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摘 要：该文通过对某475GDI发动机进行数学建模和仿真计算，分析不同进气温度对微粒生成过程的影响规律。研究表明当进气温度为30 ℃时，微粒质量分数最低，进气温度升高或降低微粒瞬时生成质量均增加。进气温度过低，整个燃烧室内温度降低，不利于燃料雾化和与周围空气迅速混合；进气温度过高尽管燃料雾化蒸发速度变快，理论上宜于降低微粒，但雾化蒸发速度过快使燃烧初级速度加快，缸内温度升高，微粒来不及氧化消失而导致微粒质量增加。缸内平均压力、缸内温度随着进气温度的升高而逐渐升高。适当较高的进气温度能够促进燃油的蒸发雾化使其更好地与空气进行混合，降低微粒生成。
关键词：微粒 进气温度 GDI发动机 仿真计算
中图分类号：TK421.5 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）12（a）-0115-05
Abstract：In this paper，through mathematical modeling and Simulation of a 475 GDI engine，to analyze the effect of different intake temperature on the particle formation process.The results showed that the mass fraction of particles is minimum when the inlet temperature is 30 degrees centigrade.The quality of generated particle instantaneous increase with intake air temperature increased or decreased.Too low intake air temperature is bad for fuel atomization and mixing with the surrounding air.And unoxidized particle lead particle mass increase if intake air temperature is too high.The temperature and pressure of cylinder increased gradually with the increase of intake temperature.The appropriate higher inlet temperature can promote the atomization and evaporation of fuel make mixed well with the air，reducing particle generation.
Key Words：Particulate；Intake air temperature；GDI Engine；Simulation
由于GDI发动机将燃油直接喷射入气缸内，并利用缸内气流运动使燃油蒸发，而燃油蒸发一定程度上降低了缸内整体温度，间接提高了发动机充气效率，进而提高发动机的经济性和动力性。但GDI发动机由于其燃油供给方式与柴油机类似，就导致相较于传统汽油机微粒排放增加，并且GDI汽油机所排放的微粒粒径更小、数量更多，对人体的危害也更大。
燃油缸内雾化蒸发程度直接影响微粒物排放，而GDI发动机进气温度直接影响缸内燃油的蒸发雾化过程。现阶段国内GDI发动机多采用涡轮增压+进气中冷的进气方式。当发动机舱环境温度变化或经过中冷器的冷却液温度发生变化均会导致实际进入气缸的进气温度发生变化，最终导致燃油雾化蒸发及微粒排放发生变化。而现阶段国内外对于增压中冷式GDI发动机进气温度变化对微粒排放的影响鲜有报道。因此该文通过对国内某款475GDI发动机进行数学建模和FIRE软件仿真计算，研究不同进气温度对GDI发动机缸内微粒生成过程的影响。
