高延新，張超，常耀紅

某發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)工作過(guò)程的CFD分析

高延新，張超，常耀紅

（安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230022）

文章利用AVL Fire軟件對(duì)某GDI汽油機(jī)缸內(nèi)建立動(dòng)網(wǎng)格，對(duì)噴霧、缸內(nèi)壓力等進(jìn)行標(biāo)定，并進(jìn)行了燃燒計(jì)算。結(jié)果表明：缸內(nèi)的滾流滿足設(shè)計(jì)要求；火花塞附近混合氣流速合理，燃燒穩(wěn)定性較好；燃油在缸套和活塞頂部的局部區(qū)域形成油膜，建議通過(guò)優(yōu)化進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)和活塞頂部形狀來(lái)減少壁面油膜生成。

貫穿距；滾流；油膜

CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-126-03

引言

汽油機(jī)缸內(nèi)燃燒的好壞直接影響其動(dòng)力學(xué)、經(jīng)濟(jì)性、排放等[1]。隨著國(guó)家排放法規(guī)逐步升級(jí)及油耗要求日益嚴(yán)格，越來(lái)越多的汽車(chē)廠采用汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)。

在缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的燃燒開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要考慮燃燒室與進(jìn)排氣系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)、噴油器的選型及布置、VVT等[2,3]。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，采用CAE分析可以有效地降低開(kāi)發(fā)周期、開(kāi)發(fā)成本等。

本文對(duì)某GDI汽油機(jī)進(jìn)氣噴霧燃燒模擬，分析得到了缸內(nèi)進(jìn)氣過(guò)程、噴霧的發(fā)展、壁面油膜的形成及點(diǎn)火的預(yù)測(cè)等，并對(duì)燃燒室及進(jìn)排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)提出了優(yōu)化措施。

1 計(jì)算模型

1.1 三維數(shù)模及網(wǎng)格劃分

本次計(jì)算的數(shù)模見(jiàn)下圖。包括進(jìn)/排氣道、進(jìn)/排氣門(mén)、燃燒室頭部（含火花塞）、缸套、活塞頭部。計(jì)算工況采用全速全負(fù)荷點(diǎn)。

圖1 分析數(shù)模

計(jì)算一個(gè)完整的工作循環(huán)，從排氣門(mén)打開(kāi)開(kāi)始計(jì)算。計(jì)算從152°CA持續(xù)到872°CA，下表1顯示了CFD計(jì)算中的相關(guān)氣門(mén)正時(shí)。

表1 氣門(mén)正時(shí)

圖2顯示了計(jì)算中采用的氣門(mén)升程曲線。該曲線來(lái)自于AVL的熱力學(xué)計(jì)算，且考慮了氣門(mén)間隙。

圖2 氣門(mén)升程曲線

1.2 邊界條件

計(jì)算的工況點(diǎn)需要選擇缸蓋和排氣道熱負(fù)荷最高的工況，本次計(jì)算工況為額定轉(zhuǎn)速4850rpm。

初始時(shí)刻汽缸和排氣道內(nèi)的殘余廢氣被設(shè)定為1.0（即100%），而進(jìn)氣道內(nèi)的EGR率被設(shè)定為0。在計(jì)算的初始時(shí)刻，汽缸和氣道內(nèi)的壓力、溫度分布被認(rèn)為是均勻的下表2顯示了CFD模擬中設(shè)定的壁面溫度。

本次計(jì)算進(jìn)口邊界條件采用質(zhì)量流量和溫度，出口邊界條件采用壓力和溫度，分別見(jiàn)圖3。

圖3 進(jìn)出口邊界條件

1.3 模型設(shè)置

湍流模型采用 k-ζ-f 湍流模型，噴霧模型中，破碎模型采用WAVE模型，蒸發(fā)模型采用Dukowicz模型，壁面油膜模型采用Bai Gosman/Expert模型，燃燒模型采用ECFM模型[4]。

