不同气缸首先着火起动后发动机排气特性模拟

何邦全，杜寅威

(天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072)

发动机起动过程中的排放控制对于降低整车排放有着至关重要的作用．随着发动机排放法规的日益严格，减少发动机起动阶段的排放受到人们的广泛重视．作为气体燃料，天然气发动机在起动阶段的未燃碳氢(HC)排放明显低于传统汽油机．但是由于此时催化器尚未起燃，起动阶段的HC 排放仍然很高．如何降低起动过程的排放是发动机研究的热点问题．降低起动阶段发动机HC 排放的主要技术有：优化起动点火提前角和过量空气系数[1]；使催化剂快速起燃的发动机控制策略[2]；优化催化器入口温度场和流场分布特性，缩短催化器整体起燃时间[3-4]．

近年来，直接起动技术在发动机上得到了应用．在直接起动过程中，多缸发动机第1 个着火气缸的选择，对于排气系统中催化器的热管理有重要的作用．本文以一维发动机仿真软件GT-Power 和三维流体计算软件FIRE 为平台，以4 缸压缩天然气(compressed natural gas，CNG)发动机为例，就可能的4 种气缸首次着火起动过程中，排气系统内的气体流动和温度分布特性进行模拟研究，其目的在于优化CNG发动机的起动策略，以降低起动过程中的排放水平．

1 计算模型及其验证

本研究通过一维和三维数值模拟相结合的方法进行排气系统内部气体流场和温度场的计算分析．用一维模拟软件计算发动机排气状态参数，如排气歧管入口处的瞬时排气流量和排气温度，并将这些排气状态参数作为三维排气系统模型的入口边界条件，即把用GT-Power 计算出来的缸内排气特性结果存入文件，然后由FIRE 软件读入，并作为排气歧管的入口边界条件，以此提高发动机排气系统三维数值模拟计算的效率．

对于4 缸发动机，在起动过程中哪个气缸先着火存在 4 种情况．这里定义第 1 个气缸先着火为case1；第2 个气缸先着火为case2；第3 个气缸先着火为case3，第4 个气缸先着火为case4．在第1 个气缸着火以后，随后的气缸按正常的发火次序点火．在这4 种着火情况下，三维模拟均以发动机第1 个气缸排气门打开为计算起点．

1.1 CNG发动机一维模型

一维仿真用GT-Power 软件模拟．模拟的CNG发动机的参数如表1 所示．仿真模型如图1 所示．

表1 CNG发动机参数Tab.1 Specifications of the CNG engine

图1中Ex.1、Ex.2、Ex.3 和Ex.4 分别代表不同气缸排气状态参数的输出端，发动机燃烧模型选用湍流火焰燃烧模型，一维模型计算中冷却液初始温度设定为20,℃，进排气管道和缸内气体初始压力设定为0.101,MPa，初始温度设定为20,℃．

图1 CNG发动机一维模型Fig.1 One dimensional model of the CNG engine

1.2 排气系统三维模型

利用三维造型软件ProE 构建排气系统几何模型，然后将STL 格式的表面文件导入到FIRE 软件中进行实体网格的创建．图2 所示为排气系统的网格，网格总数为252,966．其中截面A—A 为排气总管前端；截面B—B 为催化器载体前端；截面C—C 为排气总管及催化器中心截面；T 为试验温度测试点．

图2 排气系统三维模型Fig.2 Three-dimensional model of the exhaust system

排气歧管入口边界为瞬时排气质量流量和排气温度；排气总管出口压力设定为0.101,MPa；壁面设定为不滑脱速度边界，催化转化器壁面绝热，其他管路壁面为对流换热，换热系数为15,W/(m2·K)．排气系统内初始气体温度设定为20,℃，初始压力设定为0.101,MPa．蜂窝载体按多孔介质处理，孔密度为400目，不考虑催化器内的化学反应．

通常情况下，发动机排出的废气主要由 N2、H2O、CO2以及少量CO、HC、NO 等气体组成．天然气燃料主要成分是CH4，因此，排气中H2O 和CO2的体积比接近2∶1．鉴于CO、HC、NO 等气体含量较少，计算废气物性时统一按照体积分数N2占71.5%、H2O 占19.0%、CO2占9.5%进行计算．