1 仿真模型的建立与验证
文中选择现阶段国内乘用车市场广泛使用的475-1.4T GDI发动机进行仿真建模，该汽油机基本参数如表1所示。
此文的研究过程集中于GDI汽油机的进气、燃料混合蒸发及燃烧过程，为了降低仿真模型网格数量，缩短计算所用时间，仿真模型主要包括燃烧室以及进气道两部分，其中燃烧室由活塞顶部凹坑以及气缸盖上的燃烧室两部分组成。生成的三维模型如图1所示。
文中采用AVL FIRE中的导入式划分方法，将.stl格式的面网格文件导入FIRE中，对网格进行自动化分并进行局部细化，网格形状可选，最终得到计算所需要的非结构化混合网格。这种网格划分方式适用于曲面交角较多的复杂模型（如图2所示）。模型导入完成后，根据计算需要对网格尺寸进行设置，最大网格尺寸设置为2 mm。由于进气门和气门座处形状和气流运动状况都较为复杂，因此对此区域进行细化，设置最大网格尺寸为0.25 mm。由于燃烧过程是此文主要分析的部分，这一部分要保证较好的网格质量来保证计算精度，因此设置燃烧室的最大网格尺寸为1 mm。
文章采用仿真计算缸压与台架试验示功图相对比进行模型校正。校模工况选择2 000 r/min，80 N·m。对比结果如图3所示：吻合度高于95%，认定该模型符合模拟仿真计算要求。
2 点火时刻对微粒生成过程影响研究
仿真工况选择上节介绍的校模工况，校模工况原机台架试验测得经中冷器后进入气缸的进气温度为30 ℃。因此，在保持喷油时刻、点火时刻等其他参数不变，以5 ℃为间隔分别升高和降低设定进气温度为35 ℃、40 ℃、25 ℃和20 ℃。
图4微粒质量分数仿真计算结果得到不同进气温度条件下微粒质量分数分布图。整个微粒生成过程中质量分数从整体上呈单峰分布。进气温度从20 ℃升高至40 ℃，微粒质量峰值呈现先降低再升高的过程。当进气温度为30 ℃时，微粒质量分数最低为4.54E-06。进气温度升高或降低微粒瞬时生成质量均增加。主要因为进气温度过低，整个燃烧室内温度降低，不利于燃料雾化和与周围空气迅速混合；进气温度过高，尽管燃料雾化蒸发速度变快，理论上宜于降低微粒，但雾化蒸发速度过快将导致燃烧过程发生变化，微粒质量增加（后文燃烧过程分析中详述）。 图5是不同进气温度下微粒数量浓度分布：随着曲轴转角的变化，微粒数量浓度均呈现双峰生成过程。燃烧初始阶段微粒大量生成随后迅速下降，燃烧进入中后期微粒生成数量小幅增加后逐渐氧化消失。进气温度对微粒数量生成过程影响不大，但进气温度为30 ℃时燃烧初始过程微粒数量峰值最低，但燃烧中后期第二个微粒数量峰值却最高，且微粒数量生成时间最长，这与燃料初期雾化混合过程有关。
不同进气温度缸内微粒瞬时生成质量分布情况如图6所示：不论进气温度如何变化，缸内微粒质量分数分布整体无变化，并且在燃烧初期（如图中所示的25°CA ATDC处）缸内整体微粒含量都比较低。而随着燃烧的不断进行，在燃烧的中后期（如45°CA ATDC和65°CA ATDC），则在燃烧室的鼻梁区以及右侧出现少量微粒。
而对比不同进气温度，当进气温度为30 ℃时缸内微粒生成质量一直维持在较低水平，虽然在45°CA ATDC也能在左侧鼻梁区发现有较小区域的微粒质量较高现象，但是相比较其他4种进气温度，其区域最小并且持续时间最短，这也说明在当进气温度为30 ℃时缸内整体微粒生成质量最低图7为不同进气温度条件下的微粒数量浓度分布情况图。从5组图中能够发现一个统一的规律，即在燃烧初期（20 °CA ATDC）时，缸内的微粒数量浓度高的区域面积较大，而随着燃烧的不断进行，这一区域逐渐变小，说明微粒数量随着燃烧过程的不断持续而下降，也就在一定程度上说明燃烧进行过程中微粒处于不断被氧化分解的过程。并且可以发现微粒数量较高的区域主要集中在燃烧室左右两侧靠近气缸壁的区域，主要原因是在这两个区域内气流运动较差，燃油混合气形成得不均匀，相比中心区域混合气浓度较高。
