進(jìn)氣道噴水對(duì)汽油機(jī)燃燒特性影響的三維數(shù)值模擬

林長林 張小矛 徐 政

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司乘用車公司技術(shù)中心，上海 201804)

0 前言

隨著車輛燃油經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)和排放法規(guī)要求越來越高，提高乘用車汽油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性、降低其排放的需求越來越迫切。進(jìn)氣道噴水技術(shù)作為降低排放及提高熱效率的有效方法引起了汽車行業(yè)的關(guān)注。1962年，Oldsmobile F85 3.5 L V8發(fā)動(dòng)機(jī)第1次應(yīng)用了噴水技術(shù)。通過向空氣加入水和甲醇的混合溶液，降低進(jìn)氣溫度，抑制發(fā)動(dòng)機(jī)爆燃[1]。Bellis[2]等人研究發(fā)現(xiàn)，水油比例為17%時(shí)，在全部負(fù)荷工況能抑制爆燃，燃油經(jīng)濟(jì)性可提高15%～20%。Cavina[3]等人通過搭建一維GT-Power進(jìn)氣道噴水仿真模型，研究噴射位置、水油比例和噴水溫度對(duì)于降低排氣溫度和抑制爆燃的影響。Alessandro[4]等人通過三維計(jì)算流體力學(xué)(CFD)仿真計(jì)算進(jìn)氣道噴水取代燃油加濃策略，實(shí)現(xiàn)燃油經(jīng)濟(jì)性的提高。研究并未揭示水和燃油相互作用的深層機(jī)理。水蒸氣在燃燒進(jìn)程中起到類似廢氣再循環(huán)(EGR)的作用，通過稀釋效應(yīng)能夠有效降低燃燒溫度、抑制爆燃的同時(shí)降低氮氧化物(NOx)的排放[5-6]。此外，由于水具有較高的氣化潛熱，水的氣化潛熱為2 257 kJ/kg，汽油的氣化潛熱為300 kJ/kg，通過液態(tài)水的蒸發(fā)吸熱效應(yīng)，能有效降低缸內(nèi)溫度。目前，缸內(nèi)水與空氣和燃油相互作用，通過試驗(yàn)或者一維仿真的方法無法有效分析水在缸內(nèi)的分布規(guī)律及水和燃油相互作用的深層機(jī)理。為此，本文針對(duì)汽油機(jī)在高速大負(fù)荷加濃工況下進(jìn)行進(jìn)氣道噴水，應(yīng)用CFD軟件模擬研究在不同噴水比例和點(diǎn)火時(shí)刻下，缸內(nèi)油水混合和燃燒特性。本文分析水在缸內(nèi)的分布規(guī)律，以及水和燃油的相互作用，加深對(duì)噴水取代燃油加濃效果的理解，為噴水發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)過程提供理論依據(jù)。

1 計(jì)算模型的建立及其驗(yàn)證

本文研究對(duì)象為4行程4氣門缸內(nèi)直噴渦輪增壓汽油機(jī)，其基本參數(shù)為：缸徑74.0 mm，行程86.6 mm，壓縮比為11.5。燃燒系統(tǒng)的示意圖如圖1所示，采用缸內(nèi)中置直噴燃油、進(jìn)氣道噴水的雙噴射模式。

圖1 燃燒系統(tǒng)的示意圖

1.1 物理模型

模擬過程采用CONVERGE軟件。網(wǎng)格總數(shù)在40萬～150萬之間。湍流模型選用“RNGk-ε”。噴霧破碎模型選“KH-RT breakup length model”。燃燒模型選“SAGE Detailed Chemistry”詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型。化學(xué)反應(yīng)機(jī)理包含48種組分，152個(gè)反應(yīng)步驟[7]，燃油采用異辛烷和正庚烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比為92∶8。壁面?zhèn)鳠崮Ｐ瓦x取“O’Rourke and Ameden”。

