二次噴油策略對(duì)噴油冷啟動(dòng)排放的影響

二次噴油策略對(duì)噴油冷啟動(dòng)排放的影響

隨著汽車(chē)壓力的要求的提高，冷啟動(dòng)和暖機(jī)之間的排放已成為研究和控制的重點(diǎn)。聯(lián)邦測(cè)試條例（1915年）要求配備三效蒸發(fā)器的汽車(chē)壓機(jī)，80%的hc和co排放來(lái)自冷啟動(dòng)步驟。推遲發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火可以讓更多的高溫流體快速通過(guò)催化器,使得催化器快速起燃,但這會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的穩(wěn)定性本文針對(duì)4G15直噴汽油機(jī),研究了一種通過(guò)特殊活塞頂面形狀、結(jié)合二次噴油策略來(lái)解決直噴汽油機(jī)冷啟動(dòng)工況的排放問(wèn)題的新方法,探討了直噴汽油機(jī)缸內(nèi)油氣的混合狀態(tài),實(shí)驗(yàn)研究了不同的噴油策略.1燃油燃燒系統(tǒng)優(yōu)化直噴汽油機(jī)的一個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題是冷啟動(dòng)工況的排放,由于啟動(dòng)時(shí)的噴油壓力不高,所以HC排放量較大.為了解決該問(wèn)題,本文采用特殊活塞頂面形狀對(duì)氣流進(jìn)行了合理的壁面引導(dǎo),再結(jié)合二次噴油策略來(lái)改善缸內(nèi)燃油分布.圖1為活塞頂面的形狀,其中進(jìn)氣側(cè)為凸起的斜坡,排氣側(cè)為凹陷的圓弧,凸起斜坡面上有一個(gè)圓弧凹槽,凹槽中心線(xiàn)正對(duì)火花塞.圖2為4G15直噴汽油機(jī)燃燒系統(tǒng)示意圖,其中噴油器在進(jìn)氣門(mén)的下方,氣門(mén)的中心線(xiàn)與斜坡面上的圓弧凹槽中心線(xiàn)位于同一平面內(nèi).這種設(shè)計(jì)不僅可以避免活塞與燃燒室的其他部件發(fā)生干涉,而且有利于解決燃油積聚于凹坑的問(wèn)題.24s15車(chē)輛值模擬2.1發(fā)動(dòng)機(jī)模型的選取4G15發(fā)動(dòng)機(jī)為4缸4沖程、進(jìn)氣可變配氣機(jī)構(gòu)(VVT)的直噴汽油(GDI)發(fā)動(dòng)機(jī),氣門(mén)以雙頂置凸輪軸驅(qū)動(dòng),點(diǎn)火在電子控制下進(jìn)行,燃燒室形狀為蓬頂?shù)男螤?具體參數(shù)見(jiàn)表1.圖3為三維模型下發(fā)動(dòng)機(jī)的移動(dòng)網(wǎng)格.網(wǎng)格劃分是從進(jìn)氣行程開(kāi)始至壓縮行程結(jié)束,亦即在360°～720°的單次噴射和二次噴射下對(duì)缸內(nèi)混合氣形成過(guò)程進(jìn)行模擬分析.由于4個(gè)氣缸的缸內(nèi)油氣混合狀態(tài)基本一致,所以可將第1缸作為研究對(duì)象.另外,由于氣缸是以氣門(mén)中心線(xiàn)對(duì)稱(chēng)的,故可選取燃燒室模型的1/2作為模擬區(qū)域,這樣既可節(jié)省計(jì)算時(shí)間,又可保證計(jì)算精度.2.2湍流模型的建立計(jì)算湍流模型采用2.3進(jìn)氣道入口壓力變化曲線(xiàn)本文主要研究直噴汽油機(jī)在啟動(dòng)工況下的缸內(nèi)混合氣形成機(jī)理,實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為300r/min.壁面邊界采用定溫條件,即268K,邊界層應(yīng)用湍流壁面函數(shù)來(lái)處理.初始時(shí)刻,各流體計(jì)算區(qū)域內(nèi)混合氣的流動(dòng)均視為空氣組分下的三維可壓縮黏性流動(dòng),不考慮燃油蒸氣的成分.入口邊界為壓力條件,壓力值為循環(huán)平均值.圖4為由一維發(fā)動(dòng)機(jī)模擬軟件Boost計(jì)算獲得的進(jìn)氣道入口壓力變化曲線(xiàn).初始的進(jìn)氣行程始于360°,噴油持續(xù)期在45°.3結(jié)果和分析3.1壓應(yīng)力狀態(tài)下燃油分布單次噴射噴油時(shí)刻在640°(噴油角圖6為單次噴射在噴油結(jié)束至點(diǎn)火前的缸內(nèi)混合氣的模擬結(jié)果.從圖6可以看出,隨著活塞的上行,活塞頂面的燃油進(jìn)一步蒸發(fā),反滾流增強(qiáng),排氣側(cè)燃油逐漸移向火花塞側(cè),但反滾流強(qiáng)度仍比較小且混合氣沒(méi)有足夠的時(shí)間返回火花塞,從而導(dǎo)致燃油主要分布在進(jìn)、排氣兩側(cè),點(diǎn)火前濃混合氣偏離火花塞中心,這均不利于點(diǎn)火.3.2分段噴射與噴油對(duì)醇類(lèi)高壓旋流體的影響GDI發(fā)動(dòng)機(jī)二次噴油是在進(jìn)氣和壓縮沖程的2次噴射實(shí)現(xiàn)的,第1次和第2次的噴油時(shí)刻分別在450°、660°.