二次噴射對直噴增壓小排量汽油機影響的數值模擬

黃雅卿，王 志，王建昕

(清華大學，汽車安全與節能國家重點實驗室，北京 100084)

前言

缸內直噴汽油機(GDI)以其高效率和良好的瞬態響應特性較傳統汽油機有明顯的優勢，直噴增壓小排量在維持發動機良好動力性的同時能夠很好地降低燃油消耗，逐漸成為汽油機節能的主要途徑。

噴油策略對缸內油氣混合影響很大，改變噴射時刻和噴油壓力會影響早燃，早噴和晚噴會增加早燃現象，多次噴射策略可以控制形成分層混合氣，減少燃油碰壁，進而減少碳煙等排放物的形成，尤其在低速大負荷時，噴油策略對發動機性能的影響顯得尤為重要，成為優化GDI發動機的重點研究方向。在對缸內直噴汽油機數值模擬優化方面，國內近年來已開展的研究有噴霧撞壁特性[1]、可變進氣系統[2]、噴霧形態[3]和噴油開始時刻[4]等對缸內直噴汽油機性能的影響，以及全負荷下均質混合氣[5]和分層混合氣兩種模式控制方法[6]等，但還沒有詳細地對低速大負荷下二次噴油策略對缸內直噴汽油機的影響進行研究。

本文中針對一款缸內直噴增壓小排量汽油機，研究不同的缸內直噴噴射策略對發動機性能的影響，在保持發動機的動力性和經濟性在較優水平上，尋找出最佳的噴油時刻和噴油比例，達到對該款發動機噴油策略的進一步優化。

1 噴霧模型的驗證

本文中選取FIRE中的Wave模型作為噴霧模型，為對其進行驗證，在對該款汽油機進行噴油策略模擬研究之前，先對該款發動機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)進行可視化試驗，并與數值模擬結果進行對比。圖1為試驗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行模擬計算，與噴霧高速攝影試驗結果對比來驗證噴霧模型。圖2為不同噴油背壓下模擬與試驗的貫穿距對比，表1為拍攝到的噴霧圖片與模擬計算的對比圖。由圖和表可見，噴霧整體霧化較均勻，且隨著定容燃燒內背壓升高，噴霧貫穿距減小，模擬結果與試驗結果吻合得很好，模擬結果準確預測了噴霧形態和貫穿距等隨噴油背壓的變化情況。

時間背壓01MPa背壓02MPa試驗模擬試驗模擬020ms040ms060ms

2 燃燒模型的驗證

發動機試驗臺架主要包括：增壓直噴汽油機、發動機電控系統、電力測功機及其控制系統、缸壓與燃燒數據采集系統和排放測試系統。該發動機采用4氣門，增壓中冷，噴油器進氣側下方布置，進氣道滾流比為2.2。試驗工況點為1 500r/min全負荷，中冷后進氣壓力為0.21MPa。基本參數如表2所示。

采用AVL FIRE軟件，導入Pro/E三維CAD模型，建立該直噴增壓發動機三維燃燒系統的計算域網格，見圖3。缸內氣體流動為三維可壓縮黏性流動，采用標準k-ε湍流模型。噴油霧化采用離散液滴方法(DDM)，燃料為汽油。計算模型見表3，邊界與初始條件參數的設置見表4。

計算出的缸壓曲線圖如圖4。從圖中可以看出，計算所得缸內壓力曲線和試驗測得缸內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確，可用于下一步噴油策略的變參數研究。

表3 計算模型

表4 邊界與初始條件

3 二次噴射變參數研究

采用表5所示的8種二次噴油策略進行變參數研究。其中噴油策略1為原標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刻(SOI)、噴油結束時刻(EOI)和二次噴射的比例(ROI2)等噴油參數對發動機各種性能指標的影響，每缸每循環總噴油量為56.89mg，燃空當量比λ=1。

表5 各噴油策略的參數設定

3.1 模擬結果

不同噴油策略計算得到的缸壓、累積放熱率、CA50位置、燃燒持續期、指示油耗和點火前油膜質量如圖5～圖7所示。

由圖可見：除策略9外，兩次噴射策略最大爆發壓力均高于單次噴射，其指示油耗均比單次噴射低，降幅達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燃燒放熱開始時刻最接近上止點，燃燒持續期最短，因此有最大爆發缸壓和最低指示油耗；相同SOI1和EOI2條件下，ROI2為0.5比0.3更能促進缸內燃燒達到較大壓力，在同等噴油量下能夠輸出更大轉矩，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存在一個最佳點，在進氣沖程的早中期，過早噴油和過晚噴油均不能達到最大爆發壓力，如噴油策略4、8、3和9；相同ROI2和SOI1條件下，存在一個最佳的EOI2，即190°CA ATDC，就是在壓縮沖程早期結束噴油，如噴油策略6、2和3；而觀察各噴油策略下點火前油膜生成情況，總體來說，除策略9外，二次噴射點火前油膜量較單次噴射少，液滴蒸發多，液滴碰壁現象明顯減少，其中策略2和8油膜形成最少。

計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比

注：箭頭所指處為爆燃傾向高的區域

3.2 模擬解析

從以上模擬結果得出，策略9在各個方面相比單次噴射性能均有所下降，分析其原因為SOI1為40°CA ATDC，過早噴油導致部分燃油直接撞擊活塞頂部，如圖8所示；而觀察點火前混合氣濃度分布(表7)和缸內平均湍動能(表8)可以發現，策略4火花塞附近混合氣濃度最均勻，且缸內平均湍動能最大，因此策略4燃燒放熱最快，能達到最大爆發缸壓和最低指示油耗，且點火前缸內油膜質量較少，從各方面都表現為最優的二次噴射策略。

表7 各策略下點火前混合氣濃度分布

表8 各策略下點火前缸內平均湍動能分布

4 結論

本文中針對一款缸內直噴增壓小排量汽油機，首先對選定的噴霧和燃燒模型進行驗證，在此基礎上通過數值模擬研究了二次噴射(不同噴油時刻和噴油比例)對發動機的油膜形成和混合氣均勻性的影響，得到如下結論。

(1) 通過噴霧可視化試驗和PDPA試驗的對比，噴霧模型模擬準確地預測了噴霧的形態、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，得到了模擬與試驗的缸壓曲線基本吻合的結果，驗證了該燃燒模型的準確性。

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

[1] 王艷華,李波,李云清,等.直噴汽油機噴霧撞壁特性試驗與模擬[J].江蘇大學學報,2011,32(4):411-415.

[2] 徐智君,杜愛民,陳波宇,等.進氣可變滾流系統應用于缸內直噴汽油機的數值模擬[J].車用發動機,2012(3):64-67.

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

[4] 韓文艷,許思傳,周岳康,等.噴油開始時刻對缸內直噴汽油機性能的影響[J].同濟大學學報(自然科學版),2013(4):566-570.

[5] 譚文政,馮立巖,張春煥,等.缸內直噴汽油機工作過程三維數值模擬[J].內燃機學報,2011,29(3):222-228.

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