1.2 邊界條件及初始條件

表 1為關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置，設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)工況為5 000 r/min，節(jié)氣門全開外特性工況。噴水比例為噴水量與噴油量的質(zhì)量比。噴水時(shí)間為-390 °CA ATDC，噴水壓力為1 MPa。噴油時(shí)間為-340 °CA ATDC，噴油壓力為20 MPa。在噴水比例rWI=80%時(shí)，設(shè)置過量空氣系數(shù)為1，以有利于三效催化轉(zhuǎn)化器的高效工作。

表1 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置

1.3 缸內(nèi)燃燒模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證燃燒模型的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)人員將模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)標(biāo)。從圖 2可以看出，模擬與試驗(yàn)的一致性較好，故采用以上設(shè)置能較好地對(duì)燃燒過程進(jìn)行模擬分析。

圖2 氣缸壓力的試驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比

2 不同噴水比例對(duì)缸內(nèi)油氣混合的影響

圖 3為不同噴水比例的缸內(nèi)液態(tài)水和氣態(tài)水的變化趨勢(shì)。在進(jìn)氣行程初期(曲軸轉(zhuǎn)角從-360 °CA ATDC運(yùn)轉(zhuǎn)到-300 °CA ATDC)，噴水比例設(shè)置為40%時(shí)，缸內(nèi)液態(tài)水較少而氣態(tài)水迅速增多。由于進(jìn)氣門剛開啟時(shí)，進(jìn)入缸內(nèi)的少量液態(tài)水受缸內(nèi)高溫混合氣的加熱作用快速蒸發(fā)。較大噴水比例(60%和80%)時(shí)液態(tài)水和氣態(tài)水均迅速增多。此時(shí)，進(jìn)入缸內(nèi)的液態(tài)水較多，受缸內(nèi)高溫混合氣加熱迅速蒸發(fā)，因此氣態(tài)水也迅速增多。在進(jìn)氣行程中期(曲軸轉(zhuǎn)角從-300 °CA ATDC運(yùn)轉(zhuǎn)到-270 °CA ATDC)，不同噴水比例的缸內(nèi)液態(tài)水迅速增多，氣態(tài)水增長速率相對(duì)進(jìn)氣行程初期降低。隨著進(jìn)氣門開度的增大及活塞下行運(yùn)動(dòng)，缸內(nèi)溫度降低，進(jìn)入缸內(nèi)的液態(tài)水迅速增多，蒸發(fā)速率降低導(dǎo)致氣態(tài)水增長速率減低。在進(jìn)氣行程末期和壓縮行程初期(曲軸轉(zhuǎn)角從-270 °CA ATDC運(yùn)轉(zhuǎn)到-120 °CA ATDC)，缸內(nèi)液態(tài)水逐漸減少、氣態(tài)水逐漸增多。隨著缸內(nèi)溫度的降低，液態(tài)水的蒸發(fā)速率逐漸變慢。在壓縮行程末期(曲軸轉(zhuǎn)角從-120 °CA ATDC運(yùn)轉(zhuǎn)到-30 °CA ATDC)，液態(tài)水的減少速率和氣態(tài)水的增加速率均略微提高，受活塞上行壓縮缸內(nèi)混合氣的影響，缸內(nèi)溫度逐漸增加，液態(tài)水的蒸發(fā)速率有所提升。

為了分析水和燃油的相互作用，提取不同噴水比例的缸內(nèi)過量空氣系數(shù)分布(圖4)，該柱狀圖越集中，表征缸內(nèi)油氣混合的均勻性更好。隨著噴水比例的增大，過量空氣系數(shù)逐漸向1.00附近移動(dòng)，且混合氣的均勻性逐漸變好。結(jié)合表1的噴油量可以看出，隨著過量空氣系數(shù)逐漸增大，噴油量逐漸減少。較少的燃油進(jìn)入缸內(nèi)能夠與缸內(nèi)的空氣混合更為均勻。

圖3 不同噴水比例的缸內(nèi)液態(tài)水和氣態(tài)水的變化趨勢(shì)

