直喷汽油喷雾碰撞形成油膜与颗粒物排放关系研究

直喷汽油喷雾碰撞形成油膜与颗粒物排放关系研究

内部导向车辆（sdi）具有明显的高效、低瞬态响应特性，在维持车辆良好动力量的基础上，提高燃料经济性，成为汽油车节能的主要途径之一。然而，采用内部导向车辆并不是问题。根据不同乘用车和后车条件的测试结果，sdi车辆的质量和数量显著高于pfi和dpf柴油车。颗粒排放与内部动力车辆的形成密切相关。改变喷射时间和喷油压力非常重要。早期喷油和晚喷对混合动力的形成有显著影响。尤其是在低速地区，喷油的使用非常有限，因此喷油策略对发动机的性能起着特别重要的作用。因此，可以通过喷油策略控制，形成合理的混合气体分布，减少油膜下的油膜，减少碳烟等颗粒排放的形成。数值模拟计算可以控制理想的混合气体分布，分析内部复杂过程。在我国，近年来，我国对园门直隶汽车的数值模拟优化进行了包括两种类型的泡沫：泡沫壁特征、可变气系统、泡沫形状和泡沫开始时间对室内直线机械的性能的影响，以及均匀混合动力和分层混合动力的联合控制方法。然而，对于小型负荷下的直线机械的颗粒排放没有影响。GDI发动机中碳烟生成过程和机理十分复杂.国际上采用可视化试验方法对GDI的典型研究有牛津大学的Wyszynski等采取直接高速摄影的方法拍摄了一台单缸GDI汽油机的缸内燃烧过程,研究表明:在均质混合气条件下,碳烟首峰出现在最高爆发压力时刻,第2个峰出现在低温后燃阶段,第2个碳烟峰可能体现了液态燃料燃烧生成碳烟的氧化过程.通用汽车公司的Stojkovic等使用双色法对GDI汽油机分层燃烧碳烟生成过程进行了研究,认为GDI分层燃烧生成碳烟有两个途径:一是预混火焰在浓区传播时生成;二是燃烧后期在油膜蒸发扩散火焰中(活塞顶面)产生.其中,第2种途径生成的碳烟由于温度低及OH基消失而不易被氧化,因而是主要的碳烟来源.笔者针对一款缸内直喷汽油机,从研究角度出发,采用模拟和试验相结合来解析不同喷油时刻下发动机碳烟生成与壁面油膜的关系,喷油时刻覆盖了从进气冲程早期到压缩冲程中期,在可运行范围内,解析喷油策略影响燃烧排放的规律及缸内直喷汽油机颗粒物生成来源,研究不同的缸内直喷喷射时刻对发动机排放性能的影响,在保持发动机的经济性在较优水平上,优化喷油时刻降低颗粒物排放,对GDI发动机喷油策略开发提供参考.1试验设备及测点布置试验台架的组成示意见图1,包括增压直喷汽油机、测功机、进气系统和排放测试系统等.采用Cambustion公司DMS,500微粒分析仪对发动机催化剂前排气进行直接采样,测量排气中微粒的瞬态数量和粒径分布(测量范围为5~1,000,nm,采样间隔为0.1,s).粒径分析采样之后,用背景空气对发动机排气进行稀释,并用定容采样(CVS)系统控制气体流量.利用HORIBA公司的MEXA-7400HLE型排放分析仪测量稀释后的瞬态排放.颗粒物数量(PN)的测量采用微粒测量项目(PMP)规定的方法,即利用稀释加热器、蒸发管和稀释冷却器组成的挥发性微粒去除装置(VPR)将可挥发的核态微粒去除,采用HORIBA公司MEXA-1000SPCS型微粒计数器对固态的积聚态微粒进行采集和测量.试验发动机参数见表1.该直喷发动机喷油器在进气侧下方布置,进气道滚流比为2.2.为研究喷射时刻对发动机排放性能的影响,选取了低速下中等负荷和小负荷两个工况进行研究.试验工况见表2.喷射时刻覆盖了从进气冲程前期到压缩冲程中期的8个点,分别为120、150、180、210、240、270、300和330,°,CABTDC(压缩上止点前),试验中采用重复1,000个循环取平均值的方法并分别记录每组工况8个点测得的总颗粒物浓度.2发动机燃烧系统的数值模型2.1去气道和燃烧道采用AVLFIRE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2.