李婉笛 王肇宇 秦思南

摘 要：該文通過(guò)對(duì)某475GDI發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和仿真計(jì)算，分析不同點(diǎn)火時(shí)刻對(duì)微粒生成過(guò)程的影響規(guī)律。結(jié)果表明不同點(diǎn)火時(shí)刻下的微粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角變化均呈現(xiàn)先增加后下降的單峰趨勢(shì)。并且隨著點(diǎn)火時(shí)刻逐漸提前，微粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)峰值逐漸增加且相位提前。微粒數(shù)量濃度整體上呈現(xiàn)在燃燒過(guò)程初期上升隨后下降并在燃燒中后期再度出現(xiàn)小幅度上升的雙峰分布。并且數(shù)量濃度曲線的峰值隨著點(diǎn)火時(shí)刻的不斷推遲均呈下降趨勢(shì)，相位也隨著點(diǎn)火時(shí)刻推遲而延后。

關(guān)鍵詞：微粒 點(diǎn)火時(shí)刻 GDI發(fā)動(dòng)機(jī) 仿真計(jì)算

中圖分類號(hào)：U46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(tǒng)氣道噴射式汽油機(jī)，缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)微粒排放明顯升高。研究表明未燃碳?xì)浜涂扇苄杂袡C(jī)物是汽油機(jī)顆粒物排放的主要成分，其粒徑小于1 μm的顆粒物質(zhì)量濃度相對(duì)較低，但數(shù)量巨大，即汽油機(jī)微粒排放主要以核態(tài)顆粒物為主，僅在大負(fù)荷工況存在積聚態(tài)顆粒物[1-3]。

缸內(nèi)直噴汽油機(jī)微粒生成過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，傳統(tǒng)的試驗(yàn)手段難以實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)微粒瞬時(shí)生成過(guò)程分析研究，因此該文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)某款475GDI發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和FIRE軟件仿真計(jì)算，研究不同點(diǎn)火時(shí)刻對(duì)GDI發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)微粒生成過(guò)程的影響規(guī)律。

1 仿真模型的建立與驗(yàn)證

文中選擇現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)乘用車市場(chǎng)廣泛使用的475-1.4T GDI發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行仿真建模，該汽油機(jī)基本參數(shù)如表1所示。

該文的研究過(guò)程集中于GDI汽油機(jī)的進(jìn)氣、燃料混合蒸發(fā)及燃燒過(guò)程，為了降低仿真模型網(wǎng)格數(shù)量，縮短計(jì)算所用時(shí)間，仿真模型主要包括燃燒室以及進(jìn)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(dǎo)入式劃分方法，將.stl格式的面網(wǎng)格文件導(dǎo)入到FIRE中，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行自動(dòng)劃分并進(jìn)行局部細(xì)化，網(wǎng)格形狀可選，最終得到計(jì)算所需要的非結(jié)構(gòu)化混合網(wǎng)格[5]。這種網(wǎng)格劃分方式適用于曲面交角較多的復(fù)雜模型，如圖2所示。模型導(dǎo)入完成后，根據(jù)計(jì)算需要對(duì)網(wǎng)格尺寸進(jìn)行設(shè)置，最大網(wǎng)格尺寸設(shè)置為2 mm。由于進(jìn)氣門和氣門座處形狀和氣流運(yùn)動(dòng)狀況都較為復(fù)雜，因此對(duì)此區(qū)域進(jìn)行細(xì)化，設(shè)置最大網(wǎng)格尺寸為0.25 mm。由于燃燒過(guò)程是該文主要分析的部分，這一部分要保證較好的網(wǎng)格質(zhì)量來(lái)保證計(jì)算精度，因此設(shè)置燃燒室的最大網(wǎng)格尺寸為1 mm。

該文采用仿真計(jì)算缸壓與臺(tái)架試驗(yàn)示功圖相對(duì)比進(jìn)行模型校正。校模工況選擇2 000 r/min，80 N·m。對(duì)比結(jié)果如圖3所示，吻合度高于95%，認(rèn)定該模型符合模擬仿真計(jì)算要求。

