宮艷峰 錢(qián)丁超

（中國(guó)第一汽車(chē)集團(tuán)有限公司 研發(fā)總院，長(zhǎng)春 130013）

主題詞：汽油機(jī) 低溫燃燒 直噴噴霧 CFD仿真 火花助燃?jí)喝?/p>

1 前言

汽油低溫燃燒可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)的傳熱損失，提高燃燒的定容度，實(shí)現(xiàn)與柴油機(jī)類(lèi)似甚至更高的熱效率，同時(shí)會(huì)獲得非常低的NOx和PM排放[1-2]。汽油低溫燃燒是通過(guò)控制汽油與空氣混合氣的溫度與壓力實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)著火，與傳統(tǒng)汽油機(jī)的火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程相比，燃燒速度快，時(shí)間損失少。低溫燃燒的難點(diǎn)是著火時(shí)刻的準(zhǔn)確控制。目前，內(nèi)燃機(jī)工作者一直在進(jìn)行著低溫燃燒的理論與實(shí)驗(yàn)研究。

由美國(guó)能源部汽車(chē)技術(shù)辦公室提供支持，圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合通用、康明斯、勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）、紐約州立大學(xué)石溪分校等多個(gè)伙伴進(jìn)行了汽油低溫燃燒技術(shù)的研究。涉及的內(nèi)容包括汽油的噴霧分析、低溫燃燒的數(shù)值模擬以及單缸機(jī)實(shí)驗(yàn)研究，還對(duì)創(chuàng)新型的點(diǎn)火技術(shù)進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究。

這一系列汽油低溫燃燒研究旨在通過(guò)熱力學(xué)和光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽油低溫燃燒機(jī)理充分的理解與建模，為工業(yè)界提供開(kāi)發(fā)汽油低溫燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)所需要的理論指導(dǎo)，在理論的指導(dǎo)下，重點(diǎn)解決汽油低溫快速燃燒的瞬態(tài)控制問(wèn)題，揭示燃料對(duì)自燃點(diǎn)火和燃燒過(guò)程的化學(xué)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)過(guò)程影響的基本原理，以及實(shí)現(xiàn)火花輔助的低溫燃燒和低溫燃燒冷起動(dòng)技術(shù)改善。

2 低溫燃燒的噴霧研究

無(wú)論對(duì)點(diǎn)燃式或壓燃式燃燒，燃油的噴霧特性都直接影響了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程和排放特性，并最終影響發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。大規(guī)模量產(chǎn)的缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的噴油壓力從最初的15 MPa，逐步發(fā)展到今天的35 MPa，而且有進(jìn)一步提高的趨勢(shì)。未來(lái)，50 MPa甚至100 MPa噴油壓力的噴油器可能會(huì)在汽油機(jī)上得到應(yīng)用。這為汽油低溫燃燒的著火控制和排放物控制也會(huì)有很大好處。

為充分理解汽油直噴的特點(diǎn)，改善CFD計(jì)算模型，圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室對(duì)汽油的噴霧進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)采用的定容彈溫度調(diào)節(jié)范圍是300～1 300 K，最大承受壓力35 MPa，通過(guò)EGR（廢氣再循環(huán)）可以實(shí)現(xiàn)O2濃度在0～21%的范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)[3]。

采用高波束掃描消光成像診斷的方法，利用CMOS傳感器拍攝油束中的C70富勒烯示蹤粒子可以分析汽油的噴霧特性，確定燃油噴射的質(zhì)量。利用燃油噴霧的對(duì)稱(chēng)性，通過(guò)層析圖像倒置，能夠反映出準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)混合氣沿中心面的質(zhì)量分布。

目前，比較一致的觀點(diǎn)是，化學(xué)當(dāng)量比下汽油燃燒的碳煙形成主要是由于活塞或燃燒室表面的擴(kuò)散燃燒、油膜蒸發(fā)時(shí)在附近形成的油窩以及缺氧條件下的燃油熱解。圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室利用漫反射消光成像后進(jìn)行的碳煙排放積分處理顯示，即使在高富氧區(qū)，汽油噴射熱解條件下仍有碳煙生成。1 600 K時(shí)，噴油持續(xù)時(shí)間350 μs、汽油比例0.04時(shí)可以測(cè)試到碳煙排放。

