随着能源与环境问题的日益突出，减少内燃机的燃油消耗和降低排放已成为当前的研究热点，为了达到这个目标，GDI成为目前汽油机未来发展最有前景的技术之一，由于GDI汽油机直接将燃油喷入缸内，燃油蒸发吸热降低了缸内的混合气温度，而且GDI汽油机油气混合的时间较短，容易产生湿壁问题和油气混合不均匀的区域，这些都会导致GDI汽油机比PFI汽油机颗粒物排放的增多(Ericsson et al., 2008; Braisher et al., 2010).在欧五排放标准中就已经对GDI汽油机颗粒物质量排放进行了限制，并且将在欧六排放标准中对汽油机颗粒物的数量排放进行限制(Myung and Park， 2012).为了减小机动车排放颗粒物对环境的污染以及满足日益严格的法规要求，未来的GDI汽油机需要进行细致的优化以达到降低颗粒物质量和数量排放的目的.

为了实现低颗粒物排放除了需要在发动机结构设计上优化以外，还需要对燃油喷射时刻、喷射压力等控制参数进行细致的优化，并且合理添加利用醇类等不易生成颗粒物的替代燃料，优化油气混合过程和燃烧过程.He等(2012)在一台GDI汽油机上研究了发动机运行参数对颗粒物数量排放的影响规律以及优化措施，并且研究了汽油乙醇混合燃料对颗粒物数量排放的影响规律，Price等(2007)在一台GDI汽油机上研究了汽油添加不同比例的甲醇和乙醇燃料对颗粒物数量排放的影响.正丁醇作为新一代非常有潜力的替代燃料，相比乙醇而言具有一些优势，如低热值较高，不易溶于水以便于运输等(Jin et al，2011)，Deng等(2013)在一台PFI汽油机上研究了汽油添加正丁醇燃料对爆震和HC、CO、NO_x等排放的影响，Szwaja等(2010)在一台可变压缩比的单缸PFI发动机上研究了不同配比的正丁醇汽油混合燃料的燃烧特性，然而汽油添加正丁醇燃料对GDI汽油机颗粒物排放的影响还需要进一步的研究.采用外部冷却EGR技术，在部分负荷工况下可以提高GDI汽油机的燃油经济性，可以有效降低缸内的燃烧温度，降低NO_x排放(Zhang et al., 2014)，在低速满负荷工况下可以提高发动机的抗爆性(Hoepke et al., 2012)，而且可以降低混合气的加浓程度，降低GDI汽油机颗粒物排放(Hedge et al., 2011).在城市道路，由于汽油机大部分时间运行于部分负荷工况，为了能够更好的使用醇类燃料和EGR技术来降低颗粒物排放，研究部分负荷工况下汽油添加乙醇和正丁醇并且结合EGR技术对颗粒物排放特性的影响必不可少.

试验发动机为一台4缸直喷汽油机，其主要参数如表 1.

表 1(Table 1)

表 1 发动机主要参数 Table 1 Engine specifications

表 1 发动机主要参数 Table 1 Engine specifications 发动机型式 缸径/mm 冲程/mm 压缩比 排量/L 直列4缸 82.5 84.2 9.6 1.8

控制系统可实现对点火时刻、喷油时刻、喷油脉宽、喷油压力等参数的独立控制，采用电控EGR阀，可灵活准确控制EGR率，通过测量进、排气总管中的CO₂体积分数，可以根据公式(1)计算得到EGR率.

表 2和图 1列出了试验所使用的主要仪器和设备.HC与EGR率测量使用Horiba公司的MEXA-7100DEGR型气体排放分析仪，其中HC排放采用加热氢火焰离子化分析仪(flame ionization detector，FID)测量，FID分析仪对含氧燃料的HC排放敏感度低，通常HC测量值比实际值偏低.因此，用FID方法直接测量到的醇类汽油混合燃料的HC排放需要通过如下公式进行修正，即实际HC浓度(C_THC)为(Wallner，2011)：

表 2(Table 2)

表 2 芦苇生态特征及水盐因子的统计学参数 Table 2 Descriptive statistical parameters of the ecological characteristics of Phragmites australis and water-salt indicators

表 2 芦苇生态特征及水盐因子的统计学参数 Table 2 Descriptive statistical parameters of the ecological characteristics of Phragmites australis and water-salt indicators 名称 型号 厂家 瞬态油耗测量仪 FCM 03 杭州奕科机电技术有限公司 空燃比仪 LA4-4.9 德国ETAS公司 气体排放分析仪 MEXA-7100DEGR 日本Horiba公司 缸压传感器 6117BFD16 瑞士KISTLER公司 快速型微粒光谱仪 DMS500 SKII 英国Cambustion公司

图 1(Fig.1)

图 1 发动机及测试仪器系统图 Fig.1 Schematic diagram of engine and test apparatus

经计算，E20和Bu20的RF 值分别为0.9578和0.9554.

