進(jìn)氣溫度對(duì)缸內(nèi)直噴汽油機(jī)微粒生成過(guò)程影響研究

劉宇　李君

摘 要：該文通過(guò)對(duì)某475GDI發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和仿真計(jì)算，分析不同進(jìn)氣溫度對(duì)微粒生成過(guò)程的影響規(guī)律。研究表明當(dāng)進(jìn)氣溫度為30 ℃時(shí)，微粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，進(jìn)氣溫度升高或降低微粒瞬時(shí)生成質(zhì)量均增加。進(jìn)氣溫度過(guò)低，整個(gè)燃燒室內(nèi)溫度降低，不利于燃料霧化和與周圍空氣迅速混合；進(jìn)氣溫度過(guò)高盡管燃料霧化蒸發(fā)速度變快，理論上宜于降低微粒，但霧化蒸發(fā)速度過(guò)快使燃燒初級(jí)速度加快，缸內(nèi)溫度升高，微粒來(lái)不及氧化消失而導(dǎo)致微粒質(zhì)量增加。缸內(nèi)平均壓力、缸內(nèi)溫度隨著進(jìn)氣溫度的升高而逐漸升高。適當(dāng)較高的進(jìn)氣溫度能夠促進(jìn)燃油的蒸發(fā)霧化使其更好地與空氣進(jìn)行混合，降低微粒生成。

關(guān)鍵詞：微粒 進(jìn)氣溫度 GDI發(fā)動(dòng)機(jī) 仿真計(jì)算

中圖分類號(hào)：TK421.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）12（a）-0115-05

Abstract：In this paper，through mathematical modeling and Simulation of a 475 GDI engine，to analyze the effect of different intake temperature on the particle formation process.The results showed that the mass fraction of particles is minimum when the inlet temperature is 30 degrees centigrade.The quality of generated particle instantaneous increase with intake air temperature increased or decreased.Too low intake air temperature is bad for fuel atomization and mixing with the surrounding air.And unoxidized particle lead particle mass increase if intake air temperature is too high.The temperature and pressure of cylinder increased gradually with the increase of intake temperature.The appropriate higher inlet temperature can promote the atomization and evaporation of fuel make mixed well with the air，reducing particle generation.

Key Words：Particulate；Intake air temperature；GDI Engine；Simulation

由于GDI發(fā)動(dòng)機(jī)將燃油直接噴射入氣缸內(nèi)，并利用缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)使燃油蒸發(fā)，而燃油蒸發(fā)一定程度上降低了缸內(nèi)整體溫度，間接提高了發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率，進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。但GDI發(fā)動(dòng)機(jī)由于其燃油供給方式與柴油機(jī)類似，就導(dǎo)致相較于傳統(tǒng)汽油機(jī)微粒排放增加，并且GDI汽油機(jī)所排放的微粒粒徑更小、數(shù)量更多，對(duì)人體的危害也更大。

燃油缸內(nèi)霧化蒸發(fā)程度直接影響微粒物排放，而GDI發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度直接影響缸內(nèi)燃油的蒸發(fā)霧化過(guò)程。現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)GDI發(fā)動(dòng)機(jī)多采用渦輪增壓+進(jìn)氣中冷的進(jìn)氣方式。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)艙環(huán)境溫度變化或經(jīng)過(guò)中冷器的冷卻液溫度發(fā)生變化均會(huì)導(dǎo)致實(shí)際進(jìn)入氣缸的進(jìn)氣溫度發(fā)生變化，最終導(dǎo)致燃油霧化蒸發(fā)及微粒排放發(fā)生變化。而現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外對(duì)于增壓中冷式GDI發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度變化對(duì)微粒排放的影響鮮有報(bào)道。因此該文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)某款475GDI發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和FIRE軟件仿真計(jì)算，研究不同進(jìn)氣溫度對(duì)GDI發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)微粒生成過(guò)程的影響。

1 仿真模型的建立與驗(yàn)證

文中選擇現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)乘用車市場(chǎng)廣泛使用的475-1.4T GDI發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行仿真建模，該汽油機(jī)基本參數(shù)如表1所示。

此文的研究過(guò)程集中于GDI汽油機(jī)的進(jìn)氣、燃料混合蒸發(fā)及燃燒過(guò)程，為了降低仿真模型網(wǎng)格數(shù)量，縮短計(jì)算所用時(shí)間，仿真模型主要包括燃燒室以及進(jìn)氣道兩部分，其中燃燒室由活塞頂部凹坑以及氣缸蓋上的燃燒室兩部分組成。生成的三維模型如圖1所示。

