增壓直噴汽油機(jī)中潤(rùn)滑油液滴誘發(fā)早燃機(jī)制的數(shù)值研究

李耀庭,黃勇成,孟凡勝,張文嘉,陳銳

(1.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,710049,西安;2.一汽解放汽車有限公司無(wú)錫柴油機(jī)廠,214026,江蘇無(wú)錫)

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增壓直噴汽油機(jī)中潤(rùn)滑油液滴誘發(fā)早燃機(jī)制的數(shù)值研究

李耀庭1,黃勇成1,孟凡勝1,張文嘉1,陳銳2

(1.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,710049,西安;2.一汽解放汽車有限公司無(wú)錫柴油機(jī)廠,214026,江蘇無(wú)錫)

通過(guò)利用多維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)耦合一個(gè)多組分汽油替代物的骨架反應(yīng)機(jī)理,對(duì)增壓直噴汽油機(jī)中潤(rùn)滑油液滴誘發(fā)早燃的機(jī)制進(jìn)行了研究。首先,在模擬增壓高強(qiáng)化汽油機(jī)壓縮上止點(diǎn)熱力學(xué)狀態(tài)的定容圓柱網(wǎng)格內(nèi),研究了潤(rùn)滑油液滴的存在對(duì)汽油/空氣混合氣自燃過(guò)程的影響,結(jié)果表明:以正庚烷和過(guò)氧氫酮分別作為潤(rùn)滑油蒸發(fā)產(chǎn)物時(shí)潤(rùn)滑油液滴的存在均可縮短混合氣的著火延遲時(shí)間,尤其是以過(guò)氧氫酮作為潤(rùn)滑油蒸發(fā)產(chǎn)物時(shí)混合氣的著火延遲時(shí)間縮短更為明顯;隨著潤(rùn)滑油液滴粒徑的增大,混合氣的著火延遲時(shí)間先縮短后延長(zhǎng),潤(rùn)滑油液滴溫度和混合氣的溫度、壓力升高會(huì)進(jìn)一步縮短混合氣的著火延遲時(shí)間。然后,以過(guò)氧氫酮作為潤(rùn)滑油蒸發(fā)產(chǎn)物,在增壓直噴汽油機(jī)動(dòng)網(wǎng)格內(nèi)模擬了潤(rùn)滑油液滴存在時(shí)缸內(nèi)混合氣的自燃過(guò)程,結(jié)果表明:潤(rùn)滑油液滴蒸發(fā)釋放出了著火性能較好的組分,縮短了液滴周圍混合氣的著火延遲時(shí)間,導(dǎo)致液滴周圍混合氣在火花點(diǎn)火之前自燃,從而引發(fā)早燃。最后,根據(jù)以上結(jié)論提出了一個(gè)潤(rùn)滑油液滴誘發(fā)早燃的機(jī)制。

增壓直噴汽油機(jī);早燃;潤(rùn)滑油液滴;骨架反應(yīng)機(jī)理;數(shù)值研究

發(fā)動(dòng)機(jī)小型化是車用汽油機(jī)提高燃油經(jīng)濟(jì)性和降低CO2排放的重要措施之一,一般結(jié)合使用缸內(nèi)直噴技術(shù)和廢氣渦輪增壓技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)小型化。隨著增壓比和功率密度的不斷提高,增壓直噴汽油機(jī)在低速、高負(fù)荷工況下出現(xiàn)了一種新的爆震模式——早燃爆震,也稱作超級(jí)爆震,其誘因是缸內(nèi)混合氣在火花點(diǎn)火前已發(fā)生預(yù)燃,從而產(chǎn)生極高的爆壓和壓力波動(dòng)。發(fā)生超級(jí)爆震時(shí),最高缸壓可達(dá)到30 MPa以上,壓力波動(dòng)幅度可達(dá)到20 MPa以上[1],對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的破壞性極大,甚至造成火花塞電極熔斷、活塞頂部燒蝕、連桿彎曲等嚴(yán)重后果,導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)損毀[2]。超級(jí)爆震具有偶發(fā)性和間歇性特征,無(wú)法通過(guò)加濃混合氣、加強(qiáng)壁面?zhèn)鳠峄虿捎酶咝镣橹灯蛠?lái)避免,所以成為目前發(fā)動(dòng)機(jī)增壓小型化技術(shù)發(fā)展的最大阻礙。