颗粒物基于数量浓度的粒径分布测量使用DMS500 SKII快速性微粒光谱仪，图 2表示的是废气采样稀释系统原理图，为了防止在取样系统中水蒸气冷凝和减小半挥发性有机物的成核作用，采样系统使用两级稀释，一级稀释比设置为5 ∶ 1，二级稀释比设置为100 ∶ 1，第一级稀释气体被加热到130℃左右，排气采样流量为8.0 L · min^-1，为了保证测量结果的可比性，稀释比保持一致.DMS500 SKII型快速颗粒光谱仪测得颗粒物基于数量浓度的粒径分布后，便可由其计算得出颗粒物基于体积浓度的粒径分布，颗粒物基于数量浓度、体积浓度的粒径分布通常以对数正态坐标表示，即横坐标为logD_p，纵坐标为dN/dlogD_p、dV/dlogD_p.

数量浓度表示的是单位体积样品气体中颗粒物的数量(个· cm^-3)，体积浓度表示的是单位体积样品气体中颗粒物的体积(μm³ · cm^-3)，体积浓度计算假设所有颗粒物是规则的球体，体积浓度可以作为质量浓度的替代，两者具有相同的变化趋势(Hedge et al., 2011)，基于体积浓度的粒径分布计算公式(Price et al., 2006)如下：

图 2(Fig.2)

图 2 废气采样稀释系统原理图 Fig.2 Schematic of exhaust sampling system

试验燃料为国四标准93^#商用汽油、E20、Bu20，其中E20和Bu20表示的是乙醇和正丁醇与汽油按体积配比，其中醇类占混合燃料体积比为20%.汽油、乙醇、正丁醇的燃料特性见表 3.

表 3(Table 3)

表 3 燃料特性 Table 3 Fuel properties(Venugopal and Ramesh， 2014; Daniel et al., 2012)

表 3 燃料特性 Table 3 Fuel properties(Venugopal and Ramesh， 2014; Daniel et al., 2012) 参数 汽油 乙醇 正丁醇 C，H，O成分比例(质量分数) 86%，14%，0 52%，13%，35% 65%，13.5%，21.5% 密度/(kg·m-3) 744.6 790.9 811 低热值/(MJ·kg-1) 43.02 26.9 33.1 空燃比/(kg·kg-1) 14.7 8.97 11.2 蒸发潜热(25 ℃)/(kJ·kg-1) 380~500 904 716 沸点/℃ 25~215 78 118 自燃温度/℃ ~300 425 385 火焰传播速度(T=393 K，P=100 kPa，Φ=1.1)/(cm·s-1) ~52 ~63 ~57

所有的试验点均严格控制发动机运行测试过程中的边界条件，转速1500 r · min^-1、平均有效压力0.52 MPa的工况保持不变，改变EGR率，所有测试点的过量空气系数均为1，点火角为最大扭矩对应的点火角(MBT点).发动机主要运行控制参数见表 4.

表 4(Table 4)

表 4 发动机运行参数 Table 4 Engine operation conditions

表 4 发动机运行参数 Table 4 Engine operation conditions 冷却水温度/℃ 机油温度/℃ 进气温度/℃ 喷射时刻/(°CA BTDC) 喷射压力/MPa 79±1 85±1 30±1 280 8.4

机动车排气颗粒物一般认为是由挥发性和非挥发性的物质混合形成的复杂混合物，按其粒子直径尺寸的大小主要分为两类：核态颗粒物和积聚态颗粒物.核态颗粒物典型粒径范围一般小于20 nm，主要是发动机燃烧过程中所产生的硫酸盐、半挥发性烃类等物质；聚集态颗粒物典型粒径范围一般大于20 nm，主要由发动机燃烧过程中生成的基础碳烟粒子通过团聚和吸附HC、金属灰烬和硫酸盐等物质形成(Lee et al., 2012).而研究显示大部分挥发性物质组成的核态颗粒物可以在三效催化器中被氧化掉(Hedge et al., 2011; Braisher et al., 2010).

