（动力机械及工程专业论文）点火室直喷汽油机混合气形成的模拟分析.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 缸内直喷汽油机( g d i ：g a s o l i n ed i r e c ti n j e c t i o n ) 与传统汽油机相比，具有高燃油 经济性、快速响应性和冷启动较低h c 排放等优点。随着石油资源消耗量的日益增加和 排放法规的日趋严格，各大汽车公司早已把g d i 发动机作为开发重点。 混合气形成过程是控制和决定燃烧过程的关键。它在喷油过程与点火、燃烧过程之 间起着承上启下的纽带作用。为了进一步扩大空燃比，增大压缩比，提高经济性，并保 证点火的可靠性和燃烧稳定性，形成更适于点火和燃烧的混合气是关键。因此研究缸内 混合气的形成过程有着重要的意义。 本文是点火室缸内直喷汽油机研究的第一阶段成果。1 ) 提出了点火室式缸内直喷 汽油机概念及其燃油喷射策略；2 ) 应用a v lf i r e8 6 软件对点火室缸内直喷汽油机缸 内的气流运动过程、两次喷雾过程和分层混合气形成过程进行了数值模拟，分析了喷油 提前角以及不同的点火室形状对缸内混合气形成，尤其是点火室内混合气分布的影响。 同时分析了不同转速对两次喷射过程油气混合的影响，验证了燃油喷射策略在大范围工 况下的可行性。 c f d 模拟研究结果表明：1 ) 点火室缸内直喷汽油机具有很好的点火可靠性和燃烧 稳定性，具备扩大稀薄燃烧范围和降低排放的潜力，值得进一步开展深入研究；2 ) 通 过比较不同的点火室形状和改变喷油定时，优化了点火室内混合气的分布；3 ) 本文所 述的燃油喷射策略是可行的，在不同工况下，点火室内可以形成适宜点燃的稳定的混 合气，为提高点火的可靠性和扩大点火定时窗口提供了可能。 关键词：缸内直喷；稀薄燃烧；点火室；混合气形成；数值模拟 点火室直喷汽油机混合气形成的模拟分析 t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rm i x t u r ef o r m a t i o np r o c e s so f g d i e n g i n ew i t hi g n i t i o nc h a m b e r a b s tr a c t c o m p a r e d 、) l r i mc o n v e n t i o n a lg a s o l i n e ，g d ie n g i n eh a si t so w na d v a n t a g e so fh i g h e rf u e l e c o n o m y , m o r er a p i dr e s p o n s ea n dl o w e rh ci nc o l ds t a r tc o n d i t i o n w i t ht h ei n c r e a s i n g c o n s u m p t i o no fp e t r o l e u ma n dt h es t r i c te m i s s i o nc o n t r o lr e g u l a t i o n s ，g d ie n g i n ei se x p l o i t e d b ym o s to fa u t o m o b i l ec o r p o r a t i o n s m i x t u r ef o r m a t i o np r o c e s s w h i c hc o n n e c t ss p r a yp r o c e s sw i mi g n i t i o na n dc o m b u s t i o n p r o c e s s e s ，i st h ek e yt oc o n t r o la n dd e t e r m i n ec o m b u s t i o np r o c e s s i no r d e rt oi n c r e a s e a i r - f u e lr a t i oa n dc o m p r e s s i o nr a t i o ，i m p r o v ef u e le c o n o m y , 嬲w e l la st oe n s u r et h e r e l i a b i l i t yo ft h ei g n i t i o na n dc o m b u s t i o ns t a b i l i t y , f o r m a t t i n ga p p r o p r i a t em i x t u r e i s e x t r e m e l yi m p o r t a n t t h e r e f o r e ，i ti ss i g n i f i c a n tt oi n v e s t i g a t et h em i x t u r ef o r m a t i o np r o c e s s