二次噴射對(duì)直噴增壓小排量汽油機(jī)影響的數(shù)值模擬

黃雅卿，王 志，王建昕

(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)

前言

缸內(nèi)直噴汽油機(jī)(GDI)以其高效率和良好的瞬態(tài)響應(yīng)特性較傳統(tǒng)汽油機(jī)有明顯的優(yōu)勢，直噴增壓小排量在維持發(fā)動(dòng)機(jī)良好動(dòng)力性的同時(shí)能夠很好地降低燃油消耗，逐漸成為汽油機(jī)節(jié)能的主要途徑。

噴油策略對(duì)缸內(nèi)油氣混合影響很大，改變噴射時(shí)刻和噴油壓力會(huì)影響早燃，早噴和晚噴會(huì)增加早燃現(xiàn)象，多次噴射策略可以控制形成分層混合氣，減少燃油碰壁，進(jìn)而減少碳煙等排放物的形成，尤其在低速大負(fù)荷時(shí)，噴油策略對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響顯得尤為重要，成為優(yōu)化GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的重點(diǎn)研究方向。在對(duì)缸內(nèi)直噴汽油機(jī)數(shù)值模擬優(yōu)化方面，國內(nèi)近年來已開展的研究有噴霧撞壁特性[1]、可變進(jìn)氣系統(tǒng)[2]、噴霧形態(tài)[3]和噴油開始時(shí)刻[4]等對(duì)缸內(nèi)直噴汽油機(jī)性能的影響，以及全負(fù)荷下均質(zhì)混合氣[5]和分層混合氣兩種模式控制方法[6]等，但還沒有詳細(xì)地對(duì)低速大負(fù)荷下二次噴油策略對(duì)缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的影響進(jìn)行研究。

本文中針對(duì)一款缸內(nèi)直噴增壓小排量汽油機(jī)，研究不同的缸內(nèi)直噴噴射策略對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，在保持發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性在較優(yōu)水平上，尋找出最佳的噴油時(shí)刻和噴油比例，達(dá)到對(duì)該款發(fā)動(dòng)機(jī)噴油策略的進(jìn)一步優(yōu)化。

1 噴霧模型的驗(yàn)證

本文中選取FIRE中的Wave模型作為噴霧模型，為對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，在對(duì)該款汽油機(jī)進(jìn)行噴油策略模擬研究之前，先對(duì)該款發(fā)動(dòng)機(jī)六孔噴嘴噴霧特性采用高速攝影和相位多普勒粒子分析儀(PDPA)進(jìn)行可視化試驗(yàn)，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。圖1為試驗(yàn)測得的噴霧粒徑分布情況。

將測試得到的粒徑分布作為初始條件帶入噴霧模型中進(jìn)行模擬計(jì)算，與噴霧高速攝影試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比來驗(yàn)證噴霧模型。圖2為不同噴油背壓下模擬與試驗(yàn)的貫穿距對(duì)比，表1為拍攝到的噴霧圖片與模擬計(jì)算的對(duì)比圖。由圖和表可見，噴霧整體霧化較均勻，且隨著定容燃燒內(nèi)背壓升高，噴霧貫穿距減小，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合得很好，模擬結(jié)果準(zhǔn)確預(yù)測了噴霧形態(tài)和貫穿距等隨噴油背壓的變化情況。

時(shí)間背壓01MPa背壓02MPa試驗(yàn)?zāi)M試驗(yàn)?zāi)M020ms040ms060ms

2 燃燒模型的驗(yàn)證

發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架主要包括：增壓直噴汽油機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)、電力測功機(jī)及其控制系統(tǒng)、缸壓與燃燒數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和排放測試系統(tǒng)。該發(fā)動(dòng)機(jī)采用4氣門，增壓中冷，噴油器進(jìn)氣側(cè)下方布置，進(jìn)氣道滾流比為2.2。試驗(yàn)工況點(diǎn)為1 500r/min全負(fù)荷，中冷后進(jìn)氣壓力為0.21MPa。基本參數(shù)如表2所示。

采用AVL FIRE軟件，導(dǎo)入Pro/E三維CAD模型，建立該直噴增壓發(fā)動(dòng)機(jī)三維燃燒系統(tǒng)的計(jì)算域網(wǎng)格，見圖3。缸內(nèi)氣體流動(dòng)為三維可壓縮黏性流動(dòng)，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型。噴油霧化采用離散液滴方法(DDM)，燃料為汽油。計(jì)算模型見表3，邊界與初始條件參數(shù)的設(shè)置見表4。

計(jì)算出的缸壓曲線圖如圖4。從圖中可以看出，計(jì)算所得缸內(nèi)壓力曲線和試驗(yàn)測得缸內(nèi)壓力峰值和峰值位置基本吻合，壓力峰值誤差為0.041%，峰值位置誤差為1°CA，基本滿足工程需要。說明燃燒模型基本準(zhǔn)確，可用于下一步噴油策略的變參數(shù)研究。

表3 計(jì)算模型

表4 邊界與初始條件

3 二次噴射變參數(shù)研究

采用表5所示的8種二次噴油策略進(jìn)行變參數(shù)研究。其中噴油策略1為原標(biāo)定工況采用的單次噴射，噴油策略2～9為本文中研究的二次噴射，主要研究噴油起始時(shí)刻(SOI)、噴油結(jié)束時(shí)刻(EOI)和二次噴射的比例(ROI2)等噴油參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各種性能指標(biāo)的影響，每缸每循環(huán)總噴油量為56.89mg，燃空當(dāng)量比λ=1。

