噴油策略對GDI發(fā)動機(jī)碳煙生成的影響?

龐昌樂，趙洪雪，，靜大亮，董哲林，王 志，帥石金

噴油策略對GDI發(fā)動機(jī)碳煙生成的影響?

龐昌樂1，趙洪雪1，2，靜大亮2，董哲林2，王 志2，帥石金2

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083；2.清華大學(xué)，汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

結(jié)合發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)和三維數(shù)值模擬分析了GDI發(fā)動機(jī)噴霧、燃燒和碳煙的生成過程。結(jié)果表明，混合氣濃區(qū)、池火是碳煙生成的主要原因；早噴工況，燃油撞擊活塞頂部形成油膜，燃燒過程出現(xiàn)池火現(xiàn)象，碳煙生成量明顯增加；晚噴工況，油氣混合時間較短形成了局部濃區(qū)，導(dǎo)致碳煙質(zhì)量生成增加。相同工況下兩次噴射策略有助于實(shí)現(xiàn)均勻混合氣，顯著降低缸內(nèi)碳煙的生成。

直噴汽油機(jī)；碳煙；噴油策略；數(shù)值模擬

Keywords:GDI；soot；injection strategy；numerical simulation

前言

當(dāng)前，大氣PM2.5成為社會關(guān)注的熱點(diǎn)。根據(jù)北京市環(huán)保局?jǐn)?shù)據(jù)，北京地區(qū)的PM2.5中三分之二顆粒物為當(dāng)?shù)禺a(chǎn)生，其中機(jī)動車貢獻(xiàn)量最高，達(dá)到31.1%[1]。為了降低機(jī)動車顆粒物排放，我國制定了較為嚴(yán)格的尾氣排放法規(guī)并向歐洲標(biāo)準(zhǔn)靠攏，歐VI限制GDI排放標(biāo)準(zhǔn)既限制顆粒物質(zhì)量(PM＜5mg/km)又限制顆粒物數(shù)量(PN＜6×1011)[2]。歐洲多個實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開展的乘用車顆粒測量結(jié)果表明[3]:與傳統(tǒng)進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)和帶有顆粒捕集器的柴油機(jī)相比，缸內(nèi)直噴汽油機(jī)排放的顆粒物數(shù)量更多，且顆粒物粒徑更小，危害更大。因此，減少缸內(nèi)直噴汽油機(jī)碳煙的排放已經(jīng)成為亟需解決的問題。

近年來國內(nèi)外學(xué)者采用試驗(yàn)和模擬的方法對GDI發(fā)動機(jī)的碳煙生成進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)[4]～文獻(xiàn)[6]中分別利用激光誘導(dǎo)熾光法和雙色法對GDI發(fā)動機(jī)碳煙生成過程進(jìn)行可視化研究，研究結(jié)果表明混合氣空間濃區(qū)、附壁油膜及池火是GDI發(fā)動機(jī)生成碳煙的主要途徑。在發(fā)動機(jī)碳煙模擬方面，文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[8]中采用蒙特卡洛法模擬GDI發(fā)動機(jī)碳煙生成和氧化過程，但其對發(fā)動機(jī)的簡化過大，不能準(zhǔn)確描述汽油的噴霧過程。文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]中利用半經(jīng)驗(yàn)碳煙模型進(jìn)行三維CFD數(shù)值模擬，得到GDI發(fā)動機(jī)缸內(nèi)碳煙分布，但皆未考慮噴霧碰壁和油膜對碳煙的影響。文獻(xiàn)[11]中模擬研究了噴油時刻對GDI發(fā)動機(jī)油膜的影響來預(yù)測其對碳煙的影響，但沒有碳煙的相關(guān)計(jì)算結(jié)果。

本文中針對一款增壓小排量直噴汽油機(jī)進(jìn)行不同噴油策略的三維數(shù)值模擬，研究缸內(nèi)混合氣形成方式和油膜對碳煙的影響。

1 發(fā)動機(jī)試驗(yàn)裝置與方案

為研究變噴油時刻對碳煙生成的影響，采用四缸GDI發(fā)動機(jī)在低速中負(fù)荷工況下進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)動機(jī)參數(shù)如表1所示，試驗(yàn)工況參數(shù)如表2所示。

表1 發(fā)動機(jī)參數(shù)

表2 發(fā)動機(jī)低速中負(fù)荷工況參數(shù)