sp a p e ri st h ef i r s tp h a s eo fr e s e a r c hp r o d u c t i o no fg d ie n g i n ew i mi g n i t i o nc h a m b e r t h e f o l l o w i n gr e s e a r c hw o r kh a s b e e nc o n d u c t e d 1 ) t h ei g n i t i o n - c h a m b e rg d i e n g i n ea n di t s f u e li n j e c t i o ns t r a t e g yw e r ep r e s e n t e d ；2 ) t h ei n - c y l i n d e rt u r b u l e n c ef l o w ，s p r a yp r o c e s sw i t h t w oi n j e c t i o n p u l s e s ， a n ds t r a t i f i e dm i x t u r ef o r m a t i o n p r o c e s s a r es i m u l a t e d b y m u l t i d i m e n s i o n a lf l u i dd y n a m i c ( c f d ) c o d e - a v lf i r e8 6 e f f e c t so fm i x t u r ef o r m a t i o n , e s p e c i a l l ym i x t u r ei ni g n i t i o nc h a m b e rw i t ht h ed i v e r s ei n j e c t i o nt i m i n ga n dd i f f e r e n ts h a p e s o fi g n i t i o nc h a m b e ro ni n - c y l i n d e ra r ea n a l y z e d m e a n w h i l e ，i n f l u e n c eo fm i x t u r ef o r m a t i o n d u r i n gm a i ni n j e c t i o np r o c e s sa n di g n i t i o nc h a m b e rc o n c e n t r a t i o nc o n t r o lv o l u m es p r a y p r o c e s sw i t hd i f f e r e n ts p e e da r ea l s os t u d i e d t h ef u e li n j e c t i o ns t r a t e g yi sp r o v e df e a s i b l ei n l a r g er e g i o nw o k c o n d i t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a t ：1 ) t h ei g n i t i o n - c h a m b e rg d i e n g i n eh a sag o o di g n i t i o nr e l i a b i l i t y a n dc o m b u s t i o ns t a b i l i t y ，w h i c ha l s oh a st h ep o t e n t i a lo fd e c r e a s i n ge m i s s i o n sa n de n h a n c i n g t h ec o m b u s t i o ns p e e da n d s t a b i l i t y ；2 ) a f t e rc o m p a r i s o no fd i f f e r e n ts h a p e so f i g n i t i o n c h a m b e ra n di n j e c t i o nt i m i n g , t h em i x t u r ed i s t r i b u t i o n i ni g n i t i o nc h a m b e ri s o p t i m i z e d ；3 ) t h ef u e li n j e c t i o ns t r a t e g yp r e s e n t e di sf e a s i b l e f u r t h e r m o r e ，i tc a nb ee n s u r e d t h a tt h e r ei sf l a m m a b l em i x t u r ew i t ha p p r o p r i a t ec o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o