王 方，王 志，齐运亮，刘永峰

（1.北京建筑大学机电与车辆工程学院，城市轨道交通车辆服役性能保障北京市重点实验室，北京 100044；2.清华大学，汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084）

前言

随着能源压力的持续攀升和人们节能环保意识的不断提高，汽车消费者对于发动机燃油经济性的要求逐渐提高。高进气增压和高压缩比是提升汽油机燃油经济性常用的技术手段，但随着进气压力和压缩比的不断提高，汽油机会发生爆震燃烧现象，在低速大负荷工况下，甚至会产生“超级爆震”[1－2]。这种非正常燃烧现象发生时，压力峰值可能高于30MPa，极具爆破性，严重限制了发动机燃油经济性的提升[3]。同时，抑制传统爆震的常用技术手段(点火推迟、混合气加浓、冷却水温降低等)无法避免具有偶发性的超级爆震燃烧现象。

通常认为，超级爆震产生的根源是在火花塞点火之前，外源引入导致缸内局部出现了早燃，早燃的发生是超级爆震产生的必要非充分条件[4]。燃烧室内的机油液滴是引起早燃的一种外源[3]。压缩行程后期，活塞减速向上运动，活塞运动的速度与加速度方向相反，气缸壁、活塞侧面与活塞环形成的间隙内的机油，由于惯性作用进入燃烧室中，机油在燃烧室的高温高压下很容易发生自燃，并点燃周围燃油空气混合气而发生早燃。国内外众多研究机构都开展了机油诱发早燃的试验研究。文献[5]中研究了机油引起的早燃现象，通过可视化手段，发现机油液滴在滴落过程中蒸发汽化并出现着火和火焰传播。文献[6]中采用喷油器将机油直接喷射到燃烧室内，通过台架试验观察到了发动机的早燃现象，研究了机油黏度、密度等物理性质对早燃产生的影响。文献[7]中用喷油器将合成机油直接喷射到光学发动机的燃烧室内，通过高速摄影拍摄到机油液滴诱发早燃并引起火焰传播的燃烧过程。同时，根据一些国内外机构的试验研究[8－9]，机油的物理性质(润湿性、黏度等)和化学组成(基础油、添加剂)，对发动机早燃和超级爆震的发生也有影响。

本文中对一台增压热力学单缸汽油机的早燃进行了多维数值模拟，对于采用喷油嘴将机油喷射入燃烧室内与燃油空气发生混合的物理过程以及机油/燃油/空气可燃混合气的化学反应过程进行了全面解析。研究中采用离散液滴模型描述机油液滴进入燃烧室内的物理过程，采用KH-RT破碎模型描述机油液滴在燃烧室内的破碎过程，采用Frossling模型模拟机油液滴在燃油/空气混合气中的蒸发汽化过程，采用一种补充了十六烷大分子反应机理的异辛烷化学反应机理模拟机油/燃油/空气混合气在燃烧室内的化学反应过程。通过与台架试验结果的对比，对采用的数理模型进行了验证。将有机油喷射和无机油喷射的模拟结果进行了对比分析，解析了机油液滴诱发增压汽油机早燃的详细物理化学过程。并通过在不同时刻向燃烧室内喷入等量机油的模拟计算，预测分析了机油喷射时刻对于发动机早燃的影响。

1 数理模型

1.1 KH-RT破碎模型

本文的多维模拟中，采用KH-RT破碎模型[10]模拟机油液滴在燃烧室内燃油/空气混合气中的破碎过程。其中，KH破碎模型用于模拟机油从油束变液滴的初始破碎过程，而RT破碎模型用于描述大液滴变小液滴的二次破碎过程。表面不稳定性的最大增长率kmax和相应的最大波长lw-max由下式求得:

式中:Oh为奥内佐格数；ro为母液滴的半径；ρl为液滴密度；Wel和Weg分别为液体和气体的韦伯数；σl为液体表面张力。

子液滴的半径rp和时间常数τp分别为

式中:λmax为增长速度最快的表面波波长；B0和B1为模型常数，本文中取 B0＝0.61，B1＝40。

1.2 Frossling液滴蒸发模型

本文中采用Frossling液滴蒸发模型[11]模拟机油液滴由液态蒸发为气态的过程。根据该模型，蒸发汽化造成的液滴半径变化率为

式中:rd为液滴半径；ρg为周围气体密度；D为该燃料在空气中的质量扩散率；Sh为舍伍德数，Bd为质量输运系数；Y∗l为液滴表面的燃油质量分数；Yl为液滴所在网格单元的燃油质量分数。

