缸内直喷汽油机通过最优同步单次或二次喷射提高能源效率的喷射策略

缸内直喷汽油机通过最优同步单次或二次喷射提高能源效率的喷射策略

摘要

在所谓的混合模式增加情况下完成最大的燃料效率优势的汽油缸内直喷,其中混合物特性准确地适应特定的工作条件。特别是在中等范围的负荷和转速,整体混合物被用于所谓的直接喷射分层充气操作是合适的。

本文提出报告是数值优化分析旨在增加能量效率的GDI发动机配备高压多孔喷油器在单和双同同步注入条件下的结果。在中等的负荷中等速度条件下,工作循环是通过单或双注入同步过程影响它们的缸内过程的三维数值模型。这种选择同时使开始喷射和时间的点火提前达到最大化发动机工作。

再一次喷射中，最优的双喷射体现在增加发动机能源效率方面的实现，因此在精确计算后通过分层来确保分步注射质量的提高。也主要污染物排放的影响进行了讨论。

1.引言

尽管对环境问题的担心导致了需要越来越降低燃料消耗的内燃机，多年来对汽车越来越高 性能的要求从未真正减弱。一个显著提高燃料效率的汽车推进系统直到在传统的内部燃烧技术中使用直接喷射才得到重大转变。在SI引擎中，特别是，GDI今天被认为是必不可少的，同时增加了低排放和涡轮增压：发动机排量的减少，而低端扭矩的增加是通过空气增压，压缩比上升和缸内混合气的形成实现的。这些措施不仅解决了发动机PFI系统的主要缺点，即发动机在部分负荷运行中的泵气损失（例如发动机大部分在城市道路中工作），而且这些措施还提供了其他一些优点。敲缸的产生有利于缸内蒸发的燃油蒸汽的冷却作用。在DISC模式中，发动机可以在低混合气浓度时运行，通过创造一种火花塞附近和汽缸壁附近更低浓度的混合气条件。这样可以减少缸壁上的热损失，减少CO和CH的生成，同时很大程度的增加发动机的容积效率。

在过去的几年中，很多研究和发展工作导致喷射系统在燃油喷射准备和输送时越来越可靠，并且实现在极其低浓度混合气下的点火，三个不同的概念可以实现混合气的准备和燃烧（1,2）。在壁面引导燃烧模式下，燃油蒸气通过气缸壁或适当形状的活塞表面输送到火花塞附近。这个理念会导致燃油沉积物和未染碳氢排放的增加。空气引导燃烧模式作为前者的替代，通过适当的空气运动防止燃料粘在缸壁上，但是不能提供对燃烧室里实际空燃比的控制。最后，喷雾引导燃烧理念通过火花塞和喷雾合适的位置关系确定了可燃混合气在点火时的位置（3,4）。目前，充分利用喷雾引导燃烧模式被认为是依靠混合物在燃烧室内的湍流促使在发动机工作过程中火焰传播和实现混合物全面的、快速的熄灭（5）。缸内湍流强度随发动机转速增加，这妨碍了混合物在更高的运行环境下稳定的分层；另一方面，要使负载增加时保持混合气分层会导致局部混合气过浓，这可能会引起颗粒物的增加。这意味着当今小型发动机只有在小负荷和低速通常运行可行，而在大负荷、全负荷和高速运行时，发动机必须在均匀的理论配比下工作。图1,来自参考文献（6,7）总结了上述概念。GDI发动机三个主要的区域在下面的转速负荷曲线中可以区分出来。一个是分层区域，这个区域里点火，火花塞周围混合气为理论配比或略微浓的混合气并且尽可能不使混合气接近缸壁（整体上为稀薄的空燃比），第二个区域为在更高负荷和更高转速时均匀的理论空燃比，第三个为中间均匀的稀薄混合气。

