点火时刻对157FMI发动机缸内直喷燃烧过程的影响研究

孙振鹏　袁文华　张爱国

摘要：以157FMI发动机为研究对象，将其发动机进气道喷射原型尝试性地根据双火花塞位置结构实施缸内直喷技术，通过对比不同点火时刻对缸内燃烧过程的影响进行研究，结果表明：发动机转速为2500r/min，喷油量20mg的情况下，喷油器安装角度设定为55°，随着点火时刻提前，缸内平均压力、温度，压力升高率峰值逐渐增大，且平均压力、温度、压力升高率峰值对应的曲轴转角提前，瞬时放热率峰值出现了先增大后减小的趋势，但峰值相位逐渐提前。研究结果为小型摩托车发动机缸内直喷技术的应用提供了理论指导和参考。

Abstract： The 157FMI engine is taken as the research object. According to the position structure of the double spark plug， the intake port injection prototype of the engine is tried to carry out the in cylinder direct injection technology. By comparing the effects of different ignition times on the combustion process in the cylinder， the results show that： when the engine speed is 2500r/min and the injection quantity is 20mg， the installation angle of the injector is set at 55° and it is raised with the ignition time before that， the peak value of average pressure， temperature and pressure rise rate in the cylinder increases gradually， and the crankshaft angle corresponding to the peak value of average pressure， temperature and pressure rise rate is advanced. The peak value of instantaneous heat release rate increases first and then decreases， but the peak phase is advanced gradually. The research results provide theoretical guidance and reference for the application of the in cylinder direct injection technology of the small motorcycle engine.

关键词：缸内直喷;点火时刻;燃烧性能

Key words： direct injection in cylinder;ignition timing;combustion performance

0  引言

相对于传统的气道喷射（PFI）汽油机，缸内直喷汽油机（GDI）在燃油经济性、动力性等方面都具有较明显的优势，而点火相位参数对燃烧特性有着非常大的影响。同济大学的秦秋实等[1]研究了喷油时刻与点火时刻对（GDI）發动机分层燃烧过程的影响，得出了给定工况下相对最优的喷油、点火相位。长安大学的张春化[2]研究了不同喷油正时下的双燃料发动机的缸内压力、压力升高率、缸内温度、燃烧放热规律等参数，结果表明随引燃柴油喷油正时的增大，最高缸内压力、最高压力升高率、最大燃烧温度和最大瞬时放热率先升高后降低且所对应的曲轴转角减小;峰值压力循环变动系数先降低后增大，峰值压力升高率循环变动系数降低。重庆大学的王孟等[3]为了提高摩托车发动机的热效率，研究不同的点火方案对发动机燃烧特性的影响，通过改变点火提前角以寻求最佳点火方案。天津大学的潘锁柱[4]研究了点火定时对燃烧过程和颗粒物排放影响的试验研究。结果表明：随着点火定时的不断延迟，火焰发展期逐渐缩短，快速燃烧期逐渐增大，缸内压力峰值逐渐下降，瞬时放热率峰值和缸内最高燃烧温度均逐渐降低且后移，放热过程迟缓，膨胀行程缸内温度逐渐升高。

江苏大学的刘胜吉[5]研究点火提前角对通用小型汽油机缸内燃烧及排放的影响。研究发现增大点火提前角，缸内最大燃烧压力和最高燃烧温度增大，其分别对应的曲轴转角均提前;燃烧循环波动先减小后增大，氮氧化合物（NOX）和碳氢化合物（HC）排放值均增大。吉林大学的高莹[6]通过改变微引燃柴油的喷射时刻，对柴油微引燃缸内直喷天然气发动机的燃烧过程进行了模拟，发现保持微引燃柴油及天然气两者的喷射时间间隔及喷射持续期不变，则微引燃柴油喷射时刻越靠后，天然气燃烧过程越远离上止点，燃烧等容度越差，缸内压力和温度的峰值越低。南京航空航天大学的贝太学等[7]研究了点火参数对某二冲程航空活塞煤油发动机燃烧及温度场的影响，发现当点火时刻由 335°CA 变化至 331°CA 时，缸内混合气燃烧放热量增多，放热率峰值增大，放热率峰值所对应曲轴转角的提前量变大;燃烧放热速率加快，混合气温度和压力上升变快，高温区范围增大。从现有研究表明，关于点火时刻对发动机缸内混合气形成时间和燃烧过程有着重要的影响，因此，对157FMI发动机点火时刻的研究必将成为157FMI实施缸内直喷技改的必要环节。

本文尝试在双火花塞缸盖位置布置的基础上对157FMI发动机进行缸内直喷模拟研究，分析一定范围内不同点火时刻对燃烧过程的影响，为后续优化157FMI发动机进行缸内直喷研究提供基础。