nn e a rt h es p a r k p l u gt oe n h a n c et h ei g n i t i o nr e l i a b i l i t ya n dm a k ei tp o s s i b l et oe n l a r g ei g n i t i o nt i m i n g w i n d o w k e yw o r d s ：g a s o l i n ed i r e c ti n j e c t i o n ；l e a n - b u m ；i g n i t i o nc h a m b e r ；m i x t u r ef o r m a t i o n ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 塞：盐室垫煎盏边妲盥盆塾显亟鱼必堑 作者签名： 互曼牢 日期：兰翌星年生月j 卫日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 遣! 邀窒垫煎盏豳垫盟金曼趔蓝鱼滥2 ，时采用一次。 假设液滴的初始直径为喷孔直径，模型常数g 取0 6 1 ，c 2 取经验值1 2 。 2 2 3 油束碰撞模型 对油束撞壁的模拟计算主要依据n a b e r 和r e i t z 所归纳出来的数学模型。根据燃油 撞壁后出现的不同现象，将油束撞壁归纳为三种喷雾模型： ( 1 ) 粘附：液滴碰到壁面后即粘附在碰壁点处并继续蒸发； ( 2 ) 反射：与壁面相碰后的液滴按光学反射律从壁面弹回； ( 3 ) 射流：入射油滴如同射流一般以切向沿壁面滑行。 大连理工大学硕士学位论文 计算中，从柴油机喷射的实际经验出发不再考虑粘附模型，第二种模型按照普通的 油滴模型计算其运动和蒸发。第三种射流模型则引入新的数学模型进行求解。对于不同 的撞壁液滴应适合哪种模型则以入射液滴的w e b e r 数为准则来判断： w e = 岛屹仍o ( 2 1 6 ) 式中岛为液滴密度，u 期为法向入射速度，见为液滴直径。经验临界值w e e = 8 0 。 图2 2 显示了油粒碰壁的过程。该模型假定油粒碰壁后的运动分为两种情况：低耽 数时为反弹方式；高耽数时为类似液体射流的反射方式。 ( 1 ) 反弹模型( w e w e e ) 射流模型中，液滴反射速度大小不变，方向发生变化，其法向反射角= ( 9 0 一) 在 0 5 或0 1 8 范围内变化，切向方向形成圆周角为沙( 一1 8 0 1 8 0 ) 的射流 运动，根据质量和动量守恒，得到： y = 一手h l 1 一p ( 1 _ e - k ) - ( 2 1 8 ) p 为【o ，1 】范围内的随机数，参数后由下式计算： s 协口= ( 矧南 泣埘 点火室直喷汽油机混合气形成的模拟分析 图2 2 油粒撞壁模型示意图 f i g 2 2s p r a y - w a ui n t e r a c t i o no fd r o p l e t s 在w a l l j e t l 模型中，破碎后油粒直径按下面方法依据耽数确定【2 6 】： w e 5 0 ：4 = d o 5 0 _ w e 1 4 0 ：4 - ( 1 0 7 - 1 0 1 1 0 - 2 w e + 3 2 9 1 0 - 5 w e 2 1 成 1 4 0 w e 3 0 0 ：4 = 0 2 x d o 一2 0 一 ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 大连理工大学硕士学位论文 3 直喷汽油机计算模型的建立 31 计算模型的建立 311 几何模型的建立 在应用f i r e 软件进行计算时，首先应用c a t i a 进行点火室的三维几何造型，立u 图 3 1 所示。生成可以调入f i r e 软件的咀ts 1 1 为扩展名的文件。然后与汽油机模型结合， 生成计算模型。 l ( 曲点火室b ) 汽油机模型 k 1 最终计算模型 图3 1 计算模型的生成 r i g31 g e n e r a t i o n o f c a l c u l a l i o n m o d e l 3 12 网格化分及动网格生成 在模拟计算之前，首先要生成计算嘲格。计算网格的构建对于流体分析是至关重要 的，网格的作用是把流场分成很小的单元，利用守恒方程和数学模型对小单元中的流场 进行分析，得出的结果是代表该小单元的流动状态。f i r e 采用f a m e 自动网格生成器 生成以六面体为主的高质量网格。六面体网格对提高流体及有限元分析结果的精度非常 点火宝直喷汽油机混台气形成的模拟j 析 重要。f a m e 基十八叉树过稃的自动网格生成工具可实现又快又稳定的网格生成。嘲格 建立过程的算法对表面质量不敏感。只要表面的缝隙宽度不超过该处阿格的大d 、，就不 会影响网格的自动生成。 本文模拟是从进气阀开启、活摩下行开始到排气阀扣开、活塞上行终止的半个循环。 