3 混合气浓度对缸内燃烧过程影响研究
图8是进气温度条件下缸内的平均压力分布曲线。随着进气温度从20 ℃升高到40 ℃，缸内平均压力的峰值逐渐升高；缸内压力峰值所对应的曲轴转角则是呈现了逐渐提前的趋势。进气温度过高，燃油尽管雾化蒸发速度加快，但后续燃烧初始过程缸内压力升高率增加，缸内最大爆发压力升高，缸内燃烧温度升高，快速生成的微粒来不及迅速氧化消失，导致微粒生成质量增加。这也解释了上文进气温度过高导致微粒瞬时生成质量分数增加的规律。
图9缸内温度随进气温度变化规律与缸内压力变化规律类似。缸内温度的峰值随着进气温度的升高而升高，其峰值所对应的曲轴转角也逐步提前。主要表现为，随着进气温度的升高，缸内的混合气雾化蒸发速度增加，着火延迟期缩短，燃烧速度加快，相应缸内温度增加，而这个过程并不利于微粒排放降低。
图10为不同进气温度条件下缸内浓度场分布情况。结果表明，产生较多微粒的区域同时也是混合气局部较浓的区域。说明无论进气温度高低，气缸内均无法形成完全均匀的混合气，在燃烧室的左侧鼻梁区以及右侧部分区域混合气浓度较高，同时由于气流运动使得部分燃油发生着壁现象，而随着燃烧继续，缸内温度上升并伴随着较快的下行气流，促使着壁的燃油进一步挥发。随着进气温度升高，一定程度上使左侧鼻梁区的燃油的蒸发程度提高，但若要进一步减少着壁油量，则需更好地配合气流运动。
从温度场图11结果表明：在燃烧初期，缸内温度明显高于燃烧中后期，这是因为此时有大量的可燃混合气迅速燃烧，但在燃烧室左侧鼻梁区和右侧壁面处气体温度较低，右侧壁面处这一情况更为明显，结合刚刚对浓度场的分析可以看到，气体温度较低区域刚好与燃油浓度较高区域相一致。
对比这5组缸内温度场可以发现，在进气温度为30 ℃时燃烧室中心高温区域最大，且持续时间最长。而燃烧初期的高温会使缸内较浓混合气变成微粒物。但随着燃烧的进行，持续时间更长的高温区域则有利于在初期产生的微粒物进行氧化分解，这也就是为什么燃烧中后期微粒物数量降低的原因。同时由于缸内较高的温度和较强的气流运动促进了较浓混合气的进一步蒸发并在燃烧中期也存在较浓的混合气区域，而此时缸内温度降低并不利于微粒物自身的氧化分解，因此在这一段时间内微粒的数量浓度上升，但总体质量并没有增高。而随着燃烧的继续进行，微粒物在燃烧室内发生少量的氧化分解以及相互吸附结合，使得总体微粒数量浓度进一步降低，这也解释了上文图5微粒数量浓度的变化规律。
4 结论
文中使用AVL FIRE软件对国内市场主流缸内直喷汽油机进行仿真计算，研究进气温度对GDI汽油机缸内微粒生成过程的影响规律，结论如下。
（1）进气温度从20 ℃升高至40 ℃，微粒质量峰值呈现先降低再升高的过程。当进气温度为30 ℃时，微粒质量分数最低。进气温度升高或降低微粒瞬时生成质量均增加。主要因为：进气温度过低，整个燃烧室内温度降低，不利于燃料雾化和与周围空气迅速混合；进气温度过高，尽管燃料雾化蒸发速度变快，理论上宜于降低微粒，但雾化蒸发速度过快使燃烧初级速度加快，缸内温度升高，微粒来不及氧化消失而导致微粒质量增加。
（2）缸内平均压力、缸内温度随着进气温度的升高而逐渐升高，并且缸压峰值和缸内温度峰值所对应的曲轴转角也逐渐提前。随着进气温度的不断提高，点火时刻鼻梁区较浓混合气区域变化不大，但是燃烧室右侧出现较浓混合气的区域却在逐渐减小，表明混合气形成过程中，适当较高的进气温度能够促进燃油的蒸发雾化使其更好地与空气进行混合。
参考文献
[1] 张立伟，汽油缸内直接喷射燃烧新技术[J].矿山机械，2005（9）：96-98.
[2] HarderV，GilmourP，LentnerB，etal.Cardiovascularr esponsesinunrestrainedWKYratstoinhaledultrafinecarbonparticles[J].Toxicology，2005，17（1）：29-42.