图1 GDI混合的最优模式

混合物特性随发动机负荷和转速改变，即通常所说的“混合模式”直接升压，在实践中，它的实现遇到一些困难，困难在于需要具有处理效率越来越高的后处理系统和低浓度运行，和完全稳定的缸内分裂喷射（8,9）。分裂喷射的特征在于，例如，在进气冲程和压缩冲程，被认为有利于火焰点火区的能量转换。换句话说，合适的分裂喷射不仅适用在稀薄分层模式，实现了更快的催化加热，而且还提供了一个恒定的扭矩与低氮氧化物排放量在分层和均质模式之间的变换，减少了颗粒物的生成，减少了在稳定工况的部分负荷的燃料消耗和增加了在较高负荷的爆震极限。最优的分裂喷射条件和喷射时间取决于发动机的设计。分裂喷射对低浓度混合物燃烧的发展有积极影响，这主要来自于点火时第二次喷射活动浓混合气在点火位置附近的燃料蒸发（10）。

以上所描述的情景清楚地显现，进一步发展GDI发动机，强烈要求对喷雾和周围空气流动之间基本的复杂现象有全面的认识，同时这些现象也受发动机控制参数变化的影响。不同的研究致力于描述在DISC模式下室流程相关的GDI发动机，这些可见文献（11—15）。他们中的一些从数值上处理这个问题。CFD技术具有捕捉复杂现象的功能，和DISC发动机缸内的物理和化学过程密切相关，包括瞬态三维动态的燃料喷射和蒸发，喷雾壁撞击，燃料—空气混合，点火，燃烧，传热和污染物的形成。然而，不能充分利用先进的计算机技术保证发动机整个工作的地图中期望的供油量和供油时刻，因此，最佳的喷油时刻关系到稳定的点火时刻及火花点火和燃烧特性。

目前的工作只是针对评估一种在GDI发动机的工作循环中实现理想的同步单双喷射来减少燃油消耗。这个任务的进行通过研究者[16]开发的一种自动运行的最优化的软件(mode-FRONTIER? [17])建立三维数值发动机模型。相对于一维数值模型，三维发动机模型显然是优先选择，这主要由于需要深入研究燃烧室内喷雾的时间和空间的动态现象以及由此产生的燃油蒸发和与空气的混合。事实上，这个工作的主要目的是应用混合气行程的优化技术实现发动机燃烧效率的最大化。

高性能的单缸，四气门，四冲程， 638毫升排量，适用于摩托车的GDI发动机的应用程序还在设计阶段。汽油供应通过假定的新一代六孔高压喷油器喷入缸内，基本特征表现在质量流速试验台和光学可见的气缸内。该结果如下。在第二段中描述了喷油器在二次喷射策略时的实验特征。对发动机质量流量的测量体现在发动机三维模型的输入参数。第三段描述了对模拟喷雾动态三维模型的验证，在三维发动机模型中也考虑到它包含的一些细节。在第四段中，描述了两个具有代表性的发动机在实验条件下的运行条件，一个高负荷一个中等负荷。在最后这个情况下，研究了一种稀薄分层的运行。一个低浓度混合物的研究结果表明，

在同步单次喷射和二次喷射策略下，提出了中等负荷中等速率的工作条件的细节，包括对污染物形成的关注。

2. 二次喷射策略条件下GDI喷油器实验特性

目前研究所用的喷油器都来自于HDEV 5.1 Bosch公司。它六个孔的直径为0.193mm，电磁驱动，在10MPa的喷射压力下每分钟喷入820g燃料。六个喷射位置使喷雾的路径构成一个中间空的椭圆体形状。这个实验致力于研究喷油器在单次喷射策略下的特性[16]。它包括由博世原理的AVL计得到的燃油的瞬时质量流动速率测量值，和在光学可见气缸内得到的喷雾图像，缸内在温度压力（298 K和0.1兆帕）的控制条件下充有氮气。

在这分析了分流喷射，通过AVL计，所需燃料的供给参考发动机在富氧条件下高负荷和中负荷运行。脉冲持续时间的校核分别为50 mg/str喷油压力为10MPa或者20 mg/str 喷油压力为6MPa。二次喷射策略在这样一种方式下确立，被分裂的总燃料量的百分比为50 + 50。

燃油供应量的调节是通过调节喷油器的通电时间控制的，通电时间可通过电子控制单元编程控制，这样可实现多次喷射策略模式。所使用的燃料是商业汽油（Q = 740公斤/立方米）。

