缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)快速起動(dòng)首循環(huán)噴霧的數(shù)值模擬

韓立偉，洪 偉，高定偉，蘇 巖，謝方喜

（1.長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北 保 定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保 定 071000；3.吉林大學(xué)汽車動(dòng)態(tài)模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng) 春 130022）

發(fā)動(dòng)機(jī)采用起動(dòng)－停止技術(shù)，即車輛怠速時(shí)熄火，起車時(shí)迅速起動(dòng)的技術(shù)，能夠有效降低城市工況下整車的排放和燃油消耗［1－2］。

起動(dòng)－停止技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)速度要求相對(duì)較高。傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)因?yàn)樾枰懈淄降冗^程，所以其首次著火最快要發(fā)生在首循環(huán)的第3或第4個(gè)沖程后，起動(dòng)速度相對(duì)較慢。而缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的判缸同步可以在停機(jī)過程中完成［3］，起動(dòng)時(shí)可以在其首循環(huán)的第1個(gè)沖程結(jié)束時(shí)著火，實(shí)現(xiàn)快速起動(dòng)。本研究把發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)處于壓縮沖程的氣缸定義為第1缸，按照點(diǎn)火時(shí)序排列，后面的3個(gè)氣缸依次定義為第2缸、第3缸和第4缸。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)機(jī)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，第1缸噴油器向缸內(nèi)噴油，當(dāng)活塞壓縮移動(dòng)到上止點(diǎn)時(shí)點(diǎn)火，第1缸燃燒做功；然后第2缸進(jìn)入壓縮沖程，當(dāng)活塞壓縮移動(dòng)到其上止點(diǎn)時(shí)點(diǎn)火，第2缸燃燒做功