噴射角度對(duì)GDI混合氣形成的影響研究

中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 柳青 續(xù)彥芳

引言

汽油機(jī)缸內(nèi)直噴（Gasoline Direct Injection，GDI）發(fā)動(dòng)機(jī)是近年來國內(nèi)外內(nèi)燃機(jī)研究的熱點(diǎn)。GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的混合氣質(zhì)量直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程，因此會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性造成影響。

本文在AVL-FIRE CFD軟件的幫助下，模擬某GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的油氣混合過程，研究了噴射角度對(duì)缸內(nèi)直噴汽油機(jī)混合氣形成的影響，為優(yōu)化缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的噴油參數(shù)提供理論參考。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)的部分參數(shù)

為了研究噴射角度對(duì)缸內(nèi)直噴汽油機(jī)混合氣形成的影響，本文以某型GDI汽油機(jī)為研究對(duì)象，其具體的參數(shù)如表1所示。

表1 汽油機(jī)的部分參數(shù)

表1 續(xù)表1

表1 續(xù)表2

2 有限元模型的建立

用Pro/E軟件建立三維幾何模型，并將其導(dǎo)入AVL-FIRE中的FAME Engine+模塊中，自動(dòng)生成動(dòng)網(wǎng)格。然后用Hybrid Assistant對(duì)模型的網(wǎng)格進(jìn)行劃分從而確定各selection最佳網(wǎng)格尺寸。本文網(wǎng)格的最大尺寸為0.001m，最小網(wǎng)格尺寸為0.00020m。計(jì)算時(shí)定義進(jìn)氣上止點(diǎn)為0°CA，不涉及排氣提前角。下圖顯示了各典型時(shí)刻的計(jì)算網(wǎng)格。

圖1 各典型時(shí)刻計(jì)算網(wǎng)格

其中：（a）進(jìn)氣門升程最大位置（100°CAATDC）計(jì)算網(wǎng)格數(shù)目，346825；（b）進(jìn)氣下止點(diǎn)位置計(jì)算網(wǎng)格數(shù)目，467186；（c）進(jìn)排氣門同時(shí)關(guān)閉時(shí)刻計(jì)算網(wǎng)格數(shù)目，425956；（d）靠近于壓縮上止點(diǎn)（340°CAATDC）計(jì)算網(wǎng)格數(shù)目，116100。

3 邊界條件的設(shè)定

計(jì)算時(shí)設(shè)定的初始條件為表2所示，邊界條件為表3所示，而數(shù)學(xué)模型的選擇分別為：湍流模型，標(biāo)準(zhǔn)雙方程k-ε湍流模型；液滴蒸發(fā)模型，Dukowicz蒸發(fā)模型；湍流擴(kuò)散模型，Enable模型；液滴破碎模型，TA模型；液滴碰壁模型，Walljet1碰壁模型；壁面處理設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

表2 初始條件的參數(shù)

表3 溫度邊界參數(shù)

轉(zhuǎn)速為4500r/min時(shí)入口邊界參數(shù)

4 計(jì)算結(jié)果與分析

GDI發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)噴射角度的要求很高。易于著火的混合氣既需要點(diǎn)火時(shí)刻在火花塞附近形成，又要盡量集中在球型燃燒室附近；由于噴射角度不同，燃油可能直接噴到活塞頂或氣缸壁上形成油膜濕壁，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免燃油與活塞頂或氣缸壁相碰的情況發(fā)生，否則產(chǎn)生積碳使UBHC排放較高并稀釋潤滑油。噴射角度定義為噴油器與氣缸各自中心軸線之間的夾角。

圖2、圖3和圖4分別給出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為4500r/min，噴油提前角為80°CAATDC，初始渦流比為1.5，噴射角度為60°、45°和30°時(shí)混合氣在氣缸內(nèi)的分布情況。

