點(diǎn)火能量對157FMI汽油機(jī)缸內(nèi)直噴燃燒性能影響研究

伏軍，張愛國，孫振鵬,吳磊

(邵陽學(xué)院 機(jī)械與能源工程學(xué)院，湖南 邵陽，422000)

缸內(nèi)直噴技術(shù)在應(yīng)用過程中對點(diǎn)火系統(tǒng)提出了更高的要求。對于點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)，點(diǎn)火能量會對火花點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性與排放性能等產(chǎn)生很大影響，相關(guān)專家學(xué)者也進(jìn)行了大量研究[1-2]。侯圣智等[3]在1臺缸內(nèi)直噴汽油機(jī)上研究了部分負(fù)荷下點(diǎn)火參數(shù)對直噴汽油機(jī)廢氣稀釋燃燒的影響規(guī)律。結(jié)果表明，增大點(diǎn)火能量，有助于改善直噴汽油發(fā)動機(jī)廢氣稀釋燃燒過程，提高燃燒效率，減小燃燒循環(huán)波動率。顧啟凡等[4]基于自行搭建的高能量點(diǎn)火裝置，針對發(fā)動機(jī)在冷起動測試中燃燒不穩(wěn)定問題進(jìn)行了試驗(yàn)，研究結(jié)果表明，隨著點(diǎn)火能量的不斷提高，發(fā)動機(jī)在冷起動時(shí)的燃燒速率有明顯提升，同時(shí)，未完全燃燒循環(huán)和失火循環(huán)數(shù)明顯減少。YE等[5]利用高能點(diǎn)火和閃蒸霧化來延長光學(xué)直噴式汽油機(jī)稀薄燃燒極限的研究。研究結(jié)果表明，高能點(diǎn)火和閃蒸噴霧都可以通過不同的機(jī)理改善燃燒特性，高能點(diǎn)火對點(diǎn)火延遲期的影響更大。貝太學(xué)等[6]利用GT-Power和 Fire軟件對某發(fā)動機(jī)整機(jī)及燃燒室分別建立了仿真模型并驗(yàn)證了該模型的正確性。結(jié)果表明，當(dāng)點(diǎn)火能量由28.02 mJ增加至46.73 mJ時(shí)，火花塞點(diǎn)火產(chǎn)生的火核尺寸增大，缸內(nèi)燃燒溫度與壓力升高，燃燒放熱速率加快，缸內(nèi)高溫區(qū)分布范圍增大。CHEN等[7]利用漸近理論以及詳細(xì)的數(shù)值模擬和氫/空氣火焰實(shí)驗(yàn)研究了由外部能量沉積引發(fā)的向外傳播的球形火焰的軌跡。數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，點(diǎn)火能量對火焰軌跡有顯著影響。王金磊等[8]針對通用小型汽油機(jī)中小負(fù)荷時(shí)HC和CO排放量較高的問題，分析了HC和CO產(chǎn)生的機(jī)理，提出了提高點(diǎn)火能量的措施，改善了通用小型汽油機(jī)點(diǎn)火可靠性和燃燒過程，試驗(yàn)結(jié)果表明，高能點(diǎn)火能有效降低HC和CO的排放量。

本文以157FMI型(單缸風(fēng)冷自然吸氣摩托車，缸徑為57 mm，排氣量為125 mL)汽油機(jī)由進(jìn)氣道噴射改為缸內(nèi)直噴過程中的技改關(guān)鍵技術(shù)之點(diǎn)火能量為切入點(diǎn)，以火花塞關(guān)于氣缸軸線對稱的位置為噴油器噴射點(diǎn)，90 °CA BTDC(90 °Crank Angle Before Top Dead Center)開始噴油，噴油持續(xù)期為20 °CA，分別選取點(diǎn)火能量30，40，50，60和70 mJ進(jìn)行點(diǎn)火能量對缸內(nèi)直噴技改汽油機(jī)的燃燒特性研究，以期對小缸徑汽油機(jī)由進(jìn)氣道噴射改為缸內(nèi)直噴提供理論參考。

1 計(jì)算對象及模型

1.1 計(jì)算對象網(wǎng)格

該研究對象為1臺157FMI汽油機(jī)，運(yùn)用三維建模軟件Pro/E建立其進(jìn)排氣道及燃燒室模型，見圖1，包括進(jìn)排氣道、氣缸、活塞、燃燒室等。計(jì)算所需157FMI汽油機(jī)缸內(nèi)直噴基本參數(shù)，見表1。

