点火时刻对缸内直喷汽油机微粒生成过程影响仿真分析

李婉笛 王肇宇 秦思南

摘 要：该文通过对某475GDI发动机进行数学建模和仿真计算，分析不同点火时刻对微粒生成过程的影响规律。结果表明不同点火时刻下的微粒质量分数随曲轴转角变化均呈现先增加后下降的单峰趋势。并且随着点火时刻逐渐提前，微粒质量分数峰值逐渐增加且相位提前。微粒数量浓度整体上呈现在燃烧过程初期上升随后下降并在燃烧中后期再度出现小幅度上升的双峰分布。并且数量浓度曲线的峰值随着点火时刻的不断推迟均呈下降趋势，相位也随着点火时刻推迟而延后。

关键词：微粒 点火时刻 GDI发动机 仿真计算

中图分类号：U46 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）04（b）-0059-05

Abstract：In this paper， through mathematical modeling and Simulation of a 475 GDI engine， to analyze the effect of different ignition timing on the particle formation process. The results showed that the particle mass fraction under different ignition timing condition increased first and then decreased with the crank angle. With the gradual advance of ignition timing， particle mass fraction increased gradually and the peak advance. During the combustion process， the particle number concentration rise first， and then decline. And the peak of number concentration constantly decreased with ignition timing delayed， the phase of particulate number peak also delayed with ignition time delay.

Key Words： Particulate；Ignition time；GDI engine；Simulation combustion

相比于传统气道喷射式汽油机，缸内直喷式汽油机微粒排放明显升高。研究表明未燃碳氢和可溶性有机物是汽油机颗粒物排放的主要成分，其粒径小于1 μm的颗粒物质量浓度相对较低，但数量巨大，即汽油机微粒排放主要以核态颗粒物为主，仅在大负荷工况存在积聚态颗粒物[1-3]。

缸内直喷汽油机微粒生成过程相对复杂，传统的试验手段难以实现缸内微粒瞬时生成过程分析研究，因此该文通过对国内某款475GDI发动机进行数学建模和FIRE软件仿真计算，研究不同点火时刻对GDI发动机缸内微粒生成过程的影响规律。

1 仿真模型的建立与验证

文中选择现阶段国内乘用车市场广泛使用的475-1.4T GDI发动机进行仿真建模，该汽油机基本参数如表1所示。

该文的研究过程集中于GDI汽油机的进气、燃料混合蒸发及燃烧过程，为了降低仿真模型网格数量，缩短计算所用时间，仿真模型主要包括燃烧室以及进气道两部分，其中燃烧室由活塞顶部凹坑以及气缸盖上的燃烧室两部分组成[4]。生成的三维模型如图1所示。

该文采用AVL FIRE中的导入式划分方法，将.stl格式的面网格文件导入到FIRE中，对网格进行自动划分并进行局部细化，网格形状可选，最终得到计算所需要的非结构化混合网格[5]。这种网格划分方式适用于曲面交角较多的复杂模型，如图2所示。模型导入完成后，根据计算需要对网格尺寸进行设置，最大网格尺寸设置为2 mm。由于进气门和气门座处形状和气流运动状况都较为复杂，因此对此区域进行细化，设置最大网格尺寸为0.25 mm。由于燃烧过程是该文主要分析的部分，这一部分要保证较好的网格质量来保证计算精度，因此设置燃烧室的最大网格尺寸为1 mm。

该文采用仿真计算缸压与台架试验示功图相对比进行模型校正。校模工况选择2 000 r/min，80 N·m。对比结果如图3所示，吻合度高于95%，認定该模型符合模拟仿真计算要求。

2 点火时刻对微粒生成过程影响研究

仿真工况选择上节介绍的校模工况，此工况原机点火时刻为上止点前17°CA，以5°为间隔分别提前、滞后设定点火角为7°、12°、22°和27°。图4为微粒质量分数仿真计算结果。不同点火时刻下的微粒质量分数随曲轴转角变化均呈现先增加后下降的单峰趋势。在点火时刻为22°和27°时，微粒质量在达到一个峰值后持续处于下降趋势，而当点火时刻变为17°时，微粒质量虽然在峰值后保持下降但是其下降过程相较于前两者更为缓慢，当点火时刻继续推迟到7°和12°后，微粒质量下降到一定程度又呈现出极小幅度上升趋势。并且随着点火时刻逐渐提前，微粒质量分数峰值逐渐增加且相位提前。点火时刻为27°的微粒质量分数峰值是点火时刻为7°的两倍有余。

图5为不同点火时刻微粒数量浓度分布情况。微粒数量浓度整体上呈现在燃烧过程初期上升随后下降并在燃烧中后期再度出现小幅度上升的双峰分布。并且数量浓度曲线的峰值随着点火时刻的不断推迟均呈下降趋势，相位也随着点火时刻推迟而延后。从点火时刻为7°时的2.04E+19#/m3，增大到了点火时刻为27°的5.95E+19#/m3。

图6是不同点火时刻下缸内微粒瞬时生成质量分布情况，由上至下分别为点火角7°～27°。点火时刻变化对微粒生成质量空间分布影响不大，微粒初始生成区域主要集中在燃烧室右侧上部靠近气缸盖的位置，随着燃烧进行，右侧燃烧室中微粒生成量逐渐增加而且微粒生成量较大的区域也逐渐扩散到左侧鼻梁区附近，且微粒质量逐渐增加。微粒质量浓度较高区域主要集中在燃烧室右侧区域并且这个位置微粒浓度较高的区域随着点火时刻的提前逐渐扩大，而左侧鼻梁区附近的微粒质量浓度则没有很明确的规律性。燃烧进入中后期微粒质量较浓区域虽没有变化但范围明显减小。

