后噴策略對(duì)汽油壓燃燃燒及碳煙排放的影響

王?滸，左青明，王夢(mèng)玉，鄭尊清

后噴策略對(duì)汽油壓燃燃燒及碳煙排放的影響

王?滸，左青明，王夢(mèng)玉，鄭尊清

(天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

針對(duì)大負(fù)荷條件下汽油壓燃碳煙排放高的問(wèn)題，基于三維流體力學(xué)軟件CONVERGE開(kāi)展了汽油壓燃燃燒及碳煙生成氧化過(guò)程影響的數(shù)值模擬，系統(tǒng)研究了在廢氣再循環(huán)(EGR)結(jié)合氣道噴射(PFI)情況下，后噴策略對(duì)大負(fù)荷條件下汽油壓燃燃燒過(guò)程及碳煙生成氧化過(guò)程的影響規(guī)律和機(jī)制．研究結(jié)果表明，在復(fù)合噴射策略條件下，后噴使主噴油量減少?gòu)亩档土饲捌谔紵煹漠a(chǎn)生，且后噴燃料的燃燒加速燃燒后期碳煙的氧化過(guò)程，從而使整體碳煙排放降低；在EGR率為20%、氣道噴射比例為40%、主噴時(shí)刻為－8°CA ATDC、主噴-后噴間隔為10°CA、后噴油量為5mg時(shí)，可以同時(shí)獲得較高的熱效率(45.959%)及較低的碳煙和NO排放，同試驗(yàn)基準(zhǔn)相比，NO排放降低68.3%，最大壓升率降低28.6%；相較于單次噴射，碳煙排放降低14.7%．

汽油壓燃；碳煙排放；氣道噴射；后噴策略

近年來(lái)，面對(duì)環(huán)境和能源問(wèn)題的雙重挑戰(zhàn)，保持汽車(chē)動(dòng)力性并盡量降低油耗和排放成為重要挑戰(zhàn)．汽油壓燃(gasoline compression ignition，GCI)，作為一種高效清潔的新型燃燒方式，受到了廣泛關(guān)注．但由于小負(fù)荷下汽油自燃著火特性差且缸內(nèi)溫度、壓力較低，大負(fù)荷下混合不足，汽油壓燃存在小負(fù)荷著火穩(wěn)定性差及大負(fù)荷碳煙排放較高等問(wèn)題[1-2].

為解決GCI燃燒方式存在的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了許多相關(guān)研究．通過(guò)噴油策略及EGR的控制來(lái)改善油氣混合過(guò)程，是實(shí)現(xiàn)高效率、低排放燃燒的一種有效方法[3-4]．Manente等[5]在汽油部分預(yù)混燃燒模式下研究了進(jìn)氣壓力、EGR、燃燒相位、轉(zhuǎn)速及預(yù)噴比例對(duì)內(nèi)燃機(jī)熱效率、排放及最大壓升率的影響，并進(jìn)行了優(yōu)化．鄭尊清等[6]通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究?jī)纱螄娚鋮?shù)及EGR對(duì)GCI燃燒及排放的影響．Liu等[7]研究了氣道噴射結(jié)合缸內(nèi)直噴策略對(duì)GCI的影響，氣道噴射比例增加，噴油時(shí)刻提前使得預(yù)混燃燒提前且放熱增加，碳煙排放減少，而EGR率的提高使NO減少的同時(shí)會(huì)使HC和CO排放增加．在鄭尊清等[8]對(duì)GCI燃燒過(guò)程中的碳煙生成、發(fā)展及其氧化過(guò)程的研究中，發(fā)現(xiàn)以PAH為前驅(qū)物的多步法現(xiàn)象學(xué)碳煙模型(Gokul模型)有較好的預(yù)測(cè)性能．鄭尊清等[9]基于CONVERGE軟件，使用TRF-PAH化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型和Gokul多步法碳煙模型，研究了氣道噴射比例、主噴時(shí)刻、主噴-預(yù)噴間隔對(duì)大負(fù)荷下GCI的影響，通過(guò)噴射策略?xún)?yōu)化提升了熱效率并降低了碳煙排放，但NO排放較高，最大壓升率較高；之后利用EGR降低燃燒速率并改善了NO排放．多次噴射技術(shù)目前被廣泛用于內(nèi)燃機(jī)排放控制，其中后噴策略可以起到顯著降低碳煙排放的作用．后噴策略降低碳煙排放的主要原因有：加強(qiáng)缸內(nèi)流動(dòng)，促進(jìn)油氣混合，改善燃燒[10]；提高燃燒后期缸內(nèi)溫度，促進(jìn)碳煙的氧化；主噴油量減少，主噴燃油燃燒更充分[11-12]．