為了保證火花塞遠(yuǎn)端的混合氣不至于過(guò)稀而導(dǎo)致失火,保證火花塞附近濃混合氣的當(dāng)量比略高,本文取2次噴油量之比為4∶5,第2次的噴油量與單次噴油總量保持不變.圖7、圖8分別為GDI發(fā)動(dòng)機(jī)第1、第2次噴油及缸內(nèi)混合氣形成的過(guò)程.圖9為GDI發(fā)動(dòng)機(jī)2次噴油結(jié)束至點(diǎn)火前缸內(nèi)混合氣的形成過(guò)程.從圖7可以看出,隨著活塞下行和噴霧導(dǎo)致的氣流的發(fā)生,使得缸內(nèi)形成強(qiáng)烈的滾流運(yùn)動(dòng),這有助于燃油快速霧化.與單次噴射相比,分段噴射在第1次噴霧中的燃油質(zhì)量有所減少,從而加快了燃油霧化,減少了燃油碰壁現(xiàn)象,所以噴油時(shí)刻為480°時(shí)的混合氣濃度明顯降低.從圖8可以看出,分段噴射在第2次噴油中的動(dòng)量、射程及燃油碰壁現(xiàn)象較單次噴射明顯減少,混合氣霧化明顯加快.當(dāng)噴油時(shí)刻為665°時(shí),受?chē)婌F引導(dǎo)及活塞斜坡的影響,火花塞處的反滾流運(yùn)動(dòng)開(kāi)始形成,隨著噴油的持續(xù)進(jìn)行,反滾流強(qiáng)度逐漸增大;當(dāng)噴油時(shí)刻為680°時(shí),反滾流運(yùn)動(dòng)使得濃混合氣圍繞在活塞頂面的圓弧側(cè).從圖9可以看出,隨著燃油的持續(xù)蒸發(fā),排氣側(cè)逐漸形成稀混合氣.隨著活塞的持續(xù)上行,活塞頂圓弧側(cè)的反滾流運(yùn)動(dòng)逐漸減弱,但仍足以維持濃混合氣在火花塞附近運(yùn)動(dòng).當(dāng)噴油時(shí)刻為700°時(shí),火花塞周?chē)臍怏w當(dāng)量比可達(dá)到1.5左右,且稀混合氣均勻分布.當(dāng)噴油時(shí)刻為710°時(shí),濃混合氣繼續(xù)上移,此時(shí)火花塞周?chē)臍怏w當(dāng)量比維持在1.0～1.2之間,火花塞遠(yuǎn)端混合氣分布更為均勻,這有利于混合氣的燃燒,所以未燃HC排放減少.對(duì)比單次噴射和二次噴射可以看出,二次噴射可以減少燃油碰壁,提高燃油的蒸發(fā)速率.點(diǎn)火前,二次噴油可使缸內(nèi)火花塞處的混合氣較濃,火花塞遠(yuǎn)端的混合氣較稀,這有利于點(diǎn)火及火焰的傳播,所以未燃HC排放減少.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果與二次噴射實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比在4G15直噴發(fā)動(dòng)機(jī)上對(duì)2種啟動(dòng)噴射策略進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.實(shí)驗(yàn)中大氣環(huán)境溫度為-5℃,進(jìn)氣溫度為5℃,上止點(diǎn)的點(diǎn)火角為0°,上止點(diǎn)前的點(diǎn)火角為正,上止點(diǎn)后的點(diǎn)火角為負(fù).圖10為GDI發(fā)動(dòng)機(jī)在不同點(diǎn)火角下單次噴射圖10不同點(diǎn)火角下單次噴射與二次噴射的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比與二次噴射的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比.單次噴是在壓縮上止點(diǎn)前60°,即從圖10可以看出:當(dāng)點(diǎn)火提前角在-5°～5°時(shí),HC及NO與二次噴射相比,單次噴射時(shí)催化器溫度較低,這是由于單次噴射形成的混合氣的質(zhì)量較差,燃油不能充分燃燒,因此燃燒溫度降低,HC排放提高.從單次噴射過(guò)程的模擬結(jié)果可以看出,單次噴射容易造成局部混合氣過(guò)稀或過(guò)濃,過(guò)稀的混合氣易產(chǎn)生未燃HC,而過(guò)濃的混合氣易導(dǎo)致NO綜上可以看出,二次噴射可以顯著降低冷啟動(dòng)階段HC及NO5次噴油可降低未燃hc排放本文通過(guò)模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn),結(jié)合二次噴油策略,對(duì)4G15直噴汽油機(jī)的冷啟動(dòng)排放進(jìn)行了研究,結(jié)果如下.(1)通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn),單次噴油過(guò)程容易造成燃油積聚,不利于燃油的蒸發(fā)及混合,缸內(nèi)燃油分布不均,