本文使用FIRE软件, 对EA888发动机进行分层燃烧仿真研究。利用现有的几何模型进行动态网格划分, 由于本文主要讨论燃烧过程, 因此只针对进气冲程及燃烧冲程下的气缸网格进行划分。图1为进气上止点、进气下止点以及压缩上止点时的气缸网格。

图1

Fig.1

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	图1 不同曲轴转角下的气缸网格Fig.1 Mesh of cylinder under different crankshaft angles

根据直喷汽油机分层燃烧过程的特点, 湍流与燃烧模型采用RANS/PDF模型, 破碎模型采用WAVE模型, 计算方法则采用计算效率较高的有限容积法。

将模拟计算所得结果与实验数据进行对比以验证模型的准确性, 实验台架布置如图2所示。同时, 台架实验在多种工况下所测得的发动机性能参数也为模拟提供了准确的边界条件及初始条件, 实验工况选取如表1所示。

图2

Fig.2

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	图2 发动机测功器台架布置Fig.2 Dynamometer engine test bed

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 发动机工作性能参数 Table 1 Parameters of engine 参 数 工况一 工况二 工况三 转速/(r· min-1) 1500 2000 2500 扭矩/(N· m) 85.2 88.9 85.2 负荷/% 34 35 34 当量空燃比 1.0 1.0 1.01 喷油开始时刻/° CA 66.4 57.9 56.9 喷油结束时刻/° CA 86.4 83.4 86.4 喷油量/mg 22.34 21.10 22.68 点火时刻/° CA 336.4 341 333.4 进气压力/(105 Pa) 1.095 1.138 1.207 进气温度/℃ 33 20 39

表1 发动机工作性能参数 Table 1 Parameters of engine

本文采用示功图验证的方法, 将发动机在2000 r/min转速工况下模拟与实验所得的缸压曲线进行对比, 结果如图3所示。从图3可知, 两者能够较好地匹配, 证明了模型的准确性。

图3

Fig.3

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	图3 模拟与实验结果对比Fig.3 Comparison between simulation and experimental results

不同的喷油相位对GDI发动机的燃烧及排放存在非常明显的影响^[5]。本节将点火提前角设为17 ° CA BTDC, 分析不同喷油相位(60~80 ° CA BTDC)下分层燃烧的模拟结果, 并对该工况下最佳喷油相位进行标定。

2.1.1 对缸内压力和放热率的影响

图5表明, 随着喷油相位的提前(60~80 ° CA BTDC), 缸内压力峰值逐渐上升, 燃烧重心前移, 峰值压力相位逐渐提前(11~9.5 ° CA ATDC), 其中80 ° CA BTDC喷油相位所对应的压力峰值相位不处于最佳缸压峰值相位位置范围(10~15 ° CA ATDC)内^[6]。而放热率的峰值随喷油相位推迟而降低, 峰值相位逐渐推迟, 喷油相位为70~80 ° CA BTDC时, 放热较为迅速, 基本都集中在20 ° CA的时间范围内。但是在60~65 ° CA BTDC时, 放热较为缓慢, 放热率峰值相位不在最

图5

Fig.5

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	图5 喷油相位对缸内压力、放热率的影响Fig.5 Pressure and heat release rate in cylinder under different injection phases

理想的放热率峰值范围(5~10 ° CA BTDC)内^[6], 且峰值较低, 不利于分层燃烧的稳定。由此看来, 60、65以及80 ° CA BTDC并非最优点火相位。

2.1.2 对缸内混合气形成过程的影响

要形成稳定的分层燃烧, 需满足以下条件:①点火时在火花塞周围形成浓度合适、易于燃烧的混合气; ②混合气分布要形成合适的浓度梯度, 以便火焰稳定地传播。这两个条件就限制了从喷油到点火的间隔不能过长也不能过短。图6显示了不同喷油相位下, 点火的前一时刻, 缸内混合气浓度分布与湍流分布情况。在压缩过程中, 缸内形成了很强的湍流流动, 促进了混合气的均质化, 使得若喷油相位过早, 便无法获得合适的混合气浓度梯度, 这就将喷油相位限制在了压缩冲程后期, 而这样做的直接后果就是造成了“ 湿顶” 现象, 在活塞顶左侧位置形成了过浓混合气区域, 该区域是导致Soot排放的关键因素。

图6

Fig.6

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	图6 喷油相位对混合气浓度场与速度场的影响Fig.6 Concentration field and velocity field under different injection phases

