點火時刻對157FMI發動機缸內直噴燃燒過程的影響研究

孫振鵬　袁文華　張愛國

摘要：以157FMI發動機為研究對象，將其發動機進氣道噴射原型嘗試性地根據雙火花塞位置結構實施缸內直噴技術，通過對比不同點火時刻對缸內燃燒過程的影響進行研究，結果表明：發動機轉速為2500r/min，噴油量20mg的情況下，噴油器安裝角度設定為55°，隨著點火時刻提前，缸內平均壓力、溫度，壓力升高率峰值逐漸增大，且平均壓力、溫度、壓力升高率峰值對應的曲軸轉角提前，瞬時放熱率峰值出現了先增大后減小的趨勢，但峰值相位逐漸提前。研究結果為小型摩托車發動機缸內直噴技術的應用提供了理論指導和參考。

Abstract： The 157FMI engine is taken as the research object. According to the position structure of the double spark plug， the intake port injection prototype of the engine is tried to carry out the in cylinder direct injection technology. By comparing the effects of different ignition times on the combustion process in the cylinder， the results show that： when the engine speed is 2500r/min and the injection quantity is 20mg， the installation angle of the injector is set at 55° and it is raised with the ignition time before that， the peak value of average pressure， temperature and pressure rise rate in the cylinder increases gradually， and the crankshaft angle corresponding to the peak value of average pressure， temperature and pressure rise rate is advanced. The peak value of instantaneous heat release rate increases first and then decreases， but the peak phase is advanced gradually. The research results provide theoretical guidance and reference for the application of the in cylinder direct injection technology of the small motorcycle engine.

關鍵詞：缸內直噴;點火時刻;燃燒性能

Key words： direct injection in cylinder;ignition timing;combustion performance

0? 引言

相對于傳統的氣道噴射（PFI）汽油機，缸內直噴汽油機（GDI）在燃油經濟性、動力性等方面都具有較明顯的優勢，而點火相位參數對燃燒特性有著非常大的影響。同濟大學的秦秋實等[1]研究了噴油時刻與點火時刻對（GDI）發動機分層燃燒過程的影響，得出了給定工況下相對最優的噴油、點火相位。長安大學的張春化[2]研究了不同噴油正時下的雙燃料發動機的缸內壓力、壓力升高率、缸內溫度、燃燒放熱規律等參數，結果表明隨引燃柴油噴油正時的增大，最高缸內壓力、最高壓力升高率、最大燃燒溫度和最大瞬時放熱率先升高后降低且所對應的曲軸轉角減小;峰值壓力循環變動系數先降低后增大，峰值壓力升高率循環變動系數降低。重慶大學的王孟等[3]為了提高摩托車發動機的熱效率，研究不同的點火方案對發動機燃燒特性的影響，通過改變點火提前角以尋求最佳點火方案。天津大學的潘鎖柱[4]研究了點火定時對燃燒過程和顆粒物排放影響的試驗研究。結果表明：隨著點火定時的不斷延遲，火焰發展期逐漸縮短，快速燃燒期逐漸增大，缸內壓力峰值逐漸下降，瞬時放熱率峰值和缸內最高燃燒溫度均逐漸降低且后移，放熱過程遲緩，膨脹行程缸內溫度逐漸升高。

江蘇大學的劉勝吉[5]研究點火提前角對通用小型汽油機缸內燃燒及排放的影響。研究發現增大點火提前角，缸內最大燃燒壓力和最高燃燒溫度增大，其分別對應的曲軸轉角均提前;燃燒循環波動先減小后增大，氮氧化合物（NOX）和碳氫化合物（HC）排放值均增大。吉林大學的高瑩[6]通過改變微引燃柴油的噴射時刻，對柴油微引燃缸內直噴天然氣發動機的燃燒過程進行了模擬，發現保持微引燃柴油及天然氣兩者的噴射時間間隔及噴射持續期不變，則微引燃柴油噴射時刻越靠后，天然氣燃燒過程越遠離上止點，燃燒等容度越差，缸內壓力和溫度的峰值越低。南京航空航天大學的貝太學等[7]研究了點火參數對某二沖程航空活塞煤油發動機燃燒及溫度場的影響，發現當點火時刻由 335°CA 變化至 331°CA 時，缸內混合氣燃燒放熱量增多，放熱率峰值增大，放熱率峰值所對應曲軸轉角的提前量變大;燃燒放熱速率加快，混合氣溫度和壓力上升變快，高溫區范圍增大。從現有研究表明，關于點火時刻對發動機缸內混合氣形成時間和燃燒過程有著重要的影響，因此，對157FMI發動機點火時刻的研究必將成為157FMI實施缸內直噴技改的必要環節。