綜上所述，本研究基于課題組已開(kāi)展的研究[7-9]，在已確定的進(jìn)氣道噴射比例、EGR率基礎(chǔ)上，探究后噴策略對(duì)GCI燃燒過(guò)程及碳煙生成氧化過(guò)程的影響，并與單次噴策略在大負(fù)荷下GCI燃燒及排放的影響規(guī)律方面進(jìn)行了對(duì)比．本文開(kāi)展的EGR耦合進(jìn)氣道噴射、后噴策略對(duì)GCI燃燒及碳煙生成氧化過(guò)程的影響機(jī)制的研究，可為進(jìn)一步改善GCI大負(fù)荷工況碳煙排放、實(shí)現(xiàn)高效清潔燃燒提供理論指導(dǎo)．

1?模型建立及驗(yàn)證

1.1?模型設(shè)置

本文基于臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用CONVERGE軟件建立了GCI發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值模擬模型，技術(shù)參數(shù)如表1所示．由于本文模型基于的發(fā)動(dòng)機(jī)為8孔噴油器，所以在計(jì)算中以1/8扇形體作為計(jì)算域，從而提高計(jì)算效率．在平衡計(jì)算準(zhǔn)確性和計(jì)算效率的基礎(chǔ)上，模型網(wǎng)格基本尺寸設(shè)為2mm，采用2級(jí)自適應(yīng)加密和局部嵌入式加密．最終，整體模型最小網(wǎng)格尺寸為0.5mm，計(jì)算最大網(wǎng)格數(shù)約為300000，計(jì)算網(wǎng)格如圖1所示．

表1?發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

Tab.1?Engine specifications

圖1?上止點(diǎn)時(shí)的計(jì)算網(wǎng)格示意

模型所采用的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理為Wang等[13]構(gòu)建的包含109個(gè)組分和543步化學(xué)反應(yīng)的TRF-PAH簡(jiǎn)化化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理，該機(jī)理能夠較好地預(yù)測(cè)正庚烷、異辛烷和甲苯的滯燃期、熱解物質(zhì)濃度以及層流火焰速度，同時(shí)能夠較好地預(yù)測(cè)燃料燃燒過(guò)程中PAH的生成．模擬采用的其他子模型如表2所示，其中碳煙模型為Vishwanathan等[14]提出的以PAH為碳煙前驅(qū)物的多步法現(xiàn)象學(xué)碳煙模型(Gokul模型)．該模型以A4為碳煙前驅(qū)物，以C2H2為碳煙的表面生長(zhǎng)組分，以O(shè)H和氧氣為碳煙氧化過(guò)程的關(guān)鍵組分，包括了碳煙的初始成核、表面生長(zhǎng)、凝聚和氧化等過(guò)程，同時(shí)考慮到了氣相動(dòng)力學(xué)以及碳煙顆粒從氣相到固態(tài)顆粒的相變過(guò)程，能夠預(yù)測(cè)碳煙顆粒直徑和數(shù)密度的分布變化．此模型在本課題組之前的研究中已完成標(biāo)定和驗(yàn)證[8]．

表2?主要子模型

Tab.2?Main submodels

1.2?模型驗(yàn)證

模型標(biāo)定過(guò)程中對(duì)比的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為臺(tái)架試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在GCI燃燒模式大負(fù)荷工況下得到的，噴油策略為氣道噴射結(jié)合預(yù)噴-主噴，試驗(yàn)中燃料為92號(hào)汽油，工況設(shè)定的邊界條件如表3所示．計(jì)算過(guò)程中采用三組分TRF汽油替代物(16.3%正庚烷、52.7%異辛烷和31%甲苯)[17]模擬92號(hào)汽油．