文中采用AVL FIRE中的導(dǎo)入式劃分方法，將.stl格式的面網(wǎng)格文件導(dǎo)入FIRE中，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行自動(dòng)化分并進(jìn)行局部細(xì)化，網(wǎng)格形狀可選，最終得到計(jì)算所需要的非結(jié)構(gòu)化混合網(wǎng)格。這種網(wǎng)格劃分方式適用于曲面交角較多的復(fù)雜模型（如圖2所示）。模型導(dǎo)入完成后，根據(jù)計(jì)算需要對(duì)網(wǎng)格尺寸進(jìn)行設(shè)置，最大網(wǎng)格尺寸設(shè)置為2 mm。由于進(jìn)氣門和氣門座處形狀和氣流運(yùn)動(dòng)狀況都較為復(fù)雜，因此對(duì)此區(qū)域進(jìn)行細(xì)化，設(shè)置最大網(wǎng)格尺寸為0.25 mm。由于燃燒過(guò)程是此文主要分析的部分，這一部分要保證較好的網(wǎng)格質(zhì)量來(lái)保證計(jì)算精度，因此設(shè)置燃燒室的最大網(wǎng)格尺寸為1 mm。

文章采用仿真計(jì)算缸壓與臺(tái)架試驗(yàn)示功圖相對(duì)比進(jìn)行模型校正。校模工況選擇2 000 r/min，80 N·m。對(duì)比結(jié)果如圖3所示：吻合度高于95%，認(rèn)定該模型符合模擬仿真計(jì)算要求。

2 點(diǎn)火時(shí)刻對(duì)微粒生成過(guò)程影響研究

仿真工況選擇上節(jié)介紹的校模工況，校模工況原機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)得經(jīng)中冷器后進(jìn)入氣缸的進(jìn)氣溫度為30 ℃。因此，在保持噴油時(shí)刻、點(diǎn)火時(shí)刻等其他參數(shù)不變，以5 ℃為間隔分別升高和降低設(shè)定進(jìn)氣溫度為35 ℃、40 ℃、25 ℃和20 ℃。

圖4微粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)仿真計(jì)算結(jié)果得到不同進(jìn)氣溫度條件下微粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖。整個(gè)微粒生成過(guò)程中質(zhì)量分?jǐn)?shù)從整體上呈單峰分布。進(jìn)氣溫度從20 ℃升高至40 ℃，微粒質(zhì)量峰值呈現(xiàn)先降低再升高的過(guò)程。當(dāng)進(jìn)氣溫度為30 ℃時(shí)，微粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低為4.54E-06。進(jìn)氣溫度升高或降低微粒瞬時(shí)生成質(zhì)量均增加。主要因?yàn)檫M(jìn)氣溫度過(guò)低，整個(gè)燃燒室內(nèi)溫度降低，不利于燃料霧化和與周圍空氣迅速混合；進(jìn)氣溫度過(guò)高，盡管燃料霧化蒸發(fā)速度變快，理論上宜于降低微粒，但霧化蒸發(fā)速度過(guò)快將導(dǎo)致燃燒過(guò)程發(fā)生變化，微粒質(zhì)量增加（后文燃燒過(guò)程分析中詳述）。

圖5是不同進(jìn)氣溫度下微粒數(shù)量濃度分布：隨著曲軸轉(zhuǎn)角的變化，微粒數(shù)量濃度均呈現(xiàn)雙峰生成過(guò)程。燃燒初始階段微粒大量生成隨后迅速下降，燃燒進(jìn)入中后期微粒生成數(shù)量小幅增加后逐漸氧化消失。進(jìn)氣溫度對(duì)微粒數(shù)量生成過(guò)程影響不大，但進(jìn)氣溫度為30 ℃時(shí)燃燒初始過(guò)程微粒數(shù)量峰值最低，但燃燒中后期第二個(gè)微粒數(shù)量峰值卻最高，且微粒數(shù)量生成時(shí)間最長(zhǎng)，這與燃料初期霧化混合過(guò)程有關(guān)。

不同進(jìn)氣溫度缸內(nèi)微粒瞬時(shí)生成質(zhì)量分布情況如圖6所示：不論進(jìn)氣溫度如何變化，缸內(nèi)微粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布整體無(wú)變化，并且在燃燒初期（如圖中所示的25°CA ATDC處）缸內(nèi)整體微粒含量都比較低。而隨著燃燒的不斷進(jìn)行，在燃燒的中后期（如45°CA ATDC和65°CA ATDC），則在燃燒室的鼻梁區(qū)以及右側(cè)出現(xiàn)少量微粒。