在f i r e 软件巾，考虑到如果加入排气阀，则需要将排气阀定义为动网格，同时与气缸 的边界也需要定义为滑移边界，这将极大地增加模型的复杂程度，导致计算仿真较难收 敛。而本模拟的重点在于自喷汽油机内部的油气混合情况，重点是点火室内火花鏖附近 的油气混合情况，对于排气阀的情况并不做研究，故本模型中不加入排气阀。 本模拟在应用f a m e a d v a n c e d h y b n d 生成体网格( v o l u m e m e s h ) 之前需要准备好 边刚格( e d g em e s h ) 和面网格( s u r f a c em e s h ) 。f a m ea d v a n c e dh y b r i d 这种网格生成工 具有自动识别模型大小的功能，能有效地处理局部结构尺寸差别很大的模型，如对y - 模 型的某地比起其它部位要小很多的部位它能自动识别到，并作相应的网格细化，保证表 面的贴合。 由于本文是对直喷汽油机的进气和压缩行程进行模拟，所以需要生成两套计算模 型，也就足说进气行 g 和压缩行程部有各自的一套边网格、面网格和体网格。 最后应用f e p 生成最终的计算模型和动网格。用f e p 生成的结果中可能会有不合 格的网格，这就需要重新细化之前生成的体网格直至最终结果可供计算。图32 为f e p 生成的u t 供计算的网格。 r a ) 3 6 0 。c a 网格数：6 3 6 4 5 9 ( b ) 4 5 0 。c a 网格数：8 1 2 4 15 大连理工大学硕士学位论文 r 囟 c ) 5 4 0 0 c a 网格数；8 2 7 6 2 0( d ) 5 8 0 0 c a 网格数：5 6 8 4 7 0 ( e ) 7 2 0 。c a 阿格数：4 3 0 6 3 4 圈32 不同曲轴转角的气缸网格模型 f i g3 2c y l i n d e r m e s h m o 曲la t d i f f c x e m c r a n k 孤d e 32 计算初始条件和边界条件 321 初始条件 在f i r e 中，对缸内过程的计算以曲柄转角为计算步长，从3 6 0 。进气行程开始计算， 到7 2 0 。压缩行程结束为止。根据缸内流体运动剧烈程度不同将计算区间分段并定义 不同的步长：从3 6 0 0 c a 到3 6 2 。c a 时，步长设为05 ；从3 6 2 。c a 到4 4 8 。c a 时，步长 设为1 ；从4 4 8 0 c a 到4 5 0 0 c a 时，步长设为0 5 ；从4 5 0 。c a 到4 7 3 。c a 时，步长设为 02 ：从4 8 2 0 c a 到6 8 0 0 c a 时步长设为1 ；从6 8 0 。c a 到7 0 0 。c a 时，步长设为02 ： 从7 0 0 。c a 到7 2 0 0 c a 时，步长设为l 。 模拟计算初始条件如下表31 所示。 点火室直喷汽油机混合气形成的模拟分析 表3 1 模拟计算初始条件 t a b 3 1i n i t i a lc o n d i t i o no fc a l c u l a t i o n 缸内气体流动模型选用k - z e t a - f 模型；喷雾模型中湍流扩散子模型选用e n a b l e 模型、 破碎子模型选用w a v e 模型。 3 2 2 边界条件 边界条件包括速度边界条件和温度边界条件。 温度边界采用恒温边界，不考虑活塞运动和缸内燃烧对温度的影响。温度边界条件 如表3 2 所示。 表3 2 温度边界条件 t a b 3 2 b o u n d a r yc o n d i t i o no ft e m p e r a t u r e 对于速度边界条件，气缸盖和气缸壁不动，壁面气体速度为零，活塞顶处的速度采 用壁面函数法求得。 大连理工大学硕士学位论文 4 混合气形成过程仿真及结果分析 混合气形成过程是控制和决定燃烧过程的关键。它在喷油过程与点火、燃烧过程之 间起着承上启下的纽带作用2 ”。模拟结果将有助于了解缸内过程的细节，对油、气、室 三要素的合理配置有较强的实际指导意义。本章将从喷油正时、点火室通道宽度以及转 速三个角度分析混合气的形成及其影响规律。 41 气流运动分析 本文中燃油喷射策略的重点是：从设置在点火室中的旋流喷嘴喷出的燃油能够在进 气行程喷入主燃烧室中，与空气充分混合，形成稀薄混合气：而从点火室中的旋流喷嘴 喷出的燃油在压缩行程后期由于通道处的挤流作用能够封在点火室内，在火花塞附近形 成均匀的、适宜点燃的混台气。如此看来缸内流动对燃油喷射策略有很大影响，所以首 先对缸内气体流动进行了模拟研究。 4 11 主燃烧室内的气体流动 缸内流场的变化是一个复杂的循环连续过程，有密切的时间继承关系，喷雾开始前 的气体流动实际上是进气过程中气体流动的延续，因此严格地说，只有从进气过程丌 始跟踪气体流动的发展，才能较精确地给出喷雾开始前的流场状态】。 主燃烧室是形成稀薄混合气的地方，因此对它内部的气体流动进行分析可以更好的 把握混合气的形成。 