[3] AugustinusEM，JohanMM，ErikL，etal.Anaggregate public health indicator to represent the impact of multiple environmental exposures[J].Epidemiology，1999（10）：606-617.
[4] Oberderster G，Ferin J，Lehnert B E.Correlation between particle size，invivo particle persistence，and lung injury[J].Environtment Health Perspect，1994，102（5）：173-179.
关键词：微粒 进气温度 GDI发动机 仿真计算
中图分类号：TK421.5 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）12（a）-0115-05
Abstract：In this paper，through mathematical modeling and Simulation of a 475 GDI engine，to analyze the effect of different intake temperature on the particle formation process.The results showed that the mass fraction of particles is minimum when the inlet temperature is 30 degrees centigrade.The quality of generated particle instantaneous increase with intake air temperature increased or decreased.Too low intake air temperature is bad for fuel atomization and mixing with the surrounding air.And unoxidized particle lead particle mass increase if intake air temperature is too high.The temperature and pressure of cylinder increased gradually with the increase of intake temperature.The appropriate higher inlet temperature can promote the atomization and evaporation of fuel make mixed well with the air，reducing particle generation.
Key Words：Particulate；Intake air temperature；GDI Engine；Simulation
由于GDI发动机将燃油直接喷射入气缸内，并利用缸内气流运动使燃油蒸发，而燃油蒸发一定程度上降低了缸内整体温度，间接提高了发动机充气效率，进而提高发动机的经济性和动力性。但GDI发动机由于其燃油供给方式与柴油机类似，就导致相较于传统汽油机微粒排放增加，并且GDI汽油机所排放的微粒粒径更小、数量更多，对人体的危害也更大。
燃油缸内雾化蒸发程度直接影响微粒物排放，而GDI发动机进气温度直接影响缸内燃油的蒸发雾化过程。现阶段国内GDI发动机多采用涡轮增压+进气中冷的进气方式。当发动机舱环境温度变化或经过中冷器的冷却液温度发生变化均会导致实际进入气缸的进气温度发生变化，最终导致燃油雾化蒸发及微粒排放发生变化。而现阶段国内外对于增压中冷式GDI发动机进气温度变化对微粒排放的影响鲜有报道。因此该文通过对国内某款475GDI发动机进行数学建模和FIRE软件仿真计算，研究不同进气温度对GDI发动机缸内微粒生成过程的影响。
1 仿真模型的建立与验证
