不同工况下汽油车颗粒排放尺度特性的试验研究【字数：10344】
摘 要汽油车的颗粒物排放是大气污染物的主要来源，大多数颗粒物粒径在10nm以下，属于细颗粒物。随着环保要求的提高和排放法规的整体加严，控制颗粒物排放成为我们首要解决的问题。汽油车颗粒物的排放特性受多种因素的作用，其中工况条件对颗粒物的粒径大小、浓度等方面产生了显著的影响。本文以汽车工程学院实验室的汽油机为研究对象，通过宽范围粒径谱仪检测汽油机在不同转速和负荷条件下的排放特性。首先，从理论方面分析了汽油机颗粒物的生成机理，总结了转速和负荷两个因素对排放特性的影响过程，详细介绍了发动机不同的循环工况和粒径浓度的国家标准。然后，根据宽范围粒径谱仪检测发动机分别在1500-5500rpm和30%、60%、90%负荷下的粒径与浓度变化，记录并分析数据。
目 录
1绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 汽油机排放颗粒物的研究现状 2
1.2.1颗粒物的危害 2
1.2.2颗粒物的成分 2
1.2.3颗粒物的来源 2
1.3 汽油机颗粒物排放特性的评价标准 2
1.3.1颗粒物粒径 2
1.3.2颗粒物浓度 3
1.4 本课题主要研究内容 3
2汽油机颗粒物的生成机理及影响因素 4
2.1颗粒物的生成机理 4
2.2颗粒物排放特性的影响因素 4
2.2.1转速对颗粒物排放特性的影响 4
2.2.2负荷对颗粒物排放特性的影响 5
2.3本章小结 6
3工况评价体系与颗粒物分析方法 7
3.1工况条件分析及各项指标 7
3.1.1双怠速工况 7
3.1.2稳态工况（ASM） 7
3.1.3瞬态工况 8
3.2颗粒物特性分析方法 9
3.2.1浓度测量方法 9
3.2.2粒径测量方法 9
3.3本章小结 9
4试验研究方案设计和结果分析 10
4.1发动机试验台架 10
4.1.1试验发动机 10
4.1.2试验设备与仪器 10
4.1.3测功机 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
11
4.1.4宽范围粒径谱仪 13
4.1.5颗粒捕集设备 13
4.1.6颗粒采样设备 14
4.2转速对颗粒物排放特性的影响试验 15
4.2.1试验设计 15
4.2.2试验结果分析 15
4.3负荷对颗粒物排放特性的影响试验 16
4.3.1试验设计 16
4.3.2试验结果分析 16
4.4本章小结 17
5总结与展望 18
5.1全文总结 18
5.2工作展望 19
参考文献 20
致谢 21
1绪论
1.1 研究背景
当今，汽车颗粒物的排放已成为大气污染物的主要来源。随着我国经济社会的持续发展，人民的生活水平不断提高，我国的汽车特别是汽油车的保有量不断增加。颗粒物带来的环境问题日益突出，引起了人们对颗粒物排放特性的研究和关注。国外早已开展了对GDI汽油机尾气颗粒物排放研究，并且进行了可靠的结果分析。Maricq的团队研究表明[]，GDI发动机的颗粒物的质量排放根据发动机的运转状态而不同，并且表现出不同的排放性能。当发动机燃烧方式变为分层燃烧时，颗粒物排放数量增加了30多倍。Graskow等人对颗粒物的粒径分布进行了试验研究[]，得出的平均数浓度为108cm3，平均直径介于6888nm之间。Price等人研究表明[]，GDI汽油机颗粒物的排放特性与发动机运转参数例如空燃比、喷油定时和点火定时密切相关。2007年,牛津大学的Price等人对GDI汽油机排放颗粒物成分和微观形貌进行了研究分析。他们通过颗粒物排放快速分析仪与电子显微镜相结合对颗粒物形貌的研究发现,单颗粒物和凝聚态颗粒物的粒径分布存在很大的差异，结果表明，单颗粒物的粒径在2050nm之间，凝聚态颗粒物粒径则在200500nm之间。
目前国内学者对柴油机的颗粒物排放研究较多，有关GDI汽油机排气颗粒物的研究仍然较少。因此，为了降低汽油机尾气颗粒物排放带来的危害，需要对颗粒物排放特性进行专门的研究。
