电控多点喷射汽油机燃油雾化和蒸发特性研究.pdf

性能研究 电控多点喷射汽油机燃油雾化和蒸发特性研究 孟 铭 倪计民 同济大学 上海 200092 摘要 通过数学模型 对多点电喷汽油机喷油过程中燃油的分布 燃油雾化和蒸发特性及其影响因素进行了研 究 从而为电喷汽油机在动态工况下缸内混合气的过量空气系数 at 的精确控制提供了设计依据 关键词 汽油机 燃油分布 蒸发和雾化 油滴和油膜 动态 中图分类号 TK411 2 文献标识码 B 文章编号 1001 2222 2001 01 0001 04 电喷汽油机混合气的形成和燃烧对其动力性 经济性和排放性能有显著的影响 而混合气的形成 和过量空气系数的控制涉及到空气的流动特性 电 控系统的控制策略和喷油后燃油的分布 雾化和蒸 发过程 1 2 本文重点阐述的燃油分布 雾化和蒸 发整个变化过程的研究 将有助于精确确定缸内混 合气 改善汽油机的瞬态特性 同时也为进气系统的 优化设计提供了依据 1 燃油喷雾 1 1 燃油的分布 图1为多点喷射系统燃油分布模型 3 这种模 型假设空气流过进气系统时是等熵和准稳态的 并 将混合气视为理想气体 设从喷油器喷出的燃油量 为mFi 当喷油器开始喷油后 直接随着空气进入气 缸的燃油量为mFi 1 X 进入气道壁面和进气门 而形成油膜的燃油量为XmFi 在油膜中 一部分燃 油 包括本次循环进入和前面循环进入的燃油 蒸 发 并随空气流进入气缸 其蒸发量为mFe 另外还 有一部分燃油以油膜mFL的形式流进气缸 实际进 入气缸的油量由直接进入部分 油膜蒸发部分和油 膜流动部分所组成 即 mF 1 X mFi mFe mFL 1 在稳态工况下 进入壁面的燃油比例 即X的 数值比较小 油膜也比较稳定 不随时间的变化而改 变 也就是说 每循环从喷油器喷出的燃油与最终进 入气缸的燃油量基本相同 且进入油膜的燃油与从 油膜蒸发的燃油和以油膜的形式流入气缸的燃油总 和相同 在动态工况下 各部分燃油的分布和变化 是不同的 原有的平衡状态也不复存在 一些参数随 时间的变化而变化 首先 在稳态工况下 由于每循 环的供气量相同 所以 即使由于ECU的控制策略 而导致本循环的供油量与供气量不相对应 4 也不 影响缸内的过量空气系数 而在动态工况时 本次循 环的喷油量是根据本循环前的某循环空气量来确定 的 即两者存在时间滞后 因此 供油量与供气量的 关系为 mFi t k mair t t 2 式中 mair 空气流量 k 按理想过量空气系数确定的常 数 因此 在动态工况下 燃油的分布模型可由参数 X 和 t来表征 X为从喷油器中喷出的燃油进 入油膜的部分 是油膜蒸发时间常数 若能求得所 蒸发的油膜的质量Mf 则Mf 就是油膜的蒸发速 率 t为时间滞后常数 实际上 在这个模型中 稳 态工况可作为动态工况中时间滞后常数为0的一个 特例 1 直接进入气缸的燃油 2 进入壁面的燃油 3 壁面油膜 4 油膜蒸发后进入气缸 5 以油膜形式进入气缸 图1 燃油分布模型 收稿日期 2000 08 03 修回日期 2000 11 10 作者简介 孟 铭 1970 男 山西省天镇县人 同济大学在读硕士生 工程师 研究方向为增压与节能 第1期 总第131期 2001年2月 车 用 发 动 机 VEHICLEENGINE No 1 SerialNo 131 Feb 2001 X 和 t随运行状态和工况点变化而变化 如在稳态工况下 负荷不变 中低转速下 基本稳定 在1附近 其变化基本在0 7 1 5 冷起动时 具 有较大的数值 在动态工况下 喷入壁面的燃油量 与从壁面油膜中蒸发的燃油量和以油膜形式进入气 缸的燃油量总和是不相同的 从喷油器喷出的燃油 与进入气缸的燃油也是不同的 还要加上空气量与 燃油量的滞后 如果在ECU的控制策略中是按化 学当量比来确定喷油量的话 在动态工况下气缸内 的混合气并不是化学当量比 因此 在ECU的控制 策略中要考虑对喷油量的修正 如在节气门突然打 开 加速 时 缸内空气量的增加速率大于燃油量的 增长率 为此 通常采用加浓系数 有意按 浓 混合 气配比 通过这种 正 补偿 使得缸内混合气的浓度 接近化学当量比 见图 2 3 确定加浓系数 需要 进行大量的理论和试验研究 1 2 参数的确定 通常可通过试验方法来确定X 和 t 3 5 这些参数会受到工况变化形式 转速 