本文嘗試在雙火花塞缸蓋位置布置的基礎上對157FMI發動機進行缸內直噴模擬研究，分析一定范圍內不同點火時刻對燃燒過程的影響，為后續優化157FMI發動機進行缸內直噴研究提供基礎。

1? 仿真模型的建立

1.1 幾何模型的建立及網格的劃分

本文的研究對象是以157FMI發動機為原型機改裝而成的如圖1（a），其基本參數如表1所示，主要考慮壓縮行程后期燃油直接噴入缸內的燃燒過程，不考慮進氣與排氣的過程，整個過程類似一個封閉的系統，所以，在進排氣門都關閉的壓縮和做功行程中則將進排氣道都去掉，重點考慮從進氣門關到排氣門開這段發動機的運轉狀況，進氣門關對應的曲軸角度為580°CA（40°CA ABDC），排氣門開對應的曲軸轉角為850°CA（50°CA BBDC），在數值模擬的范圍內會出現壓縮、噴油等幾個過程，進排氣系統所引起的缸內氣體流動由CFD軟件初始條件通過設置一定的渦流比來呈現，這樣可以大大縮短計算時間，提高模擬計算的速度[8-9]。

將簡化后的模型利用CFD仿真軟件自帶的網格劃分工具 FEP對模型進行動網格劃分，網格的最大尺寸為1.25×10-6m，為了確保仿真結果的可靠性，針對不同的計算區域需要對網格大小進行適當的調整，故需要對不同位置進行單獨加密，提高計算精度，在劃分動態網格時對活塞和燃燒室等區域進行了局部細化，網格最小尺寸為 6.25×10-7m。最終生成網格質量良好的157FMI汽油發動機燃燒室體網格如圖1（b）。

由于發動機氣缸蓋上空間布局的限制，嘗試將噴油器安裝設置在原火花塞相對氣缸軸面的對稱位置，如圖1（c），且對噴油器軸線與氣缸軸線在55°夾角下進行仿真模擬。

1.2 初始條件和邊界條件

關于發動機溫度的邊界條件，通過查閱文獻，借鑒他人仿真研究所利用的邊界溫度值，如表2所示。

初始條件的數據直接關系到氣缸內的空氣質量和初始狀態并影響模擬仿真結果的準確性，對于瞬態的模擬計算，初始條件應當盡量同實際條件相一致，初始條件的缸內的溫度和壓力條件均從實驗中得來，初始湍動能和湍流長度的值有經驗計算公式得到：

湍動能：

n為轉速，h為發動機沖程，u為湍流脈動速度。

hv代表氣門最大升程，本文的最大升程為7.25mm。

具體初始條件如表3所示。

1.3 數學模型的選擇

本文計算選用k-？灼-f四方程湍流模型[10]，湍流擴散模型選用Enable 模型[11];碰壁模型選用walljet1[12];蒸發模型采用Dukowicz 模型[13]，破碎模型選用KHRT;燃燒模型選用 ECFM 模型[14]。

2? 點火時刻對燃燒性能的影響

點火時刻是發動機工作過程中一個重要的影響因素，點火過早或過完都會對發動機的效率產生影響，因此最佳的點火時刻對發動機的工作性能優化有著很大的意義。將噴油器安裝角度設定為55°，分析不同點火時刻為5°CA BTDC、15°CA BTDC、25°CA BTDC、35°CA BTDC、45°CA BTDC時對157FMI汽油機的燃燒過程的影響。