2 點(diǎn)火時(shí)刻對(duì)微粒生成過(guò)程影響研究

仿真工況選擇上節(jié)介紹的校模工況，此工況原機(jī)點(diǎn)火時(shí)刻為上止點(diǎn)前17°CA，以5°為間隔分別提前、滯后設(shè)定點(diǎn)火角為7°、12°、22°和27°。圖4為微粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)仿真計(jì)算結(jié)果。不同點(diǎn)火時(shí)刻下的微粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角變化均呈現(xiàn)先增加后下降的單峰趨勢(shì)。在點(diǎn)火時(shí)刻為22°和27°時(shí)，微粒質(zhì)量在達(dá)到一個(gè)峰值后持續(xù)處于下降趨勢(shì)，而當(dāng)點(diǎn)火時(shí)刻變?yōu)?7°時(shí)，微粒質(zhì)量雖然在峰值后保持下降但是其下降過(guò)程相較于前兩者更為緩慢，當(dāng)點(diǎn)火時(shí)刻繼續(xù)推遲到7°和12°后，微粒質(zhì)量下降到一定程度又呈現(xiàn)出極小幅度上升趨勢(shì)。并且隨著點(diǎn)火時(shí)刻逐漸提前，微粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)峰值逐漸增加且相位提前。點(diǎn)火時(shí)刻為27°的微粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)峰值是點(diǎn)火時(shí)刻為7°的兩倍有余。

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

圖6是不同點(diǎn)火時(shí)刻下缸內(nèi)微粒瞬時(shí)生成質(zhì)量分布情況，由上至下分別為點(diǎn)火角7°～27°。點(diǎn)火時(shí)刻變化對(duì)微粒生成質(zhì)量空間分布影響不大，微粒初始生成區(qū)域主要集中在燃燒室右側(cè)上部靠近氣缸蓋的位置，隨著燃燒進(jìn)行，右側(cè)燃燒室中微粒生成量逐漸增加而且微粒生成量較大的區(qū)域也逐漸擴(kuò)散到左側(cè)鼻梁區(qū)附近，且微粒質(zhì)量逐漸增加。微粒質(zhì)量濃度較高區(qū)域主要集中在燃燒室右側(cè)區(qū)域并且這個(gè)位置微粒濃度較高的區(qū)域隨著點(diǎn)火時(shí)刻的提前逐漸擴(kuò)大，而左側(cè)鼻梁區(qū)附近的微粒質(zhì)量濃度則沒(méi)有很明確的規(guī)律性。燃燒進(jìn)入中后期微粒質(zhì)量較濃區(qū)域雖沒(méi)有變化但范圍明顯減小。

圖7為不同點(diǎn)火時(shí)刻下缸內(nèi)微粒數(shù)量瞬時(shí)分布情況，由上至下分別為點(diǎn)火角7°～27°。分別截取了不同點(diǎn)火時(shí)刻下的微粒數(shù)濃度峰值、峰谷以及第二峰值所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角下的缸內(nèi)微粒數(shù)量濃度三維圖。從圖中能夠清晰地發(fā)現(xiàn)微粒數(shù)量峰值均集中在兩個(gè)區(qū)域內(nèi)：左側(cè)鼻梁區(qū)和右側(cè)靠近燃燒室上部處。隨著燃燒的不斷進(jìn)行，后期燃燒室右側(cè)的微粒數(shù)量濃度下降，但是數(shù)量濃度高區(qū)域相較于左側(cè)鼻梁區(qū)仍然面積較大。

隨著點(diǎn)火時(shí)刻的不斷提前，微粒數(shù)量濃度較高區(qū)域在逐漸擴(kuò)大，尤其是燃燒室右側(cè)區(qū)域。隨著燃燒的進(jìn)行，微粒數(shù)量濃度處于不斷下降的過(guò)程，但是隨著點(diǎn)火時(shí)刻的提前，燃燒后期微粒數(shù)量濃度較高區(qū)域也在不斷擴(kuò)大。在點(diǎn)火時(shí)刻為7°和12°時(shí)在燃燒后期微粒數(shù)量高濃度只在燃燒室左右兩側(cè)靠近壁面的區(qū)域，而當(dāng)點(diǎn)火時(shí)刻提前到17°、22°和27°時(shí)燃燒后期微粒數(shù)量濃度較高區(qū)域也同時(shí)存在于燃燒室的右上部區(qū)域內(nèi)。這就說(shuō)明點(diǎn)火時(shí)刻過(guò)早并不利于降低缸內(nèi)微粒生成量。