1.3 化学反应机理

为模拟燃烧室内机油/燃油/空气可燃混合气的燃烧过程，通过求解化学反应机理构成的非线性常微分方程描述气相的化学反应过程[12]。采用异辛烷数表征汽油的化学反应参数，用一种异辛烷化学反应机理来模拟气相化学反应过程[13]。该机理在激波管、射流火焰和层流火焰速度等方面都经过验证。模拟中采用十六烷值表征机油的化学反应参数，并将描述十六烷大分子反应的子机理[14]补充到异辛烷化学反应机理中，以模拟机油/燃油/空气可燃混合气的化学反应过程。

2 试验台架与模型验证

2.1 热力学单缸机

本研究中采用一台2气门的热力学单缸机，进气道安装有燃油喷油器，缸盖安装有机油喷油器，燃烧系统示意图如图1所示。进气道喷油器将燃油喷射入进气道，与空气混合形成可燃混合气，经由进气门进入燃烧室内。机油通过机油喷油器直接喷射入燃烧室的燃油/空气混合气内，雾化蒸发形成机油/燃油/空气混合气。

图1 燃烧系统示意图

发动机参数如表1所示。

表1 发动机主要参数

机油经单孔喷油器喷入燃烧室，喷孔直径为0.168mm，喷射压力为4.0MPa。发动机的运行工况如表2所示。为研究机油喷射时刻对早燃的影响，分别在压缩行程后期的不同时刻(上止点之前40，30和20°CA)向燃烧室内喷入等量(0.001 7mL))的机油。

表2 发动机运行工况

2.2 数值模型验证

图2为3种不同机油喷射时刻混合气着火时刻模拟值与试验值的对比。其中着火时刻(CA05)为累计放热率达到5%时对应的曲轴转角[15]。从图中可以看出，随着机油喷射时刻的提前，可燃混合气发生着火的时刻CA05推后，模拟结果与试验结果一致[16]。

图2 着火时刻模拟值与试验值的对比

3 结果与分析

3.1 机油诱发早燃的过程

为分析机油液滴诱发燃烧室内可燃混合气发生早燃的过程，首先计算了无机油喷射的算例，并将计算结果与机油喷射时刻(start of injection，SOI)为上止点前20°CA的早燃模拟进行对比分析。

图3为有机油喷射和无机油喷射缸内平均压力曲线对比。由图可见，对于有机油喷射的工况，缸内压力在火花塞点火之前就发生了急剧上升，最大爆发压力超过11MPa，即机油液滴的引入造成了缸内发生早燃。

图3 有无机油喷射的缸内压力曲线对比

图4 为机油喷射时刻为上止点前20°CA，缸内发生早燃的累计放热量和瞬时放热率。从图中可以看出，缸内发生着火的时刻CA05为上止点前3.3°CA，在上止点前 2°CA(CA05 之后约 1.2°CA)，燃烧室内出现了迅速大量的放热。

图4 SOI＝20°CA BTDC累计放热量和瞬时放热率

图5 为上止点前6°CA燃烧室内气态机油的质量分数分布的水平切片和中心位置局部放大图。从图中可见，早燃发生前，在该切片所在位置的气缸中心区域，燃烧室内出现了两个气态机油分布的浓区，如图片中深色区域所示。

图5 燃烧室内机油质量分数分布(6°CA BTDC)

图6 (a)和图6(b)分别为上止点前4°CA时刻，燃烧室内机油和燃油气体质量分数的分布。结合图5可以看出，在上止点前6°CA早燃发生时刻，机油气体两个浓区的中心区域的机油气体质量分数迅速降低。这说明机油气体分布浓区中心首先发生了化学反应，机油被迅速消耗。同时，由图6(b)还可看出，在机油发生化学反应的位置，燃油的浓度也迅速降低，说明燃油也发生了化学反应。

图6 机油、燃油、温度和压力分布(4°CA BTDC)

图6 (c)和图6(d)分别为上止点前4°CA缸内的温度场和压力场。由图可见，早燃发生时，在切片所在位置的中心，机油气体的两个浓区中心首先发生化学反应带来局部放热，该区域温度迅速升高，形成了两个局部热点(温度超过1 200K)。压力波以局部声速向四周传播，压力升高区域的面积大于温度升高区域的面积。此时，除了局部热点区域，燃烧室内其他部位的温度也均高于850K，压力高于3.3MPa，其热力学状态很容易发生自燃。

