二次喷射对直喷增压小排量汽油机影响的数值模拟

黄雅卿，王 志，王建昕

(清华大学，汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084)

前言

缸内直喷汽油机(GDI)以其高效率和良好的瞬态响应特性较传统汽油机有明显的优势，直喷增压小排量在维持发动机良好动力性的同时能够很好地降低燃油消耗，逐渐成为汽油机节能的主要途径。

喷油策略对缸内油气混合影响很大，改变喷射时刻和喷油压力会影响早燃，早喷和晚喷会增加早燃现象，多次喷射策略可以控制形成分层混合气，减少燃油碰壁，进而减少碳烟等排放物的形成，尤其在低速大负荷时，喷油策略对发动机性能的影响显得尤为重要，成为优化GDI发动机的重点研究方向。在对缸内直喷汽油机数值模拟优化方面，国内近年来已开展的研究有喷雾撞壁特性[1]、可变进气系统[2]、喷雾形态[3]和喷油开始时刻[4]等对缸内直喷汽油机性能的影响，以及全负荷下均质混合气[5]和分层混合气两种模式控制方法[6]等，但还没有详细地对低速大负荷下二次喷油策略对缸内直喷汽油机的影响进行研究。

本文中针对一款缸内直喷增压小排量汽油机，研究不同的缸内直喷喷射策略对发动机性能的影响，在保持发动机的动力性和经济性在较优水平上，寻找出最佳的喷油时刻和喷油比例，达到对该款发动机喷油策略的进一步优化。

1 喷雾模型的验证

本文中选取FIRE中的Wave模型作为喷雾模型，为对其进行验证，在对该款汽油机进行喷油策略模拟研究之前，先对该款发动机六孔喷嘴喷雾特性采用高速摄影和相位多普勒粒子分析仪(PDPA)进行可视化试验，并与数值模拟结果进行对比。图1为试验测得的喷雾粒径分布情况。

将测试得到的粒径分布作为初始条件带入喷雾模型中进行模拟计算，与喷雾高速摄影试验结果对比来验证喷雾模型。图2为不同喷油背压下模拟与试验的贯穿距对比，表1为拍摄到的喷雾图片与模拟计算的对比图。由图和表可见，喷雾整体雾化较均匀，且随着定容燃烧内背压升高，喷雾贯穿距减小，模拟结果与试验结果吻合得很好，模拟结果准确预测了喷雾形态和贯穿距等随喷油背压的变化情况。

时间背压01MPa背压02MPa试验模拟试验模拟020ms040ms060ms

2 燃烧模型的验证

发动机试验台架主要包括：增压直喷汽油机、发动机电控系统、电力测功机及其控制系统、缸压与燃烧数据采集系统和排放测试系统。该发动机采用4气门，增压中冷，喷油器进气侧下方布置，进气道滚流比为2.2。试验工况点为1 500r/min全负荷，中冷后进气压力为0.21MPa。基本参数如表2所示。

采用AVL FIRE软件，导入Pro/E三维CAD模型，建立该直喷增压发动机三维燃烧系统的计算域网格，见图3。缸内气体流动为三维可压缩黏性流动，采用标准k-ε湍流模型。喷油雾化采用离散液滴方法(DDM)，燃料为汽油。计算模型见表3，边界与初始条件参数的设置见表4。

计算出的缸压曲线图如图4。从图中可以看出，计算所得缸内压力曲线和试验测得缸内压力峰值和峰值位置基本吻合，压力峰值误差为0.041%，峰值位置误差为1°CA，基本满足工程需要。说明燃烧模型基本准确，可用于下一步喷油策略的变参数研究。

表3 计算模型

表4 边界与初始条件

3 二次喷射变参数研究

采用表5所示的8种二次喷油策略进行变参数研究。其中喷油策略1为原标定工况采用的单次喷射，喷油策略2～9为本文中研究的二次喷射，主要研究喷油起始时刻(SOI)、喷油结束时刻(EOI)和二次喷射的比例(ROI2)等喷油参数对发动机各种性能指标的影响，每缸每循环总喷油量为56.89mg，燃空当量比λ=1。