负荷 燃油性 质以及温度 喷油器结构和位置 壁面尺寸和形状 温度 空气流动等运行和结构参数的影响 图2 加速加浓补偿 2 燃油的雾化蒸发计算模型 燃油喷射的油束进入进气管的热气流中 分裂 成一定初速的油滴 被加热后开始蒸发 同时沉积在 气道壁面和进气门上的油膜受热也进行蒸发 此外 由于空气的作用 油膜不断随气流流动 实际上 油 滴发生破碎的可能性很小 油滴和油膜的蒸发过程 可以通过一维非稳态多相流模型来描述 这个模型 主要包括气态 空气流动 模型 多组分油滴蒸发模 型和油膜模型 建模的假设条件是进气管为直管 气流为一维匀速流 燃油为断续喷射 4 8 2 1 油滴蒸发模型及其影响因素 以油滴在稳定环境中的表面蒸发率为基础 可 以建立稳定和非稳定条件下的油滴蒸发模型 4 见 图 3 这里的非稳定条件是指油滴与空气之间存 在的相对速度的差异 此时 m LS mLS1 0 277 Re0 5 Sc0 333 1 1 232 Re Sc1 333 3 式中 m LS mLS 非稳定和稳定条件下的蒸 发量 Re 雷诺数 Sc 施密特准则数 通过对模型的分析总结了影响油滴蒸发的因素 见表 1 6 表1中 表示增加趋势 表示 减小趋势 2 2 油膜蒸发模型及其影响因素 热机状态的油膜平均厚度仅为几个微米 冷机 起动和喷射期间稍大一些 油膜厚度虽小 但油膜 积存的燃油量相对于循环喷油量却很大 可能达到 10倍以上 5 由于较高的蒸发压力 燃油中的轻质组分在碰 到壁面前蒸发量数倍于重组分 所以油膜中主要成 分是重油组分 与空气流速相比 油膜的流动速度 相对较慢 主要取决于油膜厚度和空气流速 油膜 厚度在进气道内分布可能是不均匀的 而且较厚的 图3 油滴蒸发模型 2 车 用 发 动 机 2001年第1期 表1 油滴蒸发量的影响因素 影响因素油滴蒸发量说明 油滴初始动量 油滴飞行的时间减小 喷油器位置靠近进气门 参与蒸发的燃油量减少 喷射锥角 油滴射程减小 油滴蒸发时间缩短 使更多的燃油射入气缸 喷油正时 相对于进气门正 时 进气门打开时喷油 小油滴可能随进气流直接进入气缸 总的蒸发量减小 进气门关闭时喷油 油滴滞留时 间延长 蒸发量就会大大增加 空气温度 对蒸发量影响很大 发动机转速 发动机转速升高 空气流和油滴的Re数增大 强制换热和对流增加 蒸发速率增大 但同 时由于气流对油滴的拖拽力增大 空气中油滴滞留的时间缩短 而且循环的时间也缩短 总 的结果是蒸发量有所下降 发动机负荷 负荷增大 空气的流量和流速都增大 Re数增大 蒸发率升高 同时由于油滴蒸发环境的饱 和压力升高 蒸发所需热量增多 负荷虽对蒸发率的影响不大 但蒸发总量增加 燃料挥发性 燃料挥发性增大 油滴蒸发量也增加 mf s 油滴蒸发速率 ml g 油滴的质量 Qc s 油膜与空气的 对流换热量 QW 油膜与管壁的换热量 MF S 油膜的蒸发速 率 c Mi 进入油膜的燃油质量 TF S 油膜表面温度 TF 油 膜内部温度 TW 管壁温度 Tm b 饱和温度 Mj 进入气缸 的油膜质量流量 图4 油膜蒸发模型 油膜可能会导致油膜分裂 但在计算时可以取平均 值 油膜蒸发的模型 5 是将蒸发分成进气门开启时 的蒸发和进气门关闭后的蒸发 见图 4 在进气门 开启期间 由于气流与油膜表面的摩擦作用 加速了 蒸发 此时的蒸发量占油膜总蒸发量的绝大部分 mFO AF KF R TF S p sat pPf 4 式中 mFO 进气门开启阶段蒸发量 AF 油膜的表面积 KF 与Re和Sc相关的参数 TF S 油膜的表面温度 psat 油膜表面饱和压力 pPf 油物分压力 由于进气门关闭期间油膜蒸发量不大 计算模 型中可将该期间内的蒸发量忽略不计 通过对模型的分析将影响油膜蒸发因素总结如 表2 表中 表示增加趋势 表示减小趋势 表2 油膜蒸发影响因素 影响因素 蒸发量说明 壁面温度 油膜易蒸发 喷油正时 指喷油相对于进气门开启的时间 进气门开启时 喷油 进气道压力减小 空气流动加强 油膜减薄 但由于碰壁油滴沉积增多 油膜趋于增厚 总的结 果 在热机状态时 喷油正时对燃油蒸发和油膜厚 度没有显著影响 若在进气门关闭时喷油 油膜厚 度明显增厚 空气流速 高速气流会促进油膜的蒸发和加快流动 进气压力 进气压力增大 油膜蒸发饱和温度提高 油膜蒸发困难 发动机转速 转速增加 进气道内空气运动加剧 