早燃是火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)在常規(guī)點(diǎn)火之前出現(xiàn)的異常著火燃燒現(xiàn)象。王志等人的研究發(fā)現(xiàn),超級(jí)爆震前一定發(fā)生了早燃,為了杜絕超級(jí)爆震的發(fā)生,必須抑制早燃[2]。國(guó)內(nèi)外眾多機(jī)構(gòu)對(duì)早燃進(jìn)行了研究,提出了多種可能的誘發(fā)機(jī)制。通過(guò)總結(jié)歸納這些機(jī)制,可以將早燃點(diǎn)的來(lái)源分為結(jié)構(gòu)熱點(diǎn)(火花塞、氣門、活塞等熾熱表面)和非結(jié)構(gòu)熱點(diǎn)(潤(rùn)滑油液滴、燃燒室顆粒物等)兩大類。到目前為止,雖然對(duì)于早燃的誘發(fā)原因?qū)W術(shù)界尚無(wú)定論,但是近年來(lái)大量的研究結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)熱點(diǎn)對(duì)早燃的產(chǎn)生基本沒(méi)有影響,而非結(jié)構(gòu)熱點(diǎn)中的潤(rùn)滑油液滴則被認(rèn)為是最有可能引發(fā)增壓直噴汽油機(jī)缸內(nèi)混合氣早燃的重要物質(zhì)。

Dahnz等人通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和一維模擬結(jié)果,最早指出了潤(rùn)滑油液滴是誘發(fā)早燃的可能原因[1]。Kalghatgi等人提出早燃可能是混合氣中混入的潤(rùn)滑油長(zhǎng)鏈成分自燃引起的[3]。Palaveev等人發(fā)現(xiàn),增加噴霧碰壁能夠顯著提升早燃發(fā)生的幾率,說(shuō)明誘發(fā)早燃的物質(zhì)很可能來(lái)自潤(rùn)滑油的蒸發(fā)產(chǎn)物或者由潤(rùn)滑油和燃油相互反應(yīng)生成的[4]。以上研究均表明,誘發(fā)混合氣早燃的物質(zhì)很有可能來(lái)自于潤(rùn)滑油,但是誘發(fā)機(jī)制和具體物質(zhì)的確定還有待進(jìn)一步研究。

基于以上背景,本文充分發(fā)揮了數(shù)值模擬技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),通過(guò)多維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)耦合化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué),從正面對(duì)潤(rùn)滑油液滴誘發(fā)早燃的機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)值研究,開(kāi)創(chuàng)性地探討了不同潤(rùn)滑油蒸發(fā)產(chǎn)物替代物誘發(fā)早燃的可能性,研究了潤(rùn)滑油液滴粒徑、溫度和混合氣溫度、壓力對(duì)汽油/空氣混合氣著火延遲時(shí)間及早燃的影響,最后對(duì)潤(rùn)滑油液滴存在時(shí)增壓直噴汽油機(jī)缸內(nèi)混合氣的自燃過(guò)程進(jìn)行了模擬驗(yàn)證。

1 計(jì)算模型

1.1 化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)骨架機(jī)理模型

研究早燃主要涉及到缸內(nèi)工質(zhì)的自燃和火焰的傳播過(guò)程,所以需要采用化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型準(zhǔn)確模擬燃料/空氣混合氣的著火延遲時(shí)間和層流火焰?zhèn)鞑ニ俾省?/p>

本文選用異辛烷和正庚烷的混合物作為汽油替代物,通過(guò)分析和借鑒前人建立的PRF(primary reference fuel)骨架反應(yīng)機(jī)理,利用路徑分析法建立了一個(gè)新的能夠滿足上述要求的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)骨架反應(yīng)機(jī)理,構(gòu)建思路如下。

首先,參考Tsurushima機(jī)理初步建立了正庚烷和異辛烷的低溫反應(yīng)機(jī)理[5]。然后,根據(jù)C3H5是異辛烷低溫反應(yīng)階段的主要烴類生成物[6],將Tsurushima模型中的反應(yīng)

C6H13CO+O2?C3H6+C3H6+CO+HO2

修改為

C6H13CO+O2?C3H7+C3H5+CO+HO2

再根據(jù)Tanaka的研究[7],添加了正庚烷和異辛烷的耦合反應(yīng)

