基于缸內流動噴霧燃燒CFD仿真的直噴汽油機燃燒系統優化設計

葉伊蘇+王偉民+黎華平

摘 要：對一款1.0L 三缸增壓直噴汽油機，建立了燃燒系統CFD仿真模型，并詳細描述了換氣、噴油器噴霧特性等邊界條件的設置。分析了其額定功率點下的缸內瞬態流動、噴霧、混合氣形成以及燃燒過程。原設計狀態下，點火前缸內湍動能分布以及燃油濃度分布不夠合理，火焰傳播不對稱，存在爆震風險。通過優化設計進氣道及活塞冠面，缸內滾流運動及點火前湍動能提升，燃油濃度分布改善，燃燒速度加快約3°CA，同時由于omega渦流降低，排氣側湍動能改善，火焰均勻傳播到氣缸四周。最終的設計方案下，滾流、湍動能、火花塞周圍流場、濕壁、燃油濃度分布以及火焰傳播均能滿足工程目標。在隨后的單缸光學可視化發動機試驗中，各工況下的混合氣形成、濕壁及燃燒均能滿足要求。

關鍵詞：燃燒系統； 滾流； 湍動能 ；omega渦流；火焰傳播

中圖分類號：TK464 文獻標識碼：A 文章編號：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汽油機燃燒系統開發包括進排氣道及缸蓋燃燒室優化設計、活塞冠面設計、噴霧油束布置優化或選型[1-2]，這些工作一般依靠氣道穩流試驗、CFD模擬以及光學發動機試驗來進行。通常在開發初期通過氣道穩流試驗和CFD分析初選進排氣道（會有2～3種方案），然后進行缸內流動、噴霧及燃燒CFD分析，評估缸內滾流運動、湍動能分布、燃油濕壁以及火焰傳播對稱性情況，選出較優的氣道、活塞方案，最后通過單缸光學發動機進行噴油器的選型。

本文結合某1.0L增壓直噴汽油機的開發，講述缸內滾流運動、混合氣形成以及火焰傳播的CFD分析情況，并結合詳細的結果分析優化氣道、活塞冠面，最終使得各參數達到工程目標。

1 燃燒系統方案說明

如前文所述，設計階段基于特定的噴油器（油束布置基于經驗設計，噴霧特性參照類似機型的定容彈數據）來進行氣道及燃燒室的優化。本章對進氣道及燃燒室（活塞冠面）的方案進行說明。

1.1 進氣道

結合CFD分析及氣道穩流試驗，并采用如圖2所示的PIV滾流測試系統，對氣道的流通能力及滾流進行評價，初選進氣道方案。對于該增壓直噴汽油機，在進氣道的喉口處設計了導流結構，將大部分氣流引導從氣門上方進入氣缸，增強滾流，同時為了提高低升程下的滾流，在缸蓋閥座下方設計了導氣屏，如圖3所示：

通過對比分析，初選了兩款進氣道方案，如圖4所示。兩款進氣道方案形狀相似，但氣道曲面及喉口處的導流加工尺寸有微小變化，目的是為了生成不同強度的滾流。這點從PIV測試系統中氣缸蓋下方D/2平面處的速度分布可以看出，雖然速度分布相似，但Intake port 01方案下，仍有小部分氣流從氣門下方進入氣缸，而Intake port 02方案則明顯減少，因此其滾流強度較高。兩種方案下的氣道流動特性均位于數據帶上方。endprint

1.2 活塞冠面

活塞冠面形狀的設計需要考慮諸多因素，如盡可能避免燃油在氣流的作用下甩向氣缸壁，引起機油稀釋現象，另外，還應避免較大尺度的omega渦流，以改善火焰傳播的對稱性，降低爆震風險。圖5是設計的3種活塞方案，其中02相對于01形狀基本未變，僅邊緣處寬度增加，03相對于02邊緣處高度降低，同時為適應壓縮比，凹坑深度有所減小。

1.3 噴霧油束布置

該發動機采用噴油器側置方式，設計時考慮了油束與進排氣門，油束與缸套均不能有干涉現象，否則引起的濕壁現象會導致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

缸內流動、噴霧及燃燒CFD仿真時，共分析了3種燃燒系統組合方案，如表1所示：

2 邊界條件設置

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

2.1 換氣邊界設置

本文模擬的是5500rpm額定功率點工況，分析720°CA循環內的換氣、壓縮及燃燒做功過程。其凸輪型線及相位如圖7所示，進排氣邊界來自GT-POWER一維熱力學仿真，采用的是瞬態流量、壓力、溫度邊界，可以考慮進排氣門開啟及關閉時刻缸內壓力脈動對充氣效率的影響。進氣邊界如圖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）進行詳細描述。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（定容彈測量結果，一般認為在此位置處，燃油完成了二次破碎，可代表實際的狀態）。需要說明的是，粒徑大小取決于噴射壓力及環境壓力，噴射壓力越大，粒徑越小[3-4]。

3 結果分析

本章對缸內氣流運動及發展、湍動能、混合氣形成及濃度分布、濕壁以及燃燒過程進行詳細的對比分析。

3.1 缸內氣流運動

對于汽油機來說，由于氣道采用對稱式設計，氣流在進入氣缸時，會產生如圖11所示的3種缸內宏觀氣流運動。其中滾流是主要形式，由于從氣門上方進入氣缸的氣體多于下方，因此會產生如圖11所示的圍繞y軸的氣流旋轉運動，一般用滾流比來定義其運動強度，定義公式如下。

