王 方，王 志，齊運(yùn)亮，劉永峰

（1.北京建筑大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，城市軌道交通車輛服役性能保障北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044；2.清華大學(xué)，汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

前言

隨著能源壓力的持續(xù)攀升和人們節(jié)能環(huán)保意識(shí)的不斷提高，汽車消費(fèi)者對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的要求逐漸提高。高進(jìn)氣增壓和高壓縮比是提升汽油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性常用的技術(shù)手段，但隨著進(jìn)氣壓力和壓縮比的不斷提高，汽油機(jī)會(huì)發(fā)生爆震燃燒現(xiàn)象，在低速大負(fù)荷工況下，甚至?xí)a(chǎn)生“超級(jí)爆震”[1－2]。這種非正常燃燒現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，壓力峰值可能高于30MPa，極具爆破性，嚴(yán)重限制了發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的提升[3]。同時(shí)，抑制傳統(tǒng)爆震的常用技術(shù)手段(點(diǎn)火推遲、混合氣加濃、冷卻水溫降低等)無(wú)法避免具有偶發(fā)性的超級(jí)爆震燃燒現(xiàn)象。

通常認(rèn)為，超級(jí)爆震產(chǎn)生的根源是在火花塞點(diǎn)火之前，外源引入導(dǎo)致缸內(nèi)局部出現(xiàn)了早燃，早燃的發(fā)生是超級(jí)爆震產(chǎn)生的必要非充分條件[4]。燃燒室內(nèi)的機(jī)油液滴是引起早燃的一種外源[3]。壓縮行程后期，活塞減速向上運(yùn)動(dòng)，活塞運(yùn)動(dòng)的速度與加速度方向相反，氣缸壁、活塞側(cè)面與活塞環(huán)形成的間隙內(nèi)的機(jī)油，由于慣性作用進(jìn)入燃燒室中，機(jī)油在燃燒室的高溫高壓下很容易發(fā)生自燃，并點(diǎn)燃周圍燃油空氣混合氣而發(fā)生早燃。國(guó)內(nèi)外眾多研究機(jī)構(gòu)都開展了機(jī)油誘發(fā)早燃的試驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[5]中研究了機(jī)油引起的早燃現(xiàn)象，通過可視化手段，發(fā)現(xiàn)機(jī)油液滴在滴落過程中蒸發(fā)汽化并出現(xiàn)著火和火焰?zhèn)鞑?。文獻(xiàn)[6]中采用噴油器將機(jī)油直接噴射到燃燒室內(nèi)，通過臺(tái)架試驗(yàn)觀察到了發(fā)動(dòng)機(jī)的早燃現(xiàn)象，研究了機(jī)油黏度、密度等物理性質(zhì)對(duì)早燃產(chǎn)生的影響。文獻(xiàn)[7]中用噴油器將合成機(jī)油直接噴射到光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室內(nèi)，通過高速攝影拍攝到機(jī)油液滴誘發(fā)早燃并引起火焰?zhèn)鞑サ娜紵^程。同時(shí)，根據(jù)一些國(guó)內(nèi)外機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)研究[8－9]，機(jī)油的物理性質(zhì)(潤(rùn)濕性、黏度等)和化學(xué)組成(基礎(chǔ)油、添加劑)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)早燃和超級(jí)爆震的發(fā)生也有影響。

本文中對(duì)一臺(tái)增壓熱力學(xué)單缸汽油機(jī)的早燃進(jìn)行了多維數(shù)值模擬，對(duì)于采用噴油嘴將機(jī)油噴射入燃燒室內(nèi)與燃油空氣發(fā)生混合的物理過程以及機(jī)油/燃油/空氣可燃混合氣的化學(xué)反應(yīng)過程進(jìn)行了全面解析。研究中采用離散液滴模型描述機(jī)油液滴進(jìn)入燃燒室內(nèi)的物理過程，采用KH-RT破碎模型描述機(jī)油液滴在燃燒室內(nèi)的破碎過程，采用Frossling模型模擬機(jī)油液滴在燃油/空氣混合氣中的蒸發(fā)汽化過程，采用一種補(bǔ)充了十六烷大分子反應(yīng)機(jī)理的異辛烷化學(xué)反應(yīng)機(jī)理模擬機(jī)油/燃油/空氣混合氣在燃燒室內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)過程。通過與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，對(duì)采用的數(shù)理模型進(jìn)行了驗(yàn)證。將有機(jī)油噴射和無(wú)機(jī)油噴射的模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，解析了機(jī)油液滴誘發(fā)增壓汽油機(jī)早燃的詳細(xì)物理化學(xué)過程。并通過在不同時(shí)刻向燃燒室內(nèi)噴入等量機(jī)油的模擬計(jì)算，預(yù)測(cè)分析了機(jī)油噴射時(shí)刻對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)早燃的影響。

