葉伊蘇+王偉民+黎華平

摘 要：對(duì)一款1.0L 三缸增壓直噴汽油機(jī)，建立了燃燒系統(tǒng)CFD仿真模型，并詳細(xì)描述了換氣、噴油器噴霧特性等邊界條件的設(shè)置。分析了其額定功率點(diǎn)下的缸內(nèi)瞬態(tài)流動(dòng)、噴霧、混合氣形成以及燃燒過(guò)程。原設(shè)計(jì)狀態(tài)下，點(diǎn)火前缸內(nèi)湍動(dòng)能分布以及燃油濃度分布不夠合理，火焰?zhèn)鞑ゲ粚?duì)稱，存在爆震風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)氣道及活塞冠面，缸內(nèi)滾流運(yùn)動(dòng)及點(diǎn)火前湍動(dòng)能提升，燃油濃度分布改善，燃燒速度加快約3°CA，同時(shí)由于omega渦流降低，排氣側(cè)湍動(dòng)能改善，火焰均勻傳播到氣缸四周。最終的設(shè)計(jì)方案下，滾流、湍動(dòng)能、火花塞周圍流場(chǎng)、濕壁、燃油濃度分布以及火焰?zhèn)鞑ゾ軡M足工程目標(biāo)。在隨后的單缸光學(xué)可視化發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，各工況下的混合氣形成、濕壁及燃燒均能滿足要求。

關(guān)鍵詞：燃燒系統(tǒng)； 滾流； 湍動(dòng)能 ；omega渦流；火焰?zhèn)鞑?/p>

中圖分類號(hào)：TK464 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2017）06-0002-06

Abstract： The combustion system CFD model was created for a 1.0L turbo-charged three-cylinder GDI engine， and then the boundary conditions of gas exchange and spray characteristic such as spray angle， particle size distribution were described in detail. Evaluation of in-cylinder flow characteristics， mixture preparation and combustion process were performed subsequently at rated power. Under initial design， turbulent kinetic energy and fuel distribution before ignition time were not reasonable， which cause asymmetric flame and have risk of knocking. After optimizing intake port and piston bowl， in-cylinder tumble level， turbulent kinetic energy and fuel distribution before ignition time have been improved obviously， so the combustion duration shortened 3°CA. Simultaneously， the residual omega swirl at the end of compression stroke had been more decreased， which can improve combustion at exhaust side， ensuring flame propagate onto liner at the same time. Under the final design， tumble level， turbulent kinetic energy ， flow characteristic around spark plug， wall wetting， fuel distribution and flame propagation all meet the engineering target. In the coming single optical engine visualization test， the mixture preparation， wall wetting and flame propagation were recorded and analyzed， all meet the requirements.

Key Words： Combustion system； Tumble； Turbulent kinetic energy； Omega； Flame propagation

GDI汽油機(jī)燃燒系統(tǒng)開(kāi)發(fā)包括進(jìn)排氣道及缸蓋燃燒室優(yōu)化設(shè)計(jì)、活塞冠面設(shè)計(jì)、噴霧油束布置優(yōu)化或選型[1-2]，這些工作一般依靠氣道穩(wěn)流試驗(yàn)、CFD模擬以及光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行。通常在開(kāi)發(fā)初期通過(guò)氣道穩(wěn)流試驗(yàn)和CFD分析初選進(jìn)排氣道（會(huì)有2～3種方案），然后進(jìn)行缸內(nèi)流動(dòng)、噴霧及燃燒CFD分析，評(píng)估缸內(nèi)滾流運(yùn)動(dòng)、湍動(dòng)能分布、燃油濕壁以及火焰?zhèn)鞑?duì)稱性情況，選出較優(yōu)的氣道、活塞方案，最后通過(guò)單缸光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行噴油器的選型。

本文結(jié)合某1.0L增壓直噴汽油機(jī)的開(kāi)發(fā)，講述缸內(nèi)滾流運(yùn)動(dòng)、混合氣形成以及火焰?zhèn)鞑サ腃FD分析情況，并結(jié)合詳細(xì)的結(jié)果分析優(yōu)化氣道、活塞冠面，最終使得各參數(shù)達(dá)到工程目標(biāo)。