從圖2、圖3和圖4中可以看出，燃油順著氣流噴入氣缸中形成順時(shí)針的滾流造成燃油在縱向上輸運(yùn)和分布。噴油初期的燃油貫穿距比較短，燃油未及時(shí)充分?jǐn)U散，噴嘴附近存在燃油濃度較高的區(qū)域，隨著噴油的繼續(xù)，霧束貫穿距不斷增大，30°和45°噴射的霧束受大量順時(shí)針滾流的擠壓，霧束末端向進(jìn)氣側(cè)翻折，有少量的燃油與活塞頂面碰撞，60°噴射的霧束受氣流經(jīng)過氣門邊緣時(shí)產(chǎn)生的剪切力的影響，從而帶動(dòng)霧束向排氣側(cè)移動(dòng)過程中在缸底和缸壁產(chǎn)生燃油碰壁，由于燃油碰壁時(shí)空間反射不明顯而造成霧束直接碰壁使?jié)櫥拖♂專瑧?yīng)盡量避免這種情況。

圖2 噴射角度為60°時(shí)缸內(nèi)混合氣的分布狀況

圖3 噴射角度為45°時(shí)缸內(nèi)混合氣的分布狀況

圖4 噴射角度為30°時(shí)缸內(nèi)混合氣的分布狀況

當(dāng)240°CAATDC時(shí)，帶動(dòng)燃油移動(dòng)向進(jìn)氣側(cè)的滾流和氣缸壁的共同作用使燃油向上翻轉(zhuǎn)，從而使燃油和空氣充分混合，所以30°和45°噴射時(shí)進(jìn)氣側(cè)燃油濃度比較高，60°噴油燃油擴(kuò)散較好。

當(dāng)340°CAATDC時(shí)，30°、45°和60°噴射均明顯在噴油嘴下方出現(xiàn)較濃區(qū)域。噴射角度為30°時(shí)，進(jìn)氣側(cè)的混合氣較濃，排氣側(cè)的混合氣過稀；60°噴射時(shí)，混合氣總體當(dāng)量比較大，缸壁處混合氣較濃，火花塞附近混合氣較稀，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意不要出現(xiàn)這種情況；45°噴射時(shí)，缸內(nèi)出現(xiàn)最均勻混合氣，總體當(dāng)量與靠近化學(xué)當(dāng)量比為1，因此45°是較合適的噴射角度。

下面是三種噴射角度的氣缸內(nèi)燃油蒸氣質(zhì)量隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線圖（圖5）。圖中顯示的三條曲線很相近，燃油蒸發(fā)都比較好。靠近點(diǎn)火正時(shí)處，45°是最適合于均質(zhì)燃燒模式的噴射角度。

圖5 不同噴油角度下缸內(nèi)燃油蒸汽的質(zhì)量

5 結(jié)論

在點(diǎn)火正時(shí)處，噴射角度為30°、45°和60°均在噴油嘴下方出現(xiàn)混合氣較濃的情況，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免。其中，30°時(shí)，進(jìn)氣側(cè)存在較濃混合氣，而排氣側(cè)存在過稀混合氣；60°時(shí)，混合氣總體當(dāng)量比較大，然而缸壁處有較濃混合氣，火花塞附近有較稀混合氣；45°時(shí)，缸內(nèi)混合氣比較均勻，適用于GDI的均質(zhì)燃燒模式。

[1]王曉瑜.進(jìn)氣道噴油式汽油機(jī)油氣混合過程的三維數(shù)值模擬[D].武漢:華中科技大學(xué),2006:1.

[2]田江平.點(diǎn)火室直噴汽油機(jī)燃燒系統(tǒng)及其噴霧特性研究[D].大連:大連理工大學(xué),2009.

[3]毛立偉.直噴汽油機(jī)多孔噴油器的噴霧特性研究 [D].天津:天津大學(xué),2008.

[4]譚文政.缸內(nèi)直噴汽油機(jī)工作過程三維數(shù)值模擬 [D].大連:大連理工大學(xué),2010:16.

[5]Yun Xin Zhang.A Numerical Study of in-cylinder Mixture Formation in a low Pressure Direct Injection Gasoline Engine.Michigan State University,2007.