1 數(shù)理模型

1.1 KH-RT破碎模型

本文的多維模擬中，采用KH-RT破碎模型[10]模擬機(jī)油液滴在燃燒室內(nèi)燃油/空氣混合氣中的破碎過程。其中，KH破碎模型用于模擬機(jī)油從油束變液滴的初始破碎過程，而RT破碎模型用于描述大液滴變小液滴的二次破碎過程。表面不穩(wěn)定性的最大增長(zhǎng)率kmax和相應(yīng)的最大波長(zhǎng)lw-max由下式求得:

式中:Oh為奧內(nèi)佐格數(shù)；ro為母液滴的半徑；ρl為液滴密度；Wel和Weg分別為液體和氣體的韋伯?dāng)?shù)；σl為液體表面張力。

子液滴的半徑rp和時(shí)間常數(shù)τp分別為

式中:λmax為增長(zhǎng)速度最快的表面波波長(zhǎng)；B0和B1為模型常數(shù)，本文中取 B0＝0.61，B1＝40。

1.2 Frossling液滴蒸發(fā)模型

本文中采用Frossling液滴蒸發(fā)模型[11]模擬機(jī)油液滴由液態(tài)蒸發(fā)為氣態(tài)的過程。根據(jù)該模型，蒸發(fā)汽化造成的液滴半徑變化率為

式中:rd為液滴半徑；ρg為周圍氣體密度；D為該燃料在空氣中的質(zhì)量擴(kuò)散率；Sh為舍伍德數(shù)，Bd為質(zhì)量輸運(yùn)系數(shù)；Y?l為液滴表面的燃油質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Yl為液滴所在網(wǎng)格單元的燃油質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.3 化學(xué)反應(yīng)機(jī)理

為模擬燃燒室內(nèi)機(jī)油/燃油/空氣可燃混合氣的燃燒過程，通過求解化學(xué)反應(yīng)機(jī)理構(gòu)成的非線性常微分方程描述氣相的化學(xué)反應(yīng)過程[12]。采用異辛烷數(shù)表征汽油的化學(xué)反應(yīng)參數(shù)，用一種異辛烷化學(xué)反應(yīng)機(jī)理來(lái)模擬氣相化學(xué)反應(yīng)過程[13]。該機(jī)理在激波管、射流火焰和層流火焰速度等方面都經(jīng)過驗(yàn)證。模擬中采用十六烷值表征機(jī)油的化學(xué)反應(yīng)參數(shù)，并將描述十六烷大分子反應(yīng)的子機(jī)理[14]補(bǔ)充到異辛烷化學(xué)反應(yīng)機(jī)理中，以模擬機(jī)油/燃油/空氣可燃混合氣的化學(xué)反應(yīng)過程。

2 試驗(yàn)臺(tái)架與模型驗(yàn)證

2.1 熱力學(xué)單缸機(jī)

本研究中采用一臺(tái)2氣門的熱力學(xué)單缸機(jī)，進(jìn)氣道安裝有燃油噴油器，缸蓋安裝有機(jī)油噴油器，燃燒系統(tǒng)示意圖如圖1所示。進(jìn)氣道噴油器將燃油噴射入進(jìn)氣道，與空氣混合形成可燃混合氣，經(jīng)由進(jìn)氣門進(jìn)入燃燒室內(nèi)。機(jī)油通過機(jī)油噴油器直接噴射入燃燒室的燃油/空氣混合氣內(nèi)，霧化蒸發(fā)形成機(jī)油/燃油/空氣混合氣。

