點(diǎn)火時(shí)刻對157FMI發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)直噴燃燒過程的影響研究

孫振鵬　袁文華　張愛國

摘要：以157FMI發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對象，將其發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道噴射原型嘗試性地根據(jù)雙火花塞位置結(jié)構(gòu)實(shí)施缸內(nèi)直噴技術(shù)，通過對比不同點(diǎn)火時(shí)刻對缸內(nèi)燃燒過程的影響進(jìn)行研究，結(jié)果表明：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2500r/min，噴油量20mg的情況下，噴油器安裝角度設(shè)定為55°，隨著點(diǎn)火時(shí)刻提前，缸內(nèi)平均壓力、溫度，壓力升高率峰值逐漸增大，且平均壓力、溫度、壓力升高率峰值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角提前，瞬時(shí)放熱率峰值出現(xiàn)了先增大后減小的趨勢，但峰值相位逐漸提前。研究結(jié)果為小型摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)的應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)和參考。

Abstract： The 157FMI engine is taken as the research object. According to the position structure of the double spark plug， the intake port injection prototype of the engine is tried to carry out the in cylinder direct injection technology. By comparing the effects of different ignition times on the combustion process in the cylinder， the results show that： when the engine speed is 2500r/min and the injection quantity is 20mg， the installation angle of the injector is set at 55° and it is raised with the ignition time before that， the peak value of average pressure， temperature and pressure rise rate in the cylinder increases gradually， and the crankshaft angle corresponding to the peak value of average pressure， temperature and pressure rise rate is advanced. The peak value of instantaneous heat release rate increases first and then decreases， but the peak phase is advanced gradually. The research results provide theoretical guidance and reference for the application of the in cylinder direct injection technology of the small motorcycle engine.

關(guān)鍵詞：缸內(nèi)直噴;點(diǎn)火時(shí)刻;燃燒性能

Key words： direct injection in cylinder;ignition timing;combustion performance

0? 引言

相對于傳統(tǒng)的氣道噴射（PFI）汽油機(jī)，缸內(nèi)直噴汽油機(jī)（GDI）在燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性等方面都具有較明顯的優(yōu)勢，而點(diǎn)火相位參數(shù)對燃燒特性有著非常大的影響。同濟(jì)大學(xué)的秦秋實(shí)等[1]研究了噴油時(shí)刻與點(diǎn)火時(shí)刻對（GDI）發(fā)動(dòng)機(jī)分層燃燒過程的影響，得出了給定工況下相對最優(yōu)的噴油、點(diǎn)火相位。長安大學(xué)的張春化[2]研究了不同噴油正時(shí)下的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)壓力、壓力升高率、缸內(nèi)溫度、燃燒放熱規(guī)律等參數(shù)，結(jié)果表明隨引燃柴油噴油正時(shí)的增大，最高缸內(nèi)壓力、最高壓力升高率、最大燃燒溫度和最大瞬時(shí)放熱率先升高后降低且所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角減小;峰值壓力循環(huán)變動(dòng)系數(shù)先降低后增大，峰值壓力升高率循環(huán)變動(dòng)系數(shù)降低。重慶大學(xué)的王孟等[3]為了提高摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，研究不同的點(diǎn)火方案對發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響，通過改變點(diǎn)火提前角以尋求最佳點(diǎn)火方案。天津大學(xué)的潘鎖柱[4]研究了點(diǎn)火定時(shí)對燃燒過程和顆粒物排放影響的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：隨著點(diǎn)火定時(shí)的不斷延遲，火焰發(fā)展期逐漸縮短，快速燃燒期逐漸增大，缸內(nèi)壓力峰值逐漸下降，瞬時(shí)放熱率峰值和缸內(nèi)最高燃燒溫度均逐漸降低且后移，放熱過程遲緩，膨脹行程缸內(nèi)溫度逐漸升高。