而對(duì)比不同進(jìn)氣溫度，當(dāng)進(jìn)氣溫度為30 ℃時(shí)缸內(nèi)微粒生成質(zhì)量一直維持在較低水平，雖然在45°CA ATDC也能在左側(cè)鼻梁區(qū)發(fā)現(xiàn)有較小區(qū)域的微粒質(zhì)量較高現(xiàn)象，但是相比較其他4種進(jìn)氣溫度，其區(qū)域最小并且持續(xù)時(shí)間最短，這也說(shuō)明在當(dāng)進(jìn)氣溫度為30 ℃時(shí)缸內(nèi)整體微粒生成質(zhì)量最低圖7為不同進(jìn)氣溫度條件下的微粒數(shù)量濃度分布情況圖。從5組圖中能夠發(fā)現(xiàn)一個(gè)統(tǒng)一的規(guī)律，即在燃燒初期（20 °CA ATDC）時(shí)，缸內(nèi)的微粒數(shù)量濃度高的區(qū)域面積較大，而隨著燃燒的不斷進(jìn)行，這一區(qū)域逐漸變小，說(shuō)明微粒數(shù)量隨著燃燒過(guò)程的不斷持續(xù)而下降，也就在一定程度上說(shuō)明燃燒進(jìn)行過(guò)程中微粒處于不斷被氧化分解的過(guò)程。并且可以發(fā)現(xiàn)微粒數(shù)量較高的區(qū)域主要集中在燃燒室左右兩側(cè)靠近氣缸壁的區(qū)域，主要原因是在這兩個(gè)區(qū)域內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)較差，燃油混合氣形成得不均勻，相比中心區(qū)域混合氣濃度較高。

3 混合氣濃度對(duì)缸內(nèi)燃燒過(guò)程影響研究

圖8是進(jìn)氣溫度條件下缸內(nèi)的平均壓力分布曲線。隨著進(jìn)氣溫度從20 ℃升高到40 ℃，缸內(nèi)平均壓力的峰值逐漸升高；缸內(nèi)壓力峰值所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角則是呈現(xiàn)了逐漸提前的趨勢(shì)。進(jìn)氣溫度過(guò)高，燃油盡管霧化蒸發(fā)速度加快，但后續(xù)燃燒初始過(guò)程缸內(nèi)壓力升高率增加，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力升高，缸內(nèi)燃燒溫度升高，快速生成的微粒來(lái)不及迅速氧化消失，導(dǎo)致微粒生成質(zhì)量增加。這也解釋了上文進(jìn)氣溫度過(guò)高導(dǎo)致微粒瞬時(shí)生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加的規(guī)律。

圖9缸內(nèi)溫度隨進(jìn)氣溫度變化規(guī)律與缸內(nèi)壓力變化規(guī)律類似。缸內(nèi)溫度的峰值隨著進(jìn)氣溫度的升高而升高，其峰值所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角也逐步提前。主要表現(xiàn)為，隨著進(jìn)氣溫度的升高，缸內(nèi)的混合氣霧化蒸發(fā)速度增加，著火延遲期縮短，燃燒速度加快，相應(yīng)缸內(nèi)溫度增加，而這個(gè)過(guò)程并不利于微粒排放降低。

圖10為不同進(jìn)氣溫度條件下缸內(nèi)濃度場(chǎng)分布情況。結(jié)果表明，產(chǎn)生較多微粒的區(qū)域同時(shí)也是混合氣局部較濃的區(qū)域。說(shuō)明無(wú)論進(jìn)氣溫度高低，氣缸內(nèi)均無(wú)法形成完全均勻的混合氣，在燃燒室的左側(cè)鼻梁區(qū)以及右側(cè)部分區(qū)域混合氣濃度較高，同時(shí)由于氣流運(yùn)動(dòng)使得部分燃油發(fā)生著壁現(xiàn)象，而隨著燃燒繼續(xù)，缸內(nèi)溫度上升并伴隨著較快的下行氣流，促使著壁的燃油進(jìn)一步揮發(fā)。隨著進(jìn)氣溫度升高，一定程度上使左側(cè)鼻梁區(qū)的燃油的蒸發(fā)程度提高，但若要進(jìn)一步減少著壁油量，則需更好地配合氣流運(yùn)動(dòng)。