缸內(nèi)布置和發(fā)動機(jī)臺架如圖1所示。噴油器為高壓多孔噴油器，傾斜布置于進(jìn)氣門偏下位置，火花塞布置于氣缸蓋中心位置。進(jìn)氣道的布置形式使氣體進(jìn)入氣缸后以滾流方式順時針旋轉(zhuǎn)，可使燃油與混合氣充分混合。試驗(yàn)臺架由增壓直噴汽油機(jī)、測功機(jī)、進(jìn)氣測試系統(tǒng)和排放測試系統(tǒng)等組成。試驗(yàn)中發(fā)動機(jī)碳煙排放采用微粒分析儀(DMS500)進(jìn)行測量，其測量范圍在5～1 000nm，采樣間隔0.1s，在三元催化轉(zhuǎn)化器前進(jìn)行采樣。本研究選擇進(jìn)氣行程5個噴油時刻對碳煙生成的影響進(jìn)行分析，分別為330，300，270，240 和 210°CA BTDC。

圖1 試驗(yàn)發(fā)動機(jī)的布置形式

2 模擬計(jì)算模型與標(biāo)定

為節(jié)省計(jì)算時間和提高計(jì)算精度，本計(jì)算中以4mm作為基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸。發(fā)動機(jī)缸內(nèi)重要部位和特殊時刻進(jìn)行局部加密，如噴霧過程中對噴霧油束和火花塞點(diǎn)火時刻均對火花塞附近網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行25倍的加密，點(diǎn)火時刻開始缸內(nèi)整體網(wǎng)格加密23倍，并在溫度梯度高于2.5K/m和速度梯度高于1m/s的部位進(jìn)行23倍加密。計(jì)算時利用如圖2(a)所示的網(wǎng)格，圖2(b)為燃燒過程中缸內(nèi)網(wǎng)格隨溫度和缸內(nèi)流動自動加密。

圖2 網(wǎng)格和缸內(nèi)網(wǎng)格自動加密

在缸內(nèi)直噴汽油機(jī)中，噴霧特性對燃燒和排放具有至關(guān)重要的作用，噴霧是尺寸大小各異的細(xì)小油滴、燃油蒸氣和空氣的兩相混合物。燃油進(jìn)入燃燒室后會發(fā)生破碎、湍流擾動、變形、碰撞、聚合和碰壁等一系列物理變化?；旌蠚庑纬蛇^程中油滴的受熱與蒸發(fā)直接影響到混合氣的濃度分布?，F(xiàn)已有大量計(jì)算復(fù)雜和預(yù)測精度各異的噴霧模型[12]。本文中對各類模型的選擇如表3所示。其中燃燒模型為SAGE詳細(xì)化學(xué)動力學(xué)模型，化學(xué)反應(yīng)機(jī)理為本文作者開發(fā)的22組分異辛烷反應(yīng)機(jī)理[13]，碳煙模型為Hiroyasu-NSC經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，它通過燃油濃度計(jì)算碳煙生成速率。

表3 模型選擇

噴霧形態(tài)對整個燃燒過程有至關(guān)重要的影響。首先，利用上述四缸發(fā)動機(jī)廠商提供的該發(fā)動機(jī)噴油器，在定容燃燒彈中進(jìn)行噴霧可視化試驗(yàn)，利用高速攝影機(jī)獲取噴霧形態(tài)，并測量貫穿距。其次，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果調(diào)整噴霧模型中各參數(shù)對模型進(jìn)行標(biāo)定。圖3為噴霧可視化試驗(yàn)中拍攝的噴霧形態(tài)與模擬的噴霧形態(tài)對比，圖4為試驗(yàn)測得貫穿距與模擬貫穿距的對比，綜合比較噴霧形態(tài)和貫穿距可見，本模型能準(zhǔn)確描述試驗(yàn)的噴霧現(xiàn)象。

圖3 試驗(yàn)噴霧形態(tài)與模擬噴霧形態(tài)

圖4 試驗(yàn)與模擬貫穿距對比

將已標(biāo)定的噴霧模型代入發(fā)動機(jī)全工況模擬過程中，對 330，300，270，240 和 210°CA BTDC 5 種不同噴油時刻進(jìn)行進(jìn)氣、噴霧、燃燒和碳煙生成的全工作過程模擬。表4為模擬計(jì)算的初始條件。

表4 計(jì)算初始條件

圖5為各不同噴油時刻對應(yīng)的臺架試驗(yàn)與模擬計(jì)算的缸壓對比。由圖可見，在各個噴油時刻，數(shù)值模擬缸壓與臺架試驗(yàn)缸壓曲線吻合較好，可以作為準(zhǔn)確分析碳煙的基礎(chǔ)條件。

圖5 不同噴油時刻試驗(yàn)與模擬缸壓的對比

3 模擬結(jié)果分析

3.1 噴油時刻的影響

目前還不能準(zhǔn)確模擬碳煙的形態(tài)，對于模擬顆粒物數(shù)量的方法暫時還不清晰。圖6分別示出不同噴油時刻的模擬碳煙質(zhì)量和臺架試驗(yàn)測得總顆粒物數(shù)量濃度。由圖可見，兩者的趨勢基本吻合。330°CA BTDC進(jìn)氣行程早期噴油時刻碳煙生成量最大為1.6×10-6kg，隨著噴油時刻的推遲，碳煙生成量迅速下降，到270°CA BTDC時刻噴油時碳煙生成量達(dá)到最小，為4.2×10-8kg，之后噴油時刻繼續(xù)推遲，碳煙生成量又緩慢增加。