图4 1 切面位置示意图 f i g4 1c b a z t o f t a n g e n t p l a n e m s i d 帅 点火室直喷汽油机混台气彤成的模拟分忻 4 0 0 c a 气阀处切面气喇对称面 兹墨 罐鎏 同 隔澎鞠麟 岁麓 隰刻 一：i 酒 鬣： 0 1 s 3 04 56 0 7 59 0 10 5 1 0 13 s 15 0 圈4 , 2 进气行程缸内流动速度升布 f i g4 , 2 v e l o c i t yd i s t r i b u t i o no f i n t a k es t r o k e i nc y l i n d e r 大连理工大学硕士学位论文 图4 1 和图4 2 给出了进气行程的上止点后2 0 度至8 0 度曲柄转角间的气阀处切面 和气阀对称面的位置示意图及缸内气流速度的分布。由图可见，在进气开始后( 如 4 0 0 c a ) ，由于活塞下行的抽吸作用，在进气阀前后形成一定的压差，进气道内的气体 在压力作用下高速通过气阀密封锥面上的环形通道。6 0 0 c a 时在气阀的下方沿阀盘有一 个环形涡。随着活塞继续下行( 如8 0 0 c a ) ，这个环形涡有慢慢形成逆时针旋流的趋势。 因为所有进气均从两进气阀进入气缸，所以两气阀对称面上的气流强度很大。从图 可以看出，在点火室的通道处附近，大部分曲柄转角对应的气流速度超过了1 0 0 r n s ，最 大值甚至超过了1 5 0 m s ( 如4 0 - - - - 6 0 0 c a ) 。这样从点火室喷出的燃油就可以随着较大的 气流速度与空气充分的混合，并且在气缸内有形成逆时针旋流的趋势，因此在主燃烧室 有形成稀薄混合气的能力。 4 1 2 点火室内的气体流动分析 在压缩行程后期活塞表面的某一部分和气缸盖彼此非常靠近时所发生的径向内向 或横向气体流动称之为挤压流动( 挤流) 【2 9 】。本文中提出的喷射策略在进行点火室浓度 控制量喷射时，就是利用点火室通道处的挤流使缸内的气体涌入点火室内，从而将点火 室浓度控制量喷射过程中喷出的燃油封在点火室内，油气在点火室内混合，最后在火花 塞附近形成适宜点燃的混合气。 流体进入预燃室最关键的阶段发生在压缩终了阶段。这是流动是在主燃室和预燃室 之间压力差的驱使下进行的，这个压差是很小的，质量流动率以及在通道处的速度可用 一种简单的气体位移模型来估算。假设在整个气缸中气体的密度是均匀的( 对于最关键 的阶段压缩过程终止前是一种合理的假定) ，那么设 通道截面积 4 = 万，2 ( 4 1 ) 式中，为通道半径； 活塞平均速度 s e = 2 n l( 4 2 ) 式中，为曲轴转速，三为活塞行程； 活塞瞬时速度与活塞平均速度的比r 。为 点火室直喷汽油机混合气形成的模拟分析 足= 砉 = 三s 证臼 ，+ i ：j 兰鼍纠 瞬时缸内容积与余隙容积之比足为 足，= 号= + 三( 名一) r + l - c o s o - ( r 2 - s i n 2 0 ) ； 式中，v 瞬时缸内容积，圪为余隙容积，为发动机压缩比 通道处瞬时速度与活塞平均速度之比哗为 哗= 妻= 啾期去 s p 7c 叶嘶1 式中，巧为通道处的瞬时速度，b 为发动机缸径，巧为点火室容积； 质量流动率如为 ) 惫 通道处的动量微分二为 二：巧如 ( 4 3 ) ( 4 4 ) ( 4 5 ) ( 4 6 ) ( 4 7 ) 大连理工大学硕士学位论文 通道处速度与活塞平均速度比值 随曲轴转角变化规律 墨 塞 蚕 萋 篓 通道气体速度随曲轴转角变化规律 曲轴转盘广c 由轴转角，c 气体质量流动率随曲轴转角变化规律通道处动量微分随曲轴转角变化规律 图4 3 转速对通道处各变量的影响 f i g 4 3 i n f l u e n c eo fv a r i a b l e sa tt h r o a tb ys p e e d 如图4 3 所示，在压缩过程中通道处的气体速度以及质量流动率大约在上止点前 2 0 0 c a 时达到最高峰值；非常高的气体速度( 比活塞平均速度大一个或更多个数量级) 可以在一定的相对通道面积时达到。通道处各参数随转速的变化而变化着，而且影响也 比较大。随着转速的降低( 从5 5 0 0 r m i n 到6 0 0 r m i n ) ，通道处气体的速度、动量微分 也随之减小且幅度较大。这个规律使得在做后续的工作时，要考虑到转速对通道处各个 参数的影响。由此可见转速对于油气在点火室内的混合是否均匀和充分以及从喷嘴喷出 的燃油能否被封在点火室内有着很大的影响。另外，通道处速度与活塞平均速度比值和 气体质量流动率在不同转速下不发生变化，这两张图三条速度的曲线图完全重合。 点火室直喷汽油机混合气形成的模拟分析 粒轴蒋蠢广c 通道处速度与活塞平均速度比值 随通道半径变化规律 通道气体速度随通道半径变化规律 盘馨角，c 曲幛每，c 气体质量流动率随通道半径变化规律通道处动量微分随通道半径变化规律 图4 4 通道半径对通道各变量的影响 f i g 4 4 i n f l u e n c eo fv a r i a b l e sa tt h r o a ta f f e c t e db yr a d i u s 图4 4 所示为改变通道半径后，对通道处气体流动的影响。