C8H18+C7H15?C7H15+C8H17

高溫反應(yīng)區(qū)借鑒Liu等[8]的思路建立了烷基的高溫裂解反應(yīng),同時(shí)添加了C1-C3以及H2的一些小分子反應(yīng)。

最終,骨架反應(yīng)機(jī)理包含了41種組分和125個(gè)反應(yīng)[9]。圖1給出了該機(jī)理在混合氣壓力p為4 MPa時(shí)以化學(xué)計(jì)量比混合的不同辛烷值汽油/空氣混合氣著火延遲時(shí)間的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比,其中激波管的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)自Fieweger等的結(jié)果[10]。圖2給出了該機(jī)理對(duì)不同辛烷值汽油/空氣混合氣在常規(guī)工況下層流火焰?zhèn)鞑ニ俾实挠?jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比,其中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自Huang等的結(jié)果[11]。圖中所有計(jì)算值均來(lái)自氣相化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)程序CHEMKIN PRO的計(jì)算結(jié)果。

由圖1和圖2可以看出,本文的骨架反應(yīng)機(jī)理能夠較為準(zhǔn)確地模擬不同辛烷值汽油/空氣混合氣的著火延遲時(shí)間和層流火焰?zhèn)鞑ニ俾?可用于預(yù)測(cè)內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)工質(zhì)的自燃及燃燒過(guò)程。所以,下文中建立的多維數(shù)值模型將通過(guò)耦合本文骨架反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行早燃誘發(fā)機(jī)制的研究。

圖1 著火延遲時(shí)間計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比

圖2 層流火焰?zhèn)鞑ニ俾视?jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比

1.2 多維數(shù)值模型

增壓直噴汽油機(jī)普遍存在噴霧碰壁現(xiàn)象,氣缸壁上的潤(rùn)滑油膜被噴霧油束稀釋導(dǎo)致潤(rùn)滑油膜黏度、表面張力下降,進(jìn)而液滴飛濺與蒸發(fā)的可能性增加。潤(rùn)滑油液滴蒸發(fā)后燃油蒸氣與空氣形成可燃混合氣,由于潤(rùn)滑油組分的著火性較好,潤(rùn)滑油液滴周圍混合氣的著火延遲時(shí)間縮短,所以混合氣便有可能在點(diǎn)火之前自燃而引發(fā)早燃[12]。圖3給出了燃燒室內(nèi)潤(rùn)滑油液滴誘發(fā)混合氣早燃的過(guò)程。

圖3 潤(rùn)滑油液滴誘發(fā)早燃的過(guò)程

據(jù)此,本文使用通用流體分析軟件包STAR-CD建立了定容圓柱網(wǎng)格,用以研究潤(rùn)滑油液滴的存在及其粒徑、溫度和混合氣溫度、壓力對(duì)汽油/空氣混合氣著火延遲時(shí)間以及早燃的影響,同時(shí)建立了增壓直噴汽油機(jī)的動(dòng)網(wǎng)格,用以驗(yàn)證在汽油機(jī)缸內(nèi)定容圓柱網(wǎng)格中得到的結(jié)論,并對(duì)缸內(nèi)潤(rùn)滑油液滴誘發(fā)早燃的詳細(xì)過(guò)程進(jìn)行研究。

1.2.1 定容圓柱網(wǎng)格 模型1采用直徑為84 mm(約等于氣缸直徑)、高度為10 mm的定容圓柱網(wǎng)格,該網(wǎng)格用來(lái)模擬增壓直噴汽油機(jī)壓縮上止點(diǎn)的熱力學(xué)狀態(tài),網(wǎng)格總數(shù)為72 000。計(jì)算區(qū)域內(nèi)設(shè)定充滿當(dāng)量比為1的均質(zhì)汽油/空氣混合氣,汽油選用正庚烷和異辛烷的混合物替代,以耦合本文的PRF骨架反應(yīng)機(jī)理。辛烷值為93,是常規(guī)車用汽油辛烷值。通過(guò)用戶子程序droico.f定義了潤(rùn)滑油液滴的位置、粒徑以及溫度等參數(shù),潤(rùn)滑油液滴的位置固定在圓截面右側(cè)5 mm高度處,如圖4所示。