江蘇大學(xué)的劉勝吉[5]研究點(diǎn)火提前角對通用小型汽油機(jī)缸內(nèi)燃燒及排放的影響。研究發(fā)現(xiàn)增大點(diǎn)火提前角，缸內(nèi)最大燃燒壓力和最高燃燒溫度增大，其分別對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角均提前;燃燒循環(huán)波動(dòng)先減小后增大，氮氧化合物（NOX）和碳?xì)浠衔铮℉C）排放值均增大。吉林大學(xué)的高瑩[6]通過改變微引燃柴油的噴射時(shí)刻，對柴油微引燃缸內(nèi)直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)保持微引燃柴油及天然氣兩者的噴射時(shí)間間隔及噴射持續(xù)期不變，則微引燃柴油噴射時(shí)刻越靠后，天然氣燃燒過程越遠(yuǎn)離上止點(diǎn)，燃燒等容度越差，缸內(nèi)壓力和溫度的峰值越低。南京航空航天大學(xué)的貝太學(xué)等[7]研究了點(diǎn)火參數(shù)對某二沖程航空活塞煤油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒及溫度場的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)點(diǎn)火時(shí)刻由 335°CA 變化至 331°CA 時(shí)，缸內(nèi)混合氣燃燒放熱量增多，放熱率峰值增大，放熱率峰值所對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角的提前量變大;燃燒放熱速率加快，混合氣溫度和壓力上升變快，高溫區(qū)范圍增大。從現(xiàn)有研究表明，關(guān)于點(diǎn)火時(shí)刻對發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)混合氣形成時(shí)間和燃燒過程有著重要的影響，因此，對157FMI發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)刻的研究必將成為157FMI實(shí)施缸內(nèi)直噴技改的必要環(huán)節(jié)。

本文嘗試在雙火花塞缸蓋位置布置的基礎(chǔ)上對157FMI發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行缸內(nèi)直噴模擬研究，分析一定范圍內(nèi)不同點(diǎn)火時(shí)刻對燃燒過程的影響，為后續(xù)優(yōu)化157FMI發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行缸內(nèi)直噴研究提供基礎(chǔ)。

1? 仿真模型的建立

1.1 幾何模型的建立及網(wǎng)格的劃分

本文的研究對象是以157FMI發(fā)動(dòng)機(jī)為原型機(jī)改裝而成的如圖1（a），其基本參數(shù)如表1所示，主要考慮壓縮行程后期燃油直接噴入缸內(nèi)的燃燒過程，不考慮進(jìn)氣與排氣的過程，整個(gè)過程類似一個(gè)封閉的系統(tǒng)，所以，在進(jìn)排氣門都關(guān)閉的壓縮和做功行程中則將進(jìn)排氣道都去掉，重點(diǎn)考慮從進(jìn)氣門關(guān)到排氣門開這段發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，進(jìn)氣門關(guān)對應(yīng)的曲軸角度為580°CA（40°CA ABDC），排氣門開對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為850°CA（50°CA BBDC），在數(shù)值模擬的范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)壓縮、噴油等幾個(gè)過程，進(jìn)排氣系統(tǒng)所引起的缸內(nèi)氣體流動(dòng)由CFD軟件初始條件通過設(shè)置一定的渦流比來呈現(xiàn)，這樣可以大大縮短計(jì)算時(shí)間，提高模擬計(jì)算的速度[8-9]。

將簡化后的模型利用CFD仿真軟件自帶的網(wǎng)格劃分工具 FEP對模型進(jìn)行動(dòng)網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格的最大尺寸為1.25×10-6m，為了確保仿真結(jié)果的可靠性，針對不同的計(jì)算區(qū)域需要對網(wǎng)格大小進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，故需要對不同位置進(jìn)行單獨(dú)加密，提高計(jì)算精度，在劃分動(dòng)態(tài)網(wǎng)格時(shí)對活塞和燃燒室等區(qū)域進(jìn)行了局部細(xì)化，網(wǎng)格最小尺寸為 6.25×10-7m。最終生成網(wǎng)格質(zhì)量良好的157FMI汽油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室體網(wǎng)格如圖1（b）。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋上空間布局的限制，嘗試將噴油器安裝設(shè)置在原火花塞相對氣缸軸面的對稱位置，如圖1（c），且對噴油器軸線與氣缸軸線在55°夾角下進(jìn)行仿真模擬。

1.2 初始條件和邊界條件

關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)溫度的邊界條件，通過查閱文獻(xiàn)，借鑒他人仿真研究所利用的邊界溫度值，如表2所示。

