基于缸内压力振荡的冷EGR对汽油机爆震特性的影响

舒歌群，潘家营，卫海桥，史 宁(天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072)

基于缸内压力振荡的冷EGR对汽油机爆震特性的影响

舒歌群，潘家营，卫海桥，史 宁
(天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072)

基于内燃机缸内压力波动方程研究了冷废气再循环(EGR)对汽油机爆震特性的影响．由KIVA-3V燃烧程序的三维流场推导出内燃机缸内压力波动方程，并分别从均值压力和波动压力角度来讨论冷EGR对汽油机爆震的影响规律．分析了不同冷EGR 率下燃烧室温度、均值压力和波动压力等燃烧特性. 结果表明：随着冷EGR 率的增加，缸内燃烧温度、压力升高率大大降低，燃烧持续期明显增加；同时，缸内压力波动幅值明显降低而均值压力变化不大，可见引入适当的冷EGR率对汽油机高频压力振荡有很好的抑制作用．最后，对缸内压力波动进行频谱特性分析，探讨了燃烧室空腔共鸣和发动机爆震之间的关系．

波动方程；均值压力；波动压力；冷废气再循环；爆震

目前，随着石油资源的短缺和燃料燃烧所带来的大气污染问题的日益加剧，节能减排已成为汽车工业发展趋势的重要方向．发动机小型化(也被称为“发动机高强化”)是指通过增加平均有效压力来降低气缸容积而保持功率不变，或者提高功率和扭矩而不增加气缸容积，同时提高发动机的效率．发动机小型化是目前最有前途的用来改善燃油经济性、满足废气再循环(exhaust gas recirculation，EGR)排放法规并具有可接受的成本与效益比的方法之一[1]．

为了保证小型化发动机正常的功率和扭矩输出，往往需要通过增压和提高压缩比等途径来提高缸内平均有效压力(BMEP)．然而，增压或提高压缩比会大大增加汽油机发生爆震的倾向，这也是限制汽油机小型化的最大障碍之一．

爆震成因非常复杂，目前尚没有较为统一的结论，主流的学说主要有自燃说、爆燃说和火焰加速说[2]．这3种观点都认为爆震特有的冲击波、气体压力振荡和噪声是燃烧能量急剧释放的结果．对于汽油机而言，缸内压力波动是爆震的典型表现形式．虽然很多研究[3]表明汽油机爆震时，质量燃烧率和火焰传播速率都很高，并伴有压力迅速升高、压力高频振荡，但是很少有学者从发动机爆震时缸内压力波动角度来研究爆震问题[4]；同时，爆震强度和压力波动幅值之间的量化关系也不明确．

随着小型化汽油机平均有效压力的升高，不可避免地增加了缸内燃烧温度，从而造成了发动机爆震倾向[5]．EGR技术作为降低NOx排放的最有效手段，已经在柴油机上得到了广泛的应用，随着汽油机小型化的发展，一些柴油机上的先进技术被逐渐应用到汽油机上，如废气涡轮增压等．因此，可以将柴油机成熟的EGR技术引用到汽油机上来研究其对小型化汽油机爆震的影响[6]．Diana等利用废气稀释的作用，采用11%的EGR率将汽油机压缩比提高到了13.5，唯一不足的是试验机是自然吸气式，这大大降低了正常的功率输出[7]．Grandin等[8]结合涡轮增压和EGR技术有效地克服了这个缺陷，研究表明EGR技术能够在提高平均有效压力或者压缩比的同时，对爆震起到很好的抑制作用．虽然这些研究从缸内平均有效压力的角度定性分析了EGR技术对爆震的抑制作用，但是几乎很少有学者从爆震特有的压力振荡角度来研究EGR技术对汽油机爆震的影响．此外，采用EGR技术还可以在部分负荷下降低汽油机的节气损失，在全负荷下提高了汽油机的爆震极限．

压力波动本质上属于声学特性．为了进一步揭示燃烧过程中强烈的高频压力振荡特性，本文在前期工作[9]的基础上，首先从理论上推导了宏观压力均值方程和微观压力波动方程，然后分别从均值压力和波动压力两个方面来讨论冷EGR对汽油机爆震特性的影响规律，得出EGR技术对汽油机高频压力振荡的抑制机理；同时分析了燃烧室空腔共鸣和发动机爆震之间的关系．