1.3 模型的试验验证

为验证所建立的一维和三维模型的可靠性，对不同怠速工况下模拟结果与试验结果进行了比较．一维模型主要通过缸内压力和空气流量来验证；三维模型验证的是排气温度．试验中，通过K 型温度传感器测量排气的平均温度，模拟计算的排气温度是图2 中T 处的循环平均温度．试验工况如表2 所示．

表2 发动机试验工况Tab.2 Engine operating conditions

图3为试验及一维模拟计算得到的示功图．表3为空气流量和排气温度的验证结果．从示功图和空气流量的对比结果来看，建立的一维计算模型能够较好地模拟发动机的工作状况，能够反映进气和缸内的燃烧情况．因此，可以认为一维模型能够为三维计算提供可信的排气流量和排气温度边界条件．

从排气温度的验证结果来看，三维模型参数的设置合理，三维模型能够用来预测排气系统内气体温度场的分布情况．

图3 不同工况下试验与模拟缸压对比Fig.3 Comparison of cylinder pressures between simulation and experiment

表3 空气流量与排气温度的试验结果与计算值的比较Tab.3 Comparison of air mass flow rate and exhaust temperature between simulation and experiment

2 结果与分析

2.1 排气系统入口排气流动特性

假设起动过程中发动机不存在失火等不正常燃烧情况，且在起动最初的几个循环内发动机转速没有波动，起动转速为900,r/min，过量空气系数为0.9，点火提前角为10°,CA BTDC．不同气缸先点火后，排气系统入口瞬时排气流量计算结果如图4 所示．

对于case1，第1 缸首先着火后，其余气缸按照发动机正常的发火顺序点火，因此，4 个排气歧管入口边界条件一样，如图4(a)所示．从图4(a)可以看到，每个排气歧管入口质量流量都出现了主流区a 和次流区c．其中主流区a 为发动机的自由排气阶段，该阶段排气的瞬时质量流量主要与燃烧压力有关，此时瞬时质量流量较大．次流区c 为强制排气阶段，与活塞的运动有关．排气过程中的压力波动使自由排气阶段后期出现了气体回流现象，如图中b 所示．

对于case2，在第2 缸着火之前，1、3 和4 此3 个气缸均没有着火，这3个气缸均进行的是倒拖循环，所以缸内气体压力较低，当排气门在下止点前打开时，缸内的气体压力低于排气系统内气体压力，排气管中的废气会流向缸内，形成废气倒流现象，如图4(d)所示．废气倒流使排气门刚打开时排气质量流量出现负值，并且随着活塞向下运动而加大．当活塞经过下止点向上运动后，再将缸内的气体排入排气系统．

图4 排气系统入口排气质量流量Fig.4 Mass flow rates of exhaust gases at the inlet of exhaust ports

case3 和case4 两种情况下排气系统入口排气质量流量如图4(b)和4(c)所示．

通常情况下，排气后处理系统要捕集发动机在停机过程中几个循环所排出的有害物．这些被捕集到的有害物在下一次起动时将会被排出，由于起动过程中催化剂尚未起燃，因此，这部分污染物得不到有效的净化，会引起排气污染[5]．在首个气缸着火之前其他未着火气缸排气门处的废气倒流有利于减缓上次停机时残留在排气系统中有害物的排出，吸入到气缸内的废气又与气缸中的空气混合，这不但稀释了排气中有害物的浓度，而且在缸内的压缩加热，也有利于未燃HC 的氧化．因此，起动过程中废气倒流对于降低起动过程中有害排放物有积极意义．