表1 157FMI汽油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Specifications of 157FMI gasoline engine

圖1 三維計(jì)算模型Fig.1 Three-dimensional calculation model

在計(jì)算模型處理方面，主要以1.25 mm六面體網(wǎng)格為主，四面體網(wǎng)格為輔，網(wǎng)格細(xì)化大小為0.625 mm。在網(wǎng)格劃分過程中，對進(jìn)氣道區(qū)域網(wǎng)格在噴油開始后進(jìn)行網(wǎng)格加密、對進(jìn)氣門附近區(qū)域網(wǎng)格在氣門開啟到關(guān)閉的過程中進(jìn)行加密、對缸內(nèi)區(qū)域網(wǎng)格在進(jìn)氣門開啟后進(jìn)行加密，以保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，整體網(wǎng)格數(shù)為108.827 6萬[9]。計(jì)算中定義720 °CA為壓縮上止點(diǎn)，350 °CA為進(jìn)氣門開啟時(shí)刻，860 °CA為排氣門開啟時(shí)刻。其中，350～580 °CA為進(jìn)氣階段，進(jìn)氣過程排氣門處于關(guān)閉狀態(tài)，計(jì)算過程中，不考慮排氣道的影響，可以將其省去；580～860 °CA為壓縮做功階段，此階段進(jìn)排氣門處于關(guān)閉狀態(tài)，進(jìn)排氣道省去以減少網(wǎng)格數(shù)量。

1.2 計(jì)算初始條件及采用子模型

計(jì)算采用湍流模型為 k-ε模型；碰壁模型選用Walljet1模型；蒸發(fā)模型選用Dukowicz模型；破碎模型選用WAVE模型；點(diǎn)火模型選用相關(guān)火焰模型(coherent flame model)。

計(jì)算初始壓力為0.09 MPa，初始溫度為1 600 K。邊界條件如下：活塞溫度為550 K，氣缸壁溫度為450 K。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 溫度場分析

不同點(diǎn)火能量缸內(nèi)溫度場分布見圖2。從圖可見：整體看來，不同點(diǎn)火能量溫度場分布規(guī)律相似，隨著點(diǎn)火能量的提高，溫度場區(qū)域逐漸增大，側(cè)面反映了點(diǎn)火能量對火焰?zhèn)鞑ニ俣仁怯杏绊懙模c(diǎn)火能量越高，在火核形成初期不易焠熄，并且隨著燃燒的進(jìn)行，火焰的傳播速度越來越快。在點(diǎn)火前期，發(fā)動機(jī)缸內(nèi)溫度場分布主要由燃燒室自身形狀及流場運(yùn)動來決定，缸內(nèi)溫度變化主要來自活塞上行壓縮氣體，此時(shí)缸內(nèi)溫度場分布相似。在698 °CA點(diǎn)火時(shí)刻，火花塞放電，在火花塞附近形成初始火核，可知此時(shí)的混合氣濃度足以達(dá)到燃燒條件且點(diǎn)火能量也足以點(diǎn)燃混合氣。隨著活塞上行，當(dāng)活塞運(yùn)行到705 °CA時(shí)，不同點(diǎn)火能量下均已形成了穩(wěn)定火焰核心，混合氣穩(wěn)定燃燒放熱，并開始向外傳播，在火花塞位置附近出現(xiàn)局部高溫區(qū)域，此時(shí)火焰剛開始燃燒，局部高溫區(qū)范圍較小，最高溫度為2 900 K左右，高溫區(qū)域近似橢圓形向四周輻射。在710 °CA時(shí)，缸內(nèi)溫度分布出現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象，已燃區(qū)溫度最高，火焰前鋒面為中溫過渡區(qū)，未燃區(qū)溫度最低；活塞繼續(xù)上行，已燃區(qū)面積變大，當(dāng)活塞達(dá)到720 °CA時(shí)，高溫區(qū)占據(jù)氣缸的大部，比較不同點(diǎn)火能量形成的溫度場，當(dāng)發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火能量越大時(shí)，發(fā)動機(jī)的最高溫度越大，并且高溫的分布區(qū)域擴(kuò)大；當(dāng)活塞下行至730 °CA時(shí)，火焰?zhèn)鞑ブ琳麄€(gè)氣缸，缸內(nèi)溫度分布出現(xiàn)兩極化，高溫區(qū)域主要集中在火花塞處，近壁面及氣缸頂部溫度略低，且火焰?zhèn)鞑ナ芰鲌鲇绊戄^大，火焰有回收的趨勢?；钊\(yùn)行至860 °CA時(shí)，缸內(nèi)燃燒完全，分布較均勻。從圖中各個(gè)時(shí)刻溫度場的分布得出，在發(fā)動機(jī)的工作過程中，火花塞一直處于高溫區(qū)域，因此，需要注意火花塞熱負(fù)荷，保證火花塞的使用壽命。