图2作为一个例子，报道了在喷射压力为6Mpa时，燃油喷射速率信号的采集有助于双脉冲策略的实现，同时和螺线管的通电时间有关。每个脉冲时间为0.9毫秒。喷射的稳定性和反复性由多种脉冲之间的滞留时间决定，数据库中从最小值1.5毫秒开始。最小值应低于二次喷射开始与前一过程关闭之间的时间，由于喷嘴内装置电动液压的惯性，发现为320ls，如该图所示。

图2 燃油喷射率与脉冲电流的关系

图3反映了在喷射压力6Mpa下，瞬态质量流速中三个不同的数值，喷入的全部燃料相当于以20mg/s，并在两个均匀分布的0.9ms的脉冲时间内喷射。这个分布图相当于所有的脉冲依照上升和下降时间并且显示大量的独立的数据库。如果最后的值比最小值阈大，重叠较好的部分相当于汽油的排放量，他们的执行时间是独立的。这表明，无记忆诱导的第一个脉冲在第二个和更长的持续时间DW可以简单地转向第二次注射事件。这些因素在下面三维CFD分析中被利用。

图3 在三种不同的喷射速率，在喷射压力为6 MPa燃油分两次每次50%喷入

3. 喷射动力学模型

在研究中提到的，发生在GDI发动机的汽缸数值模拟过程受作为参考的模拟变量影响，部分在Appendix A中报道了。经过考虑的GDI发动机，的确在设计阶段，因此把3D模型当做探索工具，可以比较燃烧过程的发展和随之发生的在参量调节混合物形成方面的变化。

目前的文章中报告了3D分模型在喷雾动力学上的成效，如已经实现的在3D模型和两种录入常数的定义的辛普列斯算法。

汽油动力学仿真是在最初作者的想法的基础上，依靠现存的文献和增入新颖的元素，提高不同工作条件的各种各样的注入器的模型的可携带性。这个模型是在AVL Fire?环境内部发展的。在DDI方法中，水滴惴流扩散，凝聚和解体被认为是在不蒸发的环境下进行的。解体是根据Huh–Gosman的模型仿真的，在这个模型中用常量C1调节气体动力学的解体时间是可适合调节的。最初的液滴粒度在喷嘴口出口段，假定为不是常量，但是可以根据下面

?2??f的理论直径给出概率正太分布的期望值变化。Dth?Cd???u2?grel????，?f是气体表面张力，??是周围气体密度，是燃料和周围气体之间的相对速度，Cd是单一次序的常量（甚至等于单一量）,参数源于流体动力学的稳定性分析和在注射器出口段的液态接触面的无尺寸波长。分配变量是另一个可适时调整的输入参数。在AVL Fire?模式中的对最初的液滴粒度尺寸的概率分布的定义，每一步都符合进入粒度分布的每一个颗粒直径指定的产状概率。所有元素的和使分布规律标准化。每一批微粒的数量是由概率分布的极小量决定的，每一阶段引进的一批的数量和已指定的质量流率，每一次引进一批的数量是固定的，注射速率被如此评估以实现连续方程。

通过辛普列斯算法和FRONTIER?模式，常量调节空气动力学的解体时间和被机械搜索的变量能够达到比较好的试验型穿透深度。自动模式校正步骤的结果在图4中提到了。低分布的两个最佳理想的常量的价值确认了模型的好的预测能力。图5是比较和实验之间渗透长度为3的压力。验证子模型如下的物理现象。解体过程之后注射压力的关系，事实上，是一个具有挑战性的问题，因为它是众所周知的增加注射压力对喷雾行为的双重影响。从一方

面，喷雾雾化的增强和液滴直径的减小，以及注射速度增加。这两种效应对整体的喷雾有相反的后果长度，应采用较小的水滴的存在降低了，但应增加更大的速度。最后的效果是占主导地位的，由实验证实，但可喷涂在建模阶段高估。决定性的本次模型中的假设是预期的初始液滴尺寸分布值，插入喷嘴出口段，是通过价值与注射压力液体和空气之间的相对速度，移动向低值注入压力升高。验证的喷雾模型包括在3D引擎附录A中描述的模型，不久，用于模拟喷雾动态下的单和双策略，还在气缸上的液滴蒸发和冲击活塞壁。

