增壓直噴汽油機中潤滑油液滴誘發早燃機制的數值研究

李耀庭,黃勇成,孟凡勝,張文嘉,陳銳

(1.西安交通大學能源與動力工程學院,710049,西安;2.一汽解放汽車有限公司無錫柴油機廠,214026,江蘇無錫)

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增壓直噴汽油機中潤滑油液滴誘發早燃機制的數值研究

李耀庭1,黃勇成1,孟凡勝1,張文嘉1,陳銳2

(1.西安交通大學能源與動力工程學院,710049,西安;2.一汽解放汽車有限公司無錫柴油機廠,214026,江蘇無錫)

通過利用多維計算流體動力學(CFD)耦合一個多組分汽油替代物的骨架反應機理,對增壓直噴汽油機中潤滑油液滴誘發早燃的機制進行了研究。首先,在模擬增壓高強化汽油機壓縮上止點熱力學狀態的定容圓柱網格內,研究了潤滑油液滴的存在對汽油/空氣混合氣自燃過程的影響,結果表明:以正庚烷和過氧氫酮分別作為潤滑油蒸發產物時潤滑油液滴的存在均可縮短混合氣的著火延遲時間,尤其是以過氧氫酮作為潤滑油蒸發產物時混合氣的著火延遲時間縮短更為明顯;隨著潤滑油液滴粒徑的增大,混合氣的著火延遲時間先縮短后延長,潤滑油液滴溫度和混合氣的溫度、壓力升高會進一步縮短混合氣的著火延遲時間。然后,以過氧氫酮作為潤滑油蒸發產物,在增壓直噴汽油機動網格內模擬了潤滑油液滴存在時缸內混合氣的自燃過程,結果表明:潤滑油液滴蒸發釋放出了著火性能較好的組分,縮短了液滴周圍混合氣的著火延遲時間,導致液滴周圍混合氣在火花點火之前自燃,從而引發早燃。最后,根據以上結論提出了一個潤滑油液滴誘發早燃的機制。

增壓直噴汽油機;早燃;潤滑油液滴;骨架反應機理;數值研究

發動機小型化是車用汽油機提高燃油經濟性和降低CO2排放的重要措施之一,一般結合使用缸內直噴技術和廢氣渦輪增壓技術可以實現發動機小型化。隨著增壓比和功率密度的不斷提高,增壓直噴汽油機在低速、高負荷工況下出現了一種新的爆震模式——早燃爆震,也稱作超級爆震,其誘因是缸內混合氣在火花點火前已發生預燃,從而產生極高的爆壓和壓力波動。發生超級爆震時,最高缸壓可達到30 MPa以上,壓力波動幅度可達到20 MPa以上[1],對發動機的破壞性極大,甚至造成火花塞電極熔斷、活塞頂部燒蝕、連桿彎曲等嚴重后果,導致發動機損毀[2]。超級爆震具有偶發性和間歇性特征,無法通過加濃混合氣、加強壁面傳熱或采用高辛烷值汽油來避免,所以成為目前發動機增壓小型化技術發展的最大阻礙。

早燃是火花點火發動機在常規點火之前出現的異常著火燃燒現象。王志等人的研究發現,超級爆震前一定發生了早燃,為了杜絕超級爆震的發生,必須抑制早燃[2]。國內外眾多機構對早燃進行了研究,提出了多種可能的誘發機制。通過總結歸納這些機制,可以將早燃點的來源分為結構熱點(火花塞、氣門、活塞等熾熱表面)和非結構熱點(潤滑油液滴、燃燒室顆粒物等)兩大類。到目前為止,雖然對于早燃的誘發原因學術界尚無定論,但是近年來大量的研究結果表明,結構熱點對早燃的產生基本沒有影響,而非結構熱點中的潤滑油液滴則被認為是最有可能引發增壓直噴汽油機缸內混合氣早燃的重要物質。