1 燃燒系統(tǒng)方案說(shuō)明

如前文所述，設(shè)計(jì)階段基于特定的噴油器（油束布置基于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，噴霧特性參照類似機(jī)型的定容彈數(shù)據(jù)）來(lái)進(jìn)行氣道及燃燒室的優(yōu)化。本章對(duì)進(jìn)氣道及燃燒室（活塞冠面）的方案進(jìn)行說(shuō)明。

1.1 進(jìn)氣道

結(jié)合CFD分析及氣道穩(wěn)流試驗(yàn)，并采用如圖2所示的PIV滾流測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)氣道的流通能力及滾流進(jìn)行評(píng)價(jià)，初選進(jìn)氣道方案。對(duì)于該增壓直噴汽油機(jī)，在進(jìn)氣道的喉口處設(shè)計(jì)了導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，將大部分氣流引導(dǎo)從氣門上方進(jìn)入氣缸，增強(qiáng)滾流，同時(shí)為了提高低升程下的滾流，在缸蓋閥座下方設(shè)計(jì)了導(dǎo)氣屏，如圖3所示：

通過(guò)對(duì)比分析，初選了兩款進(jìn)氣道方案，如圖4所示。兩款進(jìn)氣道方案形狀相似，但氣道曲面及喉口處的導(dǎo)流加工尺寸有微小變化，目的是為了生成不同強(qiáng)度的滾流。這點(diǎn)從PIV測(cè)試系統(tǒng)中氣缸蓋下方D/2平面處的速度分布可以看出，雖然速度分布相似，但I(xiàn)ntake port 01方案下，仍有小部分氣流從氣門下方進(jìn)入氣缸，而Intake port 02方案則明顯減少，因此其滾流強(qiáng)度較高。兩種方案下的氣道流動(dòng)特性均位于數(shù)據(jù)帶上方。endprint

1.2 活塞冠面

活塞冠面形狀的設(shè)計(jì)需要考慮諸多因素，如盡可能避免燃油在氣流的作用下甩向氣缸壁，引起機(jī)油稀釋現(xiàn)象，另外，還應(yīng)避免較大尺度的omega渦流，以改善火焰?zhèn)鞑サ膶?duì)稱性，降低爆震風(fēng)險(xiǎn)。圖5是設(shè)計(jì)的3種活塞方案，其中02相對(duì)于01形狀基本未變，僅邊緣處寬度增加，03相對(duì)于02邊緣處高度降低，同時(shí)為適應(yīng)壓縮比，凹坑深度有所減小。

1.3 噴霧油束布置

該發(fā)動(dòng)機(jī)采用噴油器側(cè)置方式，設(shè)計(jì)時(shí)考慮了油束與進(jìn)排氣門，油束與缸套均不能有干涉現(xiàn)象，否則引起的濕壁現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致SOOT顆粒物排放大幅增加。油束布置如圖6所示：

1.4 方案組合

缸內(nèi)流動(dòng)、噴霧及燃燒CFD仿真時(shí)，共分析了3種燃燒系統(tǒng)組合方案，如表1所示：

2 邊界條件設(shè)置

模擬特定工況下的缸內(nèi)充氣過(guò)程、混合氣形成及燃燒過(guò)程需要輸入準(zhǔn)確的邊界條件，這里需要設(shè)置換氣及噴油邊界（噴油器噴霧模型）。

2.1 換氣邊界設(shè)置

本文模擬的是5500rpm額定功率點(diǎn)工況，分析720°CA循環(huán)內(nèi)的換氣、壓縮及燃燒做功過(guò)程。其凸輪型線及相位如圖7所示，進(jìn)排氣邊界來(lái)自GT-POWER一維熱力學(xué)仿真，采用的是瞬態(tài)流量、壓力、溫度邊界，可以考慮進(jìn)排氣門開(kāi)啟及關(guān)閉時(shí)刻缸內(nèi)壓力脈動(dòng)對(duì)充氣效率的影響。進(jìn)氣邊界如圖7所示，排氣邊界不再展示。

