缸内直喷汽油机工作过程的数值模拟

中国内燃机学会燃烧节能净化分会 2009 年学术年会 CSICE2009-070 缸内直喷汽油机工作过程的数值模拟 谭文政1，冯立岩1，隆武强1，李骏2，李金成2，宫艳峰2 （1. 大连理工大学 内燃机研究所，大连 116023；2. 第一汽车集团公司技术中心，长春 130011） 摘要： 用AVL-FIRE软件对中国第一汽车集团公司技术中心自主研发的缸内直喷汽油机全负荷工况时的进气、压缩和混 合气形成过程进行了三维瞬态数值模拟。了点火前的气体流动，并对比分析了两种喷油定时所对应的燃油喷雾和混 合气形成过程。 关键词：汽油机；缸内直喷；工作过程；数值模拟 配备涡轮增压的缸内直喷汽油机在燃油经济性 和功率输出方面比传统进气道喷射汽油机具有明显 的优势。继三菱推出现代意义的缸内直喷汽油机产 品后，各大汽车公司和研究机构纷纷投入到缸内直 喷汽油机的研发工作上来，并陆续有产品量产。内 燃机工作过程的数值模拟不仅可以缩短发动机开发 周期和减小开发成本，而且能够对发动机优化设计 提供理论指导。本文利用AVL-FIRE v2008对缸内直 喷汽油机在全负荷工况时的工作过程进行了三维数 值模拟。并分析了缸内流动、喷雾和混合气形成过 程。 1 数值模拟 本文的研究对象是一汽技术中心自主研发的四 冲程四气门涡轮增压缸内直喷汽油机，火花塞中置， 喷油器搭载于两进气门中间位置，CAD模型见图1。 发动机基本参数为表1所示。 图1 发动机CAD模型 表1 发动机基本参数 缸径（mm） 84 行程（mm） 81 压缩比 10.3 标定转速（r/min） 5500 喷孔数 6（轴对称） 1.1 计算网格 利用AVL-FIRE的FAME Engine Plus模块生成从 进气门开到排气门开启时刻的六面体动网格。本文 计算过程是进气、压缩和做功冲程，没有计算排气 冲程。进气过程网格数70-127万，压缩做功过程网 格数在45万左右。计算网格如图2所示，其中左图为 进气冲程中下止点时刻，网格数为75.4万；右图为压 缩冲程中下止点后60 ºCA时刻，网格数为46.5万。 计算中，定义进气上止点为360 ºCA，燃烧上止 点为720 ºCA。 图2 计算网格 1.2 计算模型 为描述整个工作过程中的流动、喷雾和混合气 形成过程，采用瞬态计算模式，湍流模型选用k-ε模 型。碰壁模型选用Walljet0模型[1]；蒸发模型选用 Dukowicz模型[2]；破碎模型选用HuhGosman[3]模型。 1.3 边界条件与初始化 给出进排气道温度、气缸套内壁温度、活塞顶 面温度和燃烧室壁面的温度，作为缸内工作过程计 算的换热边界条件。 计算从进气门开启时刻开始，所以以进气门开 启时刻缸内和进排气道内的压力和温度作为计算的 初始压力和初始温度。 2 计算结果及分析 计算从进气门打开时刻开始，至排气门打开时 刻结束，持续时间502 ºCA。 2.1 流动分析 汽油机缸内气体流动影响着火以及火焰传播速 度，进而影响发动机的动力性、经济性和排放性能。 通过分析进气过程和缸内流场的变化可以为汽油机 结构的优化提供依据。发动机缸内流场的合理分布 有利于促进缸内混合气的形成和火花塞附近混合气 的着火能力，有助于加快火焰传播速度，缩短燃烧 持续期。 文中的速度场均以速度矢量图表达。由于进排 气道及缸内各区域的气流运动速度大小相差很大， 为表达清晰起见，除局部放大图以外，其他速度矢 量图中的矢量长度均一化，而以颜色表达速度的大 小。 图3 进气门刚开启时流场 图3为通过气门轴线的纵截面截图（如图1中1所 指）从上到下依次为369ºCA（排气门未关）、370ºCA 和372ºCA时刻。