圖6 模擬碳煙質(zhì)量與試驗(yàn)顆粒物濃度

圖7 為噴油開始時刻至排氣門開啟時刻缸內(nèi)油膜質(zhì)量的變化，圖8為不同噴油時刻噴油結(jié)束前5°對應(yīng)的油束的形態(tài)。在330°CA BTDC時刻噴油，活塞靠近上止點(diǎn)距噴油器距離較近，噴出的油束撞擊活塞頂部，產(chǎn)生大量油膜，且直到壓縮上止點(diǎn)仍然有大量油膜存在，油膜揮發(fā)在近壁面形成混合氣濃區(qū)，進(jìn)而生成大量的碳煙；在270°CA BTDC時刻噴油，噴油撞壁產(chǎn)生油膜較少，并且點(diǎn)火前缸內(nèi)油膜基本完全揮發(fā)，剩余量較少，生成較少的碳煙。在210°CA BTDC時刻噴油，盡管產(chǎn)生的油膜質(zhì)量少，但由于揮發(fā)混合時間較短，缸內(nèi)存在部分濃區(qū)，故碳煙生成量再次上升。總之，點(diǎn)火前缸內(nèi)油膜質(zhì)量和油膜揮發(fā)混合時間，與碳煙生成量有直接關(guān)系。

表5為不同噴油時刻燃空當(dāng)量比與碳煙分布，其中20°CA ATDC對應(yīng)放熱率峰值時刻，40°CA ATDC對應(yīng)放熱基本結(jié)束時刻。在330°CA BTDC時刻噴油時，油膜質(zhì)量多，揮發(fā)后在壁面形成濃區(qū)，在活塞頂部燃燒出現(xiàn)池火現(xiàn)象，生成大量碳煙。在210°CA BTDC時刻噴油時，油氣混合時間較短，缸內(nèi)出現(xiàn)混合氣局部濃區(qū)，也生成大量碳煙。而在270°CA BTDC時刻噴油時，由于油膜質(zhì)量少，缸內(nèi)混合氣分布較為均勻，故生成較少的碳煙。

圖7 不同噴油時刻缸內(nèi)油膜質(zhì)量的變化

圖8 噴油結(jié)束前5°油束碰壁情況

表5 不同噴油時刻燃空當(dāng)量比與碳煙分布

3.2 噴油策略的影響

在上述單次噴油中，發(fā)現(xiàn)在270°CA BTDC時刻噴油產(chǎn)生的碳煙質(zhì)量最小。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行兩次噴油模擬以達(dá)到更少的碳煙排放。按表6中5種噴油策略進(jìn)行模擬。策略1為上述研究中270°CA BTDC時刻單次噴油，其他5種策略均保持首噴時刻270°CA BTDC不變，二次噴油比例均設(shè)置為30%，策略2～4中二次噴射時刻均為進(jìn)氣行程，策略5和6中二次噴油時刻均為壓縮行程早期。

圖9為不同噴油策略下排氣門開啟時刻缸內(nèi)碳煙的總質(zhì)量對比，可以發(fā)現(xiàn)噴油策略2產(chǎn)生的碳煙質(zhì)量最少。以下對比策略1與2對碳煙生成情況的影響。圖10為策略1與2缸內(nèi)油膜質(zhì)量變化。策略2產(chǎn)生油膜峰值總量低于策略1，在點(diǎn)火前策略2殘留較少的油膜。

表6 噴油策略設(shè)置

圖9 不同噴油策略下缸內(nèi)碳煙的質(zhì)量

圖10 策略1與2缸內(nèi)油膜質(zhì)量變化規(guī)律

圖11 策略1與2模擬缸壓和缸內(nèi)平均溫度對比

圖11 為策略1與2模擬缸壓和缸內(nèi)溫度的對比，策略2最大爆發(fā)缸壓較高，說明燃油二次噴射可以得到較大的功率輸出，這可能是由于油膜質(zhì)量減少，燃燒更加完全。

表7中對比了策略1與2在膨脹行程缸內(nèi)燃空當(dāng)量比和碳煙的分布情況，策略2中缸內(nèi)燃油分布均勻使得碳煙生成量很小且迅速氧化，說明二次噴射燃油霧化較好有利于混合氣混合均勻，從而減少碳煙的生成；且爆發(fā)缸壓和溫度增加有利于缸內(nèi)碳煙的氧化，從而減少了碳煙的排放。