为节省计算时间和资源,在进气过程中,只保留进气道和燃烧室,而将排气道部分去掉;在压缩和燃烧过程中,只保留燃烧室,而将进、排气道部分去掉;在排气过程中,保留排气道和燃烧室,而将进气道部分去掉.在进排气阀、阀座和燃烧室上止点间隙等处再进行网格细化.网格最密集、计算单元最小处为进排气阀间隙处,每个网格为0.25,mm.计算初始时刻网格数约为40万,计算时间步长在计算初始时设为0.25,°,CA,其余为1,°,CA.计算采用6个CPU并行,计算一个工作循环时间约为14,h.2.2喷雾模型的表征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.蒸发模型采用Dukowicz模型,认为液滴是在无凝结气体中蒸发;破碎模型采用适用于GDI多孔式喷油器HuhGosman破碎模型;喷雾碰壁模型采用Mundo-Sommerfeld模型,以模拟喷雾碰壁后的沉积和飞溅行为;模型选择及参数设置基于该GDI发动机相似机型的喷雾模型标定.根据发动机试验工况下测得温度来设定计算时温度初值,根据缸内燃烧计算得出的一般范围来给定缸内各部分表面温度,计算模型的边界与初始条件参数具体设置见表3.3发动机燃油排放模型图3为缸内油束与活塞配合的CFD网格示意.首先研究了不同喷射时刻对颗粒物排放的影响.试验中测量喷射时刻分别在120、150、180、210、240、270、300和330,°,CABTDC时由排放分析仪连续采样1,min测得的总颗粒物平均浓度.针对这8种喷油策略,模拟计算出发动机缸内在点火前油膜状态,解析颗粒物来源.3.1cabtdc喷油形成的总颗粒物数图4给出了小负荷和中等负荷工况下不同喷射时刻下测得的总颗粒物数量浓度.其中,210、240、270、300和330,°,CABTDC喷油均在进气冲程,而120、150和180,°,CABTDC喷油在压缩冲程;在两个不同工况下进气冲程喷油时,270,°,CABTDC喷油形成的总颗粒物数量最少,过早或过晚所形成的总颗粒物数量依次递增,330,°,CABTDC喷油产生的总颗粒物数量远高于其他喷油时刻;而在压缩冲程时喷油,120,°,CABTDC喷油形成的总颗粒物数量最少,其次为150,°,CABTDC,而180,°,CABTDC喷油形成的总颗粒物数量浓度最多.因此,中负荷工况下总颗粒物数量浓度比低速小负荷工况高,且总颗粒物数量浓度与喷油时刻的关系与小负荷时所测结果相似.3.2cabtdc喷油图5为小负荷下不同喷油时刻喷油结束时模拟出缸内燃空当量比在气缸中心处分布情况的二维切片,图6给出了模拟计算得出的小负荷工况下点火前(2,°,CABTDC)发动机整体燃油分布及缸内平均湍动能变化情况,图7为不同喷射时刻时缸内速度场的分布状况,图8给出了不同喷射时刻下点火前油膜质量,图9为点火前50,°,CA缸内油膜厚度分布情况.从图5的三维模拟结果可知,330,°CABTDC喷油时,燃油喷雾撞击活塞顶部,并在活塞顶部形成较多油膜,而其他喷射时刻均未出现燃油喷雾明显撞击活塞顶部的现象.由图8可以看出,在进气冲程喷油时,270,°,CABTDC喷油时油膜质量最少,过早或过晚喷油的油膜生成依次递增,其中,330,°,CABTDC由于在进气过程中过早喷油,导致燃油喷雾碰壁质量最多,这与试验所测330,°,CABTDC喷油总颗粒物数量浓度很高有直接关系.