Dahnz等人通過分析實驗數據和一維模擬結果,最早指出了潤滑油液滴是誘發早燃的可能原因[1]。Kalghatgi等人提出早燃可能是混合氣中混入的潤滑油長鏈成分自燃引起的[3]。Palaveev等人發現,增加噴霧碰壁能夠顯著提升早燃發生的幾率,說明誘發早燃的物質很可能來自潤滑油的蒸發產物或者由潤滑油和燃油相互反應生成的[4]。以上研究均表明,誘發混合氣早燃的物質很有可能來自于潤滑油,但是誘發機制和具體物質的確定還有待進一步研究。

基于以上背景,本文充分發揮了數值模擬技術的獨特優勢,通過多維計算流體動力學耦合化學反應動力學,從正面對潤滑油液滴誘發早燃的機制進行了詳細的數值研究,開創性地探討了不同潤滑油蒸發產物替代物誘發早燃的可能性,研究了潤滑油液滴粒徑、溫度和混合氣溫度、壓力對汽油/空氣混合氣著火延遲時間及早燃的影響,最后對潤滑油液滴存在時增壓直噴汽油機缸內混合氣的自燃過程進行了模擬驗證。

1 計算模型

1.1 化學反應動力學骨架機理模型

研究早燃主要涉及到缸內工質的自燃和火焰的傳播過程,所以需要采用化學反應動力學模型準確模擬燃料/空氣混合氣的著火延遲時間和層流火焰傳播速率。

本文選用異辛烷和正庚烷的混合物作為汽油替代物,通過分析和借鑒前人建立的PRF(primary reference fuel)骨架反應機理,利用路徑分析法建立了一個新的能夠滿足上述要求的化學反應動力學骨架反應機理,構建思路如下。

首先,參考Tsurushima機理初步建立了正庚烷和異辛烷的低溫反應機理[5]。然后,根據C3H5是異辛烷低溫反應階段的主要烴類生成物[6],將Tsurushima模型中的反應

C6H13CO+O2?C3H6+C3H6+CO+HO2

修改為

C6H13CO+O2?C3H7+C3H5+CO+HO2

再根據Tanaka的研究[7],添加了正庚烷和異辛烷的耦合反應

C8H18+C7H15?C7H15+C8H17

高溫反應區借鑒Liu等[8]的思路建立了烷基的高溫裂解反應,同時添加了C1-C3以及H2的一些小分子反應。

最終,骨架反應機理包含了41種組分和125個反應[9]。圖1給出了該機理在混合氣壓力p為4 MPa時以化學計量比混合的不同辛烷值汽油/空氣混合氣著火延遲時間的計算值與實驗值的對比,其中激波管的實驗結果來自Fieweger等的結果[10]。圖2給出了該機理對不同辛烷值汽油/空氣混合氣在常規工況下層流火焰傳播速率的計算值與實驗值的對比,其中實驗數據來自Huang等的結果[11]。圖中所有計算值均來自氣相化學反應動力學程序CHEMKIN PRO的計算結果。

由圖1和圖2可以看出,本文的骨架反應機理能夠較為準確地模擬不同辛烷值汽油/空氣混合氣的著火延遲時間和層流火焰傳播速率,可用于預測內燃機缸內工質的自燃及燃燒過程。所以,下文中建立的多維數值模型將通過耦合本文骨架反應機理進行早燃誘發機制的研究。

圖1 著火延遲時間計算值與實驗值的對比

圖2 層流火焰傳播速率計算值與實驗值的對比

1.2 多維數值模型

增壓直噴汽油機普遍存在噴霧碰壁現象,氣缸壁上的潤滑油膜被噴霧油束稀釋導致潤滑油膜黏度、表面張力下降,進而液滴飛濺與蒸發的可能性增加。潤滑油液滴蒸發后燃油蒸氣與空氣形成可燃混合氣,由于潤滑油組分的著火性較好,潤滑油液滴周圍混合氣的著火延遲時間縮短,所以混合氣便有可能在點火之前自燃而引發早燃[12]。圖3給出了燃燒室內潤滑油液滴誘發混合氣早燃的過程。

圖3 潤滑油液滴誘發早燃的過程

據此,本文使用通用流體分析軟件包STAR-CD建立了定容圓柱網格,用以研究潤滑油液滴的存在及其粒徑、溫度和混合氣溫度、壓力對汽油/空氣混合氣著火延遲時間以及早燃的影響,同時建立了增壓直噴汽油機的動網格,用以驗證在汽油機缸內定容圓柱網格中得到的結論,并對缸內潤滑油液滴誘發早燃的詳細過程進行研究。