1 内燃机缸内压力波动方程

为了准确地对缸内压力波动情况进行描述，文献[10]从理论上推导出了宏观尺度的缸内压力变化方程和微观尺度的压力波动方程，将气缸压力p分解为均值部分和波动值部分，即

在内燃机燃烧过程中，由于气体的各种运动会产生各种各样的压力源项．基于KIVA燃烧程序可以获得这些源项的数学表达式，同时将气流中所有偏离波动方程的激励项放到波动方程右边作为激励源，进行内燃机气缸内压力波动的推导和求解，分别得到内燃机燃烧时气体振动状态的二阶偏微分均值压力方程和波动方程．

基于质量守恒方程、能量方程、理想气体状态方程及理想气体小振幅声速公式，可以获得宏观尺度气缸压力均值方程为

进而由质量守恒方程、动量方程以及宏观尺度气缸压力均值方程式(2)可以推导出关于气缸压力瞬时波动压力p′的方程为

式(3)是一个强迫波动方程，方程的右边为造成气缸压力波动的力源项，其中右边第1项表示燃烧过程中燃烧在空间上的分布，第2项表示燃烧室气体紊流运动，第3项表示喷射、黏性应力、重力等变化项．由于篇幅有限，具体推导过程可参考文献[11]．

2 研究对象

本文研究了冷EGR对汽油机压力振荡特性的影响．EGR率的定义[12]为

式中：nEGR为参与废气再循环的排气的物质的量，mol；nair/fuel为空燃混合气的物质的量，mol．

选取经过改装的95,mm缸径的单缸二冲程汽油机作为研究对象，试验机运行参数如表1所示．试验中为了使试验机达到预期的压力振荡强度，燃料选择研究法辛烷值为53的汽油，同时点火提前角设为30°,CA BTDC，并根据振荡幅值的大小判断发生爆震的倾向[13]．内燃机燃烧过程中缸内压力分布极不均匀，本研究中火花塞和Kistler 6125压力传感器的几何安装位置如图1(a)所示．

表1 试验机参数及工况Tab.1 Parameters of test engine and operating condition

模拟计算时，认为燃油已与空气按化学计量比1∶14.8均匀混合；为了简化模型，尽可能将不必要的干扰因素排除在外，进排气门未纳入模型中；燃烧室刚性壁面作为全反射边界条件处理，同时燃烧室模型采用自适应网格技术，燃烧室网格模型如图1(b)所示．点火模型采用发动机多维模拟中最常见的直接在点火单元中加入能量的模拟方法，同时根据空燃比、气体流动状态等适当调整初始点火半径和点火能量；同时，由于发动机循环中末端混合气温度的变化与活塞上行压缩、火焰前锋压缩、热传递以及末端混合气焰前反应放热有关，因此模型中引入了shell模型来考虑火焰锋面前方预热气体的自燃状况用以描述爆震现象[14]．计算中采用化学反应动力学主导作用的基于特征时间的燃烧模型[15-16]来描述发动机缸内燃烧过程．化学动力学模型采用基于标准异辛烷和正庚烷的简化化学反应构架，该机理包括41个组分和130个反应，结果表明此模型能够准确预测发动机燃烧过程，同时计算效率较高[17]．从图2可以看到燃烧开始之后最小时间步长小于微秒级，并且单个循环运行的平均时间在70,h以上．

图3和图4分别显示了试验机在典型爆震循环下的缸内压力试验数据与模拟结果．如图所示，当缸内压力曲线接近峰值时燃烧室内出现了大幅高频压力振荡．比较图3和图4可以发现，缸内最高压力(含波动压力)值在10,MPa左右；同时，通过对比模拟和试验数据的幅值特性和频率特性(FFT)曲线[11]发现，模拟和试验获得的压力振荡幅值分别为4.1,MPa和3.8,MPa，由此可见，模拟和试验压力曲线达到了很好的吻合．需要指出的是，图4中缸内压力振荡趋势持续时间相对较长，主要原因是燃烧室壁面做全反射处理减缓了压力波的快速衰减，同时这也与模型网格、信号滤波特性密切相关．总体来讲，模拟结果较为准确地反映了爆震燃烧时强烈的压力振荡过程，说明此模型能够满足缸内压力波动的计算要求．

图1 缸压传感器位置和燃烧室网格模型Fig.1 Location of pressure sensor and mesh model of combustion chamber