圖2可知一定范圍內，隨著點火時刻提前，缸內壓力、溫度、壓力升高率峰值均逐漸增大，且峰值相位也逐漸提前，瞬時放熱率峰值出現了先增大后減小的趨勢，但峰值相位逐漸提前。圖2（a）可知，點火時刻45°CA BTDC相對5°CA BTDC壓力峰值增大了52%，其峰值對應的相位由25°CA ATDC提前到11°CA ATDC，當點火時刻由5°CA BTDC提前到15°CA BTDC，缸內最高壓力增幅最大;圖2（b）缸內溫度隨點火時刻的變化規律與缸內壓力相似，點火時刻45°CA BTDC相對5°CA BTDC溫度峰值增大了10.95%，燃燒始點前移，燃燒持續時間變長，其原因為點火時發動機處于壓縮行程，隨著活塞的上行，燃燒的定容度增大，有助于火焰傳播速度的提高，燃燒速度加快。如圖（c）所示壓力升高率峰值隨點火時刻的提前逐漸增大，壓力升高率的高低反映了此汽油發動機工作粗暴程度和等容度[15]，爆燃會增加燃油消耗率以及引起排放問題的惡化，如點火時刻為45°CA BTDC時，壓力升高率最大為0.27MPa/°CA。一般汽油機的壓力升高率在0.2～0.4MPa/°CA之間較合適，此范圍內壓力升高率越大火焰傳播速率越高[16]。隨著點火時刻的提前，瞬時放熱率峰值出現了先增大后減小的趨勢，且對應的相位由18.5°CA ATDC提前到了上止點，當點火時刻晚于35°CA BTDC時，后燃現象逐漸加重，不利于混合氣的瞬時快速燃燒，則瞬時放熱率峰值有相應幅度的下降，這是因為燃油混合時間短使得混合氣濃度場分布適宜程度差。同時點火越晚，混合氣的燃燒發生在活塞下行階段的過程越長，燃燒定容性變差，與缸內壓力、壓力升高率變化規律相同。

3? 點火時刻對溫度分布的影響

通過分析燃燒性能曲線變化規律的影響，了解到合適的點火時刻可以提高發動機缸內的最大壓力峰值、改善燃油的燃燒速率，接下來通過截取不同點火時刻下，發動機不同曲軸轉角缸內的溫度場的變化情況，對燃燒性能曲線得出的影響規律進行總結。

由圖3可以看出，不同點火時刻，溫度變化的整體分布及點火后溫度變化的趨勢大致相似，但缸內火焰傳播速度快慢和高溫區域面積有所不同，隨著噴油時刻的的延后，相同的曲軸轉角下，缸內高溫區面積逐漸減小。這是由于隨著點火時刻的提前缸內溫度逐漸升高（如圖2（b）），缸內溫度升高有利于燃料的蒸發和分裂，同時隨著點火時刻的提前缸內壓力也逐漸增大（如圖2（a）），缸內壓力增大，混合氣密度增大，分子運動平均自由程減短，反應物分子間碰撞機率增大，從而使得缸內燃燒反應速度加快，缸內的火焰傳播速度和高溫區域面積也是有所不同。隨著燃燒過程的進行，缸內的高溫區域逐漸向周圍擴散，當噴油時刻為45°CA BTDC時，缸內的高溫區面積大于其它幾組說明此噴油時刻火焰傳播速度快，有利于缸內混合氣的快速燃燒。

4? 結論

本文以157FMI發動機為研究基礎，針對前人在157FMI發動機雙火花塞燃燒室空間布置改造研究的基礎上，將其發動機進氣道噴射原型嘗試性地利用缸內直噴技術，當發動機處于壓縮階段時將燃油直接噴射到缸內，發動機轉速為2500r/min，噴油量為20mg，噴油器安裝角度設定為55°時的情況下，研究了噴油時刻對缸內燃燒過程的影響，得到的結論如下：

①點火時刻分別為5°CA BTDC、15°CA BTDC、25°CA BTDC、35°CA BTDC、45°CA BTDC時點燃缸內混合氣，隨著點火時刻提前，缸內壓力、溫度，壓力升高率峰值逐漸升高，瞬時放熱率峰值出現了先增大后減小的趨勢，但峰值相位逐漸提前。

②溫度場的變化情況是對燃燒性能曲線得出的影響規律進行總結。噴油時刻為45°CA BTDC時，缸內的高溫區面積大于其它幾組，說明此噴油時刻火焰傳播速度快，有利于缸內混合氣的快速燃燒。

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基金項目：邵陽學院研究生科研創新項目（CX2018SY022）;湖南省研究生科研創新項目（CX20190970）。

作者簡介：孫振鵬（1992-），男，河南濮陽人，在讀研究生，從事發動機燃燒方向研究;袁文華（通訊作者），男，教授，博士，碩士生導師，從事內燃機燃燒技術的研究。