图4 喷雾优化后的结果

图5 理论值与实验值的对比

4. 单一和双注射模式下汽缸内过程的仿真

为了研究注射方式影响研究中的发动机中混合物的制备，考虑了两种典型的操作环境。第一个对应在是每分钟7500转和满负载的发动机转速，也就是平均有效制动压力=1.28MPa,空气和燃料比为A/F=13.第二个是自动化设备负载的脉冲编码装置和发动机转速等于5000转每分，也就是说平均有效压力=0.3MPa,A/F=17. 总体来说，在这个例子中发现了一种贫乏的分层次的混合物。其中发动机设计利用喷射指导燃烧模式，喷雾器朝向火花塞。

4.1高负荷高转速发动机的工作条件

通过参数化方法分析经过理论配比的高负载高转速条件下的分流进样。图6，作为一个例子，展示了注入的和脱水的汽油在单注入和分流进样中聚集起来分别喷射是由50%+50%的喷射策略，和两种不同的Dw值，也就是在注射压力为10MPa下的1000和1000us。保压时间的最小值，也就是1000us,根据先前报道考虑，假定喷射动力学和喷射事件的自主性和独立性。就分流进样来说很明显蒸发作用见益缓慢。这种情况也没在改变通信操作指令方面提高。通过推进420度时的第一典型注射结果，图6（b）中描述的情况发生了。在假定的参考系中曲柄角与TDC一致是CA=720度。

图6 单次喷射与两次喷射策略Dw(a)或(b)SOI燃油蒸发量随曲轴转角的变化

燃烧过程的确很受极快的爆裂似的注射剂影响，应归于负载烧毁的恶劣环境。图7比较了和单注入和双注入有关的压力转换，火花塞点火温度固定在696度。这个例子以发证迟缓的SOI1为特征，尤其，展示了一个相当慢的燃烧过程。

图7 单次喷射与两次喷射是不同的SOI脉冲策略（Dw设定在1000 ls）缸内压力随曲轴转角的变化

4.2 适度的负载和适度的发动机工作条件

对适度负载和适度工作条件A/F=17的分析是就50%+50%模式下根据不同的Dw值和6.0MPa的注射压力下的分流进样进行探讨的。类似一次使用的注射剂也适用。

对有用混合物形成上产生影响的发动机，通过客观提高关闭阀门期间，制定一个优化的研究增加经过计算的压力循环区域内的压强来阐述操作问题。总而言之，在贫混合料条件下保证了通过自动程序选择的的注射策略，在DOE空间搜寻最适宜的一组参数来决定注射和火花点火装置。这是通过FRONTIER软件让3维发动机模型自动运转。优化问题是在假设喷射在单个脉冲量内完成而不是在双脉冲量内完成的条件下，最早用公式表述出来。在发动机工作循环周期内同时供给的汽油，是由单注射情况下变量SOI的适时选择，或是第一注射SOI1的开始，还有两个连续脉冲内的保压时间，和在注射情况下分为两部分的Dw来实现的。

输入变量的偏差范围和连续采样的步骤，影响优化程序的效率和速度。物理因素是加入DOE空间的评估，避免气门重叠期间的注射，或是考虑到最大制动转矩对应给出的SI，限制了总量的区间。

图8显示了在分流进样的情况下该优化问题的流程图。一个简化的流程图用公式阐述单次注射。选择目标函数的最大值，Nelder & Mead发明的Simplex，任何n维函数f（X1，X2，..，XN）在参数空间寻找相应的参数矢量的全局极值（最大值或最小值）。这种非线性的优化问题的运算法则不要求其他衍生参量的评估，所以它比基于局部变化的运算方法更稳定。