1.2.1 定容圓柱網格 模型1采用直徑為84 mm(約等于氣缸直徑)、高度為10 mm的定容圓柱網格,該網格用來模擬增壓直噴汽油機壓縮上止點的熱力學狀態,網格總數為72 000。計算區域內設定充滿當量比為1的均質汽油/空氣混合氣,汽油選用正庚烷和異辛烷的混合物替代,以耦合本文的PRF骨架反應機理。辛烷值為93,是常規車用汽油辛烷值。通過用戶子程序droico.f定義了潤滑油液滴的位置、粒徑以及溫度等參數,潤滑油液滴的位置固定在圓截面右側5 mm高度處,如圖4所示。

1.2.2 發動機動網格 模型2為基于某增壓直噴汽油機(發動機參數見表1)建立的發動機的動網格,上止點網格總數為353 756,下止點網格總數為602 860,如圖5所示。根據增壓直噴汽油機易于產生早燃的低速大負荷工況,設定發動機轉速為1 600 r/min,最大扭矩為280 N·m,增壓壓力為0.19 MPa。相應地設置了計算的初始條件和邊界條件,其中進、排氣口溫度分別設定為320 K和990 K,進、排氣口壓力分別設定為0.19 MPa和0.22 MPa。計算的湍流模型選擇k-ε模型,算法采用PISO算法。通過建立多組分噴霧蒸發模型來預測直噴發動機噴霧油束的發展及霧化蒸發過程;通過耦合本文汽油替代物骨架反應機理來模擬汽油的著火延遲時間和層流火焰速率;利用特征時間法建立基于復雜化學反應動力學的湍流燃燒模型,來模擬多組分汽油混合氣的湍流燃燒過程[9]。

表1 發動機基本參數

為了研究增壓直噴汽油機工作過程中潤滑油液滴蒸發對缸內工質著火及火焰傳播過程的影響,假設在發動機壓縮行程后半段,由于活塞的減速運動使得潤滑油液滴因慣性力從活塞間隙處的油膜內飛濺出來。潤滑油液滴的初始運動速度定義為活塞運動的瞬時最大速度,為7.8 m/s,初始運動方向定義為與垂直方向成10°的方向,如圖6所示。

圖5 增壓直噴汽

圖6 潤滑油液滴的初始位油機動網格置及運動方向示意圖

2 結果分析

本文通過耦合化學反應動力學,依次在定容圓柱網格和增壓直噴汽油機動網格中,針對潤滑油液滴對汽油/空氣混合氣自燃過程的影響進行了多維數值模擬研究。值得注意的是,在STAR-CD中,潤滑油替代物的選取將直接影響模擬結果,潤滑油液滴的替代物和蒸發產物需要分別進行定義。在本文的骨架反應機理的41種反應物中,正庚烷能夠較為恰當地模擬潤滑油組分良好的著火性能[1],所以選用正庚烷作為潤滑油液滴替代物,并在定容圓柱網格內研究了潤滑油液滴對汽油/空氣混合氣著火延遲時間的影響。著火延遲時間定義為混合氣溫度上升梯度為400 K所經歷的時間。

圖7給出了潤滑油液滴粒徑對汽油/空氣混合氣著火延遲時間的影響,其中潤滑油蒸發產物為正庚烷,潤滑油液滴溫度為440 K,混合氣溫度為760 K,混合氣壓力為4 MPa(與發動機增壓壓力為0.2 MPa時壓縮上止點壓力相當)。由圖中可以看出:當混合氣中存在用正庚烷替代的潤滑油液滴時,混合氣的著火延遲時間比沒有潤滑油液滴時(3.0 ms)縮短;隨著潤滑油液滴粒徑的增大,混合氣的著火延遲時間先逐漸減小后逐漸增大;當液滴的粒徑在45 μm左右時,混合氣的著火延遲時間(2.21 ms)最短。這是因為:當液滴粒徑較小時,其氧化過程不足以提供火焰傳播所需要的熱值,火焰不能夠向外傳播;當液滴粒徑較大時,液滴蒸發吸熱現象較明顯,混合氣周圍溫度降低,氧化過程較緩慢。