表3?模型標(biāo)定邊界條件設(shè)置

Tab.3 Setting of calibrated boundary conditions in the model

圖2為模擬計(jì)算的缸壓、放熱率與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，模擬時(shí)采用與試驗(yàn)相同的噴射策略與循環(huán)油量.在缸內(nèi)壓力方面模擬試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，放熱率曲線(xiàn)也能夠較好地反映燃燒過(guò)程特點(diǎn)．燃燒及排放特性參數(shù)的對(duì)比如表4所示．其中NO排放和最大壓升率相較于試驗(yàn)結(jié)果略低；燃燒相位、碳煙排放、燃燒效率與試驗(yàn)結(jié)果誤差在6%以?xún)?nèi)．綜合來(lái)看，模型能夠較準(zhǔn)確地反映發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際的工作過(guò)程．

圖2?實(shí)驗(yàn)與模擬缸內(nèi)壓力、放熱率對(duì)比

表4?實(shí)驗(yàn)與模擬燃燒排放參數(shù)對(duì)比

Tab.4 Comparison of emission parameters between ex-perimental and simulation results

2?結(jié)果與分析

針對(duì)大負(fù)荷條件下GCI碳煙排放高的問(wèn)題，在文獻(xiàn)[9]的研究中，采用EGR＋氣道噴射＋預(yù)噴的復(fù)合策略，將大負(fù)荷GCI碳煙排放減少19%，但存在壓力升高率接近限值的問(wèn)題．后噴策略同樣可以起到有效降低碳煙排放的作用，同時(shí)主噴油量減少對(duì)壓力升高率也會(huì)有幫助，因此本文探究利用后噴策略降低大負(fù)荷GCI碳煙排放問(wèn)題，為GCI大負(fù)荷工況下控制策略的選擇提供理論指導(dǎo)．相關(guān)算例及其各變量參數(shù)設(shè)置如下：EGR率固定為20%，氣道噴射比例固定為40%，主噴時(shí)刻為－8°CA ATDC．具體參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表5．

表5?相關(guān)算例及其各變量參數(shù)的取值范圍

Tab.5?Related cases and the range of values of each variable parameter

2.1?主噴-后噴間隔的影響

圖3為不同主噴-后噴間隔的缸內(nèi)壓力、放熱率曲線(xiàn)以及缸內(nèi)平均溫度．如圖所示，主噴-后噴間隔的改變對(duì)缸內(nèi)壓力以及前期放熱過(guò)程的影響較小，主要影響燃燒后期的放熱率及缸內(nèi)溫度．相比缸內(nèi)單次直噴，后噴使得主噴油量減少，主噴燃油燃燒期間放熱減少，整體燃燒持續(xù)期隨之延長(zhǎng)．此外，隨著主噴-后噴間隔增大，后噴時(shí)刻推遲，后噴燃油噴入時(shí)缸內(nèi)溫度降低，其放熱也不斷減少，因此燃燒后期由后噴引起的放熱峰值降低且缸內(nèi)溫度有所下降．

圖4為不同主噴-后噴間隔的IMEP、熱效率以及排放情況．后噴時(shí)刻對(duì)NO排放的影響較小，而隨著后噴的引入及后噴時(shí)刻的推遲，IMEP、熱效率降低．相比單次缸內(nèi)直噴，主噴-后噴間隔為10°CA時(shí)能夠有效降低碳煙排放，但隨著后噴時(shí)刻的推遲碳煙排放不斷升高甚至高于缸內(nèi)單次直噴．一方面，后噴油量的噴入對(duì)燃燒過(guò)程缸內(nèi)壓力及溫度的影響較小，因此NO排放隨后噴時(shí)刻的變化并不明顯；另一方面，后噴油量噴入缸內(nèi)，主噴-后噴間隔較小時(shí)，后噴燃油的燃燒能夠提高燃燒后期缸內(nèi)溫度，促進(jìn)碳煙的氧化使得碳煙排放降低，但當(dāng)主噴-后噴間隔較大時(shí)，其燃燒在膨脹行程中進(jìn)行，缸內(nèi)溫度和壓力不斷降低，噴油難以完全燃燒，使得在IMEP和熱效率降低的同時(shí)還產(chǎn)生了新的碳煙．