通道截面积的大小对点 火室气体流场的影响不及转速对其的影响大。但是它也是点火室尺寸的一个重要设计参 数。它的改变不但使点火室容积发生改变，而且也会使主燃室与点火室的容积比发生变 化。对于点火室内燃料空气的混合速率也有一定的影响。所以，后续工作也会围绕着这 一参数进行比较。 大连理工大学硕士学位论文 图4 5 给出了压缩行程上止点前1 0 0 度至3 0 度曲柄转角间的气阀对称面上气流速度 的分布。可以看出，在压缩过程中出现了前面预测会出现的逆时针旋流。由于活塞上行， 在接近上止点时( 如5 0 0 c ab t d c ) ，在点火室通道处，开始逐渐出现由于活塞挤压造 成的挤流涡，逆时针旋流涡被活塞慢慢压缩为扁平状，它加强了点火室通道处的挤流涡。 点火室通道处的气流是垂直向上挤进点火室的，其速度一般在3 0 m s 以下，到了压 缩行程后期速度升高，最大达到5 0 m s ，而汽油机采用的旋流喷嘴出口速度范围一般在 5 0 - - 6 0 m s 左右。喷嘴距离通道处有一定距离，当燃油喷出后，受到空气的阻力，速度 会大大降低。所以，通过合理的控制，就有理由相信这个垂直向上的挤流可以把燃油封 在点火室内，从而在火花塞附近形成适宜点燃的混合气。 1 0 0 0 c ab t d c 8 0 0 c ab t d c 9 0 0 c ab t d c ；罨不譬六栩 7 0 0 ( 2 ab t d c 点火室直喷汽油机混台气形成的模拟分析 “j ( f j ) l1 c j l i ) ( 工口工皿 0510 152 0 2 5 3 0 3 54 0 4 55 口 倒4 5 雕缩行科缸内流动速度分布 f i g4 5 v c l o c l wd i s t r i b u t i o no f i m p r e s ss t r o k e i nc y l i n d e r 42 喷雾的模拟及分析 喷油过程是发动机工作过程中极为重要的一个组成部分。燃烧过程三要素( 浦、气、 章) 中的“油”既包括燃油本身的物理化学性质，亦包括燃油的喷射过程及其与燃烧 室及气流运动的匹配。喷油过程组织得好坏将直接影响燃烧过程的组织与效粜，从而办 决定着发动机的罄机性能。可以说，爱提高发动机的技术经济指标和拧制排污就必须 改善和控制燃烧过程，而要改善和拄制燃烧过程，就必须首先改善和捧! 制喷油过程。喷 油过程、燃烧过程和发动机性能三者依次存在着因果关系。本节将对上文提出的喷油荒 略进行模拟，考察两次喷雾与窄气的混合过程。 4 21 王喷射过程 图16 所示的是喷油时刻为进气行程hj l ：点后9 0 。c a ，喷油持续期为l j 。c a 的主 喷射过程罔。 大连理t 大学硕七学位论文 9 5 a a t d c r _ ：1 点火空直喷汽油机魁台气形成的模拟分析 3 c a a t d c 奎j 鬯 口皿u 卫 10 162 2z 8m4 0 4 es 25 b 7 0 图46 主喷射过程图 f i g4 6 m a i ns p r a y p r o e x s s 从图46 中我们可以看出，颜色代表液滴速度的大小。刚丌始时有较大的喷雾速度， 但足并不是最大速度。通过喷油规律可知，最大喷射速度出现在9 8 。c aa t d c ，- u 以达 到7 0 m s 。在喷油后期，由于喷油压力迅速下降，喷 尾部的速度低丁前面的喷注速度。 从喷雾形态看，l1 0 。c aa t d c 的时候，受强进气涡流的影响，喷雾体没有沿轴线发展， 失去了静态喷射时的喷雾形状，所以喷雾与缸壁碰撞，但是碰壁时燃油空间反射不明显， 由上文气流运动的分析得知，壁而的速度可以达到9 0 m s ，所以，绝大部分燃油在罐面b f 4 近与速度较大的气流混合，并在运动过程中不断蒸发而消失。同时在1 4 0 。c aa t d c 的 时候可以看到整个喷雾形状的中恻液滴的速度很高，这也是因为进入气缸的空气与液滴 相互作用使得液滴的速度也变得很大。这些特点都足有利于油气充分混合的。 从上文的气流运动分析u t 知，在1 0 0 。c ab t d c 时，主燃室内形成了一个旋流，它 的存在也带动了主喷射油气的充分混合。 大连理工大学硕士学位论文 从俯视图可以看出在喷油初期，形状近似圆形，保持着轴对称结构。当有空气的介 入时，由于气阀对称面上气流速度是比较大的，就把油束畎出了一个凹面。 422 点火室浓度控制量喷射过程 点火室浓度控制量喷射是本文提出的喷射策略的重点，也是重点的分析对象。 盘薹誊c 毒! 菇盏透基缀涵 3 0 0 c a b t d c “0 “i “蘩x 撺 _ 一 2 & c a b t d c 瓣 5 0 c a b t d c 1 0 152 z 2 bm4 04 65 25 a 7 0 图4 7 点火室浓度控制晕喷射过程 f i g47 l g n i t l o n - c h a m b e rc o n c c a t r a f i o n - c o n o l v o l u m es p l a y s 图4 7 所示的是喷油时刻为压缩行程上4 0 0 c a b t d c ，喷油持续期为2 。