在化學(xué)當(dāng)量比下，汽油直噴過(guò)程會(huì)因?yàn)槿加妥脖趯?dǎo)致的燃料熱解形成碳煙。火焰經(jīng)過(guò)油膜后的幾毫秒，油膜會(huì)產(chǎn)生碳煙并從壁面脫離?？梢赃x擇兩次噴射的方法來(lái)避免燃油的撞壁，因?yàn)榈诙螄娪拖喈?dāng)于重置了燃油噴射的噴霧角度，通過(guò)降低貫穿噴霧距離來(lái)降低燃油撞壁，第二次噴油對(duì)混合也非常有好處。

圖1所示是不同噴油持續(xù)時(shí)間的燃油角度變化歷程以及兩次噴油后的噴霧角度變化。從圖1（a）中可以明顯的看到，隨著噴油持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)，雖然油束角度有一定向中心收縮的趨勢(shì)，但是遠(yuǎn)端的油束仍然沒(méi)有蒸發(fā)，這就很容易造成燃油的濕壁。圖1（b）所示是噴霧油束角度隨時(shí)間的變化情況，通過(guò)燃油的第二次噴射，油束的角度雖然有一定的向外調(diào)整，但是蒸發(fā)加快，貫穿距離變小，這就有效避免了燃油撞壁以及碳煙的形成。

圖1 噴霧層析處理效果[3]

在多次噴油的情況下，噴霧中心區(qū)域的氣流速度有明顯降低，如圖2所示。這會(huì)有利于阻止油束向中心區(qū)域塌陷，從而提高燃油與空氣的混合質(zhì)量。在單次噴油與兩次噴油的試驗(yàn)對(duì)比中，也很容易得出這樣的結(jié)論：兩次噴油可有效降低燃油的噴射速度，不同油束間的速度分布更加均勻，這些都能提高燃油與空氣的混合，從而為汽油的低溫燃燒提供更好的混合氣。這些細(xì)致的噴霧測(cè)試過(guò)程能夠?yàn)檠芯康蜏厝紵臄?shù)值模擬和系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的參考。

圖2 不同噴油條件下軸向燃油速度對(duì)比[3]

3 低溫燃燒的CFD分析

三維數(shù)值模擬技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用。三維模擬能夠準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)燃燒室內(nèi)燃油的噴霧、混合過(guò)程，以及混合氣的燃燒與有害氣體的生成過(guò)程。點(diǎn)燃式汽油機(jī)更多關(guān)注氣缸內(nèi)的滾流比和湍動(dòng)能等氣流運(yùn)動(dòng)特性，這將直接決定燃燒室內(nèi)火核的形成和火焰?zhèn)鞑ヌ卣?。而低溫燃燒則更多關(guān)注混合氣的分布與溫度的變化歷程，因?yàn)闇囟鹊淖兓瘜?duì)混合氣的化學(xué)動(dòng)力學(xué)過(guò)程影響很大，并最終決定低溫燃燒的特征。

在發(fā)動(dòng)機(jī)不同的運(yùn)行條件下，通過(guò)精確控制燃油的分層分布，實(shí)現(xiàn)化學(xué)動(dòng)力學(xué)控制的稀釋混合氣壓燃是實(shí)現(xiàn)低溫燃燒的重要技術(shù)手段之一。在發(fā)動(dòng)機(jī)的小負(fù)荷工況，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的平均指示壓力（IMEP）低于1 MPa時(shí)，采用汽油低溫燃燒模式來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的IMEP升高到2 MPa時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)仍然能實(shí)現(xiàn)低溫燃燒，此時(shí)氣缸內(nèi)燃燒的最大爆發(fā)壓力可以達(dá)到15 MPa。

圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室希望通過(guò)缸內(nèi)過(guò)程的CFD模擬分析來(lái)支持進(jìn)一步的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，利用CHEMKIN計(jì)算軟件分析低溫燃燒的化學(xué)過(guò)程中空燃比和辛烷值敏感性，最終開(kāi)發(fā)出新的燃燒過(guò)程控制技術(shù)。目前，圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室與LLNL完成了不確定性量化分析（UQ），即對(duì)不確定性邊界條件進(jìn)行建模分析；與紐約州立大學(xué)石溪分校啟動(dòng)CFD聯(lián)合建模；與LLNL合作改進(jìn)動(dòng)力學(xué)模型和汽油替代品計(jì)算參數(shù)[4]。

該研究是通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算與發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算模型的優(yōu)化完善。汽油低溫燃燒單缸機(jī)是利用康明斯B系列中型柴油機(jī)改制的，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸直徑是102 mm，沖程是120 mm，排量是0.98 L，壓縮比是14:1，供油系統(tǒng)采用汽油缸內(nèi)直噴的形式，可實(shí)現(xiàn)火花助燃，單缸發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制。

利用CONVERGE三維模擬軟件進(jìn)行大渦計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)低溫燃燒過(guò)程的精確模擬。模擬的缸內(nèi)壓力與最大爆發(fā)壓力結(jié)果如圖3所示，5個(gè)循環(huán)過(guò)程中僅有一個(gè)超出了實(shí)驗(yàn)測(cè)得的區(qū)域。

圖3 大渦模擬缸內(nèi)壓力與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的對(duì)比[4]

對(duì)低溫汽油燃燒而言，理解熱分層的機(jī)理非常重要，因?yàn)閺?qiáng)化熱分層可以擴(kuò)展發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷范圍。熱分層主要是由大渦湍流導(dǎo)致的，在壓縮沖程的早期，大渦湍流就與傳熱作用共同引起了熱分層。溫度在燃燒室內(nèi)的分層分布，有利于自燃燃燒速度的控制。熱分層研究的重點(diǎn)是利用CFD分析強(qiáng)化熱分層的方法，大渦流動(dòng)對(duì)傳熱損失的影響以及如何利用噴油策略改善燃油分層分布。

勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)低溫燃燒過(guò)程的熱力學(xué)計(jì)算模型，并利用E10（含10%體積比的乙醇汽油）對(duì)模型的計(jì)算準(zhǔn)確性進(jìn)行了評(píng)估。這個(gè)新的模型和燃料參數(shù)能夠準(zhǔn)確的計(jì)算50%放熱率的位置和發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)放熱率[4]。

利用CHEMKIN的詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理，研究人員也研究了當(dāng)量比敏感性、中間階段反應(yīng)放熱率以及這些過(guò)程對(duì)辛烷值的敏感性，研究了EGR與缸內(nèi)壓力等參數(shù)對(duì)當(dāng)量比敏感度的影響。如圖4所示，缸內(nèi)壓力或氧含量越高，當(dāng)量比敏感度越高。揭示出同時(shí)提高E10乙醇汽油當(dāng)量比敏感性和辛烷值敏感性的潛力，同時(shí)指出，2-丁醇是具有高潛力替代性的燃料。圖5所示為配置的高辛烷值高當(dāng)量比敏感度混合燃料的敏感度特性，混合燃料含17.5%的己烷、22.5%的2-甲基已烷、30%的對(duì)二甲苯和30%的2-丁醇。該燃料的辛烷值可以達(dá)到98.7。

圖4 缸內(nèi)壓力與氧含量對(duì)當(dāng)量比敏感度的影響[5]

圖5 燃料當(dāng)量比敏感度特性[4]

低溫燃燒的控制是最具挑戰(zhàn)的。該項(xiàng)目同時(shí)利用點(diǎn)火能量和添加劑來(lái)實(shí)現(xiàn)低溫燃燒工況的瞬態(tài)轉(zhuǎn)換。目前使用的添加劑是硝酸2-乙基己酯（EHN），也可以使用二叔丁基過(guò)氧化物（DTBP），而且NOx不會(huì)增加。預(yù)計(jì)在輕型車(chē)上每7 000英里添加幾個(gè)加侖，因?yàn)樵诖筘?fù)荷的情況下需求量更少，所以中型和重型上的使用會(huì)更少。項(xiàng)目也開(kāi)發(fā)了適用于添加劑的噴油系統(tǒng)，但是仍需對(duì)其進(jìn)行深入的開(kāi)發(fā)。