1.2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)網(wǎng)格 模型2為基于某增壓直噴汽油機(jī)(發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1)建立的發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)網(wǎng)格,上止點(diǎn)網(wǎng)格總數(shù)為353 756,下止點(diǎn)網(wǎng)格總數(shù)為602 860,如圖5所示。根據(jù)增壓直噴汽油機(jī)易于產(chǎn)生早燃的低速大負(fù)荷工況,設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 600 r/min,最大扭矩為280 N·m,增壓壓力為0.19 MPa。相應(yīng)地設(shè)置了計(jì)算的初始條件和邊界條件,其中進(jìn)、排氣口溫度分別設(shè)定為320 K和990 K,進(jìn)、排氣口壓力分別設(shè)定為0.19 MPa和0.22 MPa。計(jì)算的湍流模型選擇k-ε模型,算法采用PISO算法。通過(guò)建立多組分噴霧蒸發(fā)模型來(lái)預(yù)測(cè)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧油束的發(fā)展及霧化蒸發(fā)過(guò)程;通過(guò)耦合本文汽油替代物骨架反應(yīng)機(jī)理來(lái)模擬汽油的著火延遲時(shí)間和層流火焰速率;利用特征時(shí)間法建立基于復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的湍流燃燒模型,來(lái)模擬多組分汽油混合氣的湍流燃燒過(guò)程[9]。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

為了研究增壓直噴汽油機(jī)工作過(guò)程中潤(rùn)滑油液滴蒸發(fā)對(duì)缸內(nèi)工質(zhì)著火及火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程的影響,假設(shè)在發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮行程后半段,由于活塞的減速運(yùn)動(dòng)使得潤(rùn)滑油液滴因慣性力從活塞間隙處的油膜內(nèi)飛濺出來(lái)。潤(rùn)滑油液滴的初始運(yùn)動(dòng)速度定義為活塞運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)最大速度,為7.8 m/s,初始運(yùn)動(dòng)方向定義為與垂直方向成10°的方向,如圖6所示。

圖5 增壓直噴汽

圖6 潤(rùn)滑油液滴的初始位油機(jī)動(dòng)網(wǎng)格置及運(yùn)動(dòng)方向示意圖

2 結(jié)果分析

本文通過(guò)耦合化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué),依次在定容圓柱網(wǎng)格和增壓直噴汽油機(jī)動(dòng)網(wǎng)格中,針對(duì)潤(rùn)滑油液滴對(duì)汽油/空氣混合氣自燃過(guò)程的影響進(jìn)行了多維數(shù)值模擬研究。值得注意的是,在STAR-CD中,潤(rùn)滑油替代物的選取將直接影響模擬結(jié)果,潤(rùn)滑油液滴的替代物和蒸發(fā)產(chǎn)物需要分別進(jìn)行定義。在本文的骨架反應(yīng)機(jī)理的41種反應(yīng)物中,正庚烷能夠較為恰當(dāng)?shù)啬M潤(rùn)滑油組分良好的著火性能[1],所以選用正庚烷作為潤(rùn)滑油液滴替代物,并在定容圓柱網(wǎng)格內(nèi)研究了潤(rùn)滑油液滴對(duì)汽油/空氣混合氣著火延遲時(shí)間的影響。著火延遲時(shí)間定義為混合氣溫度上升梯度為400 K所經(jīng)歷的時(shí)間。

圖7給出了潤(rùn)滑油液滴粒徑對(duì)汽油/空氣混合氣著火延遲時(shí)間的影響,其中潤(rùn)滑油蒸發(fā)產(chǎn)物為正庚烷,潤(rùn)滑油液滴溫度為440 K,混合氣溫度為760 K,混合氣壓力為4 MPa(與發(fā)動(dòng)機(jī)增壓壓力為0.2 MPa時(shí)壓縮上止點(diǎn)壓力相當(dāng))。由圖中可以看出:當(dāng)混合氣中存在用正庚烷替代的潤(rùn)滑油液滴時(shí),混合氣的著火延遲時(shí)間比沒(méi)有潤(rùn)滑油液滴時(shí)(3.0 ms)縮短;隨著潤(rùn)滑油液滴粒徑的增大,混合氣的著火延遲時(shí)間先逐漸減小后逐漸增大;當(dāng)液滴的粒徑在45 μm左右時(shí),混合氣的著火延遲時(shí)間(2.21 ms)最短。這是因?yàn)?當(dāng)液滴粒徑較小時(shí),其氧化過(guò)程不足以提供火焰?zhèn)鞑ニ枰臒嶂?火焰不能夠向外傳播;當(dāng)液滴粒徑較大時(shí),液滴蒸發(fā)吸熱現(xiàn)象較明顯,混合氣周圍溫度降低,氧化過(guò)程較緩慢。