圖4 -30 °CA ATDC時(shí)不同噴水比例的缸內(nèi)過量空氣系數(shù)分布

圖5為曲軸轉(zhuǎn)角為-30 °CA ATDC時(shí)不同噴水比例的缸內(nèi)溫度分布。在不噴水時(shí)(rWI=0%，過量空氣系數(shù)為0.8)，燃燒室內(nèi)排氣側(cè)溫度較高。噴水后缸內(nèi)高溫區(qū)域減少。由此可見，噴水能有效降低壓縮行程末期的缸內(nèi)溫度，減少燃燒室內(nèi)的局部高溫區(qū)域。

圖5 在-30 °CA ATDC時(shí)不同噴水比例的缸內(nèi)溫度分布

3 不同噴水比例的缸內(nèi)燃燒特性

圖 6為不同噴水比例在最佳點(diǎn)火時(shí)刻的缸內(nèi)壓升率和溫度變化趨勢(shì)。圖 7為不同噴水比例的平均有效壓力(BMEP)和指示熱效率。不同噴水比例的BMEP均維持在2 MPa附近。最佳點(diǎn)火時(shí)刻指隨著噴水比例的增大，點(diǎn)火時(shí)刻提前到BMEP為2 MPa附近。如表 1所示，壓升率控制在0.5 MPa/°CA以下，排氣溫度控制在900 ℃附近。不同噴水比例的BMEP相近時(shí)，相對(duì)于不噴水的算例，噴水算例的指示熱效率均有所增加，這是由于噴水結(jié)合點(diǎn)火時(shí)刻，減少了噴油量，降低了燃油耗的緣故。圖8顯示了不同噴水比例的CA50燃燒相位和CA10-90燃燒相位狀態(tài)。隨著噴水比例的增加，燃燒相位CA50逐漸提前，燃燒相位CA10-90逐漸增大。結(jié)合表 1和圖 7可以看出，隨著噴水比例的增大，為了維持相近的BMEP，點(diǎn)火時(shí)刻逐漸提前，因此CA50逐漸提前。噴水比例越大會(huì)導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兟?，因此CA10-90燃燒相位逐漸增大。

圖6 不同噴水比例在最佳點(diǎn)火時(shí)刻的缸內(nèi)壓升率和溫度的變化趨勢(shì)

圖7 不同噴水比例的BMEP和指示熱效率

圖8 不同噴水比例的CA50和CA10-90

圖9為不同噴水比例的缸內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ナ疽鈭D，其中以溫度1 050 K的等值面表征火焰?zhèn)鞑ッ?。噴水比例越大，點(diǎn)火時(shí)刻越早，放熱越早。在相同的曲軸轉(zhuǎn)角下，噴水算例(rWI分別為40%、60%和80%)的火焰面?zhèn)鞑シ秶笥诓粐娝憷?。在噴水算?rWI分別為40%、60%和80%)，隨著噴水比例的增大，需要通過提前點(diǎn)火時(shí)刻，才能維持相近的火焰?zhèn)鞑シ秶?，由此可見噴水將降低火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

圖9 不同噴水比例的缸內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ナ疽鈭D

4 結(jié)論

利用數(shù)值模擬方法，研究了不同噴水比例和點(diǎn)火時(shí)刻下，缸內(nèi)油水混合、燃燒特性和排放預(yù)測(cè)，得出如下結(jié)論：

(1)進(jìn)氣門開啟初期由于缸內(nèi)溫度較高，液態(tài)水蒸發(fā)較快。

(2)相對(duì)于不噴水，噴水能有效降低缸內(nèi)溫度。隨著噴水比例的增大，過量空氣系數(shù)增大，噴油量減少。較少的燃油進(jìn)入缸內(nèi)能夠與缸內(nèi)的空氣混合更為均勻。缸內(nèi)溫度和過量空氣系數(shù)的均勻性均變好。

(3)在BMEP值相近時(shí)，相對(duì)于不噴水的算例，噴水算例的指示熱效率均有所增加。噴水降低火焰?zhèn)鞑ニ俣龋枰崆包c(diǎn)火時(shí)刻來維持燃燒相位。