图8 两次喷射策略下的流程图

图9显示了和单注射方法相关的优化分析的结果。最佳变量表示为输入变量（左）和SOI（右）的函数。最佳变量，更加清晰的说，是某一个计算周期循环的计示有效平均压力，在关闭阀门期间，使无穷小量和起始点周期（IMEPref）有关。起始点已完全平方的形式在图中表示出来，对应680度的SI和450度的SOI.这个组态用来增强空气吸入液流的移动，阀升程的摄取量的最大值，实际是在470度时出现，然而结束角在608度。很明显，发动机性能SOI的一对值和SI极大值，是在475度时的SOI和680度时的SI.在和起始点有关的压力转换方面的增益是显而易见的。图10中可以直观看出，关于中度负载时汽缸内的压力的SOI值的急剧变化，还有那些在优化程序中经过计算的5个不同压力值被标绘出来。他们的SI都是曲柄角680度时。很明显，注入必须减少延迟，在阀门升程减少急剧下降之前，加剧进入汽缸的空气运动。起始注射的最优选择允许关于假定的启动压力循环区的5.3%的提升。

图9 单次喷射条件下的优化结果

图10 单次喷射下五个不同的SOI值缸内压力随曲轴转角的变化

拆分注射为两个连续的部分，如先前说的，图8中也可以看到，通过第一注射和第二注射的开始和变化的SI来进行讨论。优化问题的结果在图11中呈现了。最优值是SOI1=450度，Dw=80度。最优的火花提前角保持在680度，虽然相关的文章没有报道。分开注射比假定开始点的一次注射的情况增加了8%的工作。

图12显示了单注射和双注射情况下最优液缸压力的比较。有必要指出整体注射量是一样的，都是20mg/str.在周期的增长是显而易见的。它相当于把有用功提高到2.6%。和双注射情况有关的更好的性能可以根据李姓等人的工作更容易的画出来。也可以看图13，以SI的曲柄角，通过火花塞平面的等值比率分布，在单注射和双注射两种情况下是很直观的。发动机缸盖的中心位置的火花塞通过一个黑点被描绘出来。通过把注射分为两部分，空气混合燃料和分层的混合物的同质性得到加强。火花塞位置激起图13中右边的汽油蒸汽的更大区域。在注射器位置对面靠近活塞壁周围出现了更大的区域。在表中以红色的箭头呈现。执行分析的结果确认了参考的试验性的调查结果，如同先前研究的内燃机传动的注射[25]。在参考[25]中，阐明了和多注入喷射有关的汽相和单注入喷射的比较，虽

然液滴的渗透能力低一些。事实上，二次的液滴注射和周围蒸汽的动力交换的结果是双注射结果下的燃油蒸汽分布甚至比单注射更广泛。以增强分层法和局部 同质性为特征的方法有助于多注射策略积极去潜在的积极地影响燃烧过程。考虑的发动机在靠近汽缸壁周围和注射器对面大片区域存在的问题是不可避免的，但是也许可以通过减少注射压力得到解决。

图11 最优的同步两次喷射策略

图12 在最优单次喷射和两次喷射时缸内压力随曲轴转角的变化

图13 火花位置在最优单次喷射情况下(左)和最优双喷射情况下(右)在曲柄角度的SI下燃油

在一个平面的浓度分布

考虑到层状进汽发动机形成的汽油废气的，以下的考虑是很重要的。在精益导入模式下，来源于层状进气充足的区域的火焰，可能受到外边界层状进气极其贫乏区域的淬火，导致未燃尽的烃类化合物的增加。汽缸内温度的降低和减少火焰后区的全部的稀薄燃烧有关，即使氧气是可利用的。自从致力于强调由于拆分注射为两部分的，GDI发动机对稀混合气有效的不同，对污染物的形成就集中在了这方面。因此和单注射和双注射有关的结果，在下面进行了考虑。

图14表明了利用3维软件模型计算NO量。因为提高燃烧效率和提高汽缸内温度，喷射可以分为两个项目，在这种情况下NO量略有增长，例子如图15，和圆柱轴垂直的平面，曲柄角变量达到最大极值（平均汽缸最大容积），CA(Tmax)时的温度分布。最后在单注射情况下等于18度ATDC，在双注射情况下等于16度ATDC.燃烧室头的距离平面被描绘出来，与到达当地温度最大值的点相一致。在右边的双喷射的情况下，在和注射器相对的位置，以较高温度值为特征的更广泛的区域是可见的。这表明了了在双注射情况下NO的最大量。