369ºCA进气门升程0.17mm，排气门 升程0.11mm，此时刻进排气门升程较小，370ºCA排 气门关闭。在369ºCA时刻由于缸内压力比排气道压 力低，排气倒流，是该阶段决定缸内流场的主要因 素；而缸内压力比进气道压力大，由于压差的作用， 气体从缸内向进气道内倒流，气道内流速不高。随 着活塞下行，进气道压力逐渐高于缸内压力，从 372ºCA开始气流运动方向转为正常，从进气道向缸 内流动。 由于气门处的截流作用，在进排气门处的流速 较高，最大流速在50m/s。受壁面的反射作用，气流 在缸内形成了若干个局部横向滚动涡，如图中椭圆 标记处和局部放大图。缸内平均流速较低，流动较 弱，缸内流场逐渐由进气流动所主导。 图4 气门升程最大时刻进气道及缸内流场 活塞继续下行，缸内容积增大，缸内压力减小， 缸内气体平均运动速度增加。图4显示了在气门升程 最大时刻通过气门轴线的缸内纵截面速度矢量图。 从图中可以看出在气门处截流影响已不明显，没有 形成阻碍进气流动的涡，进气最高流速达150m/s。 此时刻，气门下方流动较弱。由于活塞的下行，活 塞顶面附近气流向下运动。在进气流动和气缸、活 塞表面反射作用的共同影响下，缸内有明显的滚流 现象。 369ºCA 进气道 排气道 进气道 370ºCA 进气道 372ºCA 图5 气门关闭后到点火时刻流场随曲轴转角的变化 图5为进气门关闭时刻到点火时刻缸内流场的 变化情况，截图为沿气门轴线的气缸纵截面图（如 图1中1所指）。从图5可以看出在进气门关闭后，缸 内有明显的滚流。滚流持续时间长，直到点火时刻 依然存在，如图中箭头所示。随着活塞的运动，到 点火时刻缸内平均流速逐渐变小，各区域流速大小 差异也变小，流场趋于均匀。 缸内流场的理想分布对混合气的形成和在燃烧 过程中对加速火焰传播速度、降低爆燃和循环变动 等都十分有利。 2.2 喷雾过程与混合气形成分析 喷雾过程是直喷汽油机工作过程的核心过程之 一，对燃油雾化、蒸发和混合气的形成以及燃烧过 程有至关重要的影响。在高速高负荷工况在进气行 程开始喷油，选用较大的喷油提前角。高转速时， 缸内的气流运动较为强烈，能加速缸内燃油液滴的 蒸发和混合，促进混合气的形成，在点火时刻能够 保证形成易于点火的混合气[4]。 本文分析了两种不同喷油开始时刻的喷雾过程 和对混合气形成的影响。喷油开始时刻分别选取 390ºCA和420ºCA。 图6为点火时刻前缸内平均压力、缸内平均温度 和燃油蒸发质量的变化情况。 360 420 480 540 600 660 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 390ºCA 420ºCA 缸 内 平 均 压 力 /M Pa 曲轴转角 / ºCA 700 360 420 480 540 600 660 300 400 500 600 700 800 390ºCA 420ºCA 缸 内 平 均 温 度 /K 曲轴转角 / ºCA 700 360 420 480 540 600 660 0 10 20 30 40 50 60 390ºCA 420ºCA 燃 油 蒸 发 质 量 /m g 曲轴转角 / ºCA 700 图6 缸内平均压力、缸内平均温度和燃油蒸发质量曲线 图7为两种喷油定时所对应的缸内燃空当量比 分布变化情况，截图位置为通过喷油器中心轴线的 纵截面（如图1中2所指），选取时刻在460ºCA到 540ºCA之间。从燃空当量比变化趋势看，390ºCA开 始喷油，由于喷油时刻较早，缸内空间不大，燃油 不可避免地喷到活塞上。随着活塞下行和燃油的蒸 发，喷入的燃油和空气混合较为均匀。