圖7 汽油/空氣混合氣著火延遲時(shí)間與潤(rùn)滑油液滴粒徑的關(guān)系

值得注意的是,當(dāng)正庚烷直接作為潤(rùn)滑油蒸發(fā)產(chǎn)物時(shí),混合氣的著火延遲時(shí)間最短達(dá)到2.21 ms,比無(wú)潤(rùn)滑油時(shí)最多縮短了0.79 ms。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 600 r/min的低速工況下,即使不考慮活塞的下行運(yùn)動(dòng),混合氣著火延遲角度也只能減小7.6°,這說(shuō)明正庚烷作為潤(rùn)滑油蒸發(fā)產(chǎn)物時(shí)汽油/空氣混合氣的著火延遲時(shí)間仍然較長(zhǎng),直接誘發(fā)混合氣自燃的可能性較低,混合氣的早燃可能是由除正庚烷以外的與潤(rùn)滑油相關(guān)的其他物質(zhì)導(dǎo)致的。

Palaveev等利用著火性能更好的正十六烷作為潤(rùn)滑油蒸發(fā)產(chǎn)物進(jìn)行了模擬,發(fā)現(xiàn)直到壓縮行程末期缸內(nèi)混合氣仍未出現(xiàn)著火現(xiàn)象[4],說(shuō)明誘發(fā)早燃的根本物質(zhì)應(yīng)該不是正構(gòu)直鏈烷烴。烴類低溫燃燒的中間產(chǎn)物過(guò)氧化物的著火延遲時(shí)間比正構(gòu)直鏈烷烴更短,這可能是誘發(fā)缸內(nèi)混合氣早燃的根本物質(zhì)。根據(jù)本文骨架反應(yīng)機(jī)理的路徑分析,在低溫反應(yīng)區(qū),烷烴通過(guò)脫氫、加氧、異構(gòu)化、二次加氧、二次異構(gòu)化和最終的離解反應(yīng)生成了穩(wěn)定的中間基過(guò)氧氫酮,根據(jù)Magar等人的研究,過(guò)氧氫酮在整個(gè)低溫反應(yīng)階段是活性最強(qiáng)的穩(wěn)定中間基[13],所以本文認(rèn)為過(guò)氧氫酮更有可能是誘發(fā)早燃的根本物質(zhì)。

圖8給出了定容圓柱網(wǎng)格內(nèi)不同辛烷值汽油/空氣混合氣自燃時(shí)過(guò)氧氫酮濃度隨時(shí)間的變化,其中潤(rùn)滑油液滴溫度為760 K,混合氣壓力為4 MPa。由圖中可以看出,隨著辛烷值的降低,即正庚烷比例的增加,混合氣內(nèi)過(guò)氧氫酮濃度峰值的出現(xiàn)時(shí)間提前,這說(shuō)明正庚烷的存在會(huì)促進(jìn)穩(wěn)定中間基過(guò)氧氫酮的生成。因此,在潤(rùn)滑油液滴(正庚烷)的作用下,液滴周圍混合氣會(huì)有較高濃度的過(guò)氧氫酮,當(dāng)其積累達(dá)到一定量之后就可能使混合氣在點(diǎn)火之前發(fā)生自燃。

圖8 不同辛烷值混合氣自燃時(shí)過(guò)氧氫酮濃度的變化

基于以上結(jié)論,為了簡(jiǎn)化問(wèn)題,本文選取過(guò)氧氫酮作為潤(rùn)滑油的蒸發(fā)產(chǎn)物,由此研究了潤(rùn)滑油液滴粒徑對(duì)混合氣著火延遲時(shí)間的影響,結(jié)果見(jiàn)圖7。對(duì)比圖中的結(jié)果可以看出:正庚烷、過(guò)氧氫酮隨液滴粒徑的變化趨勢(shì)相同,當(dāng)過(guò)氧氫酮作為潤(rùn)滑油蒸發(fā)產(chǎn)物時(shí),混合氣的著火延遲時(shí)間最短達(dá)到1.43 ms,比無(wú)潤(rùn)滑油液滴時(shí)縮短了1.57 ms,對(duì)應(yīng)的著火延遲角度減小了15°,說(shuō)明過(guò)氧氫酮的存在相較于正庚烷大大縮短了混合氣的著火延遲時(shí)間,過(guò)氧氫酮更有可能是導(dǎo)致缸內(nèi)工質(zhì)早燃的重要物質(zhì)。