3 點(diǎn)火時(shí)刻對(duì)缸內(nèi)燃燒過(guò)程影響研究

圖8為不同點(diǎn)火時(shí)刻條件下發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)爆發(fā)壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律，隨著點(diǎn)火時(shí)刻提前，缸內(nèi)壓力峰值不斷下降并且峰值所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角也在不斷推遲，而燃燒后期的缸內(nèi)溫度卻在不斷升高。主要因?yàn)辄c(diǎn)火時(shí)刻推遲直接導(dǎo)致燃燒過(guò)程推遲，在膨脹沖程進(jìn)行燃燒的混合氣數(shù)量不斷增多，同時(shí)活塞下行導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x增加，對(duì)火焰?zhèn)鞑ギa(chǎn)生了不利影響，導(dǎo)致整個(gè)缸內(nèi)放熱過(guò)程減緩。

圖9、圖10和圖11分別為不同點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)燃燒過(guò)程的溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)合速度場(chǎng)分布情況，由上至下分別為點(diǎn)火角7°～27°。隨燃燒過(guò)程繼續(xù)，缸內(nèi)燃燒溫度逐漸降低，且燃燒室中心區(qū)域溫度高于燃燒室左右兩側(cè)靠近壁面的區(qū)域。對(duì)比圖10缸內(nèi)濃度場(chǎng)也表現(xiàn)為此規(guī)律。主要因?yàn)槿紵抑行膮^(qū)域是均質(zhì)當(dāng)量混合氣而在溫度較低的兩個(gè)區(qū)域則為濃度較高區(qū)域，更利于火焰的傳播和燃燒進(jìn)行。同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)雖然左右兩側(cè)靠近壁面的區(qū)域初始燃燒溫度較低，但是隨著燃燒的進(jìn)行這兩個(gè)區(qū)域內(nèi)的溫度并未明顯下降，一直維持在1 700 K左右，同時(shí)這個(gè)范圍存在較濃混合氣，這也驗(yàn)證了此區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生微粒較多的原因。

對(duì)于濃度場(chǎng)，雖然缸內(nèi)整體為均質(zhì)當(dāng)量混合氣，但由于氣流運(yùn)動(dòng)及燃料霧化混合的影響，點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)仍然存在局部過(guò)濃區(qū)域。對(duì)于速度場(chǎng)而言，點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)氣流都處于較強(qiáng)的順時(shí)針滾流運(yùn)動(dòng)，但是氣流運(yùn)動(dòng)速度卻有差別。隨著點(diǎn)火時(shí)刻的不斷提前，缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)速度快的區(qū)域逐漸增多，且集中在靠近活塞頂部區(qū)域，主要由于點(diǎn)火之前活塞處于上行過(guò)程促進(jìn)了缸內(nèi)氣流的運(yùn)動(dòng)。點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)氣流在左側(cè)鼻梁區(qū)和靠近燃燒室頂部的位置氣流運(yùn)動(dòng)速度較慢，并且這兩個(gè)區(qū)域隨著點(diǎn)火時(shí)刻的推遲而不斷擴(kuò)大。

4 結(jié)論

該文使用AVL FIRE軟件對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)主流的缸內(nèi)直噴汽油機(jī)進(jìn)行仿真計(jì)算，研究不同點(diǎn)火時(shí)刻對(duì)GDI汽油機(jī)缸內(nèi)微粒生成過(guò)程的影響規(guī)律，結(jié)論如下。

（1）不同點(diǎn)火時(shí)刻下的微粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角變化均呈現(xiàn)先增加后下降的單峰趨勢(shì)。并且隨著點(diǎn)火時(shí)刻逐漸提前，微粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)峰值逐漸增加且相位提前。

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

（3）三維仿真結(jié)果分析表明微粒質(zhì)量濃度較高區(qū)域主要集中在燃燒室右側(cè)區(qū)域，而微粒數(shù)量峰值集中在左側(cè)鼻梁區(qū)和右側(cè)靠近燃燒室上部的兩個(gè)區(qū)域。缸內(nèi)濃度場(chǎng)、速度場(chǎng)分布結(jié)果也表明這兩個(gè)局部混合氣濃度高、氣流運(yùn)動(dòng)較弱的區(qū)域也剛好對(duì)應(yīng)了微粒生成量較高區(qū)域。

參考文獻(xiàn)

[1] 潘鎖柱.車用汽油機(jī)尾氣顆粒物數(shù)量排放及粒徑分布特性研究[C]//中國(guó)內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)燃燒節(jié)能凈化分會(huì)2010年學(xué)術(shù)會(huì).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(qiáng)，宋崇林，等.汽油機(jī)顆粒物數(shù)量排放及粒徑的分布特性[J].燃燒科學(xué)與技術(shù)，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(jī)缸內(nèi)直噴燃燒系統(tǒng)的研究[J].汽車技術(shù)，2003（2）：15-19.