燃空当量比 的分布受活塞运动位置影响，从图7（a）和（b）中 可以看出在活塞位置相同的时刻，燃空当量比分布 的形状较为相似。由于喷油持续期较长，喷入的燃 油对缸内温度的影响较大，喷油结束后活塞顶面处 的燃空当量比较大。 （a）喷油开始时刻：390ºCA （b） 喷油开始时刻：420ºCA 图7 不同喷油定时所对应的喷雾过程燃空当量比分布对比 图8为点火时刻燃空当量比的分布图。z方向为 气缸轴线方向，y方向为截图的法线方向。其中y＝ -0.019（如图1中1所指）和y＝0.019（如图1中3所指） 为通过气门轴线的纵截面截图，y＝0（如图1中2所 指）为通过火花塞中心轴线的纵截面截图；z＝0为 垂直气缸轴线缸盖底面的气缸横截面截图，z＝0.005 为垂直气缸轴线方向通过火花塞电极的气缸横截面 截图。 （a）喷油开始时刻：390ºCA （b） 喷油开始时刻：420ºCA 图8 不同喷油定时下点火时刻燃空当量比分布 图8对比了两种不同喷油提前角下在点火时刻 时缸内的燃空当量比分布情况。从图中可以看出在 火花塞周围都形成了适宜点火的混合气浓度，燃空 当量比数值在1左右。但是对比通过两进气门轴线的 纵截面截图和沿气缸轴线的横截面截图可以看出， 对于喷油开始时刻为420ºCA的算例，虽然在火花塞 周围形成了适宜点火的浓度，但是缸内混合气过浓 区域较大，混合气浓度分布不均匀，而喷油时刻较 早的算例在点火时刻缸内混合气过浓区域较小，只 出现在喷嘴下方位置，混合气分布比较均匀，更有 利于着火、火焰的传播和稳定燃烧。 3 结论 （1）缸内气体流动均匀，有明显的滚流分布并 且滚流持续时间长。 （2）390ºCA和420ºCA时刻开始喷油对缸内压 力影响不明显，较早的喷油开始时刻可以进一步降 低缸内平均温度。其燃油蒸发量略低于稍晚的喷油 开始时刻的情况，但是差别并不大。 （3）本文中两种喷油定时都可以在点火时刻形 成燃空当量比为1左右的可燃混合气，而较早喷射情 况下在点火时刻火花塞周围可燃混合气浓度的分布 更为均匀。 参 考 文 献 [1] Naber J D, B E, Farrell P. Fuel Impingement in a Direct Injection Diesel Engine. SAE Paper 881316. 1988. [2] Dukowicz, J.K. Quasi-steady droplet change in the presence of convection, informal report Los Alamos Scientific Laboratory, LA7997-MS. [3] Huh, K.Y. and Gosman, A.D. A Phenomenological Model of Diesel Spray Atomisation. Proceedings of the International Conference on Multiphase Flows, Sept. 24-27, 1991, Tsukuba, Japan. [4] 胡军军, 周龙保, 等. 缸内直喷式汽油机燃用当量空燃比 混合气的试验研究 [J]. 燃烧科学与技术 . 2002, 8(5): 415-420. 缸内直喷汽油机工作过程的数值模拟 作者： 谭文政， 冯立岩， 隆武强， 李骏， 李金成， 宫艳峰 作者单位： 谭文政,冯立岩,隆武强(大连理工大学 内燃机研究所,大连 116023)， 李骏,李金成,宫艳峰(第一汽车集团公 司技术中心,长春 130011) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_7274768.aspx