圖9給出了潤(rùn)滑油液滴溫度對(duì)汽油/空氣混合氣著火延遲時(shí)間的影響,其中潤(rùn)滑油蒸發(fā)產(chǎn)物分別為正庚烷和過(guò)氧氫酮,液滴粒徑為45 μm,混合氣溫度為760 K,混合氣壓力為4 MPa。由圖中可以看出,隨著潤(rùn)滑油液滴溫度的升高,混合氣的著火延遲時(shí)間逐漸縮短。這是因?yàn)橐旱蔚谋砻鎻埩宛ざ入S著溫度的升高而不斷降低,由此加快了液滴的破碎速度,縮短了蒸發(fā)所需時(shí)間;液滴溫度升高,蒸發(fā)所需的吸熱量有所降低,由此加快了液滴由液相向氣相的轉(zhuǎn)化,促進(jìn)了周圍混合氣的氧化反應(yīng)。

圖9 汽油/空氣混合氣著火延遲時(shí)間與潤(rùn)滑油液滴溫度的關(guān)系

圖10給出了潤(rùn)滑油液滴對(duì)不同溫度混合氣著火延遲時(shí)間的影響,其中潤(rùn)滑油蒸發(fā)產(chǎn)物分別為正庚烷和過(guò)氧氫酮,潤(rùn)滑油液滴溫度為460 K,液滴粒徑為45 μm,混合氣壓力為4 MPa。由圖中可以看出,隨著混合氣溫度的升高,混合氣的著火延遲時(shí)間逐漸縮短。這是因?yàn)榛旌蠚鉁囟鹊纳仙苯蛹铀倭藵?rùn)滑油液滴的蒸發(fā),促進(jìn)了潤(rùn)滑油蒸氣與汽油/空氣混合氣的混合,同時(shí)溫度的升高也直接加速了混合氣的氧化過(guò)程。

圖10 汽油/空氣混合氣著火延遲時(shí)間與混合氣溫度的關(guān)系

圖11 汽油/空氣混合氣著火延遲時(shí)間與混合氣壓力的關(guān)系

圖11給出了潤(rùn)滑油液滴對(duì)不同壓力混合氣著火延遲時(shí)間的影響,其中潤(rùn)滑油蒸發(fā)產(chǎn)物分別為正庚烷和過(guò)氧氫酮,潤(rùn)滑油液滴溫度為460 K,液滴粒徑為45 μm,混合氣溫度為760 K。由圖中可以看出,隨著混合氣壓力的升高,混合氣的著火延遲時(shí)間逐漸縮短。這主要是當(dāng)量比一定時(shí),高壓環(huán)境下混合氣的濃度較高,而高濃度有利于低溫化學(xué)反應(yīng),加速了冷焰火焰的傳播,從而促進(jìn)了潤(rùn)滑油液滴周圍混合氣的低溫氧化過(guò)程和自燃。

由圖9～圖11仍然可以看出:當(dāng)過(guò)氧氫酮作為潤(rùn)滑油蒸發(fā)產(chǎn)物時(shí),汽油/空氣混合氣的著火延遲時(shí)間相較于正庚烷大大縮短,說(shuō)明過(guò)氧氫酮更有可能是導(dǎo)致缸內(nèi)工質(zhì)早燃的物質(zhì)。

本文在初次使用正庚烷作為缸內(nèi)飛濺的潤(rùn)滑油液滴的蒸發(fā)產(chǎn)物進(jìn)行缸內(nèi)工質(zhì)的燃燒計(jì)算時(shí)發(fā)現(xiàn),潤(rùn)滑油液滴的存在無(wú)法促進(jìn)缸內(nèi)工質(zhì)在火花點(diǎn)火之前自燃,改用過(guò)氧氫酮作為潤(rùn)滑油蒸發(fā)產(chǎn)物時(shí)則成功地預(yù)測(cè)了潤(rùn)滑油液滴周圍混合氣早燃火核的形成及發(fā)展過(guò)程。