表5 各喷油策略的参数设定

3.1 模拟结果

不同喷油策略计算得到的缸压、累积放热率、CA50位置、燃烧持续期、指示油耗和点火前油膜质量如图5～图7所示。

由图可见：除策略9外，两次喷射策略最大爆发压力均高于单次喷射，其指示油耗均比单次喷射低，降幅达4.5%～12.1%，说明二次喷射能有效降低油耗；比较8种二次喷油策略，策略4燃烧放热开始时刻最接近上止点，燃烧持续期最短，因此有最大爆发缸压和最低指示油耗；相同SOI1和EOI2条件下，ROI2为0.5比0.3更能促进缸内燃烧达到较大压力，在同等喷油量下能够输出更大转矩，如喷油策略3与5和喷油策略6与7；相同ROI2和EOI2情况下，SOI1存在一个最佳点，在进气冲程的早中期，过早喷油和过晚喷油均不能达到最大爆发压力，如喷油策略4、8、3和9；相同ROI2和SOI1条件下，存在一个最佳的EOI2，即190°CA ATDC，就是在压缩冲程早期结束喷油，如喷油策略6、2和3；而观察各喷油策略下点火前油膜生成情况，总体来说，除策略9外，二次喷射点火前油膜量较单次喷射少，液滴蒸发多，液滴碰壁现象明显减少，其中策略2和8油膜形成最少。

计算得出不同喷油策略的爆燃倾向如表6所示。由表可见：除策略9外，其他二次喷射策略较单次喷射在爆燃倾向上均有所改善，可见二次喷射能够有效地抑制爆燃；其中策略4的爆燃倾向最小，其次为策略6、策略2和策略3。

表6 各策略下爆燃倾向的对比

注：箭头所指处为爆燃倾向高的区域

3.2 模拟解析

从以上模拟结果得出，策略9在各个方面相比单次喷射性能均有所下降，分析其原因为SOI1为40°CA ATDC，过早喷油导致部分燃油直接撞击活塞顶部，如图8所示；而观察点火前混合气浓度分布(表7)和缸内平均湍动能(表8)可以发现，策略4火花塞附近混合气浓度最均匀，且缸内平均湍动能最大，因此策略4燃烧放热最快，能达到最大爆发缸压和最低指示油耗，且点火前缸内油膜质量较少，从各方面都表现为最优的二次喷射策略。

表7 各策略下点火前混合气浓度分布

表8 各策略下点火前缸内平均湍动能分布

4 结论

本文中针对一款缸内直喷增压小排量汽油机，首先对选定的喷雾和燃烧模型进行验证，在此基础上通过数值模拟研究了二次喷射(不同喷油时刻和喷油比例)对发动机的油膜形成和混合气均匀性的影响，得到如下结论。

(1) 通过喷雾可视化试验和PDPA试验的对比，喷雾模型模拟准确地预测了喷雾的形态、贯穿距等随喷油背压的变化情况。

(2) 将喷雾模型带入燃烧模型中，得到了模拟与试验的缸压曲线基本吻合的结果，验证了该燃烧模型的准确性。

(3) 该典型增压直喷汽油机低速大负荷下最佳二次喷射策略是第一次喷射开始时刻(SOI1)在60°CA ATDC；第二次喷射结束时刻(EOI2)在进气行程晚期(170°CA ATDC)，喷射比例(ROI2)为30%。

[1] 王艳华,李波,李云清,等.直喷汽油机喷雾撞壁特性试验与模拟[J].江苏大学学报,2011,32(4):411-415.

[2] 徐智君,杜爱民,陈波宇,等.进气可变滚流系统应用于缸内直喷汽油机的数值模拟[J].车用发动机,2012(3):64-67.

[3] 陈海娥,宫艳峰,李伟,等.缸内直喷汽油机的喷雾模拟[J].汽车技术,2010(3):12-15.

[4] 韩文艳,许思传,周岳康,等.喷油开始时刻对缸内直喷汽油机性能的影响[J].同济大学学报(自然科学版),2013(4):566-570.

[5] 谭文政,冯立岩,张春焕,等.缸内直喷汽油机工作过程三维数值模拟[J].内燃机学报,2011,29(3):222-228.

[6] 白云龙,王建昕,王志.缸内直喷汽油机喷雾、混合气形成和燃烧过程的三维数值模拟[J].燃烧科学与技术,2010,16(2):98-103.