后喷策略对汽油压燃燃烧及碳烟排放的影响

王 浒，左青明，王梦玉，郑尊清

后喷策略对汽油压燃燃烧及碳烟排放的影响

王 浒，左青明，王梦玉，郑尊清

(天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072)

针对大负荷条件下汽油压燃碳烟排放高的问题，基于三维流体力学软件CONVERGE开展了汽油压燃燃烧及碳烟生成氧化过程影响的数值模拟，系统研究了在废气再循环(EGR)结合气道喷射(PFI)情况下，后喷策略对大负荷条件下汽油压燃燃烧过程及碳烟生成氧化过程的影响规律和机制．研究结果表明，在复合喷射策略条件下，后喷使主喷油量减少从而降低了前期碳烟的产生，且后喷燃料的燃烧加速燃烧后期碳烟的氧化过程，从而使整体碳烟排放降低；在EGR率为20%、气道喷射比例为40%、主喷时刻为－8°CA ATDC、主喷-后喷间隔为10°CA、后喷油量为5mg时，可以同时获得较高的热效率(45.959%)及较低的碳烟和NO排放，同试验基准相比，NO排放降低68.3%，最大压升率降低28.6%；相较于单次喷射，碳烟排放降低14.7%．

汽油压燃；碳烟排放；气道喷射；后喷策略

近年来，面对环境和能源问题的双重挑战，保持汽车动力性并尽量降低油耗和排放成为重要挑战．汽油压燃(gasoline compression ignition，GCI)，作为一种高效清洁的新型燃烧方式，受到了广泛关注．但由于小负荷下汽油自燃着火特性差且缸内温度、压力较低，大负荷下混合不足，汽油压燃存在小负荷着火稳定性差及大负荷碳烟排放较高等问题[1-2].

为解决GCI燃烧方式存在的问题，国内外开展了许多相关研究．通过喷油策略及EGR的控制来改善油气混合过程，是实现高效率、低排放燃烧的一种有效方法[3-4]．Manente等[5]在汽油部分预混燃烧模式下研究了进气压力、EGR、燃烧相位、转速及预喷比例对内燃机热效率、排放及最大压升率的影响，并进行了优化．郑尊清等[6]通过实验探究两次喷射参数及EGR对GCI燃烧及排放的影响．Liu等[7]研究了气道喷射结合缸内直喷策略对GCI的影响，气道喷射比例增加，喷油时刻提前使得预混燃烧提前且放热增加，碳烟排放减少，而EGR率的提高使NO减少的同时会使HC和CO排放增加．在郑尊清等[8]对GCI燃烧过程中的碳烟生成、发展及其氧化过程的研究中，发现以PAH为前驱物的多步法现象学碳烟模型(Gokul模型)有较好的预测性能．郑尊清等[9]基于CONVERGE软件，使用TRF-PAH化学动力学模型和Gokul多步法碳烟模型，研究了气道喷射比例、主喷时刻、主喷-预喷间隔对大负荷下GCI的影响，通过喷射策略优化提升了热效率并降低了碳烟排放，但NO排放较高，最大压升率较高；之后利用EGR降低燃烧速率并改善了NO排放．多次喷射技术目前被广泛用于内燃机排放控制，其中后喷策略可以起到显著降低碳烟排放的作用．后喷策略降低碳烟排放的主要原因有：加强缸内流动，促进油气混合，改善燃烧[10]；提高燃烧后期缸内温度，促进碳烟的氧化；主喷油量减少，主喷燃油燃烧更充分[11-12]．

综上所述，本研究基于课题组已开展的研究[7-9]，在已确定的进气道喷射比例、EGR率基础上，探究后喷策略对GCI燃烧过程及碳烟生成氧化过程的影响，并与单次喷策略在大负荷下GCI燃烧及排放的影响规律方面进行了对比．本文开展的EGR耦合进气道喷射、后喷策略对GCI燃烧及碳烟生成氧化过程的影响机制的研究，可为进一步改善GCI大负荷工况碳烟排放、实现高效清洁燃烧提供理论指导．

1 模型建立及验证

1.1 模型设置

本文基于台架试验数据采用CONVERGE软件建立了GCI发动机数值模拟模型，技术参数如表1所示．由于本文模型基于的发动机为8孔喷油器，所以在计算中以1/8扇形体作为计算域，从而提高计算效率．在平衡计算准确性和计算效率的基础上，模型网格基本尺寸设为2mm，采用2级自适应加密和局部嵌入式加密．最终，整体模型最小网格尺寸为0.5mm，计算最大网格数约为300000，计算网格如图1所示．