圖12給出了過(guò)氧氫酮作為潤(rùn)滑油蒸發(fā)產(chǎn)物時(shí)潤(rùn)滑油液滴周圍混合氣在火花點(diǎn)火之前發(fā)生自燃后的缸內(nèi)溫度場(chǎng)分布,計(jì)算時(shí)設(shè)定潤(rùn)滑油液滴的初始粒徑為45 μm,溫度為460 K。由圖中可以看出,火花點(diǎn)火角度在715°時(shí),潤(rùn)滑油附近的混合氣已發(fā)生自燃現(xiàn)象,有明確的火核形成,局部溫度迅速上升,火焰開(kāi)始向四周傳播,到火花點(diǎn)火角度720°時(shí),缸內(nèi)已燃面積已達(dá)到1/3左右?；鸹c(diǎn)火之后,由火花點(diǎn)火形成的火焰面與之前潤(rùn)滑油附近混合氣自燃形成的火焰面相交,使得火焰的傳播速度加快,并迅速充滿了整個(gè)燃燒室。

圖13給出了715°自燃火核形成時(shí)過(guò)氧氫酮的濃度場(chǎng)分布。由圖中可以看出:活塞減速時(shí)飛濺出來(lái)的潤(rùn)滑油液滴因蒸發(fā)形成的過(guò)氧氫酮逐漸向四周擴(kuò)散,然后與汽油/空氣混合氣混合;火核中心處過(guò)氧氫酮具有較高的濃度,其加速了該區(qū)域的低溫氧化過(guò)程,促進(jìn)了火核的進(jìn)一步形成及火焰的擴(kuò)散。

圖12 潤(rùn)滑油液滴周圍混合氣在火花點(diǎn)火之前、自燃后缸內(nèi)溫度場(chǎng)分布

圖13 過(guò)氧氫酮濃度場(chǎng)分布

圖14給出了715°燃燒流場(chǎng)的OH自由基濃度場(chǎng)分布。OH自由基濃度可以用來(lái)描述火焰面。由圖中可以看出,在自燃的開(kāi)始時(shí)刻,OH自由基在火核中心處有較高的濃度,其濃度場(chǎng)分布與過(guò)氧氫酮的濃度場(chǎng)分布類似。

圖14 OH濃度場(chǎng)分布

綜上所述,一個(gè)合理的假設(shè)機(jī)制可以用來(lái)解釋潤(rùn)滑油液滴誘發(fā)增壓直噴汽油機(jī)缸內(nèi)工質(zhì)的早燃:增壓直噴汽油機(jī)的噴霧碰壁現(xiàn)象導(dǎo)致了氣缸壁上的潤(rùn)滑油膜黏度、表面張力下降,使得部分潤(rùn)滑油液滴飛濺、蒸發(fā)后與汽油/空氣混合氣混合,潤(rùn)滑油組分(正庚烷)促進(jìn)了混合氣低溫氧化過(guò)程中穩(wěn)定中間基(過(guò)氧氫酮)的產(chǎn)生,使活塞間隙處殘留的穩(wěn)定中間基(過(guò)氧氫酮)具有較高的濃度,在經(jīng)過(guò)幾個(gè)循環(huán)的積累后進(jìn)入燃燒室,從而縮短了混合氣的著火延遲時(shí)間,導(dǎo)致混合氣發(fā)生早燃。由于整個(gè)過(guò)程需要滿足一定的物理和化學(xué)條件,而且該穩(wěn)定中間基(過(guò)氧氫酮)濃度需要多個(gè)循環(huán)的積累來(lái)提高,所以該假設(shè)也能夠間接解釋增壓直噴汽油機(jī)中超級(jí)爆震具有偶發(fā)性和間歇性的特點(diǎn)。

3 結(jié) 論

本文利用化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和多維數(shù)值模擬的耦合對(duì)早燃的誘發(fā)機(jī)制進(jìn)行了研究,得出以下結(jié)論。