c a 的点火 室浓度控制量喷射过程。从图中可以看出，燃油的出口速度有5 0 r d s 左右，当油束运动 到通道处时，由于空气的作用，油雾的速度迅速降低到( 1 0 一2 0 ) m s 。从喷雾形态看， 由于没有强进气涡流的影响，喷雾体沿轴线发展。喷雾结束后，由于点火室通道处挤流 的作用和压缩行程缸内压力较高，燃油分布相对比较集中，喷雾并没有进入主燃烧室内， 而是如预期所料被封在了点火室内。在1 5 。c a b t d c 时，大部分油雾已经与空气充分混 点火室a 喷汽油机混台气形成的模拟丹析 合，在火花摩附近形成易f 点燃的浓混台气，受雾化和燕发的作用油滴滴径逐渐减小直 至消失，只有少量液滴存在于点火室底部。 423 混合气浓度分布 为了提高点火稳定性和扩大点火定时窗口，在点火室内形成稳定、均一且冰度适当 的混合气是必要的，所以对气缸内，重点是点火室内混台气浓度进行了研究。 过量空气系数。表示每循环的丑；际空气量与燃烧1 k g 燃油所需理论空气龟的比，燃 窄当量比( 简称当量比) 表示实际燃空比与理论燃空比的比值它是过量空气系数口 的倒数。当d = 1r i ，! _ ! l | 混合气为理论混合气。当扣】则表示混合气比理论混合气浓： 当d 1 则表1 i 混合气比理论混合气稀。f i r e 中即是用燃空当量比柬表示棍台气浓度适 宜程度的。 o o o 大连理 大学硕士学忙论文 r _ ，溺 l 工j 1 002 040b 00112 14 1b 1b2 图48 气缸内混台气浓度分布 f i g48 d i s t n l o a f i o n o f m i x t u r ec o n c e n t r a t i o n i nc y l m d e r 图48 给出了气缸内4 0 1 6 a b t d c 燃空当量比的分布，右侧为点火室的横切面， 切面位置在火花塞电极之间。颜色表示燃空当量比的大小。当燃油刚喷到点火室中时， 由于初始喷入燃油量很少，所以当量比很小，随着喷入燃油量的增加，当量比的值逐渐 变大喷雾前端的油滴受到较大的空气阻力，油滴与周围空气的相互作用使其不断被撕 裂、破碎和雾化，尺寸不断减小，小油滴又极容易被蒸发，故喷注前端当量比值较大。 随着活塞上行，燃油受到强挤流作用的影响( 如2 6 。c a b t d c ) ，与涌入点火室的稀薄 混合气快速充分混合，形成当量比约为1 的均匀混合气。 通常汽油机的点火时刻在3 0 - - 2 0 。c a b t d c 范围内，从点火室的横切面可以看出， 2 6 1 6 0 c a 8 t d c 范围内，燃空当量比大都在l 左右，此横切面正是火花塞所在的平面， 因此可以说在火花塞附近形成了均匀的，适宜点燃的混合气。而在主燃室内，大部分 区域都形成了均匀的稀薄的混合气，燃空当量比大都在04 以下。由于在压缩行程后期 主燃室内有一逆时针方向的旋流存在，导致进气阀右下方混合气较浓。 通过以上分析可以得出采用合适燃油喷射策略的点火室直喷汽油机有能力在压缩 行程上止点附近形成和维持适合于点燃的混合气浓度分布并且有扩大点火定时窗口的 能力。 点火望臣哦汽 i | 机泄台气形成的模拟分析 43 喷油提前角对混合气分布的影响 发动机的喷油始点用喷油提前角米表达。代号口单位为。c a ( b t d c 上止点莳) 。 喷油提f j i 角的合适j 古，直接影响荐滞燃期的长短、发动机的动山性、经济性、排放性， 以及是否发生燃烧压力振荡等。而燃烧的好坏主要取决丁喷油过程及混合气形成过程组 织的好坏。所以本文对喷油提前角对混合气形成产生的影响进行了探究。 3 5 6 c a b t d c 3 0 0 c a b t d c 2 8 0 c a b t d c 2 酽c a b t d c 2 3 a b t d c 2 0 。c a r t d c 1 6 0 c a 4 5 。c ab t d c4 0 0 c ab t d c3 5 0 c ab y d c k 。o k k o 。0 k ，o o k o l o j k 。蚕l o o - 季善，7 、 - k 簦“警k 。 日二：二i l 二二圈 00z 0406 日112 14 16 1a2 圈4 9 不同喷油提前角的点火室内混台气浓度对比 f i g4 9 c o n 眦to f m i x r ec o n c e n a a t i o n i nc y l i n d e r w i t h d i f l 研e m i n j e c t i o n t i m i n g 黧 大连理工大学硕士学位论文 图4 9 给出了喷油时刻分别是4 5 、4 0 和3 5 0 c ab t d c 时的点火室内混合气浓度的 对比。从图中可以看出，不同的喷油提前角反映出的混合气浓度分布有较大差异。喷油 角度越提前，油气就能够较早的混合( 如4 5 0 c ab t d c ) ，混合的也越均匀，对于组织 良好的预混合气燃烧是非常重要的；相比较而言，3 5 0 c ab t d c 时，在点火范围内，油 气混合的就不太均匀，在2 0 0 c ab t d c 时，红色连成一片，因而对下一步组织燃烧也有 一定影响，燃烧会不充分。 