表1 发动机主要技术参数

Tab.1 Engine specifications

图1 上止点时的计算网格示意

模型所采用的化学反应机理为Wang等[13]构建的包含109个组分和543步化学反应的TRF-PAH简化化学反应动力学机理，该机理能够较好地预测正庚烷、异辛烷和甲苯的滞燃期、热解物质浓度以及层流火焰速度，同时能够较好地预测燃料燃烧过程中PAH的生成．模拟采用的其他子模型如表2所示，其中碳烟模型为Vishwanathan等[14]提出的以PAH为碳烟前驱物的多步法现象学碳烟模型(Gokul模型)．该模型以A4为碳烟前驱物，以C2H2为碳烟的表面生长组分，以OH和氧气为碳烟氧化过程的关键组分，包括了碳烟的初始成核、表面生长、凝聚和氧化等过程，同时考虑到了气相动力学以及碳烟颗粒从气相到固态颗粒的相变过程，能够预测碳烟颗粒直径和数密度的分布变化．此模型在本课题组之前的研究中已完成标定和验证[8]．

表2 主要子模型

Tab.2 Main submodels

1.2 模型验证

模型标定过程中对比的试验数据为台架试验发动机在GCI燃烧模式大负荷工况下得到的，喷油策略为气道喷射结合预喷-主喷，试验中燃料为92号汽油，工况设定的边界条件如表3所示．计算过程中采用三组分TRF汽油替代物(16.3%正庚烷、52.7%异辛烷和31%甲苯)[17]模拟92号汽油．

表3 模型标定边界条件设置

Tab.3 Setting of calibrated boundary conditions in the model

图2为模拟计算的缸压、放热率与试验数据的对比，模拟时采用与试验相同的喷射策略与循环油量.在缸内压力方面模拟试验结果吻合良好，放热率曲线也能够较好地反映燃烧过程特点．燃烧及排放特性参数的对比如表4所示．其中NO排放和最大压升率相较于试验结果略低；燃烧相位、碳烟排放、燃烧效率与试验结果误差在6%以内．综合来看，模型能够较准确地反映发动机实际的工作过程．

图2 实验与模拟缸内压力、放热率对比

表4 实验与模拟燃烧排放参数对比

Tab.4 Comparison of emission parameters between ex-perimental and simulation results

2 结果与分析

针对大负荷条件下GCI碳烟排放高的问题，在文献[9]的研究中，采用EGR＋气道喷射＋预喷的复合策略，将大负荷GCI碳烟排放减少19%，但存在压力升高率接近限值的问题．后喷策略同样可以起到有效降低碳烟排放的作用，同时主喷油量减少对压力升高率也会有帮助，因此本文探究利用后喷策略降低大负荷GCI碳烟排放问题，为GCI大负荷工况下控制策略的选择提供理论指导．相关算例及其各变量参数设置如下：EGR率固定为20%，气道喷射比例固定为40%，主喷时刻为－8°CA ATDC．具体参数设置见表5．

表5 相关算例及其各变量参数的取值范围

Tab.5 Related cases and the range of values of each variable parameter

2.1 主喷-后喷间隔的影响

图3为不同主喷-后喷间隔的缸内压力、放热率曲线以及缸内平均温度．如图所示，主喷-后喷间隔的改变对缸内压力以及前期放热过程的影响较小，主要影响燃烧后期的放热率及缸内温度．相比缸内单次直喷，后喷使得主喷油量减少，主喷燃油燃烧期间放热减少，整体燃烧持续期随之延长．此外，随着主喷-后喷间隔增大，后喷时刻推迟，后喷燃油喷入时缸内温度降低，其放热也不断减少，因此燃烧后期由后喷引起的放热峰值降低且缸内温度有所下降．

图4为不同主喷-后喷间隔的IMEP、热效率以及排放情况．后喷时刻对NO排放的影响较小，而随着后喷的引入及后喷时刻的推迟，IMEP、热效率降低．相比单次缸内直喷，主喷-后喷间隔为10°CA时能够有效降低碳烟排放，但随着后喷时刻的推迟碳烟排放不断升高甚至高于缸内单次直喷．一方面，后喷油量的喷入对燃烧过程缸内压力及温度的影响较小，因此NO排放随后喷时刻的变化并不明显；另一方面，后喷油量喷入缸内，主喷-后喷间隔较小时，后喷燃油的燃烧能够提高燃烧后期缸内温度，促进碳烟的氧化使得碳烟排放降低，但当主喷-后喷间隔较大时，其燃烧在膨胀行程中进行，缸内温度和压力不断降低，喷油难以完全燃烧，使得在IMEP和热效率降低的同时还产生了新的碳烟．