表5 各噴油策略的參數(shù)設(shè)定

3.1 模擬結(jié)果

不同噴油策略計(jì)算得到的缸壓、累積放熱率、CA50位置、燃燒持續(xù)期、指示油耗和點(diǎn)火前油膜質(zhì)量如圖5～圖7所示。

由圖可見：除策略9外，兩次噴射策略最大爆發(fā)壓力均高于單次噴射，其指示油耗均比單次噴射低，降幅達(dá)4.5%～12.1%，說明二次噴射能有效降低油耗；比較8種二次噴油策略，策略4燃燒放熱開始時(shí)刻最接近上止點(diǎn)，燃燒持續(xù)期最短，因此有最大爆發(fā)缸壓和最低指示油耗；相同SOI1和EOI2條件下，ROI2為0.5比0.3更能促進(jìn)缸內(nèi)燃燒達(dá)到較大壓力，在同等噴油量下能夠輸出更大轉(zhuǎn)矩，如噴油策略3與5和噴油策略6與7；相同ROI2和EOI2情況下，SOI1存在一個(gè)最佳點(diǎn)，在進(jìn)氣沖程的早中期，過早噴油和過晚噴油均不能達(dá)到最大爆發(fā)壓力，如噴油策略4、8、3和9；相同ROI2和SOI1條件下，存在一個(gè)最佳的EOI2，即190°CA ATDC，就是在壓縮沖程早期結(jié)束噴油，如噴油策略6、2和3；而觀察各噴油策略下點(diǎn)火前油膜生成情況，總體來說，除策略9外，二次噴射點(diǎn)火前油膜量較單次噴射少，液滴蒸發(fā)多，液滴碰壁現(xiàn)象明顯減少，其中策略2和8油膜形成最少。

計(jì)算得出不同噴油策略的爆燃傾向如表6所示。由表可見：除策略9外，其他二次噴射策略較單次噴射在爆燃傾向上均有所改善，可見二次噴射能夠有效地抑制爆燃；其中策略4的爆燃傾向最小，其次為策略6、策略2和策略3。

表6 各策略下爆燃傾向的對(duì)比

注：箭頭所指處為爆燃傾向高的區(qū)域

3.2 模擬解析

從以上模擬結(jié)果得出，策略9在各個(gè)方面相比單次噴射性能均有所下降，分析其原因?yàn)镾OI1為40°CA ATDC，過早噴油導(dǎo)致部分燃油直接撞擊活塞頂部，如圖8所示；而觀察點(diǎn)火前混合氣濃度分布(表7)和缸內(nèi)平均湍動(dòng)能(表8)可以發(fā)現(xiàn)，策略4火花塞附近混合氣濃度最均勻，且缸內(nèi)平均湍動(dòng)能最大，因此策略4燃燒放熱最快，能達(dá)到最大爆發(fā)缸壓和最低指示油耗，且點(diǎn)火前缸內(nèi)油膜質(zhì)量較少，從各方面都表現(xiàn)為最優(yōu)的二次噴射策略。

表7 各策略下點(diǎn)火前混合氣濃度分布

表8 各策略下點(diǎn)火前缸內(nèi)平均湍動(dòng)能分布

4 結(jié)論

本文中針對(duì)一款缸內(nèi)直噴增壓小排量汽油機(jī)，首先對(duì)選定的噴霧和燃燒模型進(jìn)行驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上通過數(shù)值模擬研究了二次噴射(不同噴油時(shí)刻和噴油比例)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的油膜形成和混合氣均勻性的影響，得到如下結(jié)論。

(1) 通過噴霧可視化試驗(yàn)和PDPA試驗(yàn)的對(duì)比，噴霧模型模擬準(zhǔn)確地預(yù)測了噴霧的形態(tài)、貫穿距等隨噴油背壓的變化情況。

(2) 將噴霧模型帶入燃燒模型中，得到了模擬與試驗(yàn)的缸壓曲線基本吻合的結(jié)果，驗(yàn)證了該燃燒模型的準(zhǔn)確性。

(3) 該典型增壓直噴汽油機(jī)低速大負(fù)荷下最佳二次噴射策略是第一次噴射開始時(shí)刻(SOI1)在60°CA ATDC；第二次噴射結(jié)束時(shí)刻(EOI2)在進(jìn)氣行程晚期(170°CA ATDC)，噴射比例(ROI2)為30%。

[1] 王艷華,李波,李云清,等.直噴汽油機(jī)噴霧撞壁特性試驗(yàn)與模擬[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào),2011,32(4):411-415.

[2] 徐智君,杜愛民,陳波宇,等.進(jìn)氣可變滾流系統(tǒng)應(yīng)用于缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的數(shù)值模擬[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī),2012(3):64-67.

[3] 陳海娥,宮艷峰,李偉,等.缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的噴霧模擬[J].汽車技術(shù),2010(3):12-15.

[4] 韓文艷,許思傳,周岳康,等.噴油開始時(shí)刻對(duì)缸內(nèi)直噴汽油機(jī)性能的影響[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013(4):566-570.

[5] 譚文政,馮立巖,張春煥,等.缸內(nèi)直噴汽油機(jī)工作過程三維數(shù)值模擬[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2011,29(3):222-228.

[6] 白云龍,王建昕,王志.缸內(nèi)直噴汽油機(jī)噴霧、混合氣形成和燃燒過程的三維數(shù)值模擬[J].燃燒科學(xué)與技術(shù),2010,16(2):98-103.