直喷汽油机颗粒物从一次排放到二次转化与演变的全程研究

The direct injection gasoline engine with its remarkable fuel economy has been more and more widely used, but it also faces a high challenge due to increased particulate matter emissions caused by poor mixture preparation. Because the combustion takes places in premixed conditions with oxygen-depleted, the formation of particles in terms of the process and ingredients are very different from those in the diesel engine, but studies to date for direct injection gasoline engine particulate matter are relatively small, without involving the mechanism of evolution from the engine cylinder to the atmosphere during the whole process of particulate matter transport. Establishing an interdisciplinary research platform and taking advantages of collaboration crossing the teams specialized in related subjects, this research project will investigate and reveal the primary and secondary particulate matter formation and evolution in the whole process with direct injection gasoline engines using experiment research and numerical simulation methods. The improved understanding of the particulate matter emissions and development of relevant mathematical models will provide a theoretical basis and technological means for advanced direct-injection gasoline engine design and optimization of the comprehensive atmospheric pollution prediction and reduction.

直喷汽油机以其显著的节油效果得到了越来越广泛的应用，但同时也面临混合气不均匀导致颗粒物排放高的挑战。由于其燃烧发生在预混贫氧条件下，颗粒物的形成过程和组份与柴油机有很大不同，但迄今为止对于直喷汽油机颗粒物形成的研究却相对较少，对于从缸内到大气过程中颗粒物全过程的演变机理研究仍是空白。所以，本项目拟组建发动机燃烧学、颗粒物动力学以及大气环境学的交叉合作团队，应用数值模拟、光学诊断和热机试验相结合的技术手段，将汽油机颗粒物的排放过程划分为缸内颗粒物形成、颗粒物在排气系统内的演化、颗粒物及气态排放物在近排气口区域的演变、汽油机尾气气态排放物在大气中的演化四个阶段，开展直喷汽油机一次、二次颗粒物形成和演化全过程的研究，揭示其演变转化机理，分析其主要影响因素，建立其生成和演变全过程的数理模型，从而为研发更高效清洁的直喷汽油机提供理论基础，为更有效的治理和降低机动车尾气排放供理论依据。

直喷汽油机因缸内混合气不均导致其颗粒物排放高。本项目针对直喷汽油机缸内的颗粒物形成和从缸内到大气过程中颗粒物全过程的演变机理开展了研究工作，采用数值模拟、光学诊断和发动机试验相结合的技术手段，解析了汽油机颗粒物从缸内形成到大气中演化的全过程。.所获得的重要成果和结论包括：.1）获取了高背压条件下汽油表征燃料的多环芳烃和碳烟的生成特性，构建了适用于高背压环境的化学反应机理。.2）分析了直喷汽油机喷油器积碳形成的影响因素，解析了积碳对颗粒物排放的影响规律。.3）获得了乙醇等掺混燃料的颗粒物排放的规律，发现燃油撞壁产生池火燃烧是乙醇掺混导致碳烟排放增加的重要条件，提出了遏制乙醇等掺混燃料颗粒物排放恶化的指导性建议。.4）构建了颗粒物和气态排放物在排气环境下演化、相互作用及转化的数学模型。.5）建立了TWC（三效催化器）和GPF（汽油颗粒物捕集器）对颗粒物作用的模型，解决了颗粒物在排气管道中的演变问题。.6）获得了汽油机颗粒物及气态排放物在近排气口区域的演变机理，阐明了二次颗粒物的形成机制和数量变化规律。.7）构建了机动车排放生成SOA(二次有机气溶胶)的参数化模型，得到了汽油车排放的SOA潜势的影响因素。.8）获取了汽油车排放生成SOA的定量演变特征，提出了SOA生成过程的参数化表征方案。.9）分析了不同条件下机动车排放对实际大气SOA的贡献，发现冬季机动车对大气OA（有机气溶胶）的贡献约为1/3。.本研究解析了颗粒物从发动机燃烧室到大气的生成及演变的全过程，为研发更高效清洁的直喷汽油机提供理论基础，为机动车污染物减排政策的制定提供了指导性建议，对冬季大气环境治理意义重大，总体上达到了项目的预期目标。