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(DOC)

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A VL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A VL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，但是可以根据下面的理论直径给出概率正太分布的期望值变化。

*⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=λρπτ2th 2rel g f d u C D ，f τ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。