìn)行研究。應(yīng)用純汽油在不同水溫下起動(dòng)階段排放微粒粒徑分布呈單峰態(tài),其數(shù)量濃度峰值出現(xiàn)在20nm附近,20℃水溫微粒濃度峰值達(dá)到1.75×10~(10)/cm~3。不同水溫下起動(dòng)階段排放核態(tài)微粒占比總微粒排放數(shù)量濃度均超過(guò)90%。應(yīng)用E10、E20、M5、M15摻氧燃料,相較應(yīng)用純汽油,得出微粒各粒徑段數(shù)量濃度均有所降低。利用自制ECU對(duì)不同噴油時(shí)刻、點(diǎn)火時(shí)刻、過(guò)量空氣系數(shù)及轉(zhuǎn)速等控制參數(shù)對(duì)怠速工況微粒的排放影響進(jìn)行了研究。怠速設(shè)為1200r/min,過(guò)量空氣系數(shù)設(shè)為1.0,測(cè)量點(diǎn)火時(shí)刻分別為5°、10°、15°和20°CA BTDC時(shí),230°、250°、270°、290°和310°CA BTDC五個(gè)噴油時(shí)刻下微粒粒徑分布進(jìn)行測(cè)量,得出不同點(diǎn)火時(shí)刻下調(diào)整噴油時(shí)刻均呈單峰分布規(guī)律。并對(duì)起動(dòng)階段三個(gè)典型怠速轉(zhuǎn)速800、1000和1200r/min,過(guò)量空氣系數(shù)選擇0.85、1.0和1.1,對(duì)GDI汽油機(jī)在不同轉(zhuǎn)速及不同過(guò)量空氣系數(shù)條件下微粒排放特性進(jìn)行研究。2.利用微粒采樣及化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)GDI汽油機(jī)起動(dòng)階段微�；瘜W(xué)特性進(jìn)行分析,包括對(duì)起動(dòng)階段采樣微粒所含化學(xué)元素、萃取后SOF中的碳數(shù)、不同冷卻水溫條件下及摻混不同含氧燃料下PAHs含量進(jìn)行測(cè)量得出變化規(guī)律,并利用PAHs毒性評(píng)估方法對(duì)各工況采樣微粒中PAHs的毒性含量進(jìn)行評(píng)價(jià)。對(duì)均一基本粒子粒徑典型微粒、非均一基本粒子粒徑典型微粒、非典型絮狀微粒進(jìn)行能譜元素分析,發(fā)現(xiàn)均一基本粒子粒徑和非均一基本粒子粒徑構(gòu)成的微粒主要含C、O元素以及極少量的Si元素,而非典型絮狀微粒其化學(xué)元素構(gòu)成除C元素外,還包含大量的金屬元素如Co、Cr、Fe等。在冷卻水溫為20℃和80℃時(shí),GDI汽油機(jī)燃用純汽油燃料起動(dòng)過(guò)程過(guò)渡階段的PAHs排放濃度分別為8160.36ug/L和4982.15ug/L,分別約占全階段總排放的65.1%和65.6%;應(yīng)用E10燃料在20℃和80℃冷卻水溫起動(dòng)時(shí)較純汽油分別降低了39.0%和23.8%;M15燃料在20℃和80℃冷卻水溫起動(dòng)時(shí)較純汽油分別降低了30.2%和66.1%。因此通過(guò)縮短起動(dòng)階段冷卻水升溫時(shí)間可以有效降低過(guò)渡過(guò)程的PAHs排放以及應(yīng)用摻氧燃料可以有效地提高起動(dòng)階段缸內(nèi)混合氣質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)降低GDI汽油機(jī)整個(gè)起動(dòng)階段PAHs排放的目的。3.建立微粒TEM采樣及分析平臺(tái)對(duì)微粒微觀形貌進(jìn)行觀測(cè)并測(cè)量,利用透射電子顯微鏡(TEM)、能譜儀(EDX)等檢測(cè)儀器對(duì)GDI汽油機(jī)冷起動(dòng)階段不同采樣時(shí)刻、不同冷卻水溫下的排氣微粒微觀形貌進(jìn)行觀察、統(tǒng)計(jì)及分析,結(jié)合GDI汽油機(jī)起動(dòng)階段微粒排放的理化特性,研究影響微粒的形成過(guò)程及生成機(jī)理。對(duì)20℃、40℃、60℃、80℃四種冷卻水溫及起動(dòng)后0s及30s兩個(gè)采樣時(shí)刻下的排氣微粒利用TEM進(jìn)行觀測(cè),其中20℃水溫下采樣的微粒多為長(zhǎng)鏈狀、枝接狀,呈分形結(jié)構(gòu)特性,構(gòu)成微粒的基本粒子尺寸均勻性較好,分布范圍較窄;80℃水溫下微粒結(jié)構(gòu)無(wú)明顯變化。采用Canny邊緣提取法與霍夫變換法對(duì)19283個(gè)基本粒子微粒TEM采集圖像進(jìn)行批量處理,得出組成微粒的基本粒子粒徑主要分布在5-30nm區(qū)間,其濃度峰值在10-20nm區(qū)間的分布規(guī)律。設(shè)計(jì)純碳粉微粒實(shí)驗(yàn)方法,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式建立碳粉微粒粒徑及計(jì)算質(zhì)量間的關(guān)系并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,利用GDI汽油機(jī)起動(dòng)階段微粒數(shù)量濃度與粒徑分布計(jì)算得出微粒實(shí)時(shí)排放質(zhì)量分布,并根據(jù)計(jì)算結(jié)果給出降低GDI汽油機(jī)起動(dòng)階段的微粒質(zhì)量排放建議策略。4.利用朗之萬(wàn)方程建立基本粒子在有限空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)模型,結(jié)合朗之萬(wàn)方程及三維網(wǎng)格DLCA模型建立有限空間內(nèi)有限基本粒子的運(yùn)動(dòng)和聚合碰撞模型。根據(jù)GDI汽油機(jī)起動(dòng)階段微粒排放的基本粒子粒徑分布,對(duì)模擬空間進(jìn)行了計(jì)算。設(shè)定均一粒徑基本粒子非重合聚合、均一粒徑基本粒子重合聚合、非均一粒徑基本粒子非重合聚合、非均一粒徑基本粒子重合聚合四種聚合模型,對(duì)50、100、200、300及400個(gè)基本粒子聚合進(jìn)行了模擬。結(jié)合GDI汽油機(jī)起動(dòng)階段排放微粒的基本粒子分布,得出了均一粒徑基本粒子較多的產(chǎn)生于起動(dòng)初期聚合過(guò)程中,形成較短的枝接狀微粒或小團(tuán)簇的核態(tài)微粒,非均一粒徑的基本粒子更多的產(chǎn)生于起動(dòng)階段中后期,由物理碰撞聚合以及化學(xué)吸附進(jìn)而生成較大粒徑的聚集態(tài)微粒的生成規(guī)律。
【圖文】：

