噴水對汽油發動機工作過程的影響

孫 豫, 滕 勤, 汪志義, 莊 遠, 遲 昊

(1.合肥工業大學 汽車與交通工程學院,安徽 合肥 230009; 2.安徽全柴動力股份有限公司,安徽 全椒 239500)

近年來,化石燃料的枯竭以及對污染物和二氧化碳排放的日益關注,促使汽車行業通過研發發動機新技術來尋求解決方案。隨著小型渦輪增壓發動機的出現,發動機的工作范圍將會轉移到更高的負荷工況,這種情況下更容易發生爆震等異常燃燒現象。火花點火發動機爆震是影響發動機動力性能和熱效率的一種常見異常燃燒現象,會產生高頻壓力震蕩,造成較大的聲響,甚至損傷發動機。因此,必須有效控制發動機在運行過程中的增壓壓力和缸內壓縮比,但此舉會進一步限制發動機的功率密度。目前的應對策略是通過延遲點火提前角和加濃混合氣來抑制爆震,但會造成熱效率的降低和油耗量的增加,這與目前的環保理念和現行政策相違背。而為了抑制爆震和提高發動機的熱效率,發動機噴水技術再次受到了關注。

缸內噴水被認為是提高燃油發動機熱效率的關鍵技術之一,近年來已成為一個頗具吸引力的研究領域。噴水可以實現更高的壓縮比、最佳的火花正時,并能調節高負荷工況下燃料濃度分布情況,使火花塞處可燃混合氣更加易于點燃。首先,噴水可以降低高負荷下的燃燒速率和爆震風險,從而實現更高的壓縮比,最高可達14甚至更高;其次,即使在高負載下也能保持最佳的火花推進,從而消除爆震限制的火花推進約束。進氣道水噴射(water intake port injection,WPI)可用于火花點火發動機中。文獻[1-6]進行了噴水應用的實驗研究,得出其中幾種發動機控制參數可以很容易地改變,如優化噴射正時或調整火花正時可以最大限度地提高噴水后發動機所獲得的收益;文獻[3]研究了高達100%的水/燃料質量比的使用情況,結果表明燃料效率可以在特定的發動機點上提高15%;文獻[4]研究了在使用廉價的低辛烷值燃料時,也可以與噴水相結合來減小爆震概率;文獻[5]研究了在汽油進氣道噴射汽油機中用缸內直噴方式噴水,以最大限度地發揮水的高比熱容優勢,實現增壓冷卻效果;文獻[6]研究了在添加羥基后氮氧化物排放的最大值從141.1%下降到噴水后的82.7%,且由于羥基的加入,循環變化、制動功率、制動熱效率和CO排放等降低;文獻[7]研究了直接向氣缸內噴水可以減少95%的氮氧化物排放,但會增加8%的燃油消耗,而在不增加燃油消耗的情況下,氮氧化物排放減少了85%;文獻[8]研究了在發動機轉速為2 000 r/min和負載為90 N·m的情況下,水的噴入降低了爆震發生的幾率,在水與燃料的質量比為37%的情況下,燃料消耗降低了3.5%。

發動機噴少量的水可以減緩燃燒速度,使缸內溫度下降、缸內壓力峰值降低,減小爆震發生概率,降低氮氧化物排放,并且在火花提前后性能回升;但是在各轉速工況下均存在最優的噴水質量,如果進一步增加噴入量,那么不僅會降低性能,而且會增加排放。

本文通過試驗方式研究進氣道噴水以及火花提前對發動機性能和排放的影響,并通過數值模擬方式研究了進氣道噴水中水蒸發情況、缸內汽油蒸發情況和缸內壓力改變情況。

1 試驗設備和模型建立

1.1 發動機參數和試驗設備

為了進一步研究噴水對汽油發動機的影響,在一臺1.5 L渦輪增壓汽油缸內直噴(gasoline in-cylinder direct injection,GDI)發動機中安裝進氣道噴水WPI系統,具體參數見表1所列。

表1 發動機參數

本試驗使用的發動機控制系統為開邁(洛陽)機電有限公司生產的CW160型渦流測功機,采集系統為FST2D型發動機臺架數控試驗裝置。供油裝置由原發動機上的高壓油泵、高壓油軌和高壓噴油器組成,以缸內直噴方式向發動機供油,直接噴射燃油壓力為15 MPa。在氣缸壓力采集方面,本試驗采用AVL公司生產的“642型”燃燒分析儀對燃燒情況進行分析,確定發動機的工作極限。由安裝在火花塞上的氣缸壓力傳感器Kistler 6115B處理采集到的信號,并與計算機上的軟件“AVL Indicom”相連接。