图2 KIVA计算过程中的时间步长Fig.2 Time-step of calculation process by KIVA

图3 缸内压力的实验值Fig.3 Experimental data of in-cylinder pressure

图4 缸内压力的模拟值Fig.4 Calculated results of in-cylinder pressure

3 冷EGR对缸内压力的影响

内燃机燃烧过程中，当末端气体发生了自燃这种不正常的燃烧现象时，其化学能的剧烈释放会引起压力波或冲击波在燃烧室内传播，燃烧室空腔被迫在其共振频率处产生共鸣，通过发动机机体向外辐射的压力波动传播，产生了尖锐的金属噪音；随后，这些压力波会逐渐被燃烧室壁面衰减．当引入适量的EGR率后，一方面由于废气对可燃混合气体产生的稀释作用使滞燃期和燃烧持续期相应地延长，另一方面可以保持末端气体温度低于自燃的临界温度，从而使能量相对缓慢地释放出来，压力波动的幅值也会相应地减小．文献[18]中提到，由EGR引起的温度变化范围最高可达1,000～1,100,K．

3.1 冷EGR对均值压力的影响

由于发动机排放产物中含有大量的N2、CO2及H2O，其中N2、CO2常常被视为惰性气体．对于冷EGR的模拟研究，本文基于调整进气混合气中EGR率来实现，其初始温度与进气温度相同；同时，试验机不同EGR率下的运行工况和化学当量比基本保持不变．首先讨论冷EGR率分别为4%、6%、8%、10%时的缸内均值压力和温度模拟结果，并与EGR率为0时的曲线进行对比分析，如图5和图6所示．

比较图5中的5条压力曲线可以发现，随着EGR率的增加，压力升高率显著降低，急燃期显著向后推移．同时，4%～10% EGR率对应的均值压力峰值基本保持不变，说明本文所研究的低浓度的EGR率没有对缸内均值压力部分产生明显影响．若继续增加EGR率则缸内压力会出现明显下降，当EGR率达到30%左右时会出现点火困难的情况，主要原因是过大的EGR率会严重稀释可燃混合气体，从而使空燃比超出着火极限，影响正常火焰核心的形成；同时过大的EGR率会降低火焰传播速度，进而造成燃烧恶化．由于EGR中三原子分子比热容相对较大，同时含有惰性气体，一般认为采用EGR后会降低缸内最高燃烧温度，从而降低NOx排放，而本文讨论的重点在于引入EGR后对燃烧过程的影响，这里仅从引入冷EGR后对爆震燃烧的抑制的角度展开讨论.

图5 不同EGR率下的均值压力Fig.5 Mean pressure under different EGR ratios

图6 不同EGR率下的缸内温度Fig.6 In-cylinder temperature under different EGR ratios

由图6可知，随着EGR率的增加，着火滞燃期延长，同时缸内燃烧温度有一定程度的降低．与0 EGR率下的温度曲线相比，6% EGR率和10% EGR率下的温度曲线最大值分别下降了2.8%和5.5%．这主要是因为在升高相同温度的条件下，三原子分子吸热量更多(如CO2摩尔热容为37,J/(mol·K))，同时，引入冷EGR后对可燃混合气体起到了稀释作用，燃料化学能释放速度降低，从而使得燃烧持续期延长．图7显示了不同EGR率下的燃烧持续期的变化，可见随着EGR率的增加，燃烧持续期明显增加.

图7 不同EGR率下的燃烧持续期Fig.7 Combustion duration under different EGR ratios

3.2 冷EGR对波动压力的影响

由图8可知，随着EGR率的增加，点火滞燃期和燃烧持续期增加得越来越明显，这与均值压力曲线变化趋势基本一致．同时，波动压力幅值随着冷EGR率的增加明显减小．与4% EGR率的波动压力峰值相比，6%和8% EGR率所对应的波动压力峰值分别下降了11.6%和28.6%．主要是因为化学反应放热的减缓在一定程度上降低了对燃烧室内波动压力的激励作用．由此可见，适当地引入EGR对汽油机高频压力振荡有很好的抑制作用．

图9给出了不同EGR率下的最大压力变化情况．由图可知，加入适量的EGR率后最大均值压力有所增加，其中EGR率从0到4%变化过程中最大均值压力提升最为明显，约为1.9%；主要原因是采用EGR以后缸内温度有所降低，从而在一定程度上减少了传热损失和高温下气体分子的离解．当EGR率在4%～8%范围内增加时最大压力值的影响不再明显，而当EGR率达到10%后最大均值压力出现明显的下降，这可能是由于EGR率的增加造成了燃烧的恶化．对于最大波动压力的变化，随着EGR率的增加，大幅压力高频振荡得到了明显的抑制，特别是当EGR率超过6%后，燃烧室内最大波动压力显著下降．但是，注意到6% EGR率是一个反常情况，此时最大均值压力是最高，而最大波动压力与0 EGR率下的最大波动压力相当，约为1.5,MPa；这可能是因为引入EGR后在一定程度上降低了火焰燃烧速度，从而引起燃烧室末端区域气体发生自燃造成了爆震的发生，这可以从图10所示6% EGR率时的放热率曲线得出相应的结论．

