国六排放法规增加了对缸内直喷和进气道喷射汽油机在WLTC循环工况下的PN排放限值，在我们的实际项目中也发现这是增压PFI和增压GDI满足国六排放法规的一个重要技术障碍。和国五的气体排放相比，国六的PN排放优化更加强调在发动机燃烧开发的概念设计阶段，就系统性地从关键零部件选型、发动机燃烧系统设计、发动机试验标定以及整车性能优化方面通盘考虑，而不是单单强调其中的一个或几个环节。 本系列文章主要针对GDI汽油机，从GDI喷雾优化、发动机稳态及动态工况下PN排放性能评估、整车PN排放优化以及包括缸内内窥镜光学测试在内的国六PN排放研究工具介绍。本文是系列文章之一，重点讨论GDI喷雾优化和发动机稳态工况下PN排放性能评估。
概括来讲，GDI汽油机燃烧室内颗粒物主要来源有两类 (缸内的机油燃烧也是重要来源之一，但不在本文讨论范围之内)，一是喷油器端部的燃油湿壁，二是燃烧室壁面的燃油湿壁。这两种燃油湿壁由于油膜不能完全蒸发，均在燃烧过程中产生过浓的扩散火焰燃烧，从而导致缸内碳烟的生成。虽然上述两类颗粒物生成来源都是由于未完全蒸发的燃油湿壁导致，但其形成机理有很大不同，本文将分别展开讨论。 喷油器端部的燃油湿壁 图1 GDI多孔喷油器端部湿壁 图1为在定容容弹里应用远距光学显微镜和高速相机观察到的GDI多孔喷油器在燃油喷射前、喷射中和喷射后的端部湿壁现象。在没有进行喷油器改进设计之前(即图中”Basic Tip Design”)，位于喷油器端部的油膜在喷油期间形成并逐步扩散，最终在喷油结束后形成较大面积的油膜。为了减少喷油器端部的油膜，优化了喷孔的几何形状及喷孔的内部流场，如图中的”Tip Design for Reduced Wetting”所示，喷油器端部的湿壁面积在燃油喷射期间及结束后均获得了较大幅度的降低。 燃烧室壁面的燃油湿壁 图2 喷油器中置GDI燃烧室壁面燃油湿壁 如前所述，GDI汽油机PN排放的第二个主要来源是燃烧室内部的燃油湿壁，图2示意了一喷油器中置GDI的三种主要的燃油湿壁，即气阀湿壁、缸套湿壁和活塞湿壁。为降低或避免燃油的碰壁，油束导向设计的目标即是利用多孔喷油器在喷雾设计上的灵活性，尽可能为每一束油争取最大化的自由贯穿路径，避免与燃烧室内的壁面碰撞。其中，气阀的湿壁可以在一定程度上降到最低，但对于缸套和活塞的湿壁却很难达到完全避免，特别是对于小缸径的增压小型化发动机。因此，对于每一个特定的发动机燃烧室设计，都要进行油束的优化设计，并与发动机标定策略统筹考虑。如为降低活塞湿壁带来的PN排放，一方面通过推迟喷油时刻以增加喷雾与活塞的距离，降低活塞湿壁量。另一方面，设计两阶段活塞喷雾冷却系统，在发动机冷机阶段，关闭活塞冷却功能，以增加活塞表面的温度，促进燃油的蒸发。 喷油压力优化 图3 基于LIF技术测试油膜厚度的试验搭建示意图 图4 基于LIF测试技术的不同燃油喷射压力下的油膜厚度 如上所述，即使充分发挥多孔喷油器在喷雾导向设计方面的灵活性，也很难在所有发动机工况下都避免燃油碰在活塞表面或缸壁。为了研究如何降低燃油碰到壁面上形成的液态油膜厚度。图3搭建了基于LIF(激光诱导荧光)的试验台，图中示意了其中一个油束喷射到常温石英玻璃上的液态燃油厚度。基于此方法，图4研究了喷射压力对其中两束喷雾导致的油膜厚度的影响规律。测试中，石英玻璃的位置用黄色和蓝色线标示在喷雾形态图中。LIF的测试在喷射结束14ms后完成。以喷射压力为10 MPa时的油膜厚度为基准(标示为100%)，在喷射压力增加到30 MPa时，油膜厚度随之降低。喷射压力的提高，一方面通过促进喷雾初次破碎过程，降低了SMD，另一方面，加强了对喷雾的空气卷吸效应，促进了液滴的蒸发。因此，提高喷射压力有助于降低燃油在活塞表面和缸壁的油膜，从而降低PN排放。 在此，也需要同时指出的是，提高喷射压力也有助于降低喷油器端部湿壁，从而降低喷油器端部湿壁导致的PN排放。
如前所述，喷油器在喷射过程中由于喷雾及缸内气流的扰动会在喷油器端部形成液态油膜。在火焰前锋面到达喷油器端部时，高温废气且缺氧的环境下，残留在喷油器端部的油膜就生成了碳烟。而部分没有离开喷油器端部的碳颗粒就会导致积炭的形成。这些积炭又会吸收更多的液态燃油，从而使得PN排放大幅增加，这一现象称之为PN-Drift。PN排放最终在积炭的形成和消除过程平衡后达到稳定值。图5为新鲜的基准喷油器、老化后的基准喷油器及老化后的优化喷油器在低负荷、中负荷和高负荷下的PN排放值。相比新鲜的基准喷油器，老化后的基准喷油器在各个负荷下的PN均出现了大幅上升的趋势。而在将喷油器进行优化设计后，如图5所示，大幅降低了PN排放。需要指出的是，本试验中的喷油压力是200 bar，在采用350 bar喷油压力后，对PN-Drift的抑制方面会有更好的鲁棒性。 图5喷油器端部湿壁优化及PN排放 (200bar喷油压力)
基于上述的燃油系统优化，图6为在一增压GDI发动机上，转速为2000rpm，负荷从低到高(85%全负荷)工况下原机和优化后的PN排放(喷油器均在老化条件下)。如图中所示，在优化了喷油器端部的燃油湿壁、燃烧室壁面的燃油湿壁以及将喷油压力从200bar提高到250bar后，PN排放在各个负荷工况下都实现了下降，最大改善幅度达40倍。 图6 2000rpm, 不同负荷工况下原机和优化后的PN排放
PN排放是GDI汽油机为满足国六排放法规而面临的重要技术挑战之一，本文从GDI汽油机颗粒物生成机理入手，讨论了通过优化喷油器的喷孔几何形状及内流场、优化喷雾油束与燃烧室的匹配、以及提高喷油压力等方法，大幅降低了发动机的PN排放，为进一步降低发动机动态及整车PN排放奠定了基础。如本文开头所述，GDI的PN排放是一个系统工程，需要把零部件、发动机及整车作为一个系统来研究，并开发研究发动机PN生成机理的可视化方法，而这一部分的工作，将在后续的两篇文章中讨论。 |
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