通过模拟可以看出，喷油提前角是很重要的参数，对于点火室内混合气的浓度分布 影响较大，点火室直喷汽油机有能力在压缩行程上止点附近实现稳定点火和扩大点火定 时窗口。 4 4 点火室通道宽度对混合气分布的影响 为了探究点火室形状对混合气形成的影响，改变通道宽度进行模拟计算。之前模拟 的点火室，通道宽度都是1 0 m m 的尺寸，现在将尺寸扩大到ll m m ，如图4 1 0 所示。 a 型b 型 图4 1 0 不同通道宽度的点火室对比 f i g 4 10 c o n t r a s to fi g n i t i o nc h a m b e rw i t hd i f f e r e n ts h a p e 图4 1 1 给出了不同点火室在上止点位置的网格划分图。当活塞运行到上止点时，a 型点火室的网格数为4 3 0 6 3 4 个，b 型点火室网格数为3 9 9 5 8 8 个。b 型燃烧室网格的形 成与a 型一样，都是把用c a t i a 画好的点火室模型以术s t l 文件导出，然后与汽油机模 型结合，做出初始模型，再用f a m e 以及f e p 生成边网格、面网格、体网格及最终的计 算模型及动网格。f e p 除了生成动网格之外还具有对网格进一步局部细化的功能，提高 网格质量。计算区间也是从3 6 0 0 c a 到7 2 0 0 c a ，共两个行程：进气行程和压缩行程。 点火室斤喷汽汕机溉台气形成的模拟分折 a 型b 型 圈41 1 不同形状点火室网格模型 f i g41 1 m e s h m o d e l so f i g n i t i o nc h a i i l b e r w i t hd i f f e r e n ts h a p e 为了比较不同通道宽度对混合气形成的影响，两种形状的模型的初始设盖府一致。 汽油机转速设为5 5 0 0 r m i n 。缸内初始压力和气道内仞始压力等参数如表3l 和32 所 示。两次喷油的叫刻分别是进气行程9 0 0 c a a t d c 和压缩行程后期4 0 0 c a b t d c 。贲嘴 采用在g d i 发动机上广泛使用的旋流喷嘴，其头部设有旋流腔( 如图41 2 ) ，燃油通过旋 流腔时获得旋转动量，在喷嘴出口燃油分散成锥形喷雾。此种喷嘴形成的喷雾质奄良好， 容易造成空气的卷吸，加强空气与喷雾的相互作用，加快燃油的雾化蒸发。喷嘴外于 = 为 o5 m m ，内径02 r o m 。口，为喷嘴轴向与外锥边缘的火角，吼为喷嘴轴向与内锥边缘的夹 角，两个角随着喷射率的变化均设定为1 0 。i n 目4 1 2 旋流喷嘴结构图 f i g41 2 s t r u e m r e o f s w l r lj e t 图413 给出的是不同点火室通道缸内速度分却的对比。从对比中可咀看出，两种模 型的主燃室内气体流动相差不大， 是b 型形成的旋流位置比a 型的稍微下移，一些， 且b 型逆时针旋流的强弱程度较强。6 0 。c ab t d c 时，由于活塞上行，缸内气体受到压 大连理工大学硕士学位论文 缩，b 型点火室气缸内的旋流被压缩成扁平状。到了压缩后期，3 0 。c ab t d c 时，通过 比例尺可以明显看出，通道处气流的速度是不一样的，a 型最大可以达到5 0 m s ，而b 型由于通道变宽，挤流速度最大达到4 0 m s 。这些都与气流分析中图4 3 中的曲线变化 一致。这些差异将会对混合气浓度的分布产生一定的影响。 1 0 0 0 c a b t d c 8 0 0 c a b t d c 6 0 0 c a b t d c 4 1 - 、#。t_，-、#： ， ： 、；tgt77s。、；a，l，、i 、r，玎v、i#；，幺 1 # t 点火窀直喷汽油机混音气形成的模拟分析 匝口1 工口卫 0s1 0 152 0 z 5 3 0 3 54 f l4 55 0 a 型 z ，爨瓤 臣口湮工皿 b 掣 图41 3 不同点火室的速度分布对比 f i g41 3v e l o c i t yc o l l t r a g to f d i f f e r e n ti g n i t i o nc h 蛐b e r s 图41 4 给出了两种点火室压缩行程后期点火室浓度控制量喷射的混合气浓度纵横 两截面的对比。喷油时刻是4 0 。c a b t d c ，持续期是2 。c a 。从纵截面的对比可以看扎 点火室通道宽度越小，气流速度越大。所咀a 型点火室巾燃油就被吹得很散，to 空气混 合也较均匀。从横截面也可以看出，同一个时刻喷油，油量也相同，a 型比b 型混合气 的面积较大，到2 0 0 c a b t d c 时，混合气几乎允满了横截面。而掘已有文献记载，汽油 机的点火提前角般为( 2 卜3 0 ) 。c a ，最大可达3 9 。c a ，最小只有1 5 0 c a 。所匕上在正 常点火范围内，无论是从混合气混合程度，还是混合面积大小比较，a 型都好于b 型。 而主燃