2 模型驗(yàn)證

2.1 噴霧模型及標(biāo)定

圖4 貫穿距曲線對(duì)比

圖5 噴油形態(tài)

噴霧對(duì)汽油機(jī)缸內(nèi)混合器形成和燃燒過(guò)程都有十分顯著的影響。缸內(nèi)計(jì)算首先要進(jìn)行噴霧標(biāo)定。燃油種類(lèi)采用正庚烷，燃油噴射壓力為100bar，環(huán)境壓力為1bar，氣體溫度為30°C。通過(guò)調(diào)整噴霧模型參數(shù)和蒸發(fā)模型參數(shù)，得到的模擬貫穿距與試驗(yàn)貫穿距曲線對(duì)比見(jiàn)圖。在1.5ms時(shí)刻，模擬和試驗(yàn)得到的噴油形態(tài)見(jiàn)圖4。從噴霧粒子貫穿距以及噴油形態(tài)的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比中可以看出，采用此噴霧模型，噴霧計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合度高。

2.2 缸內(nèi)壓力和溫度驗(yàn)證

圖6為缸內(nèi)壓力的CFD計(jì)算結(jié)果和BOOST結(jié)果對(duì)比示意圖。從圖中可以看出，CFD計(jì)算結(jié)果和BOOST結(jié)果十分接近，可以認(rèn)為參數(shù)標(biāo)定很好。

圖6 缸內(nèi)壓力和缸內(nèi)溫度對(duì)比示意圖

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 進(jìn)氣流動(dòng)

進(jìn)氣過(guò)程分為四個(gè)階段：

階段1：雙側(cè)進(jìn)氣。從氣門(mén)兩側(cè)進(jìn)氣，兩邊射流形成方向不同的滾流，外側(cè)進(jìn)氣區(qū)有明顯低速高湍動(dòng)能區(qū)域

階段2：?jiǎn)蝹?cè)進(jìn)氣。外側(cè)進(jìn)氣通道，被低速高滾流區(qū)域阻塞，使得大部分空氣從內(nèi)側(cè)進(jìn)氣，缸內(nèi)開(kāi)始趨向形成統(tǒng)一的順時(shí)針?lè)较虻臐L流。

階段3：噴霧流場(chǎng)促進(jìn)滾流發(fā)展。噴霧流場(chǎng)在一定程度上起到了引導(dǎo)促進(jìn)缸內(nèi)滾流發(fā)展的作用，470°CA時(shí)缸內(nèi)滾流中心受?chē)婌F場(chǎng)的影響處于進(jìn)氣道側(cè)。

階段4：壓縮過(guò)程滾流。壓縮過(guò)程中氣流保持以滾流形式組織。

圖7 進(jìn)氣流動(dòng)四個(gè)階段

圖8 為滾流比曲線圖，最大滾流比在3.3左右。缸內(nèi)滾流會(huì)影響進(jìn)氣及壓縮過(guò)程中燃油和空氣的混合程度，同時(shí)也影響缸內(nèi)湍動(dòng)能及點(diǎn)火過(guò)程。通常將進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻的滾流大小作為主要參考值，本文中進(jìn)氣門(mén)在582°CA關(guān)閉，此時(shí)滾流比為2.05，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖8 滾流比曲線圖

3.2 噴霧發(fā)展

從圖中9可以看出，燃油剛開(kāi)始噴射時(shí)，燃油沿直線噴入缸內(nèi)，在440°CA時(shí)刻，噴霧粒子碰到活塞頂部。隨著活塞向下運(yùn)動(dòng)，燃油粒子在氣流運(yùn)動(dòng)的引導(dǎo)下向下沿順時(shí)針?lè)较虬l(fā)生偏轉(zhuǎn)，燃油粒子進(jìn)入到缸內(nèi)的更多地方。

由于碰壁及滾流帶動(dòng)液滴，在活塞凹坑靠近缸壁的地方形成油膜，混合還不均勻。接近下止點(diǎn)，活塞速度減小，因此噴霧受到偏轉(zhuǎn)作用減小，液滴能夠進(jìn)入缸內(nèi)更遠(yuǎn)的距離。