49-51]。圖1.1 歐洲排放法規(guī)執(zhí)行年份及限值要求表1.1 歐盟Ⅵ號(hào)標(biāo)準(zhǔn)汽車(chē)排放基準(zhǔn)質(zhì)量（kg）限值CO THC NMHC NOx HC+NOx 微粒物質(zhì)量（PM）微粒物數(shù)量（PN）L1(mg/km) L2(mg/km) L3(mg/km L4(mg/km) L2+L4(mg/km) L5(mg/km) L6(#/km)類(lèi)別 級(jí)別 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為點(diǎn)燃式為了適應(yīng)嚴(yán)格的歐Ⅵ排放法規(guī)（如表 1.1），各大汽車(chē)企業(yè)均對(duì) GDI 汽油機(jī)在起動(dòng)階段的減排技術(shù)進(jìn)行研發(fā)，其中最為典型的產(chǎn)品是奧迪公司研發(fā)的 EA888 GEN3 系列發(fā)動(dòng)機(jī)以及豐田雷克薩斯 3.5L-2GR-FSE 型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)，兩款發(fā)動(dòng)機(jī)均采用缸內(nèi)直噴+歧管?chē)娚鋬煞N噴射形式的噴射系統(tǒng)，即“燃油多重噴射系統(tǒng)”。在起動(dòng)及暖機(jī)階段利用進(jìn)氣歧管?chē)娚涫侄谓档臀⒘Ｅ欧艛?shù)量及質(zhì)量，待冷卻水溫及潤(rùn)滑系統(tǒng)達(dá)到最佳溫度及狀態(tài)后，在常規(guī)工況下采用缸內(nèi)直噴方式，通過(guò)準(zhǔn)確噴油實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒來(lái)達(dá)到更高的壓縮比提高燃油效率。以EA888 GEN3 系列發(fā)動(dòng)機(jī)為例（如圖 1.2），其通過(guò)缸蓋集成排氣道設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了提高在起動(dòng)階段循環(huán)水溫與集成排氣道內(nèi)高溫排氣的換熱速率

100-300nm 粒徑下的聚積態(tài)微粒質(zhì)量濃度占比最高，約 90%以上。圖1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣微粒粒徑與質(zhì)量濃度和數(shù)量濃度的關(guān)系對(duì)于微粒排放質(zhì)量的測(cè)量，傳統(tǒng)的測(cè)量方法主要應(yīng)用過(guò)濾稱(chēng)重法：將新鮮空氣或氮?dú)鈱?duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)階段的全部排氣進(jìn)行稀釋后收集入袋，利用抽風(fēng)機(jī)將混合氣體抽出并通過(guò)濾紙或?yàn)V膜過(guò)濾，，用高精度天平稱(chēng)重對(duì)比濾紙或?yàn)V膜前后重量差值得出微�？傎|(zhì)量。該方法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量準(zhǔn)確并且重復(fù)性較好，尤其對(duì)于微粒排放量較高的工況如起動(dòng)工況，相同的測(cè)試條件下可以保證結(jié)果的一致性，這對(duì)于分析外部單一因素對(duì)排氣微粒質(zhì)量的影響非常有利。但過(guò)濾稱(chēng)重法僅能做到對(duì)重量結(jié)果的分析，而對(duì)整個(gè)起動(dòng)排氣過(guò)程中微粒的質(zhì)量變化情況以及與微粒數(shù)量濃度的相關(guān)性無(wú)法測(cè)量并分析，同時(shí)由于起動(dòng)階段缸內(nèi)燃燒參數(shù)隨冷卻水升溫變化而不斷調(diào)整
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：U464.171

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本文編號(hào)：2660078