圖1 燃燒系統(tǒng)示意圖

發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

機(jī)油經(jīng)單孔噴油器噴入燃燒室，噴孔直徑為0.168mm，噴射壓力為4.0MPa。發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況如表2所示。為研究機(jī)油噴射時(shí)刻對(duì)早燃的影響，分別在壓縮行程后期的不同時(shí)刻(上止點(diǎn)之前40，30和20°CA)向燃燒室內(nèi)噴入等量(0.001 7mL))的機(jī)油。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況

2.2 數(shù)值模型驗(yàn)證

圖2為3種不同機(jī)油噴射時(shí)刻混合氣著火時(shí)刻模擬值與試驗(yàn)值的對(duì)比。其中著火時(shí)刻(CA05)為累計(jì)放熱率達(dá)到5%時(shí)對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角[15]。從圖中可以看出，隨著機(jī)油噴射時(shí)刻的提前，可燃混合氣發(fā)生著火的時(shí)刻CA05推后，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致[16]。

圖2 著火時(shí)刻模擬值與試驗(yàn)值的對(duì)比

3 結(jié)果與分析

3.1 機(jī)油誘發(fā)早燃的過程

為分析機(jī)油液滴誘發(fā)燃燒室內(nèi)可燃混合氣發(fā)生早燃的過程，首先計(jì)算了無(wú)機(jī)油噴射的算例，并將計(jì)算結(jié)果與機(jī)油噴射時(shí)刻(start of injection，SOI)為上止點(diǎn)前20°CA的早燃模擬進(jìn)行對(duì)比分析。

圖3為有機(jī)油噴射和無(wú)機(jī)油噴射缸內(nèi)平均壓力曲線對(duì)比。由圖可見，對(duì)于有機(jī)油噴射的工況，缸內(nèi)壓力在火花塞點(diǎn)火之前就發(fā)生了急劇上升，最大爆發(fā)壓力超過11MPa，即機(jī)油液滴的引入造成了缸內(nèi)發(fā)生早燃。

圖3 有無(wú)機(jī)油噴射的缸內(nèi)壓力曲線對(duì)比

圖4 為機(jī)油噴射時(shí)刻為上止點(diǎn)前20°CA，缸內(nèi)發(fā)生早燃的累計(jì)放熱量和瞬時(shí)放熱率。從圖中可以看出，缸內(nèi)發(fā)生著火的時(shí)刻CA05為上止點(diǎn)前3.3°CA，在上止點(diǎn)前 2°CA(CA05 之后約 1.2°CA)，燃燒室內(nèi)出現(xiàn)了迅速大量的放熱。

圖4 SOI＝20°CA BTDC累計(jì)放熱量和瞬時(shí)放熱率

圖5 為上止點(diǎn)前6°CA燃燒室內(nèi)氣態(tài)機(jī)油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布的水平切片和中心位置局部放大圖。從圖中可見，早燃發(fā)生前，在該切片所在位置的氣缸中心區(qū)域，燃燒室內(nèi)出現(xiàn)了兩個(gè)氣態(tài)機(jī)油分布的濃區(qū)，如圖片中深色區(qū)域所示。

圖5 燃燒室內(nèi)機(jī)油質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布(6°CA BTDC)

圖6 (a)和圖6(b)分別為上止點(diǎn)前4°CA時(shí)刻，燃燒室內(nèi)機(jī)油和燃油氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布。結(jié)合圖5可以看出，在上止點(diǎn)前6°CA早燃發(fā)生時(shí)刻，機(jī)油氣體兩個(gè)濃區(qū)的中心區(qū)域的機(jī)油氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)迅速降低。這說(shuō)明機(jī)油氣體分布濃區(qū)中心首先發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，機(jī)油被迅速消耗。同時(shí)，由圖6(b)還可看出，在機(jī)油發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的位置，燃油的濃度也迅速降低，說(shuō)明燃油也發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。

