采用空氣輔助噴嘴的直噴發動機冷啟動混合氣形成CFD研究

朱 成，楊海青

（南京航空航天大學 能源與動力學院，江蘇 南京 210016）

0 引 言

活塞發動機缸內混合氣分布影響著發動機的動力性、經濟性、燃燒噪聲和有害氣體的排放。直噴發動機冷啟動的優化對燃油經濟性和 HC排放都非常重要。由于冷啟動時發動機轉速不斷地變化以及較低的發動機溫度，使得對直噴點燃式發動機冷啟動的優化變得困難。福特公司在2009年對3.5L V6 EcoBoost直噴發動機的冷啟動進行了優化，結果顯示在壓縮后期噴射比在進氣沖程噴射更合適，在壓縮沖程中分次噴射效果更佳[1]。

文中主要針對國外某款四沖程活塞發動機，利用三維CFD軟件Fluent對其冷啟動缸內混合氣形成過程進行模擬。與用于直噴發動機上的傳統噴油器不同，文中采用了空氣輔助噴嘴，主要分析了噴油時刻對混合氣分布的影響，以及與高壓噴嘴進行了比較，同時驗證了計算中噴油器模擬的準確性。

1 ROTAX912發動機基本參數與計算UG模型

1.1 ROTAX912發動機基本參數

選擇ROTAX912發動機作為研究對象，其采用進氣道噴射，雙火花塞點火，基本參數如表1。

表1 發動機參數

1.2 計算模型的建立

活塞發動機燃燒室主要由活塞、缸蓋和氣缸壁組成，它們是影響缸內氣流運動和混合氣分布的關鍵部位。原型機活塞為一淺凹坑平頂活塞，進氣道為不規則的曲形氣道，為了減少網格數量和計算機負擔，省略了排氣道。原型機活塞如圖1所示，氣道、燃燒室以及噴油器的計算模型如圖2所示。

采用的噴油器為空氣輔助噴油器，計算時只需要選取噴油器的出口部分與燃燒室耦合[2]，選取的具體結構如圖3所示。噴油器與燃燒室的耦合模型如圖4所示。

2 網格劃分及計算方法

2.1 網格劃分

在發動機的數值模擬中，三維模擬可以采用四面體、六面體以及多面體網格等。當計算過程中有動網格時，需要重點考慮網格重構時的網格質量，這就需要在計算過程中使網格按設定的方向及速度進行運動，網格也隨著產生與消失。結構網格非常適合用于動網格，因為它的重構采用網格層的增加與減少來實現，相對簡單，更容易實現，并且網格質量容易保證，但它很難適合復雜的幾何結構。Fluent 提供了非常靈活的網格適應功能，能適應多種網格，包括三角形、四邊形、四面體、五面體、六面體、金字塔形網格，他們能解決具有復雜外形的流動，文中采用了四面體網格。

對計算域進行分塊設計是保證網格重構和順利計算的關鍵。由于活塞和氣門運動時的網格重構相互影響，并且活塞與氣門底面距離較小，考慮到運動過程中網格大小的變化曲率，必須將活塞與氣門底面的網格大小設置為相近的值，這里活塞頂面網格大小是氣門底面的 2倍。氣門處網格的大小在構造四面體網格時是整個網格劃分的關鍵和難點[3]。文中將其分為多塊，然后采用不同的網格大小進行劃分，這樣既能保證網格質量，也能保證動網格的實現。計算域分塊如圖5所示，圖中不同顏色的區域網格尺寸有一定的差異。最后得到的網格截面圖如圖6所示。

網格劃分的難點是噴油器部分。為了保證噴油器出口附近在計算過程中的穩定性，需要對噴油器出口處進行合理的分區和網格尺寸大小的設置，最后得到的噴油器網格如圖 7所示，缸蓋頂面的網格如圖8所示。

2.2 計算方法

使用Fluent來求解瞬態的N-S方程，其中包括了能量方程、動量方程和連續方程等，使用標準k-e湍流模型[4]。進氣道入口采用一個標準大氣壓入口，進氣溫度為室溫 24.85 ℃，流體介質為可壓的理想氣體。在模擬噴霧時，考慮了液滴之間存在分裂和合并，由于液滴速度較低，破碎模型選擇了TAB模型，液滴受力主要采用拖曳力[5]。設定時間步長為0.5°曲軸轉角，每20步保存一個數據文件。

3 原型機冷啟動時缸內混合氣的模擬及分析

直噴發動機是在發動機合適時刻將一定的燃油經噴油器直接噴入缸內，液滴在極短時間內蒸發以及在火花塞附近形成理想混合氣濃度非常關鍵[6]。文中主要模擬了原型機在冷啟動時不同噴油時刻的混合氣的分布。冷啟動轉速設為300 r/min。模擬時，從進氣上止點（360°CA）開始，到壓縮上止點（720°CA）結束。噴油器和火花塞初步位置布置如圖9所示。