圖3 不同主噴-后噴間隔的缸內(nèi)壓力、放熱率曲線(xiàn)以及缸內(nèi)平均溫度

圖4 不同主噴-后噴間隔時(shí)的IMEP、熱效率以及碳煙、NOx排放

圖5為不同主噴-后噴間隔下在后噴燃油噴入后的缸內(nèi)溫度及當(dāng)量比分布情況．后噴燃油噴入缸內(nèi)時(shí)燃燒過(guò)程進(jìn)入后期，隨著后噴時(shí)刻的推遲，缸內(nèi)溫度和當(dāng)量比降低，高溫及高當(dāng)量比區(qū)域縮?。髧娙加蛧娙敫變?nèi)后在油束末端進(jìn)行擴(kuò)散燃燒，在較早的后噴時(shí)刻下后噴燃油的燃燒一定程度上提高了缸內(nèi)燃燒后期的溫度，但隨著后噴時(shí)刻的推遲，后噴油量不完全燃燒，放熱減少，對(duì)缸內(nèi)溫度的影響很小且使得熱效率降低．

為了進(jìn)一步探究在PFI結(jié)合主噴-后噴的復(fù)合噴射策略下，主噴-后噴間隔對(duì)GCI燃燒過(guò)程中碳煙生成和氧化的影響機(jī)制，進(jìn)一步分析了不同主噴-后噴間隔下的碳煙生成演化歷程、關(guān)鍵中間組分及碳煙質(zhì)量、碳煙數(shù)密度和主要反應(yīng)速率的分布．圖6為不同主噴-后噴間隔時(shí)的碳煙生成演化過(guò)程．從圖中可以看到，后噴的引入使得碳煙質(zhì)量峰值明顯降低，這主要是因?yàn)榧尤牒髧姾?，主噴油量減少，主噴燃油放熱減少，缸內(nèi)溫度降低，碳煙生成減少．在燃燒后期，較小主噴-后噴間隔下，后噴燃油燃燒較早，碳煙生成也較早，缸內(nèi)溫度較高，氧化作用較強(qiáng)使得碳煙最終排放降低，主噴-后噴間隔過(guò)大使得后噴燃油燃燒產(chǎn)生的碳煙無(wú)法完全氧化，碳煙排放升高．

圖6?不同主噴-后噴間隔的碳煙生成演化歷程

后噴燃油噴入缸內(nèi)后，碳煙的生成氧化過(guò)程受到影響，因此進(jìn)一步分析了40°CA ATDC時(shí)刻下缸內(nèi)的溫度、當(dāng)量比、碳煙生成氧化關(guān)鍵組分以及碳煙的生成氧化情況，如圖7所示．40°CA ATDC時(shí)，相比缸內(nèi)單次噴射，較小的主噴-后噴間隔下后噴燃油燃燒接近結(jié)束，缸內(nèi)溫度和當(dāng)量比處于較低水平，但油束所在區(qū)域溫度略有升高，A4、C2H2、OH的分布較少且隨著主噴-后噴間隔的改變變化不大．而主噴-后噴間隔較大(25°CA ATDC)時(shí)，后噴燃油燃燒正在進(jìn)行，油束所在區(qū)域當(dāng)量比明顯升高，且C2H2的分布區(qū)域也有較為明顯的增加，A4在噴油器附近的分布減少、在油束區(qū)域的分布則增多．40°CA ATDC時(shí)刻下碳煙氧化過(guò)程起主導(dǎo)作用，不同后噴時(shí)刻下氧化速率均處于較高水平，且相比單次噴射，較小的主噴-后噴間隔下缸內(nèi)整體氧化速率有所提升，成核速率和表面生長(zhǎng)速率與單次噴射下差別不大，因此碳煙及數(shù)密度在較強(qiáng)的氧化作用下低于單次噴射．較大的主噴-后噴間隔下成核速率和表面生長(zhǎng)速率分布有所增大，而氧化速率有所減小，新的碳煙產(chǎn)生但無(wú)法完全氧化，使得其碳煙及數(shù)密度也有所升高．