2.2 起动初期催化器入口排气温度场分布特性

催化器入口气体热力学状态参数的分布特性直接关系着催化器的起燃过程，从而影响发动机起动阶段的排放．因此，本文首先分析多缸发动机在起动过程中不同气缸首次着火起动后，催化器入口的排气温度场分布特性．以case1 为例，废气从排气歧管1 流到催化器入口B—B 截面需要330°,CA，因此，case1的截图从330°,CA 开始．由于发动机的工作顺序为1—3—4—2，即相邻两缸着火相差180°,CA，所以case3 的每张温度云图比case1 推迟了180°,CA，同样case4 推迟了360°,CA，case2 推迟了540°,CA．为了反映排气过程中排气温度场的变化，每隔40°,CA 取一张排气温度云图，如图5 所示．

图5 起动初期B—B 截面排气温度分布比较Fig.5 Comparison of the temperature distribution at B—B section at startup

从图5 中可以看出，在这4 种着火起动情况下，催化器入口废气温度的高低和排气过程温度场的分布都有很大差别．扣除不同气缸着火时刻的相位差，可以看出，第1 个着火气缸排出的废气到达催化器入口B—B 截面时case1 的温度最低，case2 的最高，而case3 和case4 位于两者之间．在排气过程中case2 和case4 两种情况催化器入口的废气分布更加均匀，高温气体主要分布在中间位置，而case1 和case3 两种情况高温气体集中分布在一侧，另一侧废气温度较低，这不利于整个催化器的同时起燃．

催化器入口气体温度高低不同的主要原因是，不同的气缸首次着火起动后引起排气系统内的气体温度场不同，如图6 所示．对比图6 中第1 行排气系统温度图可以明显地看出，case2 时的初始温度场在排气系统中分布较均匀，而且高温气体最早到达催化器入口端，这是因为在不同气缸首次着火起动后，着火气缸之前的未着火气缸的个数不同，在case2 中第2缸着火前，吸入发动机的空气经历了3 个纯压缩和排气过程，这些经过了压缩的空气排出气缸后对排气系统内的气体加热，因此第2 缸的排气流到催化器入口时气体温度高．此外，不同气缸首次着火起动后的初始排气来自不同气缸，气体流到催化器入口过程所经历的管路长度不同，其中排气歧管1 的管路最长，排气歧管2、3 和4 的长度接近；因此来自歧管1 的气体在流动过程中的传热损失最大，这也导致了不同气缸首次着火起动后催化器入口温度的差异．

图6 排气系统温度场Fig.6 Fields of exhaust temperature along exhaust pipe

在相同的排气条件下，排气系统中的废气温度分布特性主要受到排气歧管结构的影响．如图2 所示，排气歧管1 与排气总管之间的夹角较大；排气歧管2和4 分居排气总管两侧，且与排气总管之间的夹角较小；排气歧管3 与排气总管接近同心．因此，第1 个气缸着火起动后，高温排气在排气系统中的流动情况会有很大差别，如图7 所示．

图7 排气流动特性Fig.7 Characteristics of exhaust gas flow

可以看到，来自1 缸和3 缸的气体在排气总管中旋转不强烈，由于流动惯性，气体主要沿着排气总管的一侧流到催化器入口处，导致催化器入口气体温度分布不均匀．来自2 缸和4 缸的气体在排气总管中流动时形成了旋转气流，其中来自2 缸的气体流动时气流旋转得更强烈．排气总管中气流的旋转有利于气体在管路中充分混合，因此催化器入口处气体温度场分布更均匀．

2.3 不同气缸首次着火起动后排气温度场的差异

4 缸发动机在起动阶段，不同气缸首次着火起动后的前几个工作循环内排气系统温度场的分布不同，此后，首次着火气缸对排气系统内温度场的影响逐渐变小，直到消失．为了定量地评价起动阶段不同气缸首次着火起动后排气系统温度场的差别，本文引入排气管路不同截面内的排气平均温度和排气温度分布特性来进行分析．

排气管路截面内排气平均温度定义为Tavg，

式中：mi为第i 个网格单元的气体质量；Ti为第i 个网格单元气体温度；ρi为第i 个网格单元气体密度；Si为第i 个网格单元的截面面积；d 为网格的厚度；N为截面网格单元总数．