表7 策略1和2燃空當(dāng)量比與碳煙分布

4 結(jié)論

本文中主要模擬不同噴油策略對GDI發(fā)動機(jī)碳煙生成的影響，分析了油膜質(zhì)量分布和燃空當(dāng)量比對碳煙生成的影響。主要結(jié)論如下。

(1)噴油時刻的影響:早噴工況(330°CA BTDC)，液體燃料撞擊活塞頂部，油膜質(zhì)量較多，在燃燒過程中燃油在活塞頂部燃燒形成池火，導(dǎo)致大量碳煙生成；晚噴工況(210°CA BTDC)，油膜揮發(fā)后混合時間短，混合不均勻，導(dǎo)致在混合氣局部濃區(qū)產(chǎn)生大量碳煙；中噴工況(270°CA BTDC)，混合氣較均勻，缸內(nèi)燃料燃燒完全，生成較少量的碳煙。所以，合理選定噴油時刻，保證燃油和空氣有足夠的混合時間，并減少噴油撞壁是控制碳煙生成的必要條件。

(2)在同一工況相同噴油量的情況下，采用兩次噴射策略，能在缸內(nèi)形成更均勻的混合氣，顯著降低發(fā)動機(jī)碳煙排放。

[1] 北京市環(huán)境保護(hù)局.北京市2012-2013年度PM2.5主要成分質(zhì)量百分比[EB/OL].http://news.cnr.cn/native/city/201404/t20140416_515310491.shtml[2014-4-16].

[2] European Commission.Transport＆environment[EB/OL].http://ec.europa.eu/environment/transport/road.htm.2015.

[3] ANDERSSON J， GIECHASKIEL B， MUNOZ-BUENO R， et al.Particle measurement programme(PMP)light-duty inter-laboratory correlation exercise(ILCE-LD)final report[R].2007.

[4] 鄭亮.用激光誘導(dǎo)熾光法研究燃燒過程中的碳煙生成特性[D].北京:清華大學(xué)，2014.

[5] STOJKOVIC B D.High-speed imaging of OH?and soot temperature and concentration in a stratified-charge direct-injection gasoline engine[J].Proceedings of the Combustion Institute， 2005，30(1):2657-2665.

[6] AMIN V，KITAE Y.Investigations of the formation and oxidation of soot inside a direct injection spark ignition engine using advanced laser-techniques[C]SAE Paper 2010-01-0352.

[7] ETHERIDGE J， MOSBACH S， KRAFT M， et al.Modelling soot formation in a DISI engine[J].Proceedings of the Combustion Institute， 2011，33(2):3159-3167.

[8] WANG B， MOSBACH S， SCHMUTZHARD S， et al.Modelling soot formation from wall films in a gasoline direct injection engine using a detailed population balance model[J].Applied Energy，2016，163:154-166.

[9] JIAO Q，REITZ R.Modeling of equivalence ratio effects on particulate formationin a spark-ignition engine under premixed conditions[C].SAE Paper 2014-01-1607.

[10] NAIK C，LIANG L，PUDUPPAKKAM K，et al.Simulation and analysis of incylinder soot formation in a gasoline direct-injection engine using a detailedreaction mechanism[C].SAE Paper 2014-01-1135.

[11] 黃雅卿，王志，王建昕.噴油時刻對缸內(nèi)直噴汽油機(jī)顆粒物排放的影響[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報，2014(5):420-425.

[12] JING D.Experimental and numerical studies of fuel spray[D].The University of Birmingham，2015.

[13] WANG Z，LI F，WANGY.A generalized kinetic model with variable octane number for engine knock prediction[J].Fuel，2017，188:489-499.

Effects of Injection Strategy on Soot Formation in GDI Engines

Pang Changle1， Zhao Hongxue1，2， Jing Daliang2， Dong Zhelin2， Wang Zhi2＆ Shuai Shijin2
1.Collegeof Engineering， China Agricultural University， Beijing 100083；2.Tsinghua University， State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy， Beijing 100084

By combining engine bench test and 3D numerical simulation， the spray， combustion， and soot formation process of GDI engine are analyzed.The results show that the main causes of soot formation are local rich mixture and pool fire.In early injection timing，due to the formation of fuel film caused by the impingement of spray on piston， pool fire appears during combustion， so soot emission apparently increases， while in late injection timing， gas-air mixing period is shortened， leading to the formation of local rich zone and hence the rise of soot mass formed.Under the same condition，the adoption of split injection is conducive to uniform mixture and the significant reduction of in-cylinder soot formation.

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.09.002

?“973”課題(2013CB228502)資助。

原稿收到日期為2016年10月20日。

帥石金，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail:sjshuai＠m(xù)ail.tsinghua.edu.cn。