圖6 機(jī)油、燃油、溫度和壓力分布(4°CA BTDC)

圖6 (c)和圖6(d)分別為上止點(diǎn)前4°CA缸內(nèi)的溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)。由圖可見，早燃發(fā)生時(shí)，在切片所在位置的中心，機(jī)油氣體的兩個(gè)濃區(qū)中心首先發(fā)生化學(xué)反應(yīng)帶來(lái)局部放熱，該區(qū)域溫度迅速升高，形成了兩個(gè)局部熱點(diǎn)(溫度超過1 200K)。壓力波以局部聲速向四周傳播，壓力升高區(qū)域的面積大于溫度升高區(qū)域的面積。此時(shí)，除了局部熱點(diǎn)區(qū)域，燃燒室內(nèi)其他部位的溫度也均高于850K，壓力高于3.3MPa，其熱力學(xué)狀態(tài)很容易發(fā)生自燃。

圖7為上止點(diǎn)后2°CA缸內(nèi)的燃油氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度的分布，此時(shí)，燃燒室內(nèi)大量的燃油都發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，并放出大量的熱，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)區(qū)域的溫度超過了2 000K。

圖7 燃油氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布和溫度分布(2°CA ATDC)

根據(jù)對(duì)機(jī)油噴射時(shí)刻為上止點(diǎn)前20°CA的早燃模擬結(jié)果的分析，可以得出，在壓縮行程后期向燃燒室內(nèi)噴入機(jī)油，伴隨缸內(nèi)氣體的流動(dòng)，燃燒室內(nèi)能形成多個(gè)機(jī)油氣體分布的濃區(qū)。伴隨活塞上行，缸內(nèi)溫度壓力不斷提高，在機(jī)油氣體分布的濃區(qū)，首先發(fā)生化學(xué)放熱，形成多個(gè)局部熱點(diǎn)，形成早燃。同時(shí)由于缸內(nèi)氣體的熱力學(xué)狀態(tài)很容易自燃，早燃發(fā)生之后，缸內(nèi)的燃油/機(jī)油/空氣混合氣發(fā)生了迅速大面積的化學(xué)反應(yīng)，放出大量的熱，造成缸內(nèi)溫度和壓力的大幅提升。

3.2 機(jī)油噴射時(shí)刻對(duì)早燃的影響

為分析機(jī)油噴射時(shí)刻對(duì)于早燃的影響，將機(jī)油噴射量固定為0.001 7mL，分別模擬了機(jī)油噴射時(shí)刻為上止點(diǎn)前40，30和20°CA的早燃過程。圖8為不同機(jī)油噴射時(shí)刻下缸內(nèi)平均壓力曲線的對(duì)比。由圖可見，當(dāng)機(jī)油噴射時(shí)刻為20°CA BTDC時(shí)，缸內(nèi)壓力在上止點(diǎn)前就發(fā)生急劇升高，最大爆發(fā)壓力為11.6MPa，當(dāng)機(jī)油噴射時(shí)刻為30和40°CA BTDC，缸內(nèi)壓力在上止點(diǎn)后發(fā)生急劇增加，最大爆發(fā)壓力分別為11.4和11.2MPa。伴隨著機(jī)油噴射時(shí)刻的推遲，缸內(nèi)壓力急劇升高的時(shí)刻提前，缸內(nèi)的最大爆發(fā)壓力提高。

圖8 不同機(jī)油噴射時(shí)刻下缸內(nèi)壓力曲線

圖9 為不同機(jī)油噴射時(shí)刻缸內(nèi)的累計(jì)放熱量曲線。從圖中可以看出，隨著機(jī)油噴射時(shí)刻的推遲，缸內(nèi)的累計(jì)放熱提前。機(jī)油噴射時(shí)刻為上止點(diǎn)前40，30和20°CA時(shí)，其缸內(nèi)發(fā)生著火的時(shí)刻(CA05)分別為上止點(diǎn)后 1.9°CA，1.1°CA和上止點(diǎn)前 3.3°CA，即隨著機(jī)油噴射時(shí)刻的推遲，由機(jī)油液滴誘發(fā)缸內(nèi)發(fā)生早燃的時(shí)刻提前。

