噴油策略對GDI發動機碳煙生成的影響?

龐昌樂，趙洪雪，，靜大亮，董哲林，王 志，帥石金

噴油策略對GDI發動機碳煙生成的影響?

龐昌樂1，趙洪雪1，2，靜大亮2，董哲林2，王 志2，帥石金2

(1.中國農業大學工學院，北京 100083；2.清華大學，汽車安全與節能國家重點實驗室，北京 100084)

結合發動機臺架試驗和三維數值模擬分析了GDI發動機噴霧、燃燒和碳煙的生成過程。結果表明，混合氣濃區、池火是碳煙生成的主要原因；早噴工況，燃油撞擊活塞頂部形成油膜，燃燒過程出現池火現象，碳煙生成量明顯增加；晚噴工況，油氣混合時間較短形成了局部濃區，導致碳煙質量生成增加。相同工況下兩次噴射策略有助于實現均勻混合氣，顯著降低缸內碳煙的生成。

直噴汽油機；碳煙；噴油策略；數值模擬

Keywords:GDI；soot；injection strategy；numerical simulation

前言

當前，大氣PM2.5成為社會關注的熱點。根據北京市環保局數據，北京地區的PM2.5中三分之二顆粒物為當地產生，其中機動車貢獻量最高，達到31.1%[1]。為了降低機動車顆粒物排放，我國制定了較為嚴格的尾氣排放法規并向歐洲標準靠攏，歐VI限制GDI排放標準既限制顆粒物質量(PM＜5mg/km)又限制顆粒物數量(PN＜6×1011)[2]。歐洲多個實驗室聯合開展的乘用車顆粒測量結果表明[3]:與傳統進氣道噴射汽油機和帶有顆粒捕集器的柴油機相比，缸內直噴汽油機排放的顆粒物數量更多，且顆粒物粒徑更小，危害更大。因此，減少缸內直噴汽油機碳煙的排放已經成為亟需解決的問題。

近年來國內外學者采用試驗和模擬的方法對GDI發動機的碳煙生成進行了大量的研究。文獻[4]～文獻[6]中分別利用激光誘導熾光法和雙色法對GDI發動機碳煙生成過程進行可視化研究，研究結果表明混合氣空間濃區、附壁油膜及池火是GDI發動機生成碳煙的主要途徑。在發動機碳煙模擬方面，文獻[7]和文獻[8]中采用蒙特卡洛法模擬GDI發動機碳煙生成和氧化過程，但其對發動機的簡化過大，不能準確描述汽油的噴霧過程。文獻[9]和文獻[10]中利用半經驗碳煙模型進行三維CFD數值模擬，得到GDI發動機缸內碳煙分布，但皆未考慮噴霧碰壁和油膜對碳煙的影響。文獻[11]中模擬研究了噴油時刻對GDI發動機油膜的影響來預測其對碳煙的影響，但沒有碳煙的相關計算結果。

本文中針對一款增壓小排量直噴汽油機進行不同噴油策略的三維數值模擬，研究缸內混合氣形成方式和油膜對碳煙的影響。

1 發動機試驗裝置與方案

為研究變噴油時刻對碳煙生成的影響，采用四缸GDI發動機在低速中負荷工況下進行試驗，發動機參數如表1所示，試驗工況參數如表2所示。

表1 發動機參數

表2 發動機低速中負荷工況參數

缸內布置和發動機臺架如圖1所示。噴油器為高壓多孔噴油器，傾斜布置于進氣門偏下位置，火花塞布置于氣缸蓋中心位置。進氣道的布置形式使氣體進入氣缸后以滾流方式順時針旋轉，可使燃油與混合氣充分混合。試驗臺架由增壓直噴汽油機、測功機、進氣測試系統和排放測試系統等組成。試驗中發動機碳煙排放采用微粒分析儀(DMS500)進行測量，其測量范圍在5～1 000nm，采樣間隔0.1s，在三元催化轉化器前進行采樣。本研究選擇進氣行程5個噴油時刻對碳煙生成的影響進行分析，分別為330，300，270，240 和 210°CA BTDC。