图7为上止点后2°CA缸内的燃油气体质量分数和温度的分布，此时，燃烧室内大量的燃油都发生了化学反应，并放出大量的热，发生化学反应区域的温度超过了2 000K。

图7 燃油气体质量分数的分布和温度分布(2°CA ATDC)

根据对机油喷射时刻为上止点前20°CA的早燃模拟结果的分析，可以得出，在压缩行程后期向燃烧室内喷入机油，伴随缸内气体的流动，燃烧室内能形成多个机油气体分布的浓区。伴随活塞上行，缸内温度压力不断提高，在机油气体分布的浓区，首先发生化学放热，形成多个局部热点，形成早燃。同时由于缸内气体的热力学状态很容易自燃，早燃发生之后，缸内的燃油/机油/空气混合气发生了迅速大面积的化学反应，放出大量的热，造成缸内温度和压力的大幅提升。

3.2 机油喷射时刻对早燃的影响

为分析机油喷射时刻对于早燃的影响，将机油喷射量固定为0.001 7mL，分别模拟了机油喷射时刻为上止点前40，30和20°CA的早燃过程。图8为不同机油喷射时刻下缸内平均压力曲线的对比。由图可见，当机油喷射时刻为20°CA BTDC时，缸内压力在上止点前就发生急剧升高，最大爆发压力为11.6MPa，当机油喷射时刻为30和40°CA BTDC，缸内压力在上止点后发生急剧增加，最大爆发压力分别为11.4和11.2MPa。伴随着机油喷射时刻的推迟，缸内压力急剧升高的时刻提前，缸内的最大爆发压力提高。

图8 不同机油喷射时刻下缸内压力曲线

图9 为不同机油喷射时刻缸内的累计放热量曲线。从图中可以看出，随着机油喷射时刻的推迟，缸内的累计放热提前。机油喷射时刻为上止点前40，30和20°CA时，其缸内发生着火的时刻(CA05)分别为上止点后 1.9°CA，1.1°CA和上止点前 3.3°CA，即随着机油喷射时刻的推迟，由机油液滴诱发缸内发生早燃的时刻提前。

图9 不同机油喷射时刻下的累计放热量

图10 为机油喷射时刻为上止点前40，30和20°CA的燃烧室内机油的累计蒸发量和蒸发速率。可以看出，在机油喷射过程中，伴随着机油喷射时刻的推后，机油累计蒸发量的稳定值增加，见图10(a)。同时，从图10(b)中可更直观地看出，随着机油喷射时刻的推后，机油的蒸发速率增加。当到达上止点附近时，机油的累计蒸发量伴随着喷射时刻推后而增加。这是因为在压缩行程，伴随着活塞上行，缸内的气体受到挤压，温度和压力不断提高。当机油喷射时刻较早时，气缸内的温度较低，不利于机油蒸发，因而分布在燃烧室中的机油液滴量减少了，而机油撞壁的可能性相应增加。机油液滴撞击在温度相对较低的燃烧室壁面上，形成油膜，燃烧室壁面温度低，油膜的蒸发缓慢，从而导致在接近上止点位置，燃烧室内机油的累计蒸发量较小。

图10 机油累计蒸发量和蒸发率

随着机油喷射时刻的推迟，机油在喷射过程中的蒸发量增加，机油发生撞壁形成的油膜量减少，在接近上止点时，缸内的累计机油蒸发量增加，从而增加了机油在缸内可燃混合气中的质量分数。同时，更早的机油喷射，使得缸内的机油/燃油/空气混合气有相对更长的时间发生着火。因此，燃烧室内更容易形成空间热点，从而造成早燃发生时刻(CA05)的提前。

4 结论

本文中采用CFD耦合化学反应机理对一台增压汽油机中机油液滴诱发的早燃过程进行了多维数值模拟，并研究了机油喷射时刻对早燃的影响，得到以下结论:

(1)在压缩行程后期向燃烧室内喷入机油，在燃烧室内会形成多个机油气体分布的浓区；

(2)在上止点附近，机油气体分布的浓区首先发生化学放热，形成多个局部热点，诱发早燃；

(3)早燃发生之后，缸内大量可燃混合气发生迅速的化学反应，放出大量的热，造成缸内温度和压力的大幅提升；

(4)随着机油喷射时刻的推迟，机油在喷射过程中的蒸发量增加，在接近上止点时，机油在缸内可燃混合气中的质量分数增加；

(5)随着机油喷射时刻的推迟，机油/燃油/空气混合气的着火延迟期越短，缸内发生早燃的时刻提前。

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