圖9 不同機(jī)油噴射時(shí)刻下的累計(jì)放熱量

圖10 為機(jī)油噴射時(shí)刻為上止點(diǎn)前40，30和20°CA的燃燒室內(nèi)機(jī)油的累計(jì)蒸發(fā)量和蒸發(fā)速率。可以看出，在機(jī)油噴射過程中，伴隨著機(jī)油噴射時(shí)刻的推后，機(jī)油累計(jì)蒸發(fā)量的穩(wěn)定值增加，見圖10(a)。同時(shí)，從圖10(b)中可更直觀地看出，隨著機(jī)油噴射時(shí)刻的推后，機(jī)油的蒸發(fā)速率增加。當(dāng)?shù)竭_(dá)上止點(diǎn)附近時(shí)，機(jī)油的累計(jì)蒸發(fā)量伴隨著噴射時(shí)刻推后而增加。這是因?yàn)樵趬嚎s行程，伴隨著活塞上行，缸內(nèi)的氣體受到擠壓，溫度和壓力不斷提高。當(dāng)機(jī)油噴射時(shí)刻較早時(shí)，氣缸內(nèi)的溫度較低，不利于機(jī)油蒸發(fā)，因而分布在燃燒室中的機(jī)油液滴量減少了，而機(jī)油撞壁的可能性相應(yīng)增加。機(jī)油液滴撞擊在溫度相對(duì)較低的燃燒室壁面上，形成油膜，燃燒室壁面溫度低，油膜的蒸發(fā)緩慢，從而導(dǎo)致在接近上止點(diǎn)位置，燃燒室內(nèi)機(jī)油的累計(jì)蒸發(fā)量較小。

圖10 機(jī)油累計(jì)蒸發(fā)量和蒸發(fā)率

隨著機(jī)油噴射時(shí)刻的推遲，機(jī)油在噴射過程中的蒸發(fā)量增加，機(jī)油發(fā)生撞壁形成的油膜量減少，在接近上止點(diǎn)時(shí)，缸內(nèi)的累計(jì)機(jī)油蒸發(fā)量增加，從而增加了機(jī)油在缸內(nèi)可燃混合氣中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。同時(shí)，更早的機(jī)油噴射，使得缸內(nèi)的機(jī)油/燃油/空氣混合氣有相對(duì)更長(zhǎng)的時(shí)間發(fā)生著火。因此，燃燒室內(nèi)更容易形成空間熱點(diǎn)，從而造成早燃發(fā)生時(shí)刻(CA05)的提前。

4 結(jié)論

本文中采用CFD耦合化學(xué)反應(yīng)機(jī)理對(duì)一臺(tái)增壓汽油機(jī)中機(jī)油液滴誘發(fā)的早燃過程進(jìn)行了多維數(shù)值模擬，并研究了機(jī)油噴射時(shí)刻對(duì)早燃的影響，得到以下結(jié)論:

(1)在壓縮行程后期向燃燒室內(nèi)噴入機(jī)油，在燃燒室內(nèi)會(huì)形成多個(gè)機(jī)油氣體分布的濃區(qū)；

(2)在上止點(diǎn)附近，機(jī)油氣體分布的濃區(qū)首先發(fā)生化學(xué)放熱，形成多個(gè)局部熱點(diǎn)，誘發(fā)早燃；

(3)早燃發(fā)生之后，缸內(nèi)大量可燃混合氣發(fā)生迅速的化學(xué)反應(yīng)，放出大量的熱，造成缸內(nèi)溫度和壓力的大幅提升；

(4)隨著機(jī)油噴射時(shí)刻的推遲，機(jī)油在噴射過程中的蒸發(fā)量增加，在接近上止點(diǎn)時(shí)，機(jī)油在缸內(nèi)可燃混合氣中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加；

(5)隨著機(jī)油噴射時(shí)刻的推遲，機(jī)油/燃油/空氣混合氣的著火延遲期越短，缸內(nèi)發(fā)生早燃的時(shí)刻提前。

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