2.2 噴油器噴霧模型

對(duì)于噴油器而言，除了油束方向要在仿真模型中描述外，還要對(duì)其噴霧特性（含噴油量、流量特性、噴射速度、噴霧錐角以及粒徑分布）進(jìn)行詳細(xì)描述。圖9和圖10分別是其流量特性及噴孔軸徑方向30mm截面處的粒徑分布（定容彈測(cè)量結(jié)果，一般認(rèn)為在此位置處，燃油完成了二次破碎，可代表實(shí)際的狀態(tài)）。需要說(shuō)明的是，粒徑大小取決于噴射壓力及環(huán)境壓力，噴射壓力越大，粒徑越小[3-4]。

3 結(jié)果分析

本章對(duì)缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)及發(fā)展、湍動(dòng)能、混合氣形成及濃度分布、濕壁以及燃燒過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的對(duì)比分析。

3.1 缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)

對(duì)于汽油機(jī)來(lái)說(shuō)，由于氣道采用對(duì)稱式設(shè)計(jì)，氣流在進(jìn)入氣缸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生如圖11所示的3種缸內(nèi)宏觀氣流運(yùn)動(dòng)。其中滾流是主要形式，由于從氣門上方進(jìn)入氣缸的氣體多于下方，因此會(huì)產(chǎn)生如圖11所示的圍繞y軸的氣流旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，一般用滾流比來(lái)定義其運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，定義公式如下。

，

其中TR為滾流比，ωmot為發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度， ωFK為氣流繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角速度的積分平均值，ρi 為單元體的密度，Vi 為單元體的體積，vi 為單元體的速度，ri 為單元體相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸的半徑。

對(duì)于omega滾流及omega渦流的計(jì)算，由于是對(duì)稱分布，取一半氣缸，規(guī)定了旋轉(zhuǎn)軸的位置如11所示：

圖12是3種方案下的滾流、omega滾流、omega渦流以及湍流尺度的對(duì)比情況，可以看到，滾流存在兩個(gè)峰值，第一個(gè)峰值出現(xiàn)在進(jìn)氣門最大升程處，此時(shí)進(jìn)氣速度最大，第二個(gè)峰值出現(xiàn)在壓縮沖程中段，此時(shí)活塞運(yùn)動(dòng)速度最大。V02方案下在進(jìn)氣及壓縮沖程中滾流比及湍流尺度較V00及V01均明顯提升，另外在壓縮沖程后期其omega滾流及omega滾流均下降到目標(biāo)范圍內(nèi)，這些都是有利于加快火焰?zhèn)鞑ニ俣燃案纳苹鹧鎸?duì)稱性的。

圖13是3種方案下壓縮沖程中湍動(dòng)能的對(duì)比圖，可以看到各方案下隨著活塞上行，滾流破碎成湍流，結(jié)合圖12在690°CA附近形成峰值，后續(xù)繼續(xù)破碎成更小尺度的湍流。在點(diǎn)火時(shí)刻710°CA附近，V02方案下湍動(dòng)能更強(qiáng)，峰值中心更接近火花塞，有利于改善排氣側(cè)的火焰?zhèn)鞑ァ?/p>

圖14是點(diǎn)火時(shí)刻omega渦流及omega滾流的速度矢量圖，V00方案下在氣缸邊緣存在較高的氣流運(yùn)動(dòng)速度，而在氣缸中心氣流從排氣側(cè)流向進(jìn)氣側(cè)，結(jié)合圖13，排氣側(cè)湍動(dòng)能分布原本就較弱，這樣更不利于火焰?zhèn)鞑?，且?huì)使得爆震的可能性增加。而V02方案氣缸中心氣流運(yùn)動(dòng)速度高于邊緣處，且從進(jìn)氣側(cè)流向排氣側(cè)，是有利于改善火焰?zhèn)鞑サ膶?duì)稱性的，這點(diǎn)從3.3節(jié)中的火焰分布結(jié)果中可以得到印證。3種方案下omega滾流都較弱，V02方案更低。另外，監(jiān)控了點(diǎn)火時(shí)刻火花塞周圍1.5mm及3mm半徑球體內(nèi)平均氣流運(yùn)動(dòng)速度，滿足限值要求，不存在失火風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 混合氣形成及濕壁