2012年，天津大学的潘锁柱研究了汽油机排放颗粒物的数量排放和粒径分布特性,GDI发动机的颗粒物主要以核态颗粒物为主，且其排放的数量和粒径受转速和负荷条件影响较大，因而表现出不同的形态特征，且催化器对颗粒物排放具有净化作用[]。
河北工业大学的许丹丹和张铁臣等人研究了GDI发动机在不同运行工况下的颗粒物排放特性。结果表明颗粒物的数量排放随着发动机转速升高而逐渐下降，并且负荷越大，这种变化越明显[]。发动机的外特性和速度特性下的颗粒物排放有很大的差异，且转速越高，差异越大。发动机在转速升高以后，缸内的进气量增加，混合气燃烧较为充分，颗粒物排放数量也就明显下降。发动机在高速工况下，由于各循环的工作时间短，燃油与空气没有充分混合，从而燃烧不充分，颗粒物排放数量增加。
1.2 汽油机排放颗粒物的研究现状
1.2.1颗粒物的危害
普遍认为，颗粒物对自然环境和人类健康构成了威胁，带来许多已知和潜在的危害。颗粒物带来的环境问题日益突出，颗粒物浓度过大，造成城市雾霾天数增加，使道路能见度下降，户外活动受到限制。气象学家和医学家表示，颗粒物带来的危害要比沙尘暴严重的多。由于颗粒物吸附了许多苯、硫酸盐等有害成分，因此具有强烈的致癌作用。大气颗粒物经过呼吸系统进入人体，粒径10μm以上的粗颗粒物可被人体呼吸道的绒毛阻挡，2.5μm以下的细颗粒物则完全被人体吸收而进入体内[]，这就增加了人们患肺癌、支气管炎等疾病的机率，颗粒物中含有的铅化物被人体大量吸收后即可引起铅中毒，造成贫血和肝功能损害等症状，严重的铅中毒可以导致肾炎发作，甚至导致人的直接死亡，直接影响人们的身体健康。
1.2.2颗粒物的成分
汽油机的颗粒物按照粒径可分为PM2.5和PM10，通常把粒径在10μm以下的颗粒物称为细颗粒物，其可分为核态颗粒物、积聚态颗粒物和粗态颗粒物三种[]。主要是直径小于1μm的固态物质和液态物质，在大气中表现形态主要以气溶胶和尘埃为主。其颗粒物主要成分有铅化物、硫酸盐和多种低分子物质，在一些情况下，还有碳烟排出。
1.2.3颗粒物的来源
一般认为，汽油机排出的铅化物主要是由于使用了含铅汽油，汽油中的含铅抗爆剂经过在气缸内的一系列燃烧后，最终以直径小于0.2μm的铅化物排出，多数留在了汽车的排气口，还有一部分则以颗粒形式活跃在大气中，目前含铅汽油基本上停止使用。
目 录
1绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 汽油机排放颗粒物的研究现状 2
1.2.1颗粒物的危害 2
1.2.2颗粒物的成分 2
1.2.3颗粒物的来源 2
1.3 汽油机颗粒物排放特性的评价标准 2
1.3.1颗粒物粒径 2
1.3.2颗粒物浓度 3
1.4 本课题主要研究内容 3
2汽油机颗粒物的生成机理及影响因素 4
2.1颗粒物的生成机理 4
2.2颗粒物排放特性的影响因素 4
2.2.1转速对颗粒物排放特性的影响 4
2.2.2负荷对颗粒物排放特性的影响 5
2.3本章小结 6
3工况评价体系与颗粒物分析方法 7
3.1工况条件分析及各项指标 7
3.1.1双怠速工况 7
3.1.2稳态工况（ASM） 7
3.1.3瞬态工况 8
3.2颗粒物特性分析方法 9
3.2.1浓度测量方法 9
3.2.2粒径测量方法 9
3.3本章小结 9
4试验研究方案设计和结果分析 10
4.1发动机试验台架 10
4.1.1试验发动机 10
4.1.2试验设备与仪器 10
4.1.3测功机 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
11
4.1.4宽范围粒径谱仪 13
4.1.5颗粒捕集设备 13
4.1.6颗粒采样设备 14
4.2转速对颗粒物排放特性的影响试验 15
4.2.1试验设计 15
4.2.2试验结果分析 15
4.3负荷对颗粒物排放特性的影响试验 16
4.3.1试验设计 16
4.3.2试验结果分析 16