使用常規(guī)E10與進(jìn)氣壓力在0.1 MPa的情況下，需要加熱到150℃才能實(shí)現(xiàn)壓燃。使用添加劑后則不需要進(jìn)氣加熱或熱的殘余廢氣加熱。通過(guò)調(diào)整EHN的比例可以非常容易實(shí)現(xiàn)50%放熱位置的調(diào)整。較低的進(jìn)氣溫度還可以增加進(jìn)氣量，獲得更高的平均指示壓力（IMEP）。因?yàn)榛旌蠚飧?，所以燃燒過(guò)程的比熱比增加，傳熱降低，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率提高1.6%，如圖6所示。使用EHN后，NOx排放略有提高，如果使用DTBP，發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放會(huì)大幅降低。不同的添加劑混合燃油噴射（AMFI）系統(tǒng)同樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)CA50的良好控制。

圖6 添加劑對(duì)熱效率的影響[4]

4 低溫燃燒火花助燃技術(shù)

均質(zhì)壓燃（HCCI）是實(shí)現(xiàn)低溫燃燒最常用的方式，氣缸內(nèi)的溫度和混合氣的濃度是控制低溫燃燒的兩個(gè)重要參數(shù)。與火花點(diǎn)火可以準(zhǔn)確控制點(diǎn)火時(shí)刻不同，低溫燃燒的燃燒過(guò)程難度非常大，燃燒相位和燃燒穩(wěn)定性都是控制的難點(diǎn)問(wèn)題。所以，到目前為止，還沒(méi)有開(kāi)發(fā)出能夠?qū)崿F(xiàn)全工況范圍內(nèi)穩(wěn)定燃燒的低溫燃燒系統(tǒng)。鑒于此，工程師們提出了火花助燃的概念，在一定的條件下，通過(guò)火花塞的點(diǎn)火，實(shí)現(xiàn)對(duì)低溫燃燒的輔助，這樣對(duì)擴(kuò)大低溫燃燒的工作范圍將會(huì)有非常大的幫助。

目前，火花塞助燃?jí)喝迹⊿park Assisted Compression Ignition，SACI）這一概念被認(rèn)為是傳統(tǒng)點(diǎn)燃式預(yù)混燃燒與汽油壓燃之間重要的過(guò)渡階段技術(shù)，這也是今后一段時(shí)間燃燒領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)。圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室對(duì)不同的點(diǎn)火助燃系統(tǒng)也進(jìn)行了基礎(chǔ)性的計(jì)算分析和實(shí)驗(yàn)研究。包括瞬時(shí)離子放電特性的定量分析、臭氧加速燃燒、湍流噴射點(diǎn)火技術(shù)[6]。

圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室將一臺(tái)康明斯B系列六缸柴油機(jī)進(jìn)行改裝，加裝點(diǎn)火系統(tǒng)，只使用其中一缸進(jìn)行單缸機(jī)試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸直徑是102 mm，沖程是120 mm，單缸排量是0.98 L，壓縮比是16:1，火花塞點(diǎn)火能量為93 mJ[7]。在使用火花塞助燃時(shí)，理想的火花塞安裝位置應(yīng)該為氣缸中心，這樣可以盡可能增大有效火焰面，減少壁面淬熄帶來(lái)的傳熱損失。但由于試驗(yàn)單缸機(jī)保留了缸蓋中心的GDI噴嘴，安裝火花塞時(shí)又需避開(kāi)冷卻水套和油道，最終將火花塞安裝在一側(cè)進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)之間、距離氣缸中心42 mm處。試驗(yàn)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比為16，進(jìn)氣壓力為0.1 MPa，燃空當(dāng)量比為0.42。低溫燃燒時(shí)進(jìn)氣溫度降低會(huì)使得燃料自燃傾向降低，采用火花塞輔助點(diǎn)火后就可以通過(guò)增大點(diǎn)火提前角來(lái)增加火焰?zhèn)鞑r(shí)間，從而通過(guò)火焰前鋒來(lái)補(bǔ)償一部分熱量，促進(jìn)剩余大部分燃料壓燃。進(jìn)氣溫度降低越多，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍降?，點(diǎn)火時(shí)刻的提前幅度也越大。如圖7（a）所示，進(jìn)氣溫度越低點(diǎn)火時(shí)刻越早，保留到壓燃階段的工質(zhì)數(shù)量也越少，因此缸內(nèi)壓力峰值與放熱率峰值越小，但進(jìn)氣溫度100°C時(shí)例外，這可能是由于該點(diǎn)火時(shí)刻下CA50時(shí)刻略有提前。