图 3a表示的是3种燃料有效燃油消耗率随EGR率变化的规律，图中EGR_x代表的是EGR率为x%，可以看出在0到20%EGR率的变化范围内，随着EGR率的增加，汽油的有效燃油消耗率由379 g · kWh^-1降低到354 g · kWh^-1，降幅达6.6%，E20的有效燃油消耗率由409 g · kWh^-1降低到376 g · kWh^-1，降幅达8.07%，Bu20的有效燃油消耗率由394.7 g · kWh^-1降低到372 g · kWh^-1，降幅达5.75%.分析其原因，随着EGR率的增大，进气管中废气的比例不断增加，为了保证缸内空燃比和扭矩的一定，需要增大节气门增加进气量，这将导致泵气损失的降低，有效燃油消耗率因此降低.在整个EGR率变化范围内，汽油燃料的燃油消耗率最低，Bu20燃料要高出3.5%~4.4%，E20燃料要高出6.2%~7.7%，其原因是乙醇的低热值最低，正丁醇的低热值介于乙醇和汽油之间，由于转速扭矩一定，低热值低的燃料需要消耗更多的燃料.

图 3(Fig.3)

图 3 不同燃料和EGR率下的有效燃油消耗率(a)和当量汽油有效燃油消耗率(b) Fig.3 BSFC(a) and Gasoline Equivalent BSFC(b)under different EGR rates and fuels

为了更好的比较不同低热值燃料之间的有效热效率，把混合燃料的低热值折算为汽油的低热值，引入了当量汽油有效燃油消耗率(Gasoline Equivalent BSFC)的定义：

图 3b表示的是折算成汽油低热值的当量汽油有效燃油消耗率，由图可知，折算后3种燃料之间的当量汽油有效燃油有效热效率相差较小，在EGR率为0的工况，汽油和Bu20燃料的当量汽油有效燃油消耗率相差最大为4.95 g · kWh^-1，约1.3%.E20、Bu20燃料的当量汽油有效燃油消耗率要略低于汽油，这主要是提前的点火时刻造成的.

图 4表示的是在不同EGR率下汽油、Bu20、E20的颗粒物数量粒径分布和总数浓度的变化规律.从测试结果可知，核态颗粒物有一个峰，峰值粒径为7 nm左右，积聚态颗粒物有两个峰，峰值粒径分别为30 nm和100 nm左右，GDI汽油机颗粒物数量排放中以核态颗粒物排放为主，汽油、Bu20、E20核态颗粒物的比例分别超过65.0%、68.0%、66.7%.随着EGR率的增加，核态颗粒物数浓度呈升高趋势，核态颗粒物的峰值粒径无明显变化.

图 4(Fig.4)

图 4 不同燃料和EGR率下颗粒物数量浓度排放特性 Fig.4 Particle number concentration emission under different EGR rates and fuels

在0到20%EGR率变化范围内，随着EGR率的不断增加，核态颗粒物数浓度呈升高趋势，其中汽油燃料由5.7×10⁷ 个· cm^-3升高到7.5×10⁷ 个· cm^-3，升高31.6%，E20燃料由1.0×10⁷ 个· cm^-3升高到2.1×10⁷ 个· cm^-3，升高110.0%，Bu20燃料由2.0×10⁷ 个· cm^-3升高到3.1×10⁷ 个· cm^-3，升高55.0%.在0到20%EGR率变化范围内，随着EGR率的不断增加，积聚态颗粒物数浓度逐渐降低，汽油燃料由2.1×10⁷ 个· cm^-3降低到1.64×10⁷ 个· cm^-3，降幅达21.9%，E20燃料由4.8×10⁶ 个· cm^-3降低到3.4×10⁶ 个· cm^-3，降幅达29.2%，Bu20燃料由9.3×10⁶ 个· cm^-3降低到5.5×10⁶ 个· cm^-3，降幅达40.9%.

造成GDI汽油机颗粒物排放高的主要原因是各种因素导致的油气混合不均，过浓区域在高温条件下生成颗粒物(Myung and Park， 2012; Whitaker et al., 2011)，因此其生成主要受到两方面因素的制约：局部氧浓度和燃烧温度.颗粒物的生成与燃烧过 程有很大关系，图 5为汽油燃料缸内燃烧温度随 EGR率变化的规律，随着EGR率的增加，缸内的燃烧温度降低，主要原因是EGR的引入增加了混合气的比热容比(Hoepke， et al.， 2012)，导致了燃烧温度的降低，燃烧温度的降低减弱了缸内高温缺氧区域燃油的热裂解和脱氢反应，基础碳烟的生成受到了抑制.但是，随着EGR率的增加，后期燃烧的温度降低，减弱了燃烧后期对颗粒物的氧化作用，不利于降低积聚态颗粒物排放.从最终结果来看，燃烧温度降低对颗粒物生成作用的影响要大于后期氧化作用的减弱.