初始條件的數(shù)據(jù)直接關(guān)系到氣缸內(nèi)的空氣質(zhì)量和初始狀態(tài)并影響模擬仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，對于瞬態(tài)的模擬計(jì)算，初始條件應(yīng)當(dāng)盡量同實(shí)際條件相一致，初始條件的缸內(nèi)的溫度和壓力條件均從實(shí)驗(yàn)中得來，初始湍動(dòng)能和湍流長度的值有經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式得到：

湍動(dòng)能：

n為轉(zhuǎn)速，h為發(fā)動(dòng)機(jī)沖程，u為湍流脈動(dòng)速度。

hv代表氣門最大升程，本文的最大升程為7.25mm。

具體初始條件如表3所示。

1.3 數(shù)學(xué)模型的選擇

本文計(jì)算選用k-？灼-f四方程湍流模型[10]，湍流擴(kuò)散模型選用Enable 模型[11];碰壁模型選用walljet1[12];蒸發(fā)模型采用Dukowicz 模型[13]，破碎模型選用KHRT;燃燒模型選用 ECFM 模型[14]。

2? 點(diǎn)火時(shí)刻對燃燒性能的影響

點(diǎn)火時(shí)刻是發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中一個(gè)重要的影響因素，點(diǎn)火過早或過完都會(huì)對發(fā)動(dòng)機(jī)的效率產(chǎn)生影響，因此最佳的點(diǎn)火時(shí)刻對發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能優(yōu)化有著很大的意義。將噴油器安裝角度設(shè)定為55°，分析不同點(diǎn)火時(shí)刻為5°CA BTDC、15°CA BTDC、25°CA BTDC、35°CA BTDC、45°CA BTDC時(shí)對157FMI汽油機(jī)的燃燒過程的影響。

圖2可知一定范圍內(nèi)，隨著點(diǎn)火時(shí)刻提前，缸內(nèi)壓力、溫度、壓力升高率峰值均逐漸增大，且峰值相位也逐漸提前，瞬時(shí)放熱率峰值出現(xiàn)了先增大后減小的趨勢，但峰值相位逐漸提前。圖2（a）可知，點(diǎn)火時(shí)刻45°CA BTDC相對5°CA BTDC壓力峰值增大了52%，其峰值對應(yīng)的相位由25°CA ATDC提前到11°CA ATDC，當(dāng)點(diǎn)火時(shí)刻由5°CA BTDC提前到15°CA BTDC，缸內(nèi)最高壓力增幅最大;圖2（b）缸內(nèi)溫度隨點(diǎn)火時(shí)刻的變化規(guī)律與缸內(nèi)壓力相似，點(diǎn)火時(shí)刻45°CA BTDC相對5°CA BTDC溫度峰值增大了10.95%，燃燒始點(diǎn)前移，燃燒持續(xù)時(shí)間變長，其原因?yàn)辄c(diǎn)火時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)處于壓縮行程，隨著活塞的上行，燃燒的定容度增大，有助于火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊奶岣?，燃燒速度加快。如圖（c）所示壓力升高率峰值隨點(diǎn)火時(shí)刻的提前逐漸增大，壓力升高率的高低反映了此汽油發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴程度和等容度[15]，爆燃會(huì)增加燃油消耗率以及引起排放問題的惡化，如點(diǎn)火時(shí)刻為45°CA BTDC時(shí)，壓力升高率最大為0.27MPa/°CA。一般汽油機(jī)的壓力升高率在0.2～0.4MPa/°CA之間較合適，此范圍內(nèi)壓力升高率越大火焰?zhèn)鞑ニ俾试礁遊16]。隨著點(diǎn)火時(shí)刻的提前，瞬時(shí)放熱率峰值出現(xiàn)了先增大后減小的趨勢，且對應(yīng)的相位由18.5°CA ATDC提前到了上止點(diǎn)，當(dāng)點(diǎn)火時(shí)刻晚于35°CA BTDC時(shí)，后燃現(xiàn)象逐漸加重，不利于混合氣的瞬時(shí)快速燃燒，則瞬時(shí)放熱率峰值有相應(yīng)幅度的下降，這是因?yàn)槿加突旌蠒r(shí)間短使得混合氣濃度場分布適宜程度差。同時(shí)點(diǎn)火越晚，混合氣的燃燒發(fā)生在活塞下行階段的過程越長，燃燒定容性變差，與缸內(nèi)壓力、壓力升高率變化規(guī)律相同。