采用的噴油時刻如表2，噴油脈寬為20°CA，夾氣噴油器的氣體壓力入口設置為6.5 bar，燃油噴射面上的燃油質量流率取0.005 kg/s，噴油量為45 mg，燃油選取Fluent里面自帶的煤油模型，計算過程中，噴油器針閥處于最大升程位置。

表2 噴油時刻

選取這種噴油時刻主要是依據福特公司在2009年對3.5L V6 EcoBoost直噴發動機的冷啟動進行的模擬方法，研究噴油時刻對冷啟動混合氣分布的影響。混合氣的分布情況通過缸內相互垂直的兩個平面和等值面來進行分析。在點火時刻附近（選取20°CA BTDC），不同的噴油時刻缸內混合氣分布結果如圖10所示。

如圖所示，采用進氣沖程噴射，在點火時刻附近缸內混合氣空燃比達到了30以上，混合氣較濃的區域較少；當采用壓縮沖程噴射時，缸內混合氣空燃比較進氣沖程噴射小，局部能達到14.7以下，這是由于在進氣沖程中噴射時，缸內溫度較低，液滴蒸發速度小，液滴直徑（SMD）增加的速率比蒸發速率大，后期噴射缸內溫度較高，對于同樣大小的初始顆粒，蒸發速率大于SMD增加的速率，因此缸內混合氣空燃比更小。其次，后期噴射在2個火花塞的位置形成了較濃的分層混合氣[7]，隨著噴油時刻的推遲，混合氣的分層現象更明顯。

為了驗證計算的準確性，文中主要從夾氣噴油器方面進行計算結果的驗證，方法就是對比夾氣噴油器的定容彈高速拍攝的噴霧特性和模擬時的噴霧特性，如圖11所示。

如圖所示，定容彈實驗高速拍攝的噴霧形狀與計算得到的油束形狀非常相似，這說明計算的結果和真實情況接近，具有一定的準確性。

與傳統的高壓噴嘴相比，夾氣噴油器產生的噴霧霧化效果較好[8]，文中采用 Fluent里面的空心錐點射源代替高壓噴嘴[9]，初始顆粒平均直徑設置為15um，以上模擬時空氣輔助噴油器噴油結束得到缸內的平均SMD為6um。采用case3的噴油時刻，噴油量不變。在點火附近，采用兩種噴油器后的混合氣分布如圖12。

如圖所示，采用夾氣噴油器后，火花塞附近混合氣濃度較大，這是由于燃油液滴的蒸發量明顯增加，從而缸內混合氣的濃度較大，這說明空氣輔助噴油器產生的液滴尺寸較小，較容易蒸發，可以解決發動機的冷啟動困難等問題。

4 總結和展望

綜上所述，由于冷啟動過程缸內環境溫度較低，不利于液滴蒸發，如果采用進氣過程噴射，由于液滴之間的碰撞和合并，使缸內液滴的SMD不斷增加，當壓縮到達蒸發溫度時，SMD變得較大，導致液滴蒸發速率變小；而采用壓縮后期噴射可以使蒸發量增加，混合氣濃度變大，有利于點火。

冷啟動時采用壓縮沖程噴射，經過進一步較精確地研究噴油時刻和噴油位置，可以改善冷啟動的啟動困難和燃燒穩定性等問題，這對于提高直噴發動機綜合性能有很大幫助。

另外，夾氣噴油器產生的噴霧特性較好，最終的燃油霧化質量較佳，如果在汽車直噴發動機中采用這種低壓噴油器，將可以大幅度改善冷啟動，提高燃油經濟性和降低排放。

[1] Claudia O．Iyer and Jianwen Yi．3D CFD upfront optimization of the in-cylinder flow of the 3.5L V6 EcoBoost Engine．SAE．2009，1492.

[2] S．H Jin，M Brear．An experimental study of the spray from an air-assisted direct fuel injector．University of Melbourne．2007.

[3]BRAD PAUL POLLOCK，Computational study of direct fuel injection in the rotax 914 engine．University of Toledo．2005.

[4]Nobuyuki，Kawahara，Eiji，Tomita．Fuel breakup near nozzle exit of high-pressure swirl injector for gasoline direct injection engine．SAE World Congress，2004.

[5]AlexB．Liu．DanielMather ，Rolf D．Reitz．Modeling the effects of drop drag and breakup on fuel sprays． International Congress．1993

[6]G．Buscaglia，E．Dari，O．Zamonsky．Modeling mixture formation in a gdi engine．Universit of di Roma. 2004.

[7]Jianwen Yi．Zhiyu Han．Zheng Xu．Combustion improvement of a light stratified-charge direct injection engine．SAE World Congress．2004.

[8] J．M．Maclnnes and F．V．Bracco．Computation of the spray from an air-assisted fuel injector．Mechanical and Aerospace Engineering Dept．1990.

[9] Toyosei Yamauchi，Tomoyuki Wakisaka．Computation of the hollow-cone sprays from a high-pressure swirl injector for a gasoline direct-injection SI engine．Subaru Research Center Company．1996.