圖1 試驗發動機的布置形式

2 模擬計算模型與標定

為節省計算時間和提高計算精度，本計算中以4mm作為基礎網格尺寸。發動機缸內重要部位和特殊時刻進行局部加密，如噴霧過程中對噴霧油束和火花塞點火時刻均對火花塞附近網格數量進行25倍的加密，點火時刻開始缸內整體網格加密23倍，并在溫度梯度高于2.5K/m和速度梯度高于1m/s的部位進行23倍加密。計算時利用如圖2(a)所示的網格，圖2(b)為燃燒過程中缸內網格隨溫度和缸內流動自動加密。

圖2 網格和缸內網格自動加密

在缸內直噴汽油機中，噴霧特性對燃燒和排放具有至關重要的作用，噴霧是尺寸大小各異的細小油滴、燃油蒸氣和空氣的兩相混合物。燃油進入燃燒室后會發生破碎、湍流擾動、變形、碰撞、聚合和碰壁等一系列物理變化。混合氣形成過程中油滴的受熱與蒸發直接影響到混合氣的濃度分布。現已有大量計算復雜和預測精度各異的噴霧模型[12]。本文中對各類模型的選擇如表3所示。其中燃燒模型為SAGE詳細化學動力學模型，化學反應機理為本文作者開發的22組分異辛烷反應機理[13]，碳煙模型為Hiroyasu-NSC經驗模型，它通過燃油濃度計算碳煙生成速率。

表3 模型選擇

噴霧形態對整個燃燒過程有至關重要的影響。首先，利用上述四缸發動機廠商提供的該發動機噴油器，在定容燃燒彈中進行噴霧可視化試驗，利用高速攝影機獲取噴霧形態，并測量貫穿距。其次，根據試驗結果調整噴霧模型中各參數對模型進行標定。圖3為噴霧可視化試驗中拍攝的噴霧形態與模擬的噴霧形態對比，圖4為試驗測得貫穿距與模擬貫穿距的對比，綜合比較噴霧形態和貫穿距可見，本模型能準確描述試驗的噴霧現象。

圖3 試驗噴霧形態與模擬噴霧形態

圖4 試驗與模擬貫穿距對比

將已標定的噴霧模型代入發動機全工況模擬過程中，對 330，300，270，240 和 210°CA BTDC 5 種不同噴油時刻進行進氣、噴霧、燃燒和碳煙生成的全工作過程模擬。表4為模擬計算的初始條件。

表4 計算初始條件

圖5為各不同噴油時刻對應的臺架試驗與模擬計算的缸壓對比。由圖可見，在各個噴油時刻，數值模擬缸壓與臺架試驗缸壓曲線吻合較好，可以作為準確分析碳煙的基礎條件。

圖5 不同噴油時刻試驗與模擬缸壓的對比

3 模擬結果分析

3.1 噴油時刻的影響

目前還不能準確模擬碳煙的形態，對于模擬顆粒物數量的方法暫時還不清晰。圖6分別示出不同噴油時刻的模擬碳煙質量和臺架試驗測得總顆粒物數量濃度。由圖可見，兩者的趨勢基本吻合。330°CA BTDC進氣行程早期噴油時刻碳煙生成量最大為1.6×10-6kg，隨著噴油時刻的推遲，碳煙生成量迅速下降，到270°CA BTDC時刻噴油時碳煙生成量達到最小，為4.2×10-8kg，之后噴油時刻繼續推遲，碳煙生成量又緩慢增加。

圖6 模擬碳煙質量與試驗顆粒物濃度

圖7 為噴油開始時刻至排氣門開啟時刻缸內油膜質量的變化，圖8為不同噴油時刻噴油結束前5°對應的油束的形態。在330°CA BTDC時刻噴油，活塞靠近上止點距噴油器距離較近，噴出的油束撞擊活塞頂部，產生大量油膜，且直到壓縮上止點仍然有大量油膜存在，油膜揮發在近壁面形成混合氣濃區，進而生成大量的碳煙；在270°CA BTDC時刻噴油，噴油撞壁產生油膜較少，并且點火前缸內油膜基本完全揮發，剩余量較少，生成較少的碳煙。在210°CA BTDC時刻噴油，盡管產生的油膜質量少，但由于揮發混合時間較短，缸內存在部分濃區，故碳煙生成量再次上升。總之，點火前缸內油膜質量和油膜揮發混合時間，與碳煙生成量有直接關系。