圖2 不同點(diǎn)火能量下缸內(nèi)溫度場分布Fig.2 Temperature contours in the cylinder under different ignition energies

2.2 點(diǎn)火能量對缸內(nèi)燃燒特性的影響分析

圖3～7所示為不同點(diǎn)火能量下的缸壓、溫度、放熱率、累積放熱量及溫度、壓力峰值對比圖。由變化規(guī)律可知，在同一曲軸轉(zhuǎn)角下，缸內(nèi)各參數(shù)隨點(diǎn)火能量的增加而變大，較大的點(diǎn)火能量下燃料的平均化學(xué)反應(yīng)速率較快，對應(yīng)的缸內(nèi)壓力較大，燃料累積放熱率較高，缸內(nèi)溫度也較高[10-11]。在點(diǎn)火能量為30 mJ時(shí)，缸內(nèi)最大壓力達(dá)到6.17 MPa，溫度為2 346.7 K，瞬時(shí)放熱率接近52 J/°CA，累積放熱量達(dá)到700 J；點(diǎn)火能量為40 mJ時(shí)，缸內(nèi)壓力為6.30 MPa，溫度為2 394.7 K，瞬時(shí)放熱率接近53 J/°CA，累積放熱量在700 J左右；當(dāng)點(diǎn)火能量為50 mJ時(shí)，缸內(nèi)壓力為6.36 MPa，溫度為2 418.9 K，瞬時(shí)放熱率達(dá)到55 J/°CA，累積放熱量在700 J左右；當(dāng)點(diǎn)火能量為60 mJ時(shí)，缸內(nèi)壓力為6.49 MPa，溫度為2 466.6 K，瞬時(shí)放熱率接近54 J/°CA，累積放熱量在700 J左右；當(dāng)點(diǎn)火能量為70 mJ時(shí)，缸內(nèi)壓力為6.80 MPa，溫度為2 584.7 K，瞬時(shí)放熱率接近58 J/°CA，累積放熱量達(dá)到800 J；當(dāng)初始點(diǎn)火能量從30 mJ增大至70 mJ時(shí)，缸內(nèi)最大峰值壓力增大0.63 MPa，同比增大10.2%，但是，壓力峰值所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角并沒有發(fā)生變化，一直處在724 °CA左右，同時(shí)，可以清楚地看到當(dāng)點(diǎn)火能量為70 mJ時(shí)，缸內(nèi)壓力接近7 MPa，此時(shí)缸內(nèi)壓力過高，易引起爆震，原發(fā)動機(jī)峰值壓力在5.8 MPa左右，通過分析可見，缸內(nèi)直噴模式下，發(fā)動機(jī)的工作性能明顯提高；從缸內(nèi)溫度變化曲線并結(jié)合缸內(nèi)溫度分布可以看到，點(diǎn)火能量從30 mJ增大至 70 mJ時(shí)，溫度差為238.1 K，同比增大10.1%，瞬時(shí)放熱率增大約11.5%；溫度峰值在729 °CA時(shí)達(dá)到最大，溫度峰值較上止點(diǎn)較近，說明燃燒較快[12-13]。

圖3 不同點(diǎn)火能量下壓力變化規(guī)律曲線Fig.3 Pressure traces under different ignition energies

圖4 不同點(diǎn)火能量下溫度變化規(guī)律曲線Fig.4 Temperature traces under different ignition energies

圖5 不同點(diǎn)火能量下溫度、壓力峰值及其對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角Fig.5 Temperature and pressure peaks and their corresponding crankshaft angles under different ignition energies

圖6 不同點(diǎn)火能量下放熱率變化規(guī)律曲線Fig.6 Heat release rate traces under different ignition energies

圖7 不同點(diǎn)火能量下累積放熱量變化規(guī)律曲線Fig.7 Heat release traces under different ignition energies