，

其中TR為滾流比，ωmot為發動機旋轉角速度， ωFK為氣流繞旋轉軸旋轉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 為單元體相對于旋轉軸的半徑。

對于omega滾流及omega渦流的計算，由于是對稱分布，取一半氣缸，規定了旋轉軸的位置如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比情況，可以看到，滾流存在兩個峰值，第一個峰值出現在進氣門最大升程處，此時進氣速度最大，第二個峰值出現在壓縮沖程中段，此時活塞運動速度最大。V02方案下在進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滾流均下降到目標范圍內，這些都是有利于加快火焰傳播速度及改善火焰對稱性的。

圖13是3種方案下壓縮沖程中湍動能的對比圖，可以看到各方案下隨著活塞上行，滾流破碎成湍流，結合圖12在690°CA附近形成峰值，后續繼續破碎成更小尺度的湍流。在點火時刻710°CA附近，V02方案下湍動能更強，峰值中心更接近火花塞，有利于改善排氣側的火焰傳播。

圖14是點火時刻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動速度，而在氣缸中心氣流從排氣側流向進氣側，結合圖13，排氣側湍動能分布原本就較弱，這樣更不利于火焰傳播，且會使得爆震的可能性增加。而V02方案氣缸中心氣流運動速度高于邊緣處，且從進氣側流向排氣側，是有利于改善火焰傳播的對稱性的，這點從3.3節中的火焰分布結果中可以得到印證。3種方案下omega滾流都較弱，V02方案更低。另外，監控了點火時刻火花塞周圍1.5mm及3mm半徑球體內平均氣流運動速度，滿足限值要求，不存在失火風險。

3.2 混合氣形成及濕壁

圖15是710°CA點火時刻缸內燃油當量比分布圖，可以看到，V00方案下混合氣存在分層現象，且接近缸套處較濃，這是不利于火焰傳播的，而V02方案下，由于滾流增強，油氣混合更好，缸內各區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程。

圖16是濕壁情況的對比。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揮發，僅V00方案點火前仍存在一定的濕壁，會影響到顆粒物排放。另外，缸套處的濕壁幾乎沒有，在此噴油策略下的機油稀釋風險較小。

3.3 燃燒過程分析

火焰面傳播情況如圖17所示，綜合前文的分析，V00方案下，正是由于流場、湍動能及混合氣濃度分布的不合理，火焰傳播不對稱，排氣側燃燒較慢。而V02方案下各參數的改進獲得了對稱的火焰，同時燃燒持續期縮短2.5°CA。

4 光學發動機試驗

通過光學發動機試驗可以對比采用不同噴油器時的混合氣形成、燃油濕壁、火焰傳播以及顆粒物排放情況[5]，并根據可視化結果來優化噴射策略。受透明缸套強度的制約，發動機轉速不能超過3000rpm，圖18是試驗裝置圖，共研究了1500rpm WOT、2000rpm/2bar以及催化器起燃3種工況。

圖19是采用最優的6孔噴油器時，并優化噴射策略后，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，同時無濕壁現象發生。圖20是SOI3第3段噴射起始角對火焰形成的影響，可以看到當第3次噴油時刻退后時，混合氣不夠均勻引發了擴散火焰，并形成顆粒物進入排氣管，而當SOI3=130BTDC時，燃燒最好。圖中紅色代表SOOT火焰。其它兩種工況這里不再說明，光學發動機的研究結果可以用于后續的熱力學開發試驗。

基于以上方法確定的燃燒系統、噴油器在隨后的熱力學開發試驗中，動力性，油耗及原始排放均達到既定目標。

5 總結與展望

本文結合某直噴汽油機的開發，對燃燒系統開發仿真工作內容，邊界條件設置進行了詳細說明，基于CFD仿真對3種不同的燃燒系統方案下的缸內流場、混合氣形成、濕壁以及燃燒過程進行了詳細的對比分析，總結如下：

1）氣道優化可提高缸內滾流，加強油氣混合，改善混合氣濃度分布情況；同時湍流更強，湍動能分布更加合理。

2）優化活塞形狀能降低點火前殘余的omega滾流及omega渦流，改善缸內流場分布。

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，同時形成對稱的火焰面。

參考文獻：

[1]Chen Yang， Haiyuan Cheng， Zizhu Fan， etc. Development of Combustion System for a 1-Liter Advanced Turbocharged Gasoline Direct Injection 3-Cylinder Engine. SAE 2016-01-2243.

[2]Dipl.-Ing. Smail Mokhtari， Dipl.-Ing. Philippe Souhaite， etc. Combustion System Design of the New PSA Peugeot Citro?n PureTech 1.2 e-THP Engine. 23rd Aachen Colloquium Automobile and Engine Technology 2014.

[3]毛立偉. 直噴汽油機多孔噴油器的噴霧特性研究. 天津大學碩士論文， 2008年6月.

[4]陳海娥， 宮艷峰， 李偉等. 缸內直噴汽油機的噴霧模擬. 汽車技術， 2010年第1期.

[5]安新亮， 何旭， 王麗雯等. 應用高速紋影法對汽油機燃燒過程的研究. 內燃機工程， 2007，28（2）.endprint