图8 不同EGR率下的波动压力Fig.8 Oscillation pressure under different EGR ratios

图9 不同EGR率对最大压力的影响Fig.9 Impact of EGR ratio on the maximum pressure

图10 6% EGR率下的放热率和已燃气体分数Fig.10Heat release and burnt mass fraction at 6% EGR ratio

由于发动机爆震和燃烧室空腔共鸣有着密切联系[19-20]，因此本文最后对缸内压力波动曲线进行频谱特性分析，以了解缸内压力振荡和空腔共鸣之间的关系．

由图11中不同EGR率下的波动压力频谱特性可以看出，在5.8,kHz和11,kHz处出现共振峰，说明在燃烧过程中该点将被激发出这一阶模态，其振动能量在这一频率附近分布较大．爆震时缸内压力波动特性主要集中在高频域内，对比4条曲线，除了6% EGR率曲线外，随着EGR率的增加，其振荡幅值明显下降．同时可以看出，空腔共振频率并没有出现明显转移，说明在本文所研究的EGR率范围没有大幅改变缸内燃烧温度，以致于明显影响缸内压力波的传播速度．然而，由于燃烧室结构对空腔共鸣特性有直接影响，所以将来要在考虑燃烧室结构参数的情况下深入研究空腔共鸣与爆震之间的关系．

图11 不同EGR率下的波动压力频谱特性Fig.11 Oscillation pressure spectrum characteristics under different EGR ratios

4 结 论

(1) 本文从内燃机缸内压力波动方程出发，分别从均值压力和波动压力两个方面来讨论冷EGR对汽油机爆震的影响，发现所研究的低浓度冷EGR能够对汽油机燃烧过程产生一定影响．

(2) 采用不同的冷EGR率后，着火滞燃期和燃烧持续期会相应地延长，压力升高率明显下降，从而在一定程度上抑制了末端气体发生自燃．主要原因是EGR的稀释作用和热物理特性影响了燃烧过程中可燃气体的化学反应．

(3) 在一定范围内随着EGR率的增加，均值压力曲线基本保持不变，但是波动压力幅值随着EGR率的增加明显降低，这说明通过引入适量的冷EGR率，可以有效地抑制汽油机高频压力振荡．

(4) 对缸内波动压力曲线进行频谱特性分析发现，随着EGR率的增加，其幅值明显下降；但是空腔共振频率并没有出现明显转移，说明本文所研究的EGR范围没有大幅改变缸内燃烧温度以致于明显影响到缸内压力波的传播．

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（责任编辑：金顺爱）

Impact of Cooled EGR on SI Engine Knocking Characteristics Based on In-Cylinder Pressure Oscillations

Shu Gequn，Pan Jiaying，Wei Haiqiao，Shi Ning
(State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Impact of cooled exhaust gas recirculation (EGR) on spark-ignited (SI) engine knocking characteristics was researched based on pressure wave equation of internal combustion engines. A pressure wave equation was derived from the three-dimensional flow field of KIVA-3V program，and the impact pattern of cooled EGR on SI engine knock was discussed in terms of mean pressure and oscillating pressure. Calculated results of in-cylinder temperature，mean pressure and oscillating pressure under different cooled EGR ratios were analyzed，and it is found that with the increase of cooled EGR ratio，combustion temperature and rate of pressure rise decrease rapidly，and combustion duration increases obviously. Meanwhile，the amplitude of in-cylinder pressure oscillation decreases significantly without obvious variation in mean pressure，which indicates that the application of appropriate cooled EGR ratio has a good inhibition effect on high-frequency pressure oscillations. Finally，spectrum analysis of in-cylinder pressure oscillations was carried out in order to investigate the relations between cavity resonance of combustion chamber and engine knock.

wave equation；mean pressure；oscillating pressure；cooled EGR；knock

TK402

A

0493-2137(2014)06-0551-07

10.11784/tdxbz201301048

2013-01-28；

2013-03-07.

国家自然科学基金资助项目(51176138)；天津市应用基础与前沿技术研究计划资助项目(12JCZDJC28800).

舒歌群（1964— ），男，教授，sgq@tju.edu.cn.

卫海桥，haiqiaowei@tju.edu.cn.