圖8所示為不同點(diǎn)火能量下缸內(nèi)NO的生成量及生成率曲線。隨著點(diǎn)火能量的提高，缸內(nèi)NO生成量和生成率的變化趨勢沒有明顯變化，但是其數(shù)量明顯增加。從圖8可見：對比缸內(nèi)溫度變化規(guī)律可知，隨著點(diǎn)火能量的增加，缸內(nèi)溫度逐漸增大，因此，導(dǎo)致NO的生成量也略有增加，同時(shí)說明高溫有利于NO的生成。

圖8 不同點(diǎn)火能量下NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)及生產(chǎn)率變化規(guī)律曲線Fig.8 NO mass fraction and productivity traces under different ignition energies

圖9所示為不同點(diǎn)火能量缸內(nèi)NO分布情況。從各個(gè)曲軸對應(yīng)的云圖來看，NO分布有著與溫度分布相同的趨勢，NO主要集中分布在高溫區(qū)域，高溫中心附近 NO的濃度最高，其次是火焰面中溫區(qū)，未燃區(qū)NO生成量極少。隨著點(diǎn)火能量的增加，在相同曲軸轉(zhuǎn)角下，NO濃度及分布區(qū)域也增大，這是由于點(diǎn)火能量增大時(shí)，有利于形成穩(wěn)定的火核，縮短了火焰的發(fā)展期，提高了缸內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣龋瑥亩岣吡巳紵郎囟?，NO生成率增大，濃度分布區(qū)域也隨之增大。但當(dāng)點(diǎn)火能量增加到一定程度時(shí)，在相同的初始條件下，對燃燒的影響基本相同，從而NO的分布也基本相同。在698 °CA點(diǎn)火時(shí)刻開始，火核還沒有形成，缸內(nèi)溫度較低，無化學(xué)能產(chǎn)生，也無NO生成；到705 °CA時(shí)，NO的生成開始明顯并集中在火花塞附近；在710 °CA時(shí)，高濃度區(qū)域呈燭火火焰狀的NO形成，并開始蔓延，且點(diǎn)火能量越大，NO分布區(qū)域越大，隨著點(diǎn)火能量增大，NO分布區(qū)域增加幅度有所降低。隨著燃燒的進(jìn)行，缸內(nèi)溫度升高，NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，分布區(qū)域隨高溫區(qū)域一起向四周擴(kuò)散。當(dāng)活塞到達(dá)上止點(diǎn)，不同點(diǎn)火能量下NO分布擴(kuò)大，說明在整個(gè)壓縮后期，隨著缸內(nèi)溫度的升高，NO濃度不斷增大，且影響變大。在活塞到達(dá)上止點(diǎn)后的下行過程中，NO分布差距變小，這是因?yàn)辄c(diǎn)火能量對缸內(nèi)燃燒的影響主要體現(xiàn)在火焰生成階段，在其他參數(shù)一樣的條件下，只要點(diǎn)火能量能夠正常點(diǎn)燃可燃混合氣，火焰?zhèn)鞑デ闆r基本保持同步，缸內(nèi)溫度分布和NO分布基本不受影響。

圖9 不同點(diǎn)火能量下NO分布Fig.9 NO contours under different ignition energies

3 結(jié)論

本文以157FMI汽油機(jī)由進(jìn)氣道噴射改為缸內(nèi)直噴過程中的技改關(guān)鍵技術(shù)之點(diǎn)火能量為切入點(diǎn)，以火花塞關(guān)于氣缸軸線對稱的位置為噴油器噴射點(diǎn)，分別選取點(diǎn)火能量30，40，50，60和70 mJ對缸內(nèi)直噴模式下的157FMI汽油機(jī)燃燒特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：

1)點(diǎn)火能量由30 mJ增加至70 mJ時(shí)，缸內(nèi)溫度、壓力、放熱率、累積放熱量等有所增加，溫度差為238.1 K，同比增大10.1%，瞬時(shí)放熱率增大約11.5%，增大點(diǎn)火能量，缸內(nèi)溫度、壓力、放熱率、累積放熱量等有所增加，但點(diǎn)火能量對缸內(nèi)燃燒的影響主要體現(xiàn)在火焰生成階段。在其他參數(shù)一樣的條件下，只要點(diǎn)火能量能夠正常點(diǎn)燃可燃混合氣，缸內(nèi)溫度分布和NO分布基本不受影響。

2)高溫有利于NO生成，隨著點(diǎn)火能量的增大，缸內(nèi)溫度有所提升，同時(shí)，NO的生成也有所增加。