3? 點(diǎn)火時(shí)刻對溫度分布的影響

通過分析燃燒性能曲線變化規(guī)律的影響，了解到合適的點(diǎn)火時(shí)刻可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的最大壓力峰值、改善燃油的燃燒速率，接下來通過截取不同點(diǎn)火時(shí)刻下，發(fā)動(dòng)機(jī)不同曲軸轉(zhuǎn)角缸內(nèi)的溫度場的變化情況，對燃燒性能曲線得出的影響規(guī)律進(jìn)行總結(jié)。

由圖3可以看出，不同點(diǎn)火時(shí)刻，溫度變化的整體分布及點(diǎn)火后溫度變化的趨勢大致相似，但缸內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤炻透邷貐^(qū)域面積有所不同，隨著噴油時(shí)刻的的延后，相同的曲軸轉(zhuǎn)角下，缸內(nèi)高溫區(qū)面積逐漸減小。這是由于隨著點(diǎn)火時(shí)刻的提前缸內(nèi)溫度逐漸升高（如圖2（b）），缸內(nèi)溫度升高有利于燃料的蒸發(fā)和分裂，同時(shí)隨著點(diǎn)火時(shí)刻的提前缸內(nèi)壓力也逐漸增大（如圖2（a）），缸內(nèi)壓力增大，混合氣密度增大，分子運(yùn)動(dòng)平均自由程減短，反應(yīng)物分子間碰撞機(jī)率增大，從而使得缸內(nèi)燃燒反應(yīng)速度加快，缸內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ニ俣群透邷貐^(qū)域面積也是有所不同。隨著燃燒過程的進(jìn)行，缸內(nèi)的高溫區(qū)域逐漸向周圍擴(kuò)散，當(dāng)噴油時(shí)刻為45°CA BTDC時(shí)，缸內(nèi)的高溫區(qū)面積大于其它幾組說明此噴油時(shí)刻火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤欤欣诟變?nèi)混合氣的快速燃燒。

4? 結(jié)論

本文以157FMI發(fā)動(dòng)機(jī)為研究基礎(chǔ)，針對前人在157FMI發(fā)動(dòng)機(jī)雙火花塞燃燒室空間布置改造研究的基礎(chǔ)上，將其發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道噴射原型嘗試性地利用缸內(nèi)直噴技術(shù)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于壓縮階段時(shí)將燃油直接噴射到缸內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2500r/min，噴油量為20mg，噴油器安裝角度設(shè)定為55°時(shí)的情況下，研究了噴油時(shí)刻對缸內(nèi)燃燒過程的影響，得到的結(jié)論如下：

①點(diǎn)火時(shí)刻分別為5°CA BTDC、15°CA BTDC、25°CA BTDC、35°CA BTDC、45°CA BTDC時(shí)點(diǎn)燃缸內(nèi)混合氣，隨著點(diǎn)火時(shí)刻提前，缸內(nèi)壓力、溫度，壓力升高率峰值逐漸升高，瞬時(shí)放熱率峰值出現(xiàn)了先增大后減小的趨勢，但峰值相位逐漸提前。

②溫度場的變化情況是對燃燒性能曲線得出的影響規(guī)律進(jìn)行總結(jié)。噴油時(shí)刻為45°CA BTDC時(shí)，缸內(nèi)的高溫區(qū)面積大于其它幾組，說明此噴油時(shí)刻火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤欤欣诟變?nèi)混合氣的快速燃燒。

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基金項(xiàng)目：邵陽學(xué)院研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目（CX2018SY022）;湖南省研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目（CX20190970）。

作者簡介：孫振鵬（1992-），男，河南濮陽人，在讀研究生，從事發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒方向研究;袁文華（通訊作者），男，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，從事內(nèi)燃機(jī)燃燒技術(shù)的研究。