為了獲得更好的霧化效果,在進氣道噴水WPI系統中使用與汽油噴射系統相同的高壓噴射系統,噴油器放置在距離進氣閥上游約10 cm處,使用的六孔噴油器的噴霧錐角為34°,彎曲軸為17°,噴射壓力為5 MPa。噴油器由一個獨立的電子控制單元(electronic control unit,ECU)控制,該ECU通過控制器局域網絡(controller area network,CAN)總線與ECU上的發動機連接,以同步曲軸和凸輪軸信號。

1.2 試驗工況的選擇

為了在不同發動機轉速下研究噴入不同水量的影響,試驗選擇使發動機維持在1 500 r/min和4 850 r/min、節氣門開度100%工況,通過控制噴水脈寬改變噴水量,達到不同的水/汽油質量比。并且在噴水工況下改變點火提前角,保持發動機負載和轉速恒定,具體試驗工況見表2所列。在保持噴水量不變的情況下,試驗固定扭矩并改變點火提前角工況時對應編號改為L10-S格式。

表2 試驗工況

1.3 仿真模型的建立與驗證

為降低模型復雜性,減少計算時間,不考慮對發動機燃燒過程影響較小的排氣過程,僅模擬從進氣門開啟至燃燒結束排氣門開啟的部分,并在排、進氣門關閉后去掉排、進氣管道和部分氣門。網格的基本尺寸為1.5 mm,為了提高網格質量,在進排氣閥、閥座、火花塞等位置進行了網格細化。

計算中湍流模型選用k-ξ-f模型,燃油破碎模型選用Wave模型,燃油蒸發模型選用Multi-component模型,燃油碰壁模型選用Walljet1模型,燃燒模型選用ECFM模型,點火模型選用Spherical模型,排放模型選用Zeldovich模型。模型的選取能夠模擬計算分別噴射水、汽油后的霧化、濕壁和蒸發過程。模擬計算中動量方程和連續性方程采用中心差分法;能量方程、湍流控制方程以及線性求解方程采用一階迎風法進行控制;流動控制方程使用控制體積法進行離散化,邊界值計算采用外推差值法。模擬計算過程采用88-CPU集群系統,運行環境為Windows7 64位操作系統,計算流體動力學(computational fluid dynamics,CFD)軟件為AVL Fire,采用MPI模式并行計算。

為了驗證噴霧模擬的準確性,在軟件中模擬噴霧發展過程并用定容彈噴霧試驗對噴霧模型進行標定。噴霧和燃燒模型驗證如圖1所示。

試驗所用的噴油器為6孔,噴孔直徑為0.15 mm,單注油束的錐角為10°,噴油壓力為15 MPa,噴水壓力為5 MPa。圖1a所示為持續2 ms的噴射貫穿距試驗與模擬結果的對比;圖1b所示為噴射1.5 ms后噴霧形態的試驗與模擬結果的對比。從圖1a、圖1b可以看出,在噴油和噴水2種噴射工況下,噴霧形狀、貫穿距的試驗結果與模擬結果均較為吻合。說明噴射模型可以良好地反映噴嘴的噴霧特性,可以為進氣道噴水和缸內噴油的模擬提供依據。

圖1 噴霧和燃燒模型驗證

圖1c所示為發動機轉速1 500 r/min、不噴水、不更改點火提前角的工況下缸壓曲線和放熱率曲線試驗與模擬結果的對比;圖1d所示為發動機轉速4 850 r/min、噴水25 mg、加大火花提前角的工況下缸壓曲線和放熱率曲線試驗與模擬結果的對比。

從圖1c、圖1d可以看出,缸壓曲線和放熱率曲線的試驗與模擬結果吻合度較高。說明該燃燒模型可以反映發動機的工作過程,可以用數值模擬的形式對發動機噴水做深入研究。

2 結果與分析

2.1 噴水量對水蒸氣形成過程的影響

由于進氣道噴水的時刻較早,水霧在噴入進氣道后,一部分會在空氣中蒸發,另一部分會撞擊進氣道壁面形成濕壁,并通過壁面吸熱蒸發的方式形成水蒸氣,直到進氣門關閉時刻仍有未蒸發的水滯留在進氣道壁面上。

