汽油机缸内直喷（GDI）燃烧模式微粒生成机理及排放特性研究

开展汽油缸内直喷（GDI）燃烧中微粒排放的形成机理、演化规律及理化特性的基础研究。建立GDI发动机快速微粒采集系统及理化特性分析技术；测定不同燃烧模式（分层稀燃和当量比均质燃烧）下，发动机启动、怠速、稳态及瞬变过程工况微粒质量浓度、粒数浓度及粒径分布规律；分析特征粒径范围内微粒的化学成分及组分含量；研究缸内温度、浓度场分布和喷油、增压、EGR等燃烧组织措施对微粒生成与演化的影响；利用试验和数值模拟相结合的方法，建立GDI发动机燃烧微粒生成的热力学和化学反应动力学模型，揭示微粒形成机理及演化规律；评价后处理系统降低GDI发动机微粒粒数和质量排放效果，为采取措施降低GDI发动机微粒排放及今后我国制定相关法规，提供理论依据。

本项目针对GDI汽油机微粒生成机理及排放特性开展研究。项目建立了先进的GDI汽油机排气微粒取样分析系统，形成了超低排放条件下，GDI汽油机排气微粒取样、测量以及理化特性分析技术。在此基础上，研究了现代先进GDI汽油机微粒的质量浓度、粒数浓度以及粒径分布规律、燃烧组织措施对其影响以及微观形态特征，分析了排气微粒中的元素组成以及化学成分的变化规律；同时还采用数值模拟方法建立了微粒生成的热力学和化学反应动力学模型，对微粒生成机理及演化历程进行了初步探索。研究成果表明：GDI汽油机排气颗粒物除怠速工况外，均呈包括核态和积聚态的双峰分布，其中核态数量较多，积聚态数量较少，与气道喷射（PFI）汽油机相比，其质量浓度、表面积浓度以及积聚态数量在多数工况下均较高，采用稀混合气和推迟点火定时均可显著降低颗粒物数量，合理优化喷油定时和采用EGR技术均可降低积聚态颗粒物数量；GDI汽油机排气颗粒物主要由准球形基本碳粒子团聚而成，呈不规则几何形状，组成元素主要是碳（C）、氧（O）元素，另外还含有多种金属和非金属元素，且具有典型的自相似分形特性；颗粒相的PAHs排放中，4环结构PAHs排放量最高，其次是5环结构PAHs，两者之和占总PAHs排放量58.70%以上，2环结构PAHs排放量最少，不到总PAHs排放量的7.50%，采用稀混合气、提前喷油时刻和减小EGR均可降低总PAHs排放量；采用AVL-Fire软件建立的碳烟模型模拟结果显示，碳烟在火焰传播过程中经历了生成与氧化的过程，其形成与燃空当量比以及燃烧温度密切相关。本项目的研究成果对于揭示GDI汽油机颗粒物生成机理、演化历程以及应采用的排放控制手段具有重要意义。