4.4本章小结 17
5总结与展望 18
5.1全文总结 18
5.2工作展望 19
参考文献 20
致谢 21
1绪论
1.1 研究背景
当今，汽车颗粒物的排放已成为大气污染物的主要来源。随着我国经济社会的持续发展，人民的生活水平不断提高，我国的汽车特别是汽油车的保有量不断增加。颗粒物带来的环境问题日益突出，引起了人们对颗粒物排放特性的研究和关注。国外早已开展了对GDI汽油机尾气颗粒物排放研究，并且进行了可靠的结果分析。Maricq的团队研究表明[]，GDI发动机的颗粒物的质量排放根据发动机的运转状态而不同，并且表现出不同的排放性能。当发动机燃烧方式变为分层燃烧时，颗粒物排放数量增加了30多倍。Graskow等人对颗粒物的粒径分布进行了试验研究[]，得出的平均数浓度为108cm3，平均直径介于6888nm之间。Price等人研究表明[]，GDI汽油机颗粒物的排放特性与发动机运转参数例如空燃比、喷油定时和点火定时密切相关。2007年,牛津大学的Price等人对GDI汽油机排放颗粒物成分和微观形貌进行了研究分析。他们通过颗粒物排放快速分析仪与电子显微镜相结合对颗粒物形貌的研究发现,单颗粒物和凝聚态颗粒物的粒径分布存在很大的差异，结果表明，单颗粒物的粒径在2050nm之间，凝聚态颗粒物粒径则在200500nm之间。
目前国内学者对柴油机的颗粒物排放研究较多，有关GDI汽油机排气颗粒物的研究仍然较少。因此，为了降低汽油机尾气颗粒物排放带来的危害，需要对颗粒物排放特性进行专门的研究。
2012年，天津大学的潘锁柱研究了汽油机排放颗粒物的数量排放和粒径分布特性,GDI发动机的颗粒物主要以核态颗粒物为主，且其排放的数量和粒径受转速和负荷条件影响较大，因而表现出不同的形态特征，且催化器对颗粒物排放具有净化作用[]。
河北工业大学的许丹丹和张铁臣等人研究了GDI发动机在不同运行工况下的颗粒物排放特性。结果表明颗粒物的数量排放随着发动机转速升高而逐渐下降，并且负荷越大，这种变化越明显[]。发动机的外特性和速度特性下的颗粒物排放有很大的差异，且转速越高，差异越大。发动机在转速升高以后，缸内的进气量增加，混合气燃烧较为充分，颗粒物排放数量也就明显下降。发动机在高速工况下，由于各循环的工作时间短，燃油与空气没有充分混合，从而燃烧不充分，颗粒物排放数量增加。
1.2 汽油机排放颗粒物的研究现状
1.2.1颗粒物的危害
普遍认为，颗粒物对自然环境和人类健康构成了威胁，带来许多已知和潜在的危害。颗粒物带来的环境问题日益突出，颗粒物浓度过大，造成城市雾霾天数增加，使道路能见度下降，户外活动受到限制。气象学家和医学家表示，颗粒物带来的危害要比沙尘暴严重的多。由于颗粒物吸附了许多苯、硫酸盐等有害成分，因此具有强烈的致癌作用。大气颗粒物经过呼吸系统进入人体，粒径10μm以上的粗颗粒物可被人体呼吸道的绒毛阻挡，2.5μm以下的细颗粒物则完全被人体吸收而进入体内[]，这就增加了人们患肺癌、支气管炎等疾病的机率，颗粒物中含有的铅化物被人体大量吸收后即可引起铅中毒，造成贫血和肝功能损害等症状，严重的铅中毒可以导致肾炎发作，甚至导致人的直接死亡，直接影响人们的身体健康。
1.2.2颗粒物的成分
汽油机的颗粒物按照粒径可分为PM2.5和PM10，通常把粒径在10μm以下的颗粒物称为细颗粒物，其可分为核态颗粒物、积聚态颗粒物和粗态颗粒物三种[]。主要是直径小于1μm的固态物质和液态物质，在大气中表现形态主要以气溶胶和尘埃为主。其颗粒物主要成分有铅化物、硫酸盐和多种低分子物质，在一些情况下，还有碳烟排出。
1.2.3颗粒物的来源
一般认为，汽油机排出的铅化物主要是由于使用了含铅汽油，汽油中的含铅抗爆剂经过在气缸内的一系列燃烧后，最终以直径小于0.2μm的铅化物排出，多数留在了汽车的排气口，还有一部分则以颗粒形式活跃在大气中，目前含铅汽油基本上停止使用。
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