图7为不同点火时刻下缸内微粒数量瞬时分布情况，由上至下分别为点火角7°～27°。分别截取了不同点火时刻下的微粒数浓度峰值、峰谷以及第二峰值所对应的曲轴转角下的缸内微粒数量浓度三维图。从图中能够清晰地发现微粒数量峰值均集中在两个区域内：左侧鼻梁区和右侧靠近燃烧室上部处。随着燃烧的不断进行，后期燃烧室右侧的微粒数量浓度下降，但是数量浓度高区域相较于左侧鼻梁区仍然面积较大。

随着点火时刻的不断提前，微粒数量浓度较高区域在逐渐扩大，尤其是燃烧室右侧区域。随着燃烧的进行，微粒数量浓度处于不断下降的过程，但是随着点火时刻的提前，燃烧后期微粒数量浓度较高区域也在不断扩大。在点火时刻为7°和12°时在燃烧后期微粒数量高浓度只在燃烧室左右两侧靠近壁面的区域，而当点火时刻提前到17°、22°和27°时燃烧后期微粒数量浓度较高区域也同时存在于燃烧室的右上部区域内。这就说明点火时刻过早并不利于降低缸内微粒生成量。

3 点火时刻对缸内燃烧过程影响研究

图8为不同点火时刻条件下发动机缸内爆发压力随曲轴转角的变化规律，随着点火时刻提前，缸内压力峰值不断下降并且峰值所对应的曲轴转角也在不断推迟，而燃烧后期的缸内温度却在不断升高。主要因为点火时刻推迟直接导致燃烧过程推迟，在膨胀冲程进行燃烧的混合气数量不断增多，同时活塞下行导致火焰传播距离增加，对火焰传播产生了不利影响，导致整个缸内放热过程减缓。

图9、图10和图11分别为不同点火时刻缸内燃烧过程的温度场、浓度场合速度场分布情况，由上至下分别为点火角7°～27°。随燃烧过程继续，缸内燃烧温度逐渐降低，且燃烧室中心区域温度高于燃烧室左右两侧靠近壁面的区域。对比图10缸内浓度场也表现为此规律。主要因为燃烧室中心区域是均质当量混合气而在温度较低的两个区域则为浓度较高区域，更利于火焰的传播和燃烧进行。同时我们发现虽然左右两侧靠近壁面的区域初始燃烧温度较低，但是随着燃烧的进行这两个区域内的温度并未明显下降，一直维持在1 700 K左右，同时这个范围存在较浓混合气，这也验证了此区域内产生微粒较多的原因。

对于浓度场，虽然缸内整体为均质当量混合气，但由于气流运动及燃料雾化混合的影响，点火时刻缸内仍然存在局部过浓区域。对于速度场而言，点火时刻缸内气流都处于较强的顺时针滚流运动，但是气流运动速度却有差别。随着点火时刻的不断提前，缸内气流运动速度快的区域逐渐增多，且集中在靠近活塞顶部区域，主要由于点火之前活塞处于上行过程促进了缸内气流的运动。点火时刻缸内气流在左侧鼻梁区和靠近燃烧室顶部的位置气流运动速度较慢，并且这两个区域随着点火时刻的推迟而不断扩大。

4 结论

该文使用AVL FIRE软件对国内市场主流的缸内直喷汽油机进行仿真计算，研究不同点火时刻对GDI汽油机缸内微粒生成过程的影响规律，结论如下。

（1）不同点火时刻下的微粒质量分数随曲轴转角变化均呈现先增加后下降的单峰趋势。并且随着点火时刻逐渐提前，微粒质量分数峰值逐渐增加且相位提前。

（2）微粒数量浓度整体上呈现在燃烧过程初期上升随后下降并在燃烧中后期再度出现小幅度上升的双峰分布。并且数量浓度曲线的峰值随着点火时刻的不断推迟均呈下降趋势，相位也随着点火时刻推迟而延后。

（3）三维仿真结果分析表明微粒质量浓度较高区域主要集中在燃烧室右侧区域，而微粒数量峰值集中在左侧鼻梁区和右侧靠近燃烧室上部的两个区域。缸内浓度场、速度场分布结果也表明这两个局部混合气浓度高、气流运动较弱的区域也刚好对应了微粒生成量较高区域。

参考文献

[1] 潘锁柱.车用汽油机尾气颗粒物数量排放及粒径分布特性研究[C]//中国内燃机学会燃烧节能净化分会2010年学术会.2010.

[2] Su D.S.，Muller J.O.，Jentoft R.E.，et al.Fullerene-like soot from Euro IV Diesel Engine：Consequences for Catalytic Automotive Pollution Control[J].Topics in Catalysis，2004，30-31（1）：24l-245.

[3] 潘锁柱，裴毅强，宋崇林，等.汽油机颗粒物数量排放及粒径的分布特性[J].燃烧科学与技术，2012，18（2）：181-185.

[4] LI Yu-feng， ZHAO Hua， Nikolaos Brouzos. Effect of Injection Timing on Mixture and CAI Combustion in a GDI Engine with an Air-assisted Injector[J].Sae Technical Papers，2006，29（1）：67-84.

[5] 江峻峰，張建昭.新型汽油机缸内直喷燃烧系统的研究[J].汽车技术，2003（2）：15-19.