圖15是710°CA點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)燃油當(dāng)量比分布圖，可以看到，V00方案下混合氣存在分層現(xiàn)象，且接近缸套處較濃，這是不利于火焰?zhèn)鞑サ?，而V02方案下，由于滾流增強(qiáng)，油氣混合更好，缸內(nèi)各區(qū)域的混合氣濃度基本一致，在噴油器附近存在少量的濃混合氣，但不影響整體燃燒過(guò)程。

圖16是濕壁情況的對(duì)比。各方案下濕壁主要集中在活塞上，但在壓縮沖程中在滾流的作用下又重新?lián)]發(fā)，僅V00方案點(diǎn)火前仍存在一定的濕壁，會(huì)影響到顆粒物排放。另外，缸套處的濕壁幾乎沒(méi)有，在此噴油策略下的機(jī)油稀釋風(fēng)險(xiǎn)較小。

3.3 燃燒過(guò)程分析

火焰面?zhèn)鞑デ闆r如圖17所示，綜合前文的分析，V00方案下，正是由于流場(chǎng)、湍動(dòng)能及混合氣濃度分布的不合理，火焰?zhèn)鞑ゲ粚?duì)稱，排氣側(cè)燃燒較慢。而V02方案下各參數(shù)的改進(jìn)獲得了對(duì)稱的火焰，同時(shí)燃燒持續(xù)期縮短2.5°CA。

4 光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)

通過(guò)光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)可以對(duì)比采用不同噴油器時(shí)的混合氣形成、燃油濕壁、火焰?zhèn)鞑ヒ约邦w粒物排放情況[5]，并根據(jù)可視化結(jié)果來(lái)優(yōu)化噴射策略。受透明缸套強(qiáng)度的制約，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不能超過(guò)3000rpm，圖18是試驗(yàn)裝置圖，共研究了1500rpm WOT、2000rpm/2bar以及催化器起燃3種工況。

圖19是采用最優(yōu)的6孔噴油器時(shí)，并優(yōu)化噴射策略后，催化器起燃工況下噴霧及混合氣形成圖像，可以看到，采用3段噴射后，混合氣較為均勻，同時(shí)無(wú)濕壁現(xiàn)象發(fā)生。圖20是SOI3第3段噴射起始角對(duì)火焰形成的影響，可以看到當(dāng)?shù)?次噴油時(shí)刻退后時(shí)，混合氣不夠均勻引發(fā)了擴(kuò)散火焰，并形成顆粒物進(jìn)入排氣管，而當(dāng)SOI3=130BTDC時(shí)，燃燒最好。圖中紅色代表SOOT火焰。其它兩種工況這里不再說(shuō)明，光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)的研究結(jié)果可以用于后續(xù)的熱力學(xué)開(kāi)發(fā)試驗(yàn)。

基于以上方法確定的燃燒系統(tǒng)、噴油器在隨后的熱力學(xué)開(kāi)發(fā)試驗(yàn)中，動(dòng)力性，油耗及原始排放均達(dá)到既定目標(biāo)。

5 總結(jié)與展望

本文結(jié)合某直噴汽油機(jī)的開(kāi)發(fā)，對(duì)燃燒系統(tǒng)開(kāi)發(fā)仿真工作內(nèi)容，邊界條件設(shè)置進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，基于CFD仿真對(duì)3種不同的燃燒系統(tǒng)方案下的缸內(nèi)流場(chǎng)、混合氣形成、濕壁以及燃燒過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比分析，總結(jié)如下：

1）氣道優(yōu)化可提高缸內(nèi)滾流，加強(qiáng)油氣混合，改善混合氣濃度分布情況；同時(shí)湍流更強(qiáng)，湍動(dòng)能分布更加合理。

2）優(yōu)化活塞形狀能降低點(diǎn)火前殘余的omega滾流及omega渦流，改善缸內(nèi)流場(chǎng)分布。

3）湍流的改善、omega渦流的降低以及混合氣濃度分布的改善，使得燃燒速度加快，同時(shí)形成對(duì)稱的火焰面。

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