點火時刻對缸內直噴汽油機微粒生成過程影響仿真分析

李婉笛 王肇宇 秦思南

摘 要：該文通過對某475GDI發動機進行數學建模和仿真計算，分析不同點火時刻對微粒生成過程的影響規律。結果表明不同點火時刻下的微粒質量分數隨曲軸轉角變化均呈現先增加后下降的單峰趨勢。并且隨著點火時刻逐漸提前，微粒質量分數峰值逐漸增加且相位提前。微粒數量濃度整體上呈現在燃燒過程初期上升隨后下降并在燃燒中后期再度出現小幅度上升的雙峰分布。并且數量濃度曲線的峰值隨著點火時刻的不斷推遲均呈下降趨勢，相位也隨著點火時刻推遲而延后。

關鍵詞：微粒 點火時刻 GDI發動機 仿真計算

中圖分類號：U46 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）04（b）-0059-05

Abstract：In this paper， through mathematical modeling and Simulation of a 475 GDI engine， to analyze the effect of different ignition timing on the particle formation process. The results showed that the particle mass fraction under different ignition timing condition increased first and then decreased with the crank angle. With the gradual advance of ignition timing， particle mass fraction increased gradually and the peak advance. During the combustion process， the particle number concentration rise first， and then decline. And the peak of number concentration constantly decreased with ignition timing delayed， the phase of particulate number peak also delayed with ignition time delay.

Key Words： Particulate；Ignition time；GDI engine；Simulation combustion

相比于傳統氣道噴射式汽油機，缸內直噴式汽油機微粒排放明顯升高。研究表明未燃碳氫和可溶性有機物是汽油機顆粒物排放的主要成分，其粒徑小于1 μm的顆粒物質量濃度相對較低，但數量巨大，即汽油機微粒排放主要以核態顆粒物為主，僅在大負荷工況存在積聚態顆粒物[1-3]。

缸內直噴汽油機微粒生成過程相對復雜，傳統的試驗手段難以實現缸內微粒瞬時生成過程分析研究，因此該文通過對國內某款475GDI發動機進行數學建模和FIRE軟件仿真計算，研究不同點火時刻對GDI發動機缸內微粒生成過程的影響規律。

1 仿真模型的建立與驗證

文中選擇現階段國內乘用車市場廣泛使用的475-1.4T GDI發動機進行仿真建模，該汽油機基本參數如表1所示。

該文的研究過程集中于GDI汽油機的進氣、燃料混合蒸發及燃燒過程，為了降低仿真模型網格數量，縮短計算所用時間，仿真模型主要包括燃燒室以及進氣道兩部分，其中燃燒室由活塞頂部凹坑以及氣缸蓋上的燃燒室兩部分組成[4]。生成的三維模型如圖1所示。

該文采用AVL FIRE中的導入式劃分方法，將.stl格式的面網格文件導入到FIRE中，對網格進行自動劃分并進行局部細化，網格形狀可選，最終得到計算所需要的非結構化混合網格[5]。這種網格劃分方式適用于曲面交角較多的復雜模型，如圖2所示。模型導入完成后，根據計算需要對網格尺寸進行設置，最大網格尺寸設置為2 mm。由于進氣門和氣門座處形狀和氣流運動狀況都較為復雜，因此對此區域進行細化，設置最大網格尺寸為0.25 mm。由于燃燒過程是該文主要分析的部分，這一部分要保證較好的網格質量來保證計算精度，因此設置燃燒室的最大網格尺寸為1 mm。

該文采用仿真計算缸壓與臺架試驗示功圖相對比進行模型校正。校模工況選擇2 000 r/min，80 N·m。對比結果如圖3所示，吻合度高于95%，認定該模型符合模擬仿真計算要求。

2 點火時刻對微粒生成過程影響研究

仿真工況選擇上節介紹的校模工況，此工況原機點火時刻為上止點前17°CA，以5°為間隔分別提前、滯后設定點火角為7°、12°、22°和27°。圖4為微粒質量分數仿真計算結果。不同點火時刻下的微粒質量分數隨曲軸轉角變化均呈現先增加后下降的單峰趨勢。在點火時刻為22°和27°時，微粒質量在達到一個峰值后持續處于下降趨勢，而當點火時刻變為17°時，微粒質量雖然在峰值后保持下降但是其下降過程相較于前兩者更為緩慢，當點火時刻繼續推遲到7°和12°后，微粒質量下降到一定程度又呈現出極小幅度上升趨勢。并且隨著點火時刻逐漸提前，微粒質量分數峰值逐漸增加且相位提前。點火時刻為27°的微粒質量分數峰值是點火時刻為7°的兩倍有余。

圖5為不同點火時刻微粒數量濃度分布情況。微粒數量濃度整體上呈現在燃燒過程初期上升隨后下降并在燃燒中后期再度出現小幅度上升的雙峰分布。并且數量濃度曲線的峰值隨著點火時刻的不斷推遲均呈下降趨勢，相位也隨著點火時刻推遲而延后。從點火時刻為7°時的2.04E+19#/m3，增大到了點火時刻為27°的5.95E+19#/m3。

圖6是不同點火時刻下缸內微粒瞬時生成質量分布情況，由上至下分別為點火角7°～27°。點火時刻變化對微粒生成質量空間分布影響不大，微粒初始生成區域主要集中在燃燒室右側上部靠近氣缸蓋的位置，隨著燃燒進行，右側燃燒室中微粒生成量逐漸增加而且微粒生成量較大的區域也逐漸擴散到左側鼻梁區附近，且微粒質量逐漸增加。微粒質量濃度較高區域主要集中在燃燒室右側區域并且這個位置微粒濃度較高的區域隨著點火時刻的提前逐漸擴大，而左側鼻梁區附近的微粒質量濃度則沒有很明確的規律性。燃燒進入中后期微粒質量較濃區域雖沒有變化但范圍明顯減小。