文中选择现阶段国内乘用车市场广泛使用的475-1.4T GDI发动机进行仿真建模，该汽油机基本参数如表1所示。
此文的研究过程集中于GDI汽油机的进气、燃料混合蒸发及燃烧过程，为了降低仿真模型网格数量，缩短计算所用时间，仿真模型主要包括燃烧室以及进气道两部分，其中燃烧室由活塞顶部凹坑以及气缸盖上的燃烧室两部分组成。生成的三维模型如图1所示。
文中采用AVL FIRE中的导入式划分方法，将.stl格式的面网格文件导入FIRE中，对网格进行自动化分并进行局部细化，网格形状可选，最终得到计算所需要的非结构化混合网格。这种网格划分方式适用于曲面交角较多的复杂模型（如图2所示）。模型导入完成后，根据计算需要对网格尺寸进行设置，最大网格尺寸设置为2 mm。由于进气门和气门座处形状和气流运动状况都较为复杂，因此对此区域进行细化，设置最大网格尺寸为0.25 mm。由于燃烧过程是此文主要分析的部分，这一部分要保证较好的网格质量来保证计算精度，因此设置燃烧室的最大网格尺寸为1 mm。
文章采用仿真计算缸压与台架试验示功图相对比进行模型校正。校模工况选择2 000 r/min，80 N·m。对比结果如图3所示：吻合度高于95%，认定该模型符合模拟仿真计算要求。
2 点火时刻对微粒生成过程影响研究
仿真工况选择上节介绍的校模工况，校模工况原机台架试验测得经中冷器后进入气缸的进气温度为30 ℃。因此，在保持喷油时刻、点火时刻等其他参数不变，以5 ℃为间隔分别升高和降低设定进气温度为35 ℃、40 ℃、25 ℃和20 ℃。
图4微粒质量分数仿真计算结果得到不同进气温度条件下微粒质量分数分布图。整个微粒生成过程中质量分数从整体上呈单峰分布。进气温度从20 ℃升高至40 ℃，微粒质量峰值呈现先降低再升高的过程。当进气温度为30 ℃时，微粒质量分数最低为4.54E-06。进气温度升高或降低微粒瞬时生成质量均增加。主要因为进气温度过低，整个燃烧室内温度降低，不利于燃料雾化和与周围空气迅速混合；进气温度过高，尽管燃料雾化蒸发速度变快，理论上宜于降低微粒，但雾化蒸发速度过快将导致燃烧过程发生变化，微粒质量增加（后文燃烧过程分析中详述）。 图5是不同进气温度下微粒数量浓度分布：随着曲轴转角的变化，微粒数量浓度均呈现双峰生成过程。燃烧初始阶段微粒大量生成随后迅速下降，燃烧进入中后期微粒生成数量小幅增加后逐渐氧化消失。进气温度对微粒数量生成过程影响不大，但进气温度为30 ℃时燃烧初始过程微粒数量峰值最低，但燃烧中后期第二个微粒数量峰值却最高，且微粒数量生成时间最长，这与燃料初期雾化混合过程有关。
不同进气温度缸内微粒瞬时生成质量分布情况如图6所示：不论进气温度如何变化，缸内微粒质量分数分布整体无变化，并且在燃烧初期（如图中所示的25°CA ATDC处）缸内整体微粒含量都比较低。而随着燃烧的不断进行，在燃烧的中后期（如45°CA ATDC和65°CA ATDC），则在燃烧室的鼻梁区以及右侧出现少量微粒。
而对比不同进气温度，当进气温度为30 ℃时缸内微粒生成质量一直维持在较低水平，虽然在45°CA ATDC也能在左侧鼻梁区发现有较小区域的微粒质量较高现象，但是相比较其他4种进气温度，其区域最小并且持续时间最短，这也说明在当进气温度为30 ℃时缸内整体微粒生成质量最低图7为不同进气温度条件下的微粒数量浓度分布情况图。从5组图中能够发现一个统一的规律，即在燃烧初期（20 °CA ATDC）时，缸内的微粒数量浓度高的区域面积较大，而随着燃烧的不断进行，这一区域逐渐变小，说明微粒数量随着燃烧过程的不断持续而下降，也就在一定程度上说明燃烧进行过程中微粒处于不断被氧化分解的过程。并且可以发现微粒数量较高的区域主要集中在燃烧室左右两侧靠近气缸壁的区域，主要原因是在这两个区域内气流运动较差，燃油混合气形成得不均匀，相比中心区域混合气浓度较高。
3 混合气浓度对缸内燃烧过程影响研究
图8是进气温度条件下缸内的平均压力分布曲线。随着进气温度从20 ℃升高到40 ℃，缸内平均压力的峰值逐渐升高；缸内压力峰值所对应的曲轴转角则是呈现了逐渐提前的趋势。进气温度过高，燃油尽管雾化蒸发速度加快，但后续燃烧初始过程缸内压力升高率增加，缸内最大爆发压力升高，缸内燃烧温度升高，快速生成的微粒来不及迅速氧化消失，导致微粒生成质量增加。这也解释了上文进气温度过高导致微粒瞬时生成质量分数增加的规律。