從溫度場(chǎng)圖11結(jié)果表明：在燃燒初期，缸內(nèi)溫度明顯高于燃燒中后期，這是因?yàn)榇藭r(shí)有大量的可燃混合氣迅速燃燒，但在燃燒室左側(cè)鼻梁區(qū)和右側(cè)壁面處氣體溫度較低，右側(cè)壁面處這一情況更為明顯，結(jié)合剛剛對(duì)濃度場(chǎng)的分析可以看到，氣體溫度較低區(qū)域剛好與燃油濃度較高區(qū)域相一致。

對(duì)比這5組缸內(nèi)溫度場(chǎng)可以發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)氣溫度為30 ℃時(shí)燃燒室中心高溫區(qū)域最大，且持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)。而燃燒初期的高溫會(huì)使缸內(nèi)較濃混合氣變成微粒物。但隨著燃燒的進(jìn)行，持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)的高溫區(qū)域則有利于在初期產(chǎn)生的微粒物進(jìn)行氧化分解，這也就是為什么燃燒中后期微粒物數(shù)量降低的原因。同時(shí)由于缸內(nèi)較高的溫度和較強(qiáng)的氣流運(yùn)動(dòng)促進(jìn)了較濃混合氣的進(jìn)一步蒸發(fā)并在燃燒中期也存在較濃的混合氣區(qū)域，而此時(shí)缸內(nèi)溫度降低并不利于微粒物自身的氧化分解，因此在這一段時(shí)間內(nèi)微粒的數(shù)量濃度上升，但總體質(zhì)量并沒有增高。而隨著燃燒的繼續(xù)進(jìn)行，微粒物在燃燒室內(nèi)發(fā)生少量的氧化分解以及相互吸附結(jié)合，使得總體微粒數(shù)量濃度進(jìn)一步降低，這也解釋了上文圖5微粒數(shù)量濃度的變化規(guī)律。

4 結(jié)論

文中使用AVL FIRE軟件對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)主流缸內(nèi)直噴汽油機(jī)進(jìn)行仿真計(jì)算，研究進(jìn)氣溫度對(duì)GDI汽油機(jī)缸內(nèi)微粒生成過(guò)程的影響規(guī)律，結(jié)論如下。

（1）進(jìn)氣溫度從20 ℃升高至40 ℃，微粒質(zhì)量峰值呈現(xiàn)先降低再升高的過(guò)程。當(dāng)進(jìn)氣溫度為30 ℃時(shí)，微粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低。進(jìn)氣溫度升高或降低微粒瞬時(shí)生成質(zhì)量均增加。主要因?yàn)椋哼M(jìn)氣溫度過(guò)低，整個(gè)燃燒室內(nèi)溫度降低，不利于燃料霧化和與周圍空氣迅速混合；進(jìn)氣溫度過(guò)高，盡管燃料霧化蒸發(fā)速度變快，理論上宜于降低微粒，但霧化蒸發(fā)速度過(guò)快使燃燒初級(jí)速度加快，缸內(nèi)溫度升高，微粒來(lái)不及氧化消失而導(dǎo)致微粒質(zhì)量增加。

（2）缸內(nèi)平均壓力、缸內(nèi)溫度隨著進(jìn)氣溫度的升高而逐漸升高，并且缸壓峰值和缸內(nèi)溫度峰值所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角也逐漸提前。隨著進(jìn)氣溫度的不斷提高，點(diǎn)火時(shí)刻鼻梁區(qū)較濃混合氣區(qū)域變化不大，但是燃燒室右側(cè)出現(xiàn)較濃混合氣的區(qū)域卻在逐漸減小，表明混合氣形成過(guò)程中，適當(dāng)較高的進(jìn)氣溫度能夠促進(jìn)燃油的蒸發(fā)霧化使其更好地與空氣進(jìn)行混合。

參考文獻(xiàn)

[1] 張立偉，汽油缸內(nèi)直接噴射燃燒新技術(shù)[J].礦山機(jī)械，2005（9）：96-98.

[2] HarderV，GilmourP，LentnerB，etal.Cardiovascularr esponsesinunrestrainedWKYratstoinhaledultrafinecarbonparticles[J].Toxicology，2005，17（1）：29-42.

[3] AugustinusEM，JohanMM，ErikL，etal.Anaggregate public health indicator to represent the impact of multiple environmental exposures[J].Epidemiology，1999（10）：606-617.

[4] Oberderster G，F(xiàn)erin J，Lehnert B E.Correlation between particle size，invivo particle persistence，and lung injury[J].Environtment Health Perspect，1994，102（5）：173-179.