图14 在一个循环中单次喷射和两次喷射缸内NO的质量分数随曲轴转角的变化

图15 最优单次喷射和两次喷射时的缸内温度分布

注射方式也影响碳氢化合物在局部范围内的产生。图16描绘了汽缸内气体未燃尽的气体等值比（燃烧室容积的平均值），在理想的单注射和双注射的燃烧

和膨胀冲程期间。在EVO中，未燃尽的等值比率比注射分为两部分的情况低一些。从而确认了已取得的加强混合物的局部同质性的全部的正面效应。

图16 在单次喷射和两次喷射时缸内未燃燃料所占比值随曲轴转角的变化

5、结论

所有发动机负载和现代汽油直喷式内燃机的速度取得的成就确实是一项具有挑战性的工作，尤其在高负载时同质的浓混合气和低负载时分层的稀混合气，复合型助推的实现。这就是为什么分开注射也被考虑在内燃机中，类比压缩点火装置。

双轮高性能发动机的分开注射的优势，目前已经可以通过数值研究实现。考虑的单缸638cc排水量，四冲程，四个阀门的发动机，装备着6个洞的喷油器。最后从试验的视角，以单脉冲和两个连续脉冲情况下释放汽油为特征。在双注射情况下，释放相等的气体量的两个连续脉冲的保压时间是不同的。二次注射干扰第一注射的保压时间的最小值是320us.

3维软件演示了高负载高速度情况下汽缸过程的3维仿真。它证明了在这些情况下，这种混合气形成在提高发动机性能方面没有效果。

为了研究中度负载和中速情况下，空气燃料比率低，一个匹配汽缸内过程的3维模型和多目标优化工具得计算方案被呈现出来。单注射和双注射都考虑了。开始注射的最佳时机和点火提前的时间都能通过辛普列斯算法计算出来。从而使燃油料降到最低。和双注射有关的最佳解决办法是提高一次注射有用功，因此确认采取分离注射，提高在精益导入模式下电荷分层法的性能的可能性。

污染物的形成也受到汽油供给分成两部分的影响。同时积极的影响可以通过HC看到，NO的形成受到了燃烧效率的抑制，从而也提高了局部温度。

附录A 3维发动机模型 作者在AVL FireTM环境下，，通过4冲程工作循环的仿真完成了实现了3维模型。和发动机有关的数据在表一中报道了。选择汽缸，进气装置，排气管道作为计算区域。管道通向离阀门大概12cm距离的地方。3维计算区域的离散化通过包括在AVL FIREtm软件图像用的户接口，叫做 Fame Engine Plus模块来实现。通过增加外表面的局部几何体被呈现出来和热流动系统的变量的高梯度的节点来允许粗略控制孔隙结构。反应流方程式通过欧拉公式得到解决。喷射液滴动力学通过DDM的方法仿真，也就是拉格朗日公式法。喷射模型在第3段中已经

验证。液滴蒸发作用决定了，在相关的区域，气相的源项。通过k-e-f模型，扰动也被模式化了，根据ECFM模式燃烧。NO的形成由Zeldovich延伸的原理表述出来。3维代码的分界线和初始参数来源于整体推动系统的1维分析，这是通过Naples大学费得里克的一个专利代码完成的。广泛应用于相似尺寸和功率系数的发动机。这个1维体制来源于试验性的致力于测量阀门流量系数的活动。

当磨粒粒度改变时，初步试验验证了结果的一致性受发动机和燃烧周期的影响。通过模拟不只一个工作周期进行重复核实的结果也是一样的。这是很有必要的，因为第一周期的初始化是在1维模型的结果下实现的，因此不需要对空间分布作解释。在曲柄角为EVO时进行计算是很方便的。选作73度为汽缸轴有关的倾斜角。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/dwqo.html