图9缸内温度随进气温度变化规律与缸内压力变化规律类似。缸内温度的峰值随着进气温度的升高而升高，其峰值所对应的曲轴转角也逐步提前。主要表现为，随着进气温度的升高，缸内的混合气雾化蒸发速度增加，着火延迟期缩短，燃烧速度加快，相应缸内温度增加，而这个过程并不利于微粒排放降低。
图10为不同进气温度条件下缸内浓度场分布情况。结果表明，产生较多微粒的区域同时也是混合气局部较浓的区域。说明无论进气温度高低，气缸内均无法形成完全均匀的混合气，在燃烧室的左侧鼻梁区以及右侧部分区域混合气浓度较高，同时由于气流运动使得部分燃油发生着壁现象，而随着燃烧继续，缸内温度上升并伴随着较快的下行气流，促使着壁的燃油进一步挥发。随着进气温度升高，一定程度上使左侧鼻梁区的燃油的蒸发程度提高，但若要进一步减少着壁油量，则需更好地配合气流运动。
从温度场图11结果表明：在燃烧初期，缸内温度明显高于燃烧中后期，这是因为此时有大量的可燃混合气迅速燃烧，但在燃烧室左侧鼻梁区和右侧壁面处气体温度较低，右侧壁面处这一情况更为明显，结合刚刚对浓度场的分析可以看到，气体温度较低区域刚好与燃油浓度较高区域相一致。
对比这5组缸内温度场可以发现，在进气温度为30 ℃时燃烧室中心高温区域最大，且持续时间最长。而燃烧初期的高温会使缸内较浓混合气变成微粒物。但随着燃烧的进行，持续时间更长的高温区域则有利于在初期产生的微粒物进行氧化分解，这也就是为什么燃烧中后期微粒物数量降低的原因。同时由于缸内较高的温度和较强的气流运动促进了较浓混合气的进一步蒸发并在燃烧中期也存在较浓的混合气区域，而此时缸内温度降低并不利于微粒物自身的氧化分解，因此在这一段时间内微粒的数量浓度上升，但总体质量并没有增高。而随着燃烧的继续进行，微粒物在燃烧室内发生少量的氧化分解以及相互吸附结合，使得总体微粒数量浓度进一步降低，这也解释了上文图5微粒数量浓度的变化规律。
4 结论
文中使用AVL FIRE软件对国内市场主流缸内直喷汽油机进行仿真计算，研究进气温度对GDI汽油机缸内微粒生成过程的影响规律，结论如下。
（1）进气温度从20 ℃升高至40 ℃，微粒质量峰值呈现先降低再升高的过程。当进气温度为30 ℃时，微粒质量分数最低。进气温度升高或降低微粒瞬时生成质量均增加。主要因为：进气温度过低，整个燃烧室内温度降低，不利于燃料雾化和与周围空气迅速混合；进气温度过高，尽管燃料雾化蒸发速度变快，理论上宜于降低微粒，但雾化蒸发速度过快使燃烧初级速度加快，缸内温度升高，微粒来不及氧化消失而导致微粒质量增加。
（2）缸内平均压力、缸内温度随着进气温度的升高而逐渐升高，并且缸压峰值和缸内温度峰值所对应的曲轴转角也逐渐提前。随着进气温度的不断提高，点火时刻鼻梁区较浓混合气区域变化不大，但是燃烧室右侧出现较浓混合气的区域却在逐渐减小，表明混合气形成过程中，适当较高的进气温度能够促进燃油的蒸发雾化使其更好地与空气进行混合。
参考文献
[1] 张立伟，汽油缸内直接喷射燃烧新技术[J].矿山机械，2005（9）：96-98.
[2] HarderV，GilmourP，LentnerB，etal.Cardiovascularr esponsesinunrestrainedWKYratstoinhaledultrafinecarbonparticles[J].Toxicology，2005，17（1）：29-42.
[3] AugustinusEM，JohanMM，ErikL，etal.Anaggregate public health indicator to represent the impact of multiple environmental exposures[J].Epidemiology，1999（10）：606-617.
[4] Oberderster G，Ferin J，Lehnert B E.Correlation between particle size，invivo particle persistence，and lung injury[J].Environtment Health Perspect，1994，102（5）：173-179.