通過改變噴射脈寬來控制進氣道的噴水量,從而控制水蒸發的吸熱量來改變缸內溫度、熱容和對燃燒速率的減緩程度。

發動機在1 500 r/min轉速下采用不同噴水量時水的噴射量、濕壁量、壁面蒸發量以及進氣道、缸內的水蒸氣質量如圖2a所示。

從圖2a可以看出:在進氣道噴水后,約80%的水撞到進氣道壁面形成水膜,并從壁面蒸發形成水蒸氣后進入缸內;在600°時進氣門關閉進氣道消失,濕壁量和進氣道水蒸氣量突變為0 mg,表明水濕壁現象只存在于進氣道;缸內水蒸氣質量先增加后小幅度降低,同時進氣道水蒸氣質量增加,表明在壓縮沖程中,有少量水蒸氣隨空氣回流至進氣道。

發動機在4 850 r/min轉速下不同噴水量時水的質量變動如圖2b所示。

從圖2b可以看出,水在噴射后在進氣道形成了更大的濕壁,因為轉速較高、氣流流速快,所以水在壁面蒸發后迅速帶進缸內,并且進氣回流現象較小。

圖2 不同轉速下不同噴水量的水噴射情況

進氣門關閉時刻(1 500 r/min時為600°、4 850 r/min時為630°)各工況下噴入水經過不同蒸發方式形成水蒸氣的質量以及蒸發后在發動機不同部位的質量占比分布如圖3所示。

從圖3可以看出:同一轉速下,隨著噴入量的增加,濕壁量占比也隨之增加,進入缸內的水蒸氣質量增加但占比減小;4 850 r/min工況下由于轉速較高,留給水蒸發的時間短,與1 500 r/min工況相比形成了更大的濕壁量,但是氣門疊開時間短,水蒸氣損耗量小,并且缸內回流效果弱,導致進入缸內的水蒸氣質量占比與1 500 r/min工況相差不大。

圖3 噴水蒸發情況和位置分布

2.2 噴水量對缸內混合氣形成過程的影響

不同的噴水量會給缸內帶來不同的降溫效果,影響汽油的蒸發速度,改變缸內混合氣形成過程和分布情況。不同噴水量下,水蒸發吸熱導致的缸內降溫對比和汽油壁面蒸發占比對比如圖4所示。從圖4可以看出:隨著水噴入量的增加,缸內降溫效果逐步增大,且高轉速比低轉速的降溫效果有小幅增加;在不同轉速下,低轉速工況的汽油壁面蒸發占比整體較高,大量汽油撞壁后在壁面吸熱蒸發,高轉速工況相對較低;在不同噴水量下,汽油壁面蒸發占比隨著噴水量的增加而增加,低轉速工況增加幅度大于高轉速工況。

圖4 溫差和壁面蒸發占比

在1 500 r/min和4 850 r/min 2個轉速和不同噴水量下,各工況缸內汽油濕壁分布(選取噴油后100°曲軸轉角)和缸內當量比分布(點火前20°曲軸轉角)如圖5所示。

從圖5a可以看出:在L0工況,缸內汽油濕壁面積最小,主要集中在缸壁的下半部分并以油滴形式分布,當量比分布均勻,無明顯汽油濃區出現;在L10工況,缸內汽油濕壁面積比L0工況有明顯增加,并在缸壁左下部出現油膜形式的汽油濕壁情況,當量比分布開始有汽油濃區出現,主要集中在缸內右下角位置;在L17工況,缸內汽油濕壁面積比L10工況稍有增加,缸壁左下部油膜面積增大,活塞頂左側也出現油膜分布,缸內當量比分布不均勻,在缸內右下角和右上角均出現汽油濃區;在L25工況,缸內汽油濕壁面積最大,左側缸壁和活塞頂左側出現成片油膜分布,缸內當量比分布不均勻,缸內右側出現大面積汽油濃區,缸內左側也出現混合氣變濃情況。從圖5b可以看出:在H0工況,缸內汽油濕壁面積很小,主要集中在活塞頂部凹坑位置,缸內當量比分布較均勻,未出現明顯汽油濃區;在H10工況,缸壁左側出現油滴狀汽油濕壁情況,活塞頂凹坑處油膜面積增加,缸內當量比分布不均,在左下角處出現汽油濃區;在H17工況,缸壁出現大量汽油液滴狀濕壁情況,活塞頂凹坑處油膜面積進一步增加,在缸內左側汽油濃區處面積增大,在缸內右上角處也出現汽油濃區情況;在H25工況,缸壁液滴狀濕壁處增多,活塞頂凹坑處油膜面積稍有增加,當量比分布不均,缸內左側汽油濃區面積最大,缸內右上角濃區處當量比升高。