图3 不同主喷-后喷间隔的缸内压力、放热率曲线以及缸内平均温度

图4 不同主喷-后喷间隔时的IMEP、热效率以及碳烟、NOx排放

图5为不同主喷-后喷间隔下在后喷燃油喷入后的缸内温度及当量比分布情况．后喷燃油喷入缸内时燃烧过程进入后期，随着后喷时刻的推迟，缸内温度和当量比降低，高温及高当量比区域缩小．后喷燃油喷入缸内后在油束末端进行扩散燃烧，在较早的后喷时刻下后喷燃油的燃烧一定程度上提高了缸内燃烧后期的温度，但随着后喷时刻的推迟，后喷油量不完全燃烧，放热减少，对缸内温度的影响很小且使得热效率降低．

为了进一步探究在PFI结合主喷-后喷的复合喷射策略下，主喷-后喷间隔对GCI燃烧过程中碳烟生成和氧化的影响机制，进一步分析了不同主喷-后喷间隔下的碳烟生成演化历程、关键中间组分及碳烟质量、碳烟数密度和主要反应速率的分布．图6为不同主喷-后喷间隔时的碳烟生成演化过程．从图中可以看到，后喷的引入使得碳烟质量峰值明显降低，这主要是因为加入后喷后，主喷油量减少，主喷燃油放热减少，缸内温度降低，碳烟生成减少．在燃烧后期，较小主喷-后喷间隔下，后喷燃油燃烧较早，碳烟生成也较早，缸内温度较高，氧化作用较强使得碳烟最终排放降低，主喷-后喷间隔过大使得后喷燃油燃烧产生的碳烟无法完全氧化，碳烟排放升高．

图6 不同主喷-后喷间隔的碳烟生成演化历程

后喷燃油喷入缸内后，碳烟的生成氧化过程受到影响，因此进一步分析了40°CA ATDC时刻下缸内的温度、当量比、碳烟生成氧化关键组分以及碳烟的生成氧化情况，如图7所示．40°CA ATDC时，相比缸内单次喷射，较小的主喷-后喷间隔下后喷燃油燃烧接近结束，缸内温度和当量比处于较低水平，但油束所在区域温度略有升高，A4、C2H2、OH的分布较少且随着主喷-后喷间隔的改变变化不大．而主喷-后喷间隔较大(25°CA ATDC)时，后喷燃油燃烧正在进行，油束所在区域当量比明显升高，且C2H2的分布区域也有较为明显的增加，A4在喷油器附近的分布减少、在油束区域的分布则增多．40°CA ATDC时刻下碳烟氧化过程起主导作用，不同后喷时刻下氧化速率均处于较高水平，且相比单次喷射，较小的主喷-后喷间隔下缸内整体氧化速率有所提升，成核速率和表面生长速率与单次喷射下差别不大，因此碳烟及数密度在较强的氧化作用下低于单次喷射．较大的主喷-后喷间隔下成核速率和表面生长速率分布有所增大，而氧化速率有所减小，新的碳烟产生但无法完全氧化，使得其碳烟及数密度也有所升高．

2.2 后喷油量的影响

在研究主喷-后喷间隔对GCI燃烧及碳烟生成氧化过程影响的基础上，设置主喷-后喷间隔为10°CA，并在保证总循环喷油量和气道喷射比例不变的前提下，进一步研究不同后喷油量对GCI燃烧过程及碳烟生成氧化过程的影响．图8为不同后喷油量下的缸压、放热率曲线及缸内平均温度．由结果可知，随着后喷油量的增加，主喷油量减少，主喷燃油的燃烧持续期缩短，燃烧也更为集中，最大爆发压力及燃烧前期缸内平均温度略有增大．而随着后喷油量增加，燃烧后期放热率也有所下降，缸内温度降低．图9为不同后喷油量下的IMEP、最大压力升高率、热效率以及燃烧持续期情况．随着后喷油量的增加，后喷燃油的不完全燃烧加重，燃烧持续期延长，IMEP及热效率降低．

图8 不同后喷油量时的缸内压力、放热率曲线以及缸内平均温度

图9 不同后喷油量的IMEP、最大压力升高率以及热效率、燃烧持续期

图10是不同后喷油量的NO和碳烟排放情况以及碳烟生成演化历程．随着后喷油量的增加，碳烟排放升高，NO变化较小．与缸内单次直喷相比，后喷油量较小时能够有效降低碳烟排放，但后喷油量过大时其不完全燃烧会导致新的碳烟产生，从而使得碳烟最终排放有所升高．随着后喷油量的增加，碳烟质量峰值有所降低，但由于后期氧化作用减弱(如图11所示)，后喷燃油燃烧生成的碳烟未完全氧化，使得碳烟最终排放升高．