圖7為不同點火時刻下缸內微粒數量瞬時分布情況，由上至下分別為點火角7°～27°。分別截取了不同點火時刻下的微粒數濃度峰值、峰谷以及第二峰值所對應的曲軸轉角下的缸內微粒數量濃度三維圖。從圖中能夠清晰地發現微粒數量峰值均集中在兩個區域內：左側鼻梁區和右側靠近燃燒室上部處。隨著燃燒的不斷進行，后期燃燒室右側的微粒數量濃度下降，但是數量濃度高區域相較于左側鼻梁區仍然面積較大。

隨著點火時刻的不斷提前，微粒數量濃度較高區域在逐漸擴大，尤其是燃燒室右側區域。隨著燃燒的進行，微粒數量濃度處于不斷下降的過程，但是隨著點火時刻的提前，燃燒后期微粒數量濃度較高區域也在不斷擴大。在點火時刻為7°和12°時在燃燒后期微粒數量高濃度只在燃燒室左右兩側靠近壁面的區域，而當點火時刻提前到17°、22°和27°時燃燒后期微粒數量濃度較高區域也同時存在于燃燒室的右上部區域內。這就說明點火時刻過早并不利于降低缸內微粒生成量。

3 點火時刻對缸內燃燒過程影響研究

圖8為不同點火時刻條件下發動機缸內爆發壓力隨曲軸轉角的變化規律，隨著點火時刻提前，缸內壓力峰值不斷下降并且峰值所對應的曲軸轉角也在不斷推遲，而燃燒后期的缸內溫度卻在不斷升高。主要因為點火時刻推遲直接導致燃燒過程推遲，在膨脹沖程進行燃燒的混合氣數量不斷增多，同時活塞下行導致火焰傳播距離增加，對火焰傳播產生了不利影響，導致整個缸內放熱過程減緩。

圖9、圖10和圖11分別為不同點火時刻缸內燃燒過程的溫度場、濃度場合速度場分布情況，由上至下分別為點火角7°～27°。隨燃燒過程繼續，缸內燃燒溫度逐漸降低，且燃燒室中心區域溫度高于燃燒室左右兩側靠近壁面的區域。對比圖10缸內濃度場也表現為此規律。主要因為燃燒室中心區域是均質當量混合氣而在溫度較低的兩個區域則為濃度較高區域，更利于火焰的傳播和燃燒進行。同時我們發現雖然左右兩側靠近壁面的區域初始燃燒溫度較低，但是隨著燃燒的進行這兩個區域內的溫度并未明顯下降，一直維持在1 700 K左右，同時這個范圍存在較濃混合氣，這也驗證了此區域內產生微粒較多的原因。

對于濃度場，雖然缸內整體為均質當量混合氣，但由于氣流運動及燃料霧化混合的影響，點火時刻缸內仍然存在局部過濃區域。對于速度場而言，點火時刻缸內氣流都處于較強的順時針滾流運動，但是氣流運動速度卻有差別。隨著點火時刻的不斷提前，缸內氣流運動速度快的區域逐漸增多，且集中在靠近活塞頂部區域，主要由于點火之前活塞處于上行過程促進了缸內氣流的運動。點火時刻缸內氣流在左側鼻梁區和靠近燃燒室頂部的位置氣流運動速度較慢，并且這兩個區域隨著點火時刻的推遲而不斷擴大。

4 結論

該文使用AVL FIRE軟件對國內市場主流的缸內直噴汽油機進行仿真計算，研究不同點火時刻對GDI汽油機缸內微粒生成過程的影響規律，結論如下。

（1）不同點火時刻下的微粒質量分數隨曲軸轉角變化均呈現先增加后下降的單峰趨勢。并且隨著點火時刻逐漸提前，微粒質量分數峰值逐漸增加且相位提前。

（2）微粒數量濃度整體上呈現在燃燒過程初期上升隨后下降并在燃燒中后期再度出現小幅度上升的雙峰分布。并且數量濃度曲線的峰值隨著點火時刻的不斷推遲均呈下降趨勢，相位也隨著點火時刻推遲而延后。

（3）三維仿真結果分析表明微粒質量濃度較高區域主要集中在燃燒室右側區域，而微粒數量峰值集中在左側鼻梁區和右側靠近燃燒室上部的兩個區域。缸內濃度場、速度場分布結果也表明這兩個局部混合氣濃度高、氣流運動較弱的區域也剛好對應了微粒生成量較高區域。

參考文獻

[1] 潘鎖柱.車用汽油機尾氣顆粒物數量排放及粒徑分布特性研究[C]//中國內燃機學會燃燒節能凈化分會2010年學術會.2010.

[2] Su D.S.，Muller J.O.，Jentoft R.E.，et al.Fullerene-like soot from Euro IV Diesel Engine：Consequences for Catalytic Automotive Pollution Control[J].Topics in Catalysis，2004，30-31（1）：24l-245.

[3] 潘鎖柱，裴毅強，宋崇林，等.汽油機顆粒物數量排放及粒徑的分布特性[J].燃燒科學與技術，2012，18（2）：181-185.

[4] LI Yu-feng， ZHAO Hua， Nikolaos Brouzos. Effect of Injection Timing on Mixture and CAI Combustion in a GDI Engine with an Air-assisted Injector[J].Sae Technical Papers，2006，29（1）：67-84.

[5] 江峻峰，張建昭.新型汽油機缸內直噴燃燒系統的研究[J].汽車技術，2003（2）：15-19.