圖7 汽油/空氣混合氣著火延遲時間與潤滑油液滴粒徑的關系

值得注意的是,當正庚烷直接作為潤滑油蒸發產物時,混合氣的著火延遲時間最短達到2.21 ms,比無潤滑油時最多縮短了0.79 ms。在發動機轉速為1 600 r/min的低速工況下,即使不考慮活塞的下行運動,混合氣著火延遲角度也只能減小7.6°,這說明正庚烷作為潤滑油蒸發產物時汽油/空氣混合氣的著火延遲時間仍然較長,直接誘發混合氣自燃的可能性較低,混合氣的早燃可能是由除正庚烷以外的與潤滑油相關的其他物質導致的。

Palaveev等利用著火性能更好的正十六烷作為潤滑油蒸發產物進行了模擬,發現直到壓縮行程末期缸內混合氣仍未出現著火現象[4],說明誘發早燃的根本物質應該不是正構直鏈烷烴。烴類低溫燃燒的中間產物過氧化物的著火延遲時間比正構直鏈烷烴更短,這可能是誘發缸內混合氣早燃的根本物質。根據本文骨架反應機理的路徑分析,在低溫反應區,烷烴通過脫氫、加氧、異構化、二次加氧、二次異構化和最終的離解反應生成了穩定的中間基過氧氫酮,根據Magar等人的研究,過氧氫酮在整個低溫反應階段是活性最強的穩定中間基[13],所以本文認為過氧氫酮更有可能是誘發早燃的根本物質。

圖8給出了定容圓柱網格內不同辛烷值汽油/空氣混合氣自燃時過氧氫酮濃度隨時間的變化,其中潤滑油液滴溫度為760 K,混合氣壓力為4 MPa。由圖中可以看出,隨著辛烷值的降低,即正庚烷比例的增加,混合氣內過氧氫酮濃度峰值的出現時間提前,這說明正庚烷的存在會促進穩定中間基過氧氫酮的生成。因此,在潤滑油液滴(正庚烷)的作用下,液滴周圍混合氣會有較高濃度的過氧氫酮,當其積累達到一定量之后就可能使混合氣在點火之前發生自燃。

圖8 不同辛烷值混合氣自燃時過氧氫酮濃度的變化

基于以上結論,為了簡化問題,本文選取過氧氫酮作為潤滑油的蒸發產物,由此研究了潤滑油液滴粒徑對混合氣著火延遲時間的影響,結果見圖7。對比圖中的結果可以看出:正庚烷、過氧氫酮隨液滴粒徑的變化趨勢相同,當過氧氫酮作為潤滑油蒸發產物時,混合氣的著火延遲時間最短達到1.43 ms,比無潤滑油液滴時縮短了1.57 ms,對應的著火延遲角度減小了15°,說明過氧氫酮的存在相較于正庚烷大大縮短了混合氣的著火延遲時間,過氧氫酮更有可能是導致缸內工質早燃的重要物質。

圖9給出了潤滑油液滴溫度對汽油/空氣混合氣著火延遲時間的影響,其中潤滑油蒸發產物分別為正庚烷和過氧氫酮,液滴粒徑為45 μm,混合氣溫度為760 K,混合氣壓力為4 MPa。由圖中可以看出,隨著潤滑油液滴溫度的升高,混合氣的著火延遲時間逐漸縮短。這是因為液滴的表面張力和黏度隨著溫度的升高而不斷降低,由此加快了液滴的破碎速度,縮短了蒸發所需時間;液滴溫度升高,蒸發所需的吸熱量有所降低,由此加快了液滴由液相向氣相的轉化,促進了周圍混合氣的氧化反應。