图10 不同后喷油量的NOx及碳烟排放和碳烟生成演化历程

图11是40°CA ATDC时不同后喷油量的缸内温度、当量比、碳烟生成氧化关键组分分布情况. 40°CA ATDC时刻下，后喷油量较少时其燃烧已基本结束，高温及高当量比区域减小，随着后喷油量的增加，其燃烧持续时间加长，缸内仍存在一定范围的高温及高当量比区域．OH、A4及C2H2等碳烟生成氧化过程的关键组分随着后喷油量的增加有所减少．随着后喷油量的增加，缸内碳烟质量及其数密度分布减少，成核速率、表面生长速率及氧化速率也有所降低．但由于此时处于燃烧后期，氧化作用对最终的碳烟排放有更为重要的影响，从而造成碳烟排放随着后喷油量的增加而升高(如图10(b))．

综合上述分析，采用气道喷射结合主喷-后喷的复合喷射策略，在EGR率为20%、气道喷射比例为40%、主喷时刻为-8°CA ATDC时，主喷-后喷间隔和后喷油量分别为10°CA和5mg时，可以获得较低的碳烟和NO排放，最大压升率也处于较低的水平，且热效率较高．将这一结果与气道喷射结合缸内单次喷射(EGR率为20%、气道喷射比例为40%、主喷时刻为-8°CA ATDC)以及试验基准工况对比，如表6所示．同试验基准工况相比，NO排放降低68.3%，最大压升率降低28.6%，碳烟排放也略有降低(3.5%)；同采用单次喷射的复合策略相比，碳烟排放降低14.7%，同时维持NO排放、最大压升率保持在较低水平，热效率略有降低．

表6 不同复合喷射策略结果对比

Tab.6 Comparison of results under different hybrid injection strategies

3 结 论

本文将EGR和气道喷射与后喷策略耦合，在课题组已有研究的基础上，研究了气道喷射结合主喷-后喷的复合喷射策略下控制参数(主喷-后喷间隔和后喷油量)对燃烧、排放及碳烟生成氧化的影响规律．最后对“EGR＋气道喷射＋后喷”和“EGR＋气道喷射＋单次喷射”两种复合喷射策略的GCI燃烧、性能及排放进行了对比，为改善GCI大负荷燃烧过程、控制压力升高率、降低碳烟和NO排放提供理论指导．

(1) 气道喷射结合后喷策略耦合EGR时，采用较小的主喷-后喷间隔及后喷油量能够促进燃烧后期碳烟的氧化，从而使得碳烟排放降低；在总循环油量不变的条件下，后喷油量使得主喷油量减少，前期碳烟生成减少．

(2)EGR和气道喷射耦合后喷策略与基准工况相比，NO排放降低68.3%，最大压力升高率降低28.6%，碳烟排放也略有降低(3.5%)；与单次喷射相比，碳烟排放可以得到有效降低(降低14.7%)．

(3)在EGR率为20%、气道喷射比例为40%、主喷时刻为－8°CA ATDC、主喷-后喷间隔为10°CA、后喷油量为5mg时，可以保持较高的热效率(45.959%)和较低的碳烟及NO排放．

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Effects of Post Injection Strategy on Gasoline Compression Ignition and Soot Emissions

Wang Hu，Zuo Qingming，Wang Mengyu，Zheng Zunqing

(State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

For the problem of high soot emissions of gasoline compression ignition(GCI) under high load conditions，the effects of post injection strategy coupled with exhaust gas recirculation(EGR) and port fuel injection (PFI) on the combustion process and soot formation process of GCI are studied under high load conditions based on software CONVERGE. Simulation results show that the soot formation can be suppressed at the early stage because of the less DI fuel portion and the soot oxidation can be enhanced through post injection fuel at the later stage of combustion，thus lowering the soot emissions as a whole. At the EGR rate of 20%，the PFI ratio of 40%，the main injection timing of -8°CA ATDC，the main-post injection interval of 10°CA，and the post injection mass of 5mg，soot emissions can be reduced by 14.7% compared with single injection strategy while still maintaining a high thermal efficiency (45.959%). In addition，NOemissions can be reduced by 68.3%，and the maximum pressure rise rate can be reduced by 28.6% compared with the experimental baseline.

gasoline compression ignition；soot emissions；port fuel injection；post injection strategy

TK41

A

1006-8740(2021)03-0263-08

10.11715/rskxjs.R202007003

2020-07-02．

国家自然科学基金资助项目(51976134；51876140).

王 浒（1982—  ），男，博士，研究员，wanghu@tju.edu.cn．

郑尊清，男，博士，研究员，zhengzunqing@tju.edu.cn．

(责任编辑：武立有)