而在压缩冲程时喷油,120,°,CA,BTDC喷油时油膜质量最少,其次为150,°,CABTDC,而180,°,CABTDC喷油时油膜形成较多,从图6可知,120、150和180,°,CABTDC时缸内的平均湍动能较其他时刻明显降低,燃油蒸发速度总体较慢,而图7显示从180~120,°,CABTDC,随着压缩冲程的推进,缸内滚流中心逐渐由气缸中心移向进气侧,使得缸内进气侧喷入燃油处气流速度增加,更利于进气侧燃油的蒸发,因此,在120,°,CABTDC和150,°,CABTDC比180,°,CABTDC喷油时缸内未蒸发燃油少,形成的油膜较少,如图6和图8所示.在压缩冲程喷油,油膜主要形成在气缸壁上,而在进气冲程喷油,油膜主要形成在活塞顶部或气门附近.图9显示了180、270和330,°,CABTDC喷油在点火前50,°,CA时油膜厚度分布情况,在330,°,CABTDC喷油,油膜集中在活塞凹坑处形成,270,°,CABTDC喷油时,活塞凹坑处基本没有油膜形成,而在180,°,CABTDC喷油时,油膜主要出现在气缸壁上.由此可见,模拟所得的油膜形成趋势与试验测得的总颗粒物数量浓度趋势一致.图10为中负荷下不同喷油时刻喷油结束时模拟出缸内燃空当量比在气缸中心处分布情况的二维切片,图11为模拟计算得出的中负荷工况下点火前(2,°,CABTDC)发动机整体燃油分布及缸内平均湍动能的变化,图12为不同喷射时刻缸内速度场的分布,图13给出了不同喷射时刻下点火前油膜的质量,图14为点火前50,°,CA缸内油膜厚度的分布.其中,210、240、270、300和330,°,CABTDC喷油均在进气冲程,而120、150和180,°,CABTDC喷油在压缩冲程.从图10的三维计算结果可知,330,°,CABTDC喷油时,燃油喷雾撞击活塞顶部,并在活塞顶部形成较多油膜,而在其他不同喷射时刻均未出现燃油喷雾明显撞击活塞顶部的现象.由图13可知,在进气冲程喷油时,270,°,CABTDC喷油时油膜质量最少,过早或过晚喷油的油膜生成依次递增,其中,330,°,CABTDC由于在进气过程中过早喷油,导致燃油喷雾碰壁质量最多,这也说明了为什么试验测得330,°,CABTDC喷油后总颗粒物数量浓度高;在压缩冲程时喷油,120,°,CABTDC喷油时喷雾碰壁和油膜质量最少,其次为150,°CABTDC,而180,°CA,BTDC喷油时油膜形成较多,从图11可知,120、150和180,°,CABTDC时缸内的平均湍动能较其他时刻明显降低,燃油蒸发速度总体较慢,而从180~120,°,CABTDC,随着压缩冲程的推进,缸内滚流中心逐渐移向进气侧(图12),使得缸内进气侧喷入燃油处气流速度增加,更利于进气侧燃油的蒸发,所以,在120°CA,BTDC和150°CA,BTDC比180,°,CABTDC喷油时,缸内未蒸发燃油少,形成的油膜较少,如图11和图13所示.在压缩冲程喷油,油膜主要形成在气缸壁上,而在进气冲程喷油,油膜主要形成在活塞顶部或气门附近.图14为180、270和330,°,CABTDC喷油在点火前50,°,CA时油膜厚度的分布,在330,°,CABTDC喷油,油膜集中形成在活塞凹坑处,270,°,CABTDC喷油时活塞凹坑处基本没有油膜形成,而在180,°,CABTDC喷油时,油膜主要出现在气缸壁上.模拟所得的油膜形成趋势与试验测得的总颗粒物数量浓度趋势一致.总之,GDI发动机在大负荷工况,由于喷油持续期长,为避免喷雾过多碰撞气缸壁稀释机油和产生碳烟,GDI发动机会采用喷油时刻在进气上止点附近的上述早喷策略.此时碳烟生成与活塞顶油膜、气缸壁油膜和气相过浓燃烧都有关.研究的中小负荷工况的早喷策略下,喷雾不会碰气缸壁,生成碳烟仅与活塞顶油膜有关,这从一定程度上提取出GDI发动机中碳烟生成的一种来源,对大负荷工况碳烟生成的机理研究也有借鉴意义.4燃油大流量模型(1)进气冲程过早喷油(330,°CABTDC)容易导致燃油喷雾碰撞活塞顶部,进而产生油膜沉积在活塞坑中,是导致PN增高的直接原因;压缩冲程初期喷油(180,