圖9 汽油/空氣混合氣著火延遲時間與潤滑油液滴溫度的關系

圖10給出了潤滑油液滴對不同溫度混合氣著火延遲時間的影響,其中潤滑油蒸發產物分別為正庚烷和過氧氫酮,潤滑油液滴溫度為460 K,液滴粒徑為45 μm,混合氣壓力為4 MPa。由圖中可以看出,隨著混合氣溫度的升高,混合氣的著火延遲時間逐漸縮短。這是因為混合氣溫度的上升直接加速了潤滑油液滴的蒸發,促進了潤滑油蒸氣與汽油/空氣混合氣的混合,同時溫度的升高也直接加速了混合氣的氧化過程。

圖10 汽油/空氣混合氣著火延遲時間與混合氣溫度的關系

圖11 汽油/空氣混合氣著火延遲時間與混合氣壓力的關系

圖11給出了潤滑油液滴對不同壓力混合氣著火延遲時間的影響,其中潤滑油蒸發產物分別為正庚烷和過氧氫酮,潤滑油液滴溫度為460 K,液滴粒徑為45 μm,混合氣溫度為760 K。由圖中可以看出,隨著混合氣壓力的升高,混合氣的著火延遲時間逐漸縮短。這主要是當量比一定時,高壓環境下混合氣的濃度較高,而高濃度有利于低溫化學反應,加速了冷焰火焰的傳播,從而促進了潤滑油液滴周圍混合氣的低溫氧化過程和自燃。

由圖9～圖11仍然可以看出:當過氧氫酮作為潤滑油蒸發產物時,汽油/空氣混合氣的著火延遲時間相較于正庚烷大大縮短,說明過氧氫酮更有可能是導致缸內工質早燃的物質。

本文在初次使用正庚烷作為缸內飛濺的潤滑油液滴的蒸發產物進行缸內工質的燃燒計算時發現,潤滑油液滴的存在無法促進缸內工質在火花點火之前自燃,改用過氧氫酮作為潤滑油蒸發產物時則成功地預測了潤滑油液滴周圍混合氣早燃火核的形成及發展過程。

圖12給出了過氧氫酮作為潤滑油蒸發產物時潤滑油液滴周圍混合氣在火花點火之前發生自燃后的缸內溫度場分布,計算時設定潤滑油液滴的初始粒徑為45 μm,溫度為460 K。由圖中可以看出,火花點火角度在715°時,潤滑油附近的混合氣已發生自燃現象,有明確的火核形成,局部溫度迅速上升,火焰開始向四周傳播,到火花點火角度720°時,缸內已燃面積已達到1/3左右?；鸹c火之后,由火花點火形成的火焰面與之前潤滑油附近混合氣自燃形成的火焰面相交,使得火焰的傳播速度加快,并迅速充滿了整個燃燒室。

圖13給出了715°自燃火核形成時過氧氫酮的濃度場分布。由圖中可以看出:活塞減速時飛濺出來的潤滑油液滴因蒸發形成的過氧氫酮逐漸向四周擴散,然后與汽油/空氣混合氣混合;火核中心處過氧氫酮具有較高的濃度,其加速了該區域的低溫氧化過程,促進了火核的進一步形成及火焰的擴散。

圖12 潤滑油液滴周圍混合氣在火花點火之前、自燃后缸內溫度場分布

圖13 過氧氫酮濃度場分布

圖14給出了715°燃燒流場的OH自由基濃度場分布。OH自由基濃度可以用來描述火焰面。由圖中可以看出,在自燃的開始時刻,OH自由基在火核中心處有較高的濃度,其濃度場分布與過氧氫酮的濃度場分布類似。

圖14 OH濃度場分布

綜上所述,一個合理的假設機制可以用來解釋潤滑油液滴誘發增壓直噴汽油機缸內工質的早燃:增壓直噴汽油機的噴霧碰壁現象導致了氣缸壁上的潤滑油膜黏度、表面張力下降,使得部分潤滑油液滴飛濺、蒸發后與汽油/空氣混合氣混合,潤滑油組分(正庚烷)促進了混合氣低溫氧化過程中穩定中間基(過氧氫酮)的產生,使活塞間隙處殘留的穩定中間基(過氧氫酮)具有較高的濃度,在經過幾個循環的積累后進入燃燒室,從而縮短了混合氣的著火延遲時間,導致混合氣發生早燃。由于整個過程需要滿足一定的物理和化學條件,而且該穩定中間基(過氧氫酮)濃度需要多個循環的積累來提高,所以該假設也能夠間接解釋增壓直噴汽油機中超級爆震具有偶發性和間歇性的特點。