(1)本文建立的多組分汽油替代物骨架反應(yīng)機(jī)理能夠較為準(zhǔn)確地模擬不同辛烷值汽油/空氣混合氣的著火延遲時(shí)間和層流火焰?zhèn)鞑ニ俾?可用于預(yù)測(cè)內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)工質(zhì)的自燃及燃燒過(guò)程。

(2)當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)存在易于蒸發(fā)的潤(rùn)滑油液滴時(shí),缸內(nèi)混合氣的著火延遲時(shí)間明顯縮短,所以潤(rùn)滑油液滴很有可能是增壓直噴汽油機(jī)中缸內(nèi)工質(zhì)發(fā)生早燃的一大誘因。

(3)正庚烷作為潤(rùn)滑油蒸發(fā)產(chǎn)物時(shí),汽油/空氣混合氣的著火延遲時(shí)間仍較長(zhǎng),說(shuō)明正庚烷直接誘發(fā)早燃的可能性較低。過(guò)氧氫酮作為潤(rùn)滑油蒸發(fā)產(chǎn)物時(shí),混合氣的著火延遲時(shí)間明顯縮短,說(shuō)明過(guò)氧氫酮更有可能是引發(fā)增壓直噴汽油機(jī)缸內(nèi)工質(zhì)早燃的物質(zhì),具體誘發(fā)機(jī)制有待進(jìn)一步研究與驗(yàn)證。

(4)隨著潤(rùn)滑油液滴粒徑的增大,汽油/空氣混合氣的著火延遲時(shí)間先縮短后延長(zhǎng),說(shuō)明存在一個(gè)最適宜的潤(rùn)滑油液滴粒徑,使得混合氣的著火延遲時(shí)間最短。潤(rùn)滑油液滴溫度和混合氣溫度、壓力的升高也會(huì)進(jìn)一步縮短汽油/空氣混合氣的著火延遲時(shí)間,誘發(fā)混合氣早燃。

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(編輯 苗凌)

Numerical Investigations for Mechanism of Pre-Ignition Induced by Lubricant Oil Droplets in Supercharged DISI Engines

LI Yaoting1,HUANG Yongcheng1,MENG Fansheng1,ZHANG Wenjia1,CHEN Rui2

(1. School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2. Wuxi Diesel Engine Works, FAW Jiefang Automotive Co. Ltd., Wuxi, Jiangsu 214026, China)

Multidimensional computational fluid dynamics coupled with a skeletal chemical kinetic model of gasoline substitute is used to investigate the mechanism of pre-ignition induced by lubricant oil droplets in a supercharged direct-injection spark-ignition (DISI) engine under high load and at low speed. The influence of lubricant oil droplet on the auto-ignition of gasoline and air mixture is evaluated in a constant volume combustion bomb with the thermodynamic conditions similar to those in the DISI engine cylinder at the compression top dead center. The results show that the ignition delay time of gasoline and air mixture is shortened by the presence of lubricant oil droplet when n-heptane and hydrogen peroxide ketone (C8KET) are used as lubricant oil evaporation substitutes respectively, and this behavior is more obvious when C8KET is used as lubricant oil evaporation substitute. The ignition delay time of gasoline and air mixture first decreases then increases with the increasing lubricant oil droplet diameter. In addition, the ignition delay time of fuel-air mixture is further shortened with the increasing lubricant oil droplet temperature and the temperature and pressure of the fuel-air mixture. A numerical investigation for auto-ignition of gasoline and air mixture with the presence of lubricant oil droplets in the supercharged DISI engine is carried out by using C8KET as lubricant oil evaporation substitute. The results show that the ignition delay time of the fuel-air mixture around the lubricant oil droplets is shortened by the constituents with good ignition performance evaporating from lubricating oil droplets, which causes auto-ignition of fuel-air mixture in this area before the spark ignition and leads to the occurrence of pre-ignition. A mechanism of pre-ignition induced by lubricant oil droplets is finally proposed following the conclusions above.

supercharged DISI engine; pre-ignition; lubricant oil droplet; skeletal chemical kinetic model; numerical investigation

2015-11-29。 作者簡(jiǎn)介:李耀庭(1992—),男,碩士生;黃勇成(通信作者),男,副教授。 基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50776069);陜西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015JM5236)。

時(shí)間:2016-05-10

10.7652/xjtuxb201607009

TK411.2

A

0253-987X(2016)07-0051-07

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160510.1519.006.html