1  仿真模型的建立

1.1 几何模型的建立及网格的划分

本文的研究对象是以157FMI发动机为原型机改装而成的如图1（a），其基本参数如表1所示，主要考虑压缩行程后期燃油直接喷入缸内的燃烧过程，不考虑进气与排气的过程，整个过程类似一个封闭的系统，所以，在进排气门都关闭的压缩和做功行程中则将进排气道都去掉，重点考虑从进气门关到排气门开这段发动机的运转状况，进气门关对应的曲轴角度为580°CA（40°CA ABDC），排气门开对应的曲轴转角为850°CA（50°CA BBDC），在数值模拟的范围内会出现压缩、喷油等几个过程，进排气系统所引起的缸内气体流动由CFD软件初始条件通过设置一定的涡流比来呈现，这样可以大大缩短计算时间，提高模拟计算的速度[8-9]。

将简化后的模型利用CFD仿真软件自带的网格划分工具 FEP对模型进行动网格划分，网格的最大尺寸为1.25×10-6m，为了确保仿真结果的可靠性，针对不同的计算区域需要对网格大小进行适当的调整，故需要对不同位置进行单独加密，提高计算精度，在划分动态网格时对活塞和燃烧室等区域进行了局部细化，网格最小尺寸为 6.25×10-7m。最终生成网格质量良好的157FMI汽油发动机燃烧室体网格如图1（b）。

由于发动机气缸盖上空间布局的限制，尝试将喷油器安装设置在原火花塞相对气缸轴面的对称位置，如图1（c），且对喷油器轴线与气缸轴线在55°夹角下进行仿真模拟。

1.2 初始条件和边界条件

关于发动机温度的边界条件，通过查阅文献，借鉴他人仿真研究所利用的边界温度值，如表2所示。

初始条件的数据直接关系到气缸内的空气质量和初始状态并影响模拟仿真结果的准确性，对于瞬态的模拟计算，初始条件应当尽量同实际条件相一致，初始条件的缸内的温度和压力条件均从实验中得来，初始湍动能和湍流长度的值有经验计算公式得到：

湍动能：

n为转速，h为发动机冲程，u为湍流脉动速度。

hv代表气门最大升程，本文的最大升程为7.25mm。

具体初始条件如表3所示。

1.3 数学模型的选择

本文计算选用k-？灼-f四方程湍流模型[10]，湍流扩散模型选用Enable 模型[11];碰壁模型选用walljet1[12];蒸发模型采用Dukowicz 模型[13]，破碎模型选用KHRT;燃烧模型选用 ECFM 模型[14]。

2  点火时刻对燃烧性能的影响

点火时刻是發动机工作过程中一个重要的影响因素，点火过早或过完都会对发动机的效率产生影响，因此最佳的点火时刻对发动机的工作性能优化有着很大的意义。将喷油器安装角度设定为55°，分析不同点火时刻为5°CA BTDC、15°CA BTDC、25°CA BTDC、35°CA BTDC、45°CA BTDC时对157FMI汽油机的燃烧过程的影响。

图2可知一定范围内，随着点火时刻提前，缸内压力、温度、压力升高率峰值均逐渐增大，且峰值相位也逐渐提前，瞬时放热率峰值出现了先增大后减小的趋势，但峰值相位逐渐提前。图2（a）可知，点火时刻45°CA BTDC相对5°CA BTDC压力峰值增大了52%，其峰值对应的相位由25°CA ATDC提前到11°CA ATDC，当点火时刻由5°CA BTDC提前到15°CA BTDC，缸内最高压力增幅最大;图2（b）缸内温度随点火时刻的变化规律与缸内压力相似，点火时刻45°CA BTDC相对5°CA BTDC温度峰值增大了10.95%，燃烧始点前移，燃烧持续时间变长，其原因为点火时发动机处于压缩行程，随着活塞的上行，燃烧的定容度增大，有助于火焰传播速度的提高，燃烧速度加快。如图（c）所示压力升高率峰值随点火时刻的提前逐渐增大，压力升高率的高低反映了此汽油发动机工作粗暴程度和等容度[15]，爆燃会增加燃油消耗率以及引起排放问题的恶化，如点火时刻为45°CA BTDC时，压力升高率最大为0.27MPa/°CA。一般汽油机的压力升高率在0.2～0.4MPa/°CA之间较合适，此范围内压力升高率越大火焰传播速率越高[16]。随着点火时刻的提前，瞬时放热率峰值出现了先增大后减小的趋势，且对应的相位由18.5°CA ATDC提前到了上止点，当点火时刻晚于35°CA BTDC时，后燃现象逐渐加重，不利于混合气的瞬时快速燃烧，则瞬时放热率峰值有相应幅度的下降，这是因为燃油混合时间短使得混合气浓度场分布适宜程度差。同时点火越晚，混合气的燃烧发生在活塞下行阶段的过程越长，燃烧定容性变差，与缸内压力、压力升高率变化规律相同。

3  点火时刻对温度分布的影响

通过分析燃烧性能曲线变化规律的影响，了解到合适的点火时刻可以提高发动机缸内的最大压力峰值、改善燃油的燃烧速率，接下来通过截取不同点火时刻下，发动机不同曲轴转角缸内的温度场的变化情况，对燃烧性能曲线得出的影响规律进行总结。