图 5(Fig.5)

图 5 EGR对缸内燃烧温度的影响 Fig.5 Combustion temperature versus EGR rates

核态颗粒物生成量与燃烧过程中HC等排放有很大关系，随着EGR率的增加，后期燃烧温度降低，减弱了对HC的氧化作用，HC的排放逐渐增加(如图 6)，HC等物质团聚成核的几率增大，同时由于积聚态颗粒物随着EGR率的增加逐渐降低，积聚态颗粒物的吸附面积逐渐减小，减弱了对HC以及核态颗粒物等物质的吸附作用，以上两方面的作用导致了核态颗粒物随EGR率变化的规律.

图 6(Fig.6)

图 6 EGR对HC排放的影响 Fig.6 HC emission versus EGR rates

从图 4结果分析可知，添加乙醇和正丁醇燃料有利于降低颗粒物数量排放，在0 EGR率工况下，核态颗粒物的排放总数浓度汽油燃料为5.7×10⁷ 个· cm^-3，Bu20燃料为2.0×10⁷ 个· cm^-3，E20燃料为1.0×10⁷ 个· cm^-3，和汽油相比，Bu20燃料和E20 燃料的降幅分别达64.9%和82.4%； 积聚态颗粒物 的排放总数浓度汽油燃料为2.1×10⁷ 个· cm^-3，Bu20燃料为9.3×10⁶ 个· cm^-3，E20燃料为4.8×10⁶ 个· cm^-3，和汽油燃料相比，Bu20燃料和E20燃料的降幅分别达56.0%和77.0%.其主要原因一方面是醇类燃料相对于汽油来说不易生成颗粒物，添加醇类燃料替代了部分的汽油，减少了碳烟生成的来源； 另一方面，醇类燃料结构中所含的氧原子同样也会抑制颗粒物的生成(Esarte et al., 2012)，以上两方面的作用导致了含醇混合燃料颗粒物排放的降低.部分负荷工况条件下，在降低颗粒物排放方面，E20燃料要比Bu20燃料更有优势，其原因在于E20燃料的含氧量要高于Bu20.

图 7表示的是不同EGR率下汽油、E20、Bu20的颗粒物体积浓度粒径分布，从以上结果分析可知，虽然核态颗粒物的排放数量占了颗粒物总排放数量的大部分，但是其在体积浓度中所占比例较小，积聚态颗粒物在体积浓度中占较大比例.随着EGR率的增加，颗粒物排放的体积浓度不断降低，在0到20%EGR率变化范围内，汽油燃料颗粒物体积浓度排放由23773 μm³ · cm^-3降低到13105 μm³ · cm^-3，降幅达45.0%，E20燃料的颗粒物体积浓 度排放由5131 μm³ · cm^-3降低到2311 μm³ · cm^-3，降幅达55.0%，Bu20燃料的颗粒物体积浓度排放由11404 μm³ · cm^-3降低到7233 μm³ · cm^-3，降幅达36.6%.在0 EGR率工况下，相对于汽油燃料而言，E20燃料和Bu20燃料颗粒物体积浓度排放降幅分别达78.4%、52.0%.由于积聚态颗粒物在体积浓度中所占比例较大，颗粒物体积浓度的变化规律与积聚态颗粒物数浓度的变化规律相似.

图 7(Fig.7)

图 7 不同燃料和EGR率下颗粒物体积浓度排放特性 Fig.7 Particle volume concentration emission for different EGR rates and fuels

1)EGR的引入降低了燃烧温度，抑制了基础碳烟颗粒的生成，积聚态颗粒物的数量浓度和体积浓度排放降低，但是由于HC排放的增加，核态颗粒物的数量浓度排放有所增加，在0 EGR率到20%EGR率变化范围内，对于汽油、E20、Bu20 3种燃料而言，核态颗粒物数量浓度最大升幅为31.6%、110.0%、55.0%，积聚态颗粒物数量浓度最高降幅分别达21.9%、29.2%、40.9%，体积浓度最高降幅分别达45.0%、55.0%、36.6%.

2)添加醇类燃料一方面替代了部分的汽油燃料，减少了颗粒物生成的来源，另一方面由于醇类燃料中氧原子的作用抑制了颗粒物的生成，颗粒物的数量浓度和体积浓度排放降低，在0 EGR率工况下，E20、Bu20燃料核态颗粒物数量浓度降幅分别达82.4%、64.9%，积聚态数量浓度降幅分别达77.0%、56.0%，体积浓度降幅分别达78.4%、52.0%，在降低颗粒物方面，汽油添加同比例乙醇的效果要优于正丁醇.