有利 于油膜的蒸发 也提高了发动机的瞬态响 应 燃料挥发性 难于保持油膜正常 其中壁面温度是影响油膜蒸发的主要因素 特 别是当壁温接近或超过燃油的沸点时 在进气压力 3 2001年2月 孟 铭 等 电控多点喷射汽油机燃油雾化和蒸发特性研究 下 油膜蒸发量达到最大 油膜的厚度最小 如某 一汽油机在暖机的初始阶段 冷却水温度为35 时 油膜厚度为40 m 当冷却水温度达到80 时 油膜厚度仅为3 m 空气温度对油膜的蒸发影响 较小 此外 油膜的流动部分占整个进入气缸油量的 比例不大 有的稳态油膜模型也不予考虑 3 结束语 根据上述对燃油分布 雾化和蒸发特性的分析 可发现 在稳态和动态工况下 燃油的喷射 分布 雾 化和蒸发直接影响到最终进入气缸的燃油量和燃油 的状态 1 在稳态工况下 循环供气量与供油量相对 应 进入气缸的燃油量与从喷油器中喷出的燃油量 基本相同 在动态工况下 本次循环的喷油量对应于 此前循环的供气量 时间滞后 而且进入气缸的燃 油量不等于喷油量 2 气道和进气门温度 空气的流动 喷油器的 形状和安装位置 发动机转速和负荷 燃油的性质和 温度 喷油状态和喷油正时等运行和结构参数对燃 油的分布 雾化和蒸发都将产生影响 气缸内燃油 蒸发量减少 会导致燃烧过程和排放恶化 3 燃油的蒸发量主要取决于油膜的蒸发 即使 在热机状态 油滴的蒸发量也仅有10 20 7 所以多点喷射的混合气品质主要取决于油膜的蒸发 情况 减小油膜质量 提高油膜蒸发速度 可以改善 发动机的动态性能 4 通过对燃油的分布和雾化及蒸发模型的计 算或试验研究 可以确定喷油后燃油的运动和变化 规律 再通过对空气量的精确计量以及ECU有效的 控制策略 通过变工况时精确的补偿措施 可以尽可 能地使得进入气缸内的过量空气系数稳定为化学当 量比 参考文献 1 倪计民 汽车内燃机原理 M 上海 同济大学出版社 1997 102 120 2 ToshiharuNogi MixtureFormationofFuelInjectionSystemsin GasolineEngines C SAE880558 1988 3 AlmkvistG AnAnalysisofAirtoFuelRatioResponseina MultiPointInjectedEngineunderTransientConditions C SAE932753 1993 4 NicosLadommatos AModelofDropletThermodynamicand DynamicBehaviourinthePortofaPort2injectedEngine C SAE960467 1996 5 BrownBengCN AnumericalStudyofFuelEvaporationand TransportationintheIntakeManifoldofaPort2injectedSpark2 ignitionEngine R IMech E 1991 6 Nicosladommatos ResultsofaComputerModelofDroplet ThermodynamicandDynamicBehaviourinthePortofaPort2 injectedEngine C SAE960468 1996 7 ChenGang UnsteadyMultiphaseIntakeFlowinaPart2injec2 tionGasolineEngine C SAE960074 1996 AStudyonCharacteristicsofFuelDiffusionandEvaporation inaPort2injectedGasolineEngine MENGMing NIJi2min TongjiUniversity Shanghai 200092 China Abstract Thispaperpresentsastudyoncharacteristicsoffueldistribution diffuseandevaporationaswellasfaceeffectoncharacteristicsby mathematicalmodels Thereby thebasisofprecisecontrolofairexcesscoefficient 2 ofmi