由式(1)计算的A—A 截面和B—B 截面处的排气平均温度如图8 所示．

图8 不同截面排气平均温度Fig.8 Average temperatures of exhaust gases at different sections

可以看到，不同气缸首次着火起动主要影响前3个循环内排气管路截面排气平均温度，到第3 个工作循环结束(2,160°,CA)时，不同气缸首次着火起动对排气平均温度的影响趋于一致，此时，在4 种不同气缸首次着火起动情况下，截面A—A 排气平均温度最大相差为3,℃，截面B—B 最大差别为13,℃．

图9为截面B—B 处的气体温度场变化过程．可见，在发动机运行到第1 个循环结束时(720°,CA)，4种点火策略下截面B—B 处废气温度分布有很大差别，到第2 个循环结束时(1,440°,CA)4 种情况下废气温度分布的差别明显变小，而到第3 个循环结束时(2,160,°,CA)4 种情况下截面B—B 处废气温度分布基本相同．

由于不同气缸首次着火起动对排气系统中气体温度场分布特性的影响主要表现在前3 个循环．因此，针对不同气缸首次着火对起动过程中排气温度场分布特性的影响规律，合理地选择起动过程中的点火策略，可以实现发动机后处理系统温度的有效管理，减少发动机起动阶段未燃HC 排放．

图9 截面B—B 排气温度分布Fig.9 Temperature distributions of exhaust gases at B—B section

2.4 催化器入口排气特性评价

2.4.1 催化器入口排气流动均匀性评价

催化器蜂窝载体各部分起燃时间受到当地蜂窝载体温度和排气流速的影响．其中催化器入口排气温度和流速的均匀对催化器载体整体起燃时间有较大影响．常用流速均匀性指数来评价催化器入口排气流动特性．流速均匀性指数降低会使载体整体起燃时间增长，转化效率下降[4]．

本文采用Weltens 等[6]提出的流速均匀性指数λ作为评价标准，计算公式为

式中：S 为载体前端面面积；vi为网格单元i 处的气体流速；为截面气体平均流速．

λ值在0～1 之间变化；均匀性越好λ值越大，完全均匀的流动，λ值为1．

由式(2)计算的λ值是瞬时值．为了更充分地说明气流流动均匀性的影响，需要加入瞬时质量流量作为权重进行循环平均计算，以获得循环质量平均的λ值[7]．

图10为催化器入口截面前3个循环气体流速均匀性的循环质量平均计算结果．

图10 截面B—B 排气流速均匀性指数Fig.10 Flow uniformity index of exhaust gases at B—B section

可以看到，前3 个循环中，case2 的均匀性指数最大，case1 的最小，并且随着发动机继续运行，排气系统中气体流动特性差别逐渐变小，流速均匀性指数的差别也随之变小．首个着火循环中，case2 与case1相差0.051，到了第3 个循环它们的值相差仅为0.004．可见，首个着火气缸的选择对于催化器入口排气状态有一定的调节作用．

2.4.2 催化器入口排气温度分布特性评价

在催化器起燃之前，蜂窝载体温度的升高主要是靠高温排气来加热的．因此，催化器入口的废气温度直接影响载体的起燃过程．不同气缸首次着火起动后，高温排气到达催化器入口的曲轴转角时刻不同．为了便于比较高温排气流入催化器入口时温度大小的特性，以每种情况下首次着火气缸排气到达催化器入口作为比较的起点(同第2.2 节中的处理)，对截面B—B 的截面排气平均温度进行3 个循环的统计分析．截面排气平均温度的瞬时值由式(1)计算，再对计算结果进行3 个循环的直接平均计算，获得循环平均值．考虑到发动机在排气过程中管路中的气流质量流量是瞬态变化的，而排气温度高的时刻所对应的排气质量流量不一定大．因此，上述循环平均结果不能有效地评价排气对载体的加热效果．为此，加入了瞬时质量流量作为权重对截面气体平均温度的瞬时值进行循环平均计算，获得循环质量平均值．B—B 截面气体温度循环平均和循环质量平均的计算结果如图11 所示．

图11 截面B—B前3个循环排气温度Fig.11 Exhaust gas temperatures during the first three cycles at B—B section