2.2?后噴油量的影響

在研究主噴-后噴間隔對(duì)GCI燃燒及碳煙生成氧化過(guò)程影響的基礎(chǔ)上，設(shè)置主噴-后噴間隔為10°CA，并在保證總循環(huán)噴油量和氣道噴射比例不變的前提下，進(jìn)一步研究不同后噴油量對(duì)GCI燃燒過(guò)程及碳煙生成氧化過(guò)程的影響．圖8為不同后噴油量下的缸壓、放熱率曲線(xiàn)及缸內(nèi)平均溫度．由結(jié)果可知，隨著后噴油量的增加，主噴油量減少，主噴燃油的燃燒持續(xù)期縮短，燃燒也更為集中，最大爆發(fā)壓力及燃燒前期缸內(nèi)平均溫度略有增大．而隨著后噴油量增加，燃燒后期放熱率也有所下降，缸內(nèi)溫度降低．圖9為不同后噴油量下的IMEP、最大壓力升高率、熱效率以及燃燒持續(xù)期情況．隨著后噴油量的增加，后噴燃油的不完全燃燒加重，燃燒持續(xù)期延長(zhǎng)，IMEP及熱效率降低．

圖8 不同后噴油量時(shí)的缸內(nèi)壓力、放熱率曲線(xiàn)以及缸內(nèi)平均溫度

圖9 不同后噴油量的IMEP、最大壓力升高率以及熱效率、燃燒持續(xù)期

圖10是不同后噴油量的NO和碳煙排放情況以及碳煙生成演化歷程．隨著后噴油量的增加，碳煙排放升高，NO變化較?。c缸內(nèi)單次直噴相比，后噴油量較小時(shí)能夠有效降低碳煙排放，但后噴油量過(guò)大時(shí)其不完全燃燒會(huì)導(dǎo)致新的碳煙產(chǎn)生，從而使得碳煙最終排放有所升高．隨著后噴油量的增加，碳煙質(zhì)量峰值有所降低，但由于后期氧化作用減弱(如圖11所示)，后噴燃油燃燒生成的碳煙未完全氧化，使得碳煙最終排放升高．

圖10 不同后噴油量的NOx及碳煙排放和碳煙生成演化歷程

圖11是40°CA ATDC時(shí)不同后噴油量的缸內(nèi)溫度、當(dāng)量比、碳煙生成氧化關(guān)鍵組分分布情況. 40°CA ATDC時(shí)刻下，后噴油量較少時(shí)其燃燒已基本結(jié)束，高溫及高當(dāng)量比區(qū)域減小，隨著后噴油量的增加，其燃燒持續(xù)時(shí)間加長(zhǎng)，缸內(nèi)仍存在一定范圍的高溫及高當(dāng)量比區(qū)域．OH、A4及C2H2等碳煙生成氧化過(guò)程的關(guān)鍵組分隨著后噴油量的增加有所減少．隨著后噴油量的增加，缸內(nèi)碳煙質(zhì)量及其數(shù)密度分布減少，成核速率、表面生長(zhǎng)速率及氧化速率也有所降低．但由于此時(shí)處于燃燒后期，氧化作用對(duì)最終的碳煙排放有更為重要的影響，從而造成碳煙排放隨著后噴油量的增加而升高(如圖10(b))．