圖9 噴霧流動(dòng)（392CA～460°CA）

圖10 噴霧流動(dòng)及當(dāng)量比分布（540°CA～630°CA）

3.3 壁面油膜

圖11 油膜質(zhì)量變化曲線

圖11 為在活塞和缸套表面的油膜質(zhì)量隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化值。在390 °CA開(kāi)始燃油噴射后，從395°CA開(kāi)始有油膜沉積，隨著噴霧的進(jìn)行，油膜質(zhì)量不斷增加。在495°CA時(shí)刻，油膜質(zhì)量有一個(gè)明顯的下降，這是由于蒸發(fā)作用，壁面的油膜質(zhì)量逐漸減少。500°CA以后，蒸發(fā)的油膜質(zhì)量少于碰壁新生成的油膜質(zhì)量，所以油膜質(zhì)量逐漸增多。600° CA以后，缸內(nèi)溫度升高，蒸發(fā)速度增加，碰壁蒸發(fā)的油膜質(zhì)量大于碰壁新生成的油膜質(zhì)量。圖12分別為不同曲軸轉(zhuǎn)角下缸內(nèi)的油膜質(zhì)量分布圖。

圖12 不同曲軸轉(zhuǎn)角下缸內(nèi)的油膜質(zhì)量分布圖

3.4 點(diǎn)火預(yù)測(cè)

汽油機(jī)點(diǎn)火與火花塞能量和點(diǎn)火時(shí)刻的局部流動(dòng)密切相關(guān)。為了保證點(diǎn)火，火花塞必須具有一定的氣流速度和湍動(dòng)能。從圖13可以看出，該火花塞附近的混合氣速度在5m/s附近，可以獲得較好的燃燒穩(wěn)定性。

圖13 火花塞截面速度分布圖

4 總結(jié)

本文對(duì)某GDI汽油機(jī)建立缸內(nèi)動(dòng)網(wǎng)格，進(jìn)行了汽油機(jī)一個(gè)工作循環(huán)的模擬分析?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論：

（1）該模型可以對(duì)缸內(nèi)噴霧燃燒過(guò)程進(jìn)行很好的分析；

（2）缸內(nèi)形成的滾流滿足設(shè)計(jì)要求；

（3）燃油在缸套和活塞頂部的局部區(qū)域形成油膜，需要通過(guò)優(yōu)化進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)和活塞頂部形狀來(lái)減少壁面油膜生成；

（4）火花塞附近混合氣流速合理，燃燒穩(wěn)定性較好。

[1] Iwamoto Y,Noma K,Nakayama O.Development of Gasoline Direct Injection Engine[C].SAE Paper 970541,1997.

[2] 彭禹,曾金玲.噴油器安裝角度對(duì)缸內(nèi)直噴汽油機(jī)混合氣的影響[J].汽車(chē)技術(shù),2011（7）；4-10.

[3] 胡軍軍,周龍保等.缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)工作過(guò)程三維數(shù)值模擬[J].車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī).2003（3）：43-47.

[4] Luca Olmo,John Thornton.CFD Analysis of Mixture Formation and Combustion Process for High Performance DI Gasoline Engine. SAE paper,2005-01-0214.

The CFD Simulation of the Engine Working Process

Gao Yanxin, Zhang Chao, Chang Yaohong
( Anhui Jianghuai Automobile group Co., Ltd., Anhui Hefei 230022 )

In this paper, we make dynamic grid, calibrate the spray, the pressure in cylinder, and combustion analysis, using AVL Fire soft. The results shows∶ The tumble in cylinder meets requirements; The velocity of mixer is reasonable and the combustion stability is good; Oil film is formed in the local area of the the cylinder liner and the top of the piston, we suggest that optimizing the intake port and piston top to reduce the oil film.

penetration; Tumble; Oil Film

U463.6

A

1671-7988 (2017)16-126-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.16.044

高延新，就職于安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司。