3 結 論

本文利用化學反應動力學和多維數值模擬的耦合對早燃的誘發機制進行了研究,得出以下結論。

(1)本文建立的多組分汽油替代物骨架反應機理能夠較為準確地模擬不同辛烷值汽油/空氣混合氣的著火延遲時間和層流火焰傳播速率,可用于預測內燃機缸內工質的自燃及燃燒過程。

(2)當發動機缸內存在易于蒸發的潤滑油液滴時,缸內混合氣的著火延遲時間明顯縮短,所以潤滑油液滴很有可能是增壓直噴汽油機中缸內工質發生早燃的一大誘因。

(3)正庚烷作為潤滑油蒸發產物時,汽油/空氣混合氣的著火延遲時間仍較長,說明正庚烷直接誘發早燃的可能性較低。過氧氫酮作為潤滑油蒸發產物時,混合氣的著火延遲時間明顯縮短,說明過氧氫酮更有可能是引發增壓直噴汽油機缸內工質早燃的物質,具體誘發機制有待進一步研究與驗證。

(4)隨著潤滑油液滴粒徑的增大,汽油/空氣混合氣的著火延遲時間先縮短后延長,說明存在一個最適宜的潤滑油液滴粒徑,使得混合氣的著火延遲時間最短。潤滑油液滴溫度和混合氣溫度、壓力的升高也會進一步縮短汽油/空氣混合氣的著火延遲時間,誘發混合氣早燃。

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(編輯 苗凌)

Numerical Investigations for Mechanism of Pre-Ignition Induced by Lubricant Oil Droplets in Supercharged DISI Engines

LI Yaoting1,HUANG Yongcheng1,MENG Fansheng1,ZHANG Wenjia1,CHEN Rui2

(1. School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2. Wuxi Diesel Engine Works, FAW Jiefang Automotive Co. Ltd., Wuxi, Jiangsu 214026, China)

Multidimensional computational fluid dynamics coupled with a skeletal chemical kinetic model of gasoline substitute is used to investigate the mechanism of pre-ignition induced by lubricant oil droplets in a supercharged direct-injection spark-ignition (DISI) engine under high load and at low speed. The influence of lubricant oil droplet on the auto-ignition of gasoline and air mixture is evaluated in a constant volume combustion bomb with the thermodynamic conditions similar to those in the DISI engine cylinder at the compression top dead center. The results show that the ignition delay time of gasoline and air mixture is shortened by the presence of lubricant oil droplet when n-heptane and hydrogen peroxide ketone (C8KET) are used as lubricant oil evaporation substitutes respectively, and this behavior is more obvious when C8KET is used as lubricant oil evaporation substitute. The ignition delay time of gasoline and air mixture first decreases then increases with the increasing lubricant oil droplet diameter. In addition, the ignition delay time of fuel-air mixture is further shortened with the increasing lubricant oil droplet temperature and the temperature and pressure of the fuel-air mixture. A numerical investigation for auto-ignition of gasoline and air mixture with the presence of lubricant oil droplets in the supercharged DISI engine is carried out by using C8KET as lubricant oil evaporation substitute. The results show that the ignition delay time of the fuel-air mixture around the lubricant oil droplets is shortened by the constituents with good ignition performance evaporating from lubricating oil droplets, which causes auto-ignition of fuel-air mixture in this area before the spark ignition and leads to the occurrence of pre-ignition. A mechanism of pre-ignition induced by lubricant oil droplets is finally proposed following the conclusions above.

supercharged DISI engine; pre-ignition; lubricant oil droplet; skeletal chemical kinetic model; numerical investigation

2015-11-29。 作者簡介:李耀庭(1992—),男,碩士生;黃勇成(通信作者),男,副教授。 基金項目:國家自然科學基金資助項目(50776069);陜西省自然科學基金資助項目(2015JM5236)。

時間:2016-05-10

10.7652/xjtuxb201607009

TK411.2

A

0253-987X(2016)07-0051-07

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160510.1519.006.html