从图6可见, 喷油相位为70 ° CA BTDC时, 活塞顶左侧混合气浓区最小, 火花塞附近混合气浓度适宜燃烧, 分层混合气浓度梯度适中。喷油相位为75~80 ° CA BTDC时, 由于混合时间过长, 混合气浓度中心偏离火花塞, 没能形成较为良好的分层混合气。喷油相位为60~65 ° CA BTDC时, 由于混合气雾化时间过短, 没能在火花塞附近形成浓度合适的混合气。因此从缸内混合气形成的角度来看, 可以认为70 ° CA BTDC是理想的的喷油相位。

2.1.3 对缸内温度的影响

由前文可知, 喷油相位推迟会导致混合气浓度梯度加大, 可燃区域减小, 燃烧重心后移。随着喷油相位从80 ° CA BTDC推迟至60 ° CA BTDC, 缸内温度峰值从2400 K降低至2265 K, 降低了135 K, 如图7所示。

图7

Fig.7

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	图7 喷油相位对缸内温度的影响Fig.7 Cylinder temperature under different injection phases

2.1.4对缸内NO_x与Soot生成的影响

足够高的温度峰值以及氧浓度是NO_x生成的关键因素, 而过低的温度峰值及氧浓度则会导致Soot的生成, 由大量实验事实可知, Soot和NO_x生成属于trade-off关系^{[7, 8, 9]}。从图8(a)可以看出, 随着喷油相位提前, NO_x浓度升高, 反之下降。从图8(b)可以看出, 随着喷油相位推迟, 混合气局部过浓的情况越来越严重, 生成的Soot也就越多。为了兼顾NO_x和Soot之间的平衡, 可以认为70 ° CA BTDC是较为理想的喷油相位。

图8

Fig.8

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	图8 喷油相位对NOx与Soot生成的影响Fig.8 Emission of NOx and Soot under different injection phases

根据前文结论, 本节中将喷油相位设定为70 ° CA BTDC, 分析比较点火相位(11~23 ° CA BTDC)对缸内分层燃烧的模拟结果, 并对该工况下最佳点火相位进行标定。

2.2.1 对缸内压力与放热率的影响

如图9所示, 随着点火时刻提前(11~25 ° CA BTDC), 燃烧重心不断前移, 峰值压力相位提前(15~5 ° CA ATDC), 缸内峰值压力显著上升(从37.3× 10⁵ Pa增加至48.3× 10⁵ Pa), 峰值相位逐渐降低, 而放热速率则逐渐加快, 峰值逐渐降低, 峰值相位推迟(11 ° CA BTDC- 1 ° CA ATDC)。这其中既能满足前文所述的最佳的缸压峰值相位及最佳放热率峰值相位, 且能保证缸压峰值足够高的, 只有17 ° CA BTDC点火相位。

图9

Fig.9

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	图9 点火相位对缸内压力、放热率的影响Fig.9 Pressure and heat release rate in cylinder under different ignition phases

2.2.2 对缸内温度的影响

由前文可知, 点火相位越滞后, 混合气浓度分层效果越差, 燃烧重心越后移。如图10所示, 随着点火相位的推迟, 缸内温度峰值由2123 ℃下降到1997 ℃, 下降了126 ℃。

图10

Fig.10

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	图10 点火相位对缸内温度的影响Fig.10 Cylinder temperature under different ignition phases

2.2.3 对缸内NO_x与Soot生成的影响

从图11可以看出, 点火相位为11 ° CA BTDC时, NO_x和Soot质量分数最低, 从排放的角度来说, 点火相位为11 ° CA BTDC时排放最佳, 但综合缸压、放热率等因素考虑, 17 ° CA BTDC点火相位相比于11 ° CA BTDC具有明显优势, 足以弥补其在排放上的差距, 因此可以认为17 ° CA BTDC是理想的点火相位。

图11

Fig.11

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	图11 点火相位对NOx与Soot生成的影响Fig.11 Emission of NOx and Soot under different ignition phases

2.2.4 对缸内混合气浓度场的影响

由前文可知, 喷油到点火的间隔过长或过短均不利于分层混合气的形成, 图12显示了不同点火相位下的点火前一时刻, 缸内混合气浓度分布与湍流速度分布情况。结合前文可知, 点火相位为17 ° CA BTDC时, 所形成的混合气质量相对最好。点火相位为11~14 ° CA BTDC时, 混合气雾化时间过长, 受强湍流的影响, 没有形成理想的浓度梯度, 且浓度中心偏离了火花塞位置, 不利于火花塞点火。当点火相位为20~23 ° CA BTDC时, 混合气雾化时间过短, 湿顶现象严重, 且火花塞处混合气浓度较低, 同样也不利于火焰稳定传播。因此从混合气形成的角度来看, 可以认为17 ° CA BTDC是较为理想的点火相位。

图12

Fig.12

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	图12 点火相位对浓度场和速度场的影响Fig.12 Concentration field and velocity field under different ignition phases