圖7 壓燃和火花輔助點(diǎn)火的缸壓與放熱率對(duì)比[7]

在離子放電特性分析中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段測(cè)試出了放電電壓與能量變化之間的定量關(guān)系，并建立了陰陽(yáng)極間放電形態(tài)與氧濃度的計(jì)算模型，如圖8所示，計(jì)算獲得的放電帶狀結(jié)構(gòu)和氧濃度分布的實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度吻合，從而為瞬時(shí)離子發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了方便。

圖8 離子放電模擬結(jié)果[6]

在一臺(tái)單缸機(jī)上研究了在進(jìn)氣中引入臭氧對(duì)SACI模式下發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放特性的影響，研究表明添加臭氧可以在不大量加熱進(jìn)氣或分層燃燒的前提下提高燃燒穩(wěn)定性，從而拓寬SACI模式的使用范圍[8]。此外，對(duì)臭氧加速燃燒的機(jī)理進(jìn)行研究，主要是確定不同的臭氧濃度下燃燒速度的變化，建立能夠更加準(zhǔn)確預(yù)測(cè)燃油與空氣混合氣體的化學(xué)動(dòng)力學(xué)過(guò)程。

湍流噴射點(diǎn)火的概念是通過(guò)在預(yù)燃室內(nèi)點(diǎn)燃可燃混合氣，高溫高壓的氣體通過(guò)連接預(yù)燃室與主燃燒室的小孔噴入主燃燒室，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)燃燒。

5 結(jié)束語(yǔ)

汽油低溫燃燒技術(shù)是未來(lái)內(nèi)燃機(jī)實(shí)現(xiàn)高效清潔燃燒的有效技術(shù)途徑之一。本文介紹了汽油低溫燃燒領(lǐng)域的最新研究成果，研究?jī)?nèi)容包括噴霧特性、CFD仿真分析、單缸機(jī)實(shí)驗(yàn)與火花助燃技術(shù)等，這些研究成果為汽油低溫燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供了理論指導(dǎo)。隨著相關(guān)研究的深入，汽油低溫燃燒相位控制、燃燒穩(wěn)定性等問(wèn)題將有希望逐步得到解決，從而在較大工況范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效清潔燃燒，促進(jìn)低溫燃燒技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品上推廣應(yīng)用。本文的重點(diǎn)結(jié)論如下：

（1）燃油多次噴射能夠有效避免燃油撞壁現(xiàn)象的發(fā)生，降低碳煙的形成，多次噴射也更容易實(shí)現(xiàn)更加均勻的速度分布，對(duì)低溫燃燒混合氣的形成更加有利；

（2）數(shù)值模擬是低溫燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)重要的輔助工具，目前開(kāi)發(fā)的低溫燃燒模型已經(jīng)能夠準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)低溫燃燒過(guò)程和缸內(nèi)壓力的變化。利用數(shù)值模擬技術(shù)也能夠模擬出各種添加劑對(duì)低溫燃燒的改善效果；

（3）火花助燃是有效控制低溫燃燒過(guò)程的技術(shù)手段之一，帶有火花塞的低溫燃燒系統(tǒng)是未來(lái)發(fā)展的重要趨勢(shì)。