表5為不同噴油時刻燃空當量比與碳煙分布，其中20°CA ATDC對應放熱率峰值時刻，40°CA ATDC對應放熱基本結束時刻。在330°CA BTDC時刻噴油時，油膜質量多，揮發后在壁面形成濃區，在活塞頂部燃燒出現池火現象，生成大量碳煙。在210°CA BTDC時刻噴油時，油氣混合時間較短，缸內出現混合氣局部濃區，也生成大量碳煙。而在270°CA BTDC時刻噴油時，由于油膜質量少，缸內混合氣分布較為均勻，故生成較少的碳煙。

圖7 不同噴油時刻缸內油膜質量的變化

圖8 噴油結束前5°油束碰壁情況

表5 不同噴油時刻燃空當量比與碳煙分布

3.2 噴油策略的影響

在上述單次噴油中，發現在270°CA BTDC時刻噴油產生的碳煙質量最小。在此基礎上進行兩次噴油模擬以達到更少的碳煙排放。按表6中5種噴油策略進行模擬。策略1為上述研究中270°CA BTDC時刻單次噴油，其他5種策略均保持首噴時刻270°CA BTDC不變，二次噴油比例均設置為30%，策略2～4中二次噴射時刻均為進氣行程，策略5和6中二次噴油時刻均為壓縮行程早期。

圖9為不同噴油策略下排氣門開啟時刻缸內碳煙的總質量對比，可以發現噴油策略2產生的碳煙質量最少。以下對比策略1與2對碳煙生成情況的影響。圖10為策略1與2缸內油膜質量變化。策略2產生油膜峰值總量低于策略1，在點火前策略2殘留較少的油膜。

表6 噴油策略設置

圖9 不同噴油策略下缸內碳煙的質量

圖10 策略1與2缸內油膜質量變化規律

圖11 策略1與2模擬缸壓和缸內平均溫度對比

圖11 為策略1與2模擬缸壓和缸內溫度的對比，策略2最大爆發缸壓較高，說明燃油二次噴射可以得到較大的功率輸出，這可能是由于油膜質量減少，燃燒更加完全。

表7中對比了策略1與2在膨脹行程缸內燃空當量比和碳煙的分布情況，策略2中缸內燃油分布均勻使得碳煙生成量很小且迅速氧化，說明二次噴射燃油霧化較好有利于混合氣混合均勻，從而減少碳煙的生成；且爆發缸壓和溫度增加有利于缸內碳煙的氧化，從而減少了碳煙的排放。

表7 策略1和2燃空當量比與碳煙分布

4 結論

本文中主要模擬不同噴油策略對GDI發動機碳煙生成的影響，分析了油膜質量分布和燃空當量比對碳煙生成的影響。主要結論如下。

(1)噴油時刻的影響:早噴工況(330°CA BTDC)，液體燃料撞擊活塞頂部，油膜質量較多，在燃燒過程中燃油在活塞頂部燃燒形成池火，導致大量碳煙生成；晚噴工況(210°CA BTDC)，油膜揮發后混合時間短，混合不均勻，導致在混合氣局部濃區產生大量碳煙；中噴工況(270°CA BTDC)，混合氣較均勻，缸內燃料燃燒完全，生成較少量的碳煙。所以，合理選定噴油時刻，保證燃油和空氣有足夠的混合時間，并減少噴油撞壁是控制碳煙生成的必要條件。

(2)在同一工況相同噴油量的情況下，采用兩次噴射策略，能在缸內形成更均勻的混合氣，顯著降低發動機碳煙排放。

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Effects of Injection Strategy on Soot Formation in GDI Engines

Pang Changle1， Zhao Hongxue1，2， Jing Daliang2， Dong Zhelin2， Wang Zhi2＆ Shuai Shijin2
1.Collegeof Engineering， China Agricultural University， Beijing 100083；2.Tsinghua University， State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy， Beijing 100084

By combining engine bench test and 3D numerical simulation， the spray， combustion， and soot formation process of GDI engine are analyzed.The results show that the main causes of soot formation are local rich mixture and pool fire.In early injection timing，due to the formation of fuel film caused by the impingement of spray on piston， pool fire appears during combustion， so soot emission apparently increases， while in late injection timing， gas-air mixing period is shortened， leading to the formation of local rich zone and hence the rise of soot mass formed.Under the same condition，the adoption of split injection is conducive to uniform mixture and the significant reduction of in-cylinder soot formation.

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.09.002

?“973”課題(2013CB228502)資助。

原稿收到日期為2016年10月20日。

帥石金，教授，博士生導師，E-mail:sjshuai＠mail.tsinghua.edu.cn。