綜合上述分析，采用氣道噴射結(jié)合主噴-后噴的復(fù)合噴射策略，在EGR率為20%、氣道噴射比例為40%、主噴時(shí)刻為-8°CA ATDC時(shí)，主噴-后噴間隔和后噴油量分別為10°CA和5mg時(shí)，可以獲得較低的碳煙和NO排放，最大壓升率也處于較低的水平，且熱效率較高．將這一結(jié)果與氣道噴射結(jié)合缸內(nèi)單次噴射(EGR率為20%、氣道噴射比例為40%、主噴時(shí)刻為-8°CA ATDC)以及試驗(yàn)基準(zhǔn)工況對(duì)比，如表6所示．同試驗(yàn)基準(zhǔn)工況相比，NO排放降低68.3%，最大壓升率降低28.6%，碳煙排放也略有降低(3.5%)；同采用單次噴射的復(fù)合策略相比，碳煙排放降低14.7%，同時(shí)維持NO排放、最大壓升率保持在較低水平，熱效率略有降低．

表6?不同復(fù)合噴射策略結(jié)果對(duì)比

Tab.6?Comparison of results under different hybrid injection strategies

3?結(jié)?論

本文將EGR和氣道噴射與后噴策略耦合，在課題組已有研究的基礎(chǔ)上，研究了氣道噴射結(jié)合主噴-后噴的復(fù)合噴射策略下控制參數(shù)(主噴-后噴間隔和后噴油量)對(duì)燃燒、排放及碳煙生成氧化的影響規(guī)律．最后對(duì)“EGR＋氣道噴射＋后噴”和“EGR＋氣道噴射＋單次噴射”兩種復(fù)合噴射策略的GCI燃燒、性能及排放進(jìn)行了對(duì)比，為改善GCI大負(fù)荷燃燒過(guò)程、控制壓力升高率、降低碳煙和NO排放提供理論指導(dǎo)．

(1) 氣道噴射結(jié)合后噴策略耦合EGR時(shí)，采用較小的主噴-后噴間隔及后噴油量能夠促進(jìn)燃燒后期碳煙的氧化，從而使得碳煙排放降低；在總循環(huán)油量不變的條件下，后噴油量使得主噴油量減少，前期碳煙生成減少．

(2)EGR和氣道噴射耦合后噴策略與基準(zhǔn)工況相比，NO排放降低68.3%，最大壓力升高率降低28.6%，碳煙排放也略有降低(3.5%)；與單次噴射相比，碳煙排放可以得到有效降低(降低14.7%)．

(3)在EGR率為20%、氣道噴射比例為40%、主噴時(shí)刻為－8°CA ATDC、主噴-后噴間隔為10°CA、后噴油量為5mg時(shí)，可以保持較高的熱效率(45.959%)和較低的碳煙及NO排放．

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Effects of Post Injection Strategy on Gasoline Compression Ignition and Soot Emissions

Wang Hu，Zuo Qingming，Wang Mengyu，Zheng Zunqing

(State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

For the problem of high soot emissions of gasoline compression ignition(GCI) under high load conditions，the effects of post injection strategy coupled with exhaust gas recirculation(EGR) and port fuel injection (PFI) on the combustion process and soot formation process of GCI are studied under high load conditions based on software CONVERGE. Simulation results show that the soot formation can be suppressed at the early stage because of the less DI fuel portion and the soot oxidation can be enhanced through post injection fuel at the later stage of combustion，thus lowering the soot emissions as a whole. At the EGR rate of 20%，the PFI ratio of 40%，the main injection timing of -8°CA ATDC，the main-post injection interval of 10°CA，and the post injection mass of 5mg，soot emissions can be reduced by 14.7% compared with single injection strategy while still maintaining a high thermal efficiency (45.959%). In addition，NOemissions can be reduced by 68.3%，and the maximum pressure rise rate can be reduced by 28.6% compared with the experimental baseline.

gasoline compression ignition；soot emissions；port fuel injection；post injection strategy

TK41

A

1006-8740(2021)03-0263-08

10.11715/rskxjs.R202007003

2020-07-02．

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51976134；51876140).

王?滸（1982—??），男，博士，研究員，wanghu@tju.edu.cn．

鄭尊清，男，博士，研究員，zhengzunqing@tju.edu.cn．

(責(zé)任編輯：武立有)