由图3可以看出，不同点火时刻，温度变化的整体分布及点火后温度变化的趋势大致相似，但缸内火焰传播速度快慢和高温区域面积有所不同，随着喷油时刻的的延后，相同的曲轴转角下，缸内高温区面积逐渐减小。这是由于随着点火时刻的提前缸内温度逐渐升高（如图2（b）），缸内温度升高有利于燃料的蒸发和分裂，同时随着点火时刻的提前缸内压力也逐渐增大（如图2（a）），缸内压力增大，混合气密度增大，分子运动平均自由程减短，反应物分子间碰撞机率增大，从而使得缸内燃烧反应速度加快，缸内的火焰传播速度和高温区域面积也是有所不同。随着燃烧过程的进行，缸内的高温区域逐渐向周围扩散，当喷油时刻为45°CA BTDC时，缸内的高温区面积大于其它几组说明此喷油时刻火焰传播速度快，有利于缸内混合气的快速燃烧。

4  结论

本文以157FMI发动机为研究基础，针对前人在157FMI发动机双火花塞燃烧室空间布置改造研究的基础上，将其发动机进气道喷射原型尝试性地利用缸内直喷技术，当发动机处于压缩阶段时将燃油直接喷射到缸内，发动机转速为2500r/min，喷油量为20mg，喷油器安装角度设定为55°时的情况下，研究了喷油时刻对缸内燃烧过程的影响，得到的结论如下：

①点火时刻分别为5°CA BTDC、15°CA BTDC、25°CA BTDC、35°CA BTDC、45°CA BTDC时点燃缸内混合气，随着点火时刻提前，缸内压力、温度，压力升高率峰值逐漸升高，瞬时放热率峰值出现了先增大后减小的趋势，但峰值相位逐渐提前。

②温度场的变化情况是对燃烧性能曲线得出的影响规律进行总结。喷油时刻为45°CA BTDC时，缸内的高温区面积大于其它几组，说明此喷油时刻火焰传播速度快，有利于缸内混合气的快速燃烧。

参考文献：

[1]秦秋实，吴志军，于秀敏，等.缸内直喷发动机分层燃烧过程仿真[J].吉林大学学报，2017，47（1）：106-112.

[2]张春化，李刚，宋建桐，等.引燃柴油喷油正时对LNG-柴油双燃料发动机燃烧特性的影响[J].内燃机工程，2016，37（05）：229-233.

[3]王孟，张力，黄永生，等.点火方案对摩托车发动机燃烧特性的影响[J].汽车工程学报，2011，1（2）：107-111.

[4]潘锁柱，宋崇林，裴毅强，等.点火定时对缸内直喷汽油机燃烧及颗粒物排放的影响[J].农业机械学报，2013，44（7）：24-27.

[5]刘胜吉，曾瑾瑾，李崇尚，等.点火提前角对通用小型汽油机缸内燃烧及排放的影响[J].内燃机工程，2016，37（05）：109-114.

[6]高莹，李晓晓，姜在先，等.引燃柴油喷射时刻对缸内直喷天然气燃烧的影响[J].车用发动机，2013，13（4）：61-65.

[7]贝太学，魏民祥，刘锐，等.点火参数对煤油活塞发动机燃烧影响的数值模拟[J].航空发动机，2016，42（4）：56-59.

[8]代志尧.喷射策略对缸内直喷汽油机性能和排放的影响[D].吉林大学，2017.

[9]马富康.对置活塞二冲程缸内直喷汽油机燃烧系统研究[D].北京理工大学，2016.

[10]Turbulence Modeling Resource[OL].NASA，2016-3-2. http：//turbmodels.larc.nasa.gov.

[11]冯帅，刘勇，张骞，等.缸内直喷汽油机喷油及燃烧过程三维数值模拟[J].车用发动机，2012（01）：15-22.

[12]谭文政，冯立岩，张春焕，等.缸内直喷汽油机工作过程三维数值模拟[J].内燃机学报，2011，29（3）：221-228.

[13]颜平涛.CY4102直喷式柴油机燃烧过程的仿真研究[D].四川：西华大学，2010.

[14]孙平，曹智，于秀敏，等.直喷时刻对复合喷射汽油机暖机过程燃烧和排放的影响[J/OL].吉林大学学报（工学版）：1-9[2019-12-09].

[15]颜伏伍，侯献军.汽车发动机原理[M].北京：人民交通出版社，2014：73.

[16]王建昕，帅石金.汽车发动机原理[M].北京：清华大学出版社，2011：220-223.

————————————

基金项目：邵阳学院研究生科研创新项目（CX2018SY022）;湖南省研究生科研创新项目（CX20190970）。

作者简介：孙振鹏（1992-），男，河南濮阳人，在读研究生，从事发动机燃烧方向研究;袁文华（通讯作者），男，教授，博士，硕士生导师，从事内燃机燃烧技术的研究。