由圖5可知,隨著噴水量增多,進入缸內的水蒸氣質量增多,導致汽油蒸發速度變慢。其中:1 500 r/min工況下汽油大部分以壁面蒸發形式形成混合氣,受水蒸氣吸熱降溫的影響較大,濕壁量增加幅度較高,缸內當量比分布情況較差;4 850 r/min工況下汽油大部分以液滴形式在缸內蒸發形成混合氣,受水蒸氣的影響較小,缸內當量比分布影響較小。

2.3 噴水量對發動機性能和排放的影響

水蒸氣進入缸內后,可以增大缸內混合氣熱容,降低缸內溫度,減緩火焰傳播速度;在相同的點火時刻下,會增加缸內混合氣燃燒時間,造成缸內壓力降低,峰值壓力出現時刻滯后,同時出現爆震的概率降低。發動機在1 500 r/min且未更改點火提前角的工況下,缸內的壓力和放熱率的變化情況如圖6a所示。由圖6a可知:相較于未噴水工況,噴水后缸內壓力明顯降低,著火時刻和燃燒期滯后,放熱率變緩,表明水的噴入有減緩燃燒速度、降低缸壓峰值和減少爆震概率的作用;但隨著噴水量增加,L17工況與L25工況缸壓和放熱率情況相差不大,表明過多的噴水量對燃燒的阻礙效果不明顯。發動機在4 850 r/min且未更改點火提前角的工況下,缸內的壓力和放熱率的變化情況如圖6b所示。由圖6b可知,噴水后缸內減緩燃燒的效果明顯,但隨著噴水量的增加,減緩效果變差。在噴水減緩燃燒速度、降低爆震發生概率后,缸壓也隨之下降,導致熱效率變差,此時可以采取更大的點火提前方式,使燃燒相位提前來彌補熱效率的損失。發動機在1 500 r/min工況下,隨著噴水量的增加逐步加大點火提前角后,缸內的壓力變化對比如圖6c所示。由圖6c可知,增大點火提前角可以使燃燒相位提前,缸內壓力可以更早地達到最大壓力爆發點,且峰值壓力更高,熱效率升高。

圖6 不同工況下缸內壓力曲線和放熱率曲線的對比

在臺架試驗中控制輸出功率恒定,隨著噴水量的增加,在加大點火提前角的同時減少汽油噴入量,分別在1 500 r/min和4 850 r/min的工況下控制扭矩恒定,得到點火提前角和比油耗與噴水量的關系,如圖7a所示。從圖7a可以看出,隨著噴水量增加和點火提前角相應的提前,燃燒相位得到優化,從而使得比油耗降低,熱效率升高,并且在高轉速情況下熱效率升高得更為明顯。

燃燒時缸內溫度是影響氮氧化物生成的重要因素,噴水能夠減緩燃燒速度,降低燃燒時缸內溫度,但點火提前角增加燃燒相位提前,會增加燃燒時缸內溫度。不同轉速下,隨著噴水量增加NO和煙度FSN的排放曲線變化如圖7b所示。從圖7b可以看出:在1 500 r/min工況下,隨著噴水量增加，NO和FSN的排放出現波動性增減,并未有大幅變化;在4 850 r/min工況下,NO排放有明顯增加,FSN先減小后增加。

圖7 改變點火提前角后發動機性能和排放的變化

3 結 論

本文采用試驗與數值模擬相結合的方法,完成了水進氣道噴射汽油缸內直噴發動機的改裝,并建立發動機仿真模型,研究了GDI+WPI雙噴射汽油發動機在轉速為1 500、4 850 r/min和節氣門開度為100%的工況下,噴水量對水蒸氣形成、缸內可燃氣形成以及發動機性能和排放的影響。研究結果表明:

(1) 增加水的噴射量會提高水的濕壁量,壁面蒸發量增加,進入缸內水蒸氣質量增加,但進入質量占總噴射量的比例下降,此現象在不同轉速工況下趨勢相同。

(2) 增加噴水量可提高蒸發降溫效果,缸內溫度下降后影響汽油蒸發速度,導致更多的汽油濕壁,影響缸內可燃氣的形成。不同轉速工況的汽油濕壁量不同,但濕壁量增加趨勢相同。

(3) 在相同點火提前角設定下,進入缸內水蒸氣質量增加導致燃燒滯后,最大爆發壓力降低，熱效率下降;在固定功率并增大點火提前角后,比油耗降低,熱效率回升;排放在增大點火提前角使燃燒情況優化后并未明顯增加。