可以看出，这两种不同的统计方式计算的结果有较大的差别，但两种统计结果都表明，case2 前3个循环中流入催化器载体的排气温度最高．而且case2比case1 高50,℃，比case3 高35,℃，比case4 高32,℃．

截面气体温度循环统计仅从排气热能大小的角度评价了起动过程中不同气缸先着火起动后流入催化器的排气温度特性．为了更充分地评价排气温度特性，对每一瞬时，排气流入催化器载体前端B—B截面时不同温度区间(从300,K 开始，每10,K 为1 个温度区间)的气体所占的截面面积进行统计，最后，再将统计的瞬时结果加入瞬时质量流量作为权重进行3个循环的循环质量平均计算．平均后的统计结果如图12 所示．

图12中的柱状图表示处于不同温度区间的气体在B—B 截面上所占面积的比例，所有柱状图数值的总和为100%．可以看出，case1 和case3 处于低温区域(300～450,K)的气体所占的截面面积要比case4和case2 多，处于中高温(450～600,K)的气体所占的截面面积相对较少；而case4 和case2 截面气体的温度主要集中在450～600,K 内；因此，case1 和case3截面排气温度分布比较分散，而case4 和case2 截面排气温度分布比较集中，这意味着温度场更加均匀．

温度大于473,K 的排气在催化器入口截面B—B的分布情况统计结果如表4 所示． 从表4 可以更清楚地看出，case2 处于高温区间的气体在截面B—B上分布的面积最大，这有利于高温排气对载体的加热，在一定程度上可以使起动阶段催化器载体温度升高得更快．

图12 截面B—B前3个循环排气温度分布统计Fig.12 Distributions of exhaust gas temperature during the first three cycles at B—B section

3 结 论

(1) 发动机起动阶段，未着火气缸在排气过程中会出现废气倒流回气缸的现象．起动初期的废气倒流减缓了排气系统中残留废气的排出时间，对冷起动阶段排放的降低具有积极意义．

(2) 4 缸发动机各个排气歧管结构不同，造成在排气系统中的废气流动情况有较大的差别．从排气歧管2 和歧管4 过来的气体在排气总管中产生的气流旋转，使得催化器入口处排气温度场分布更加均匀，有利于催化器载体均匀加热．

(3) 在起动阶段，不同气缸首次着火起动对排气系统中气体温度场的影响主要表现在前3 个发动机工作循环，此后，首个着火气缸对废气流动和温度分布的影响逐渐变小．

(4) 第2 缸先着火起动时，在起动初期催化器入口处的气体流速均匀性指数更高，气体的温度场分布更加均匀，高温气体所占的催化器入口截面面积更大；因此，在起动阶段，首次着火气缸的优化选择对于降低起动阶段发动机的HC 排放有积极作用．

［1］Liu Zhimin，Li Liguang，Deng Baoqing. Cold start characteristics at low temperatures based on the first firing cycle in an LPG engine[J]. Energy Conversion and Management，2007，48(2)：395-404.

［2］Gong Changming，Huang Kuo，Deng Baoqing，et al.Catalyst light-off behavior of a spark-ignition LPG(liquified petroleum gas) engine during cold start [J].Energy，2011，36(1)：53-59.

［3］Windmann J，Braun J，Zacke P，et al. Impact of the inlet flow distribution on the light-off behavior of a 3-way catalytic converter[C]//SAE Paper. USA，2003：2003-01-0937.

［4］Wu Guojiang，Tan Song. CFD simulation of the effect of upstream flow distribution on the light-off performance of a catalytic converter[J]. Energy Conversion and Management，2005，46(13/14)：2010-2031.

［5］Klein D，Cheng W K. Spark ignition engine hydrocarbon emissions behaviors in stopping and restarting[C]//SAE Paper. USA，2002：2002-01-2804.

［6］Weltens H，Bressler H，Terres F，et al. Optimisation of catalytic converter gas flow distribution by CFD prediction[C]// SAE Paper. USA，1993：930780.

［7］Berkman M E，Katari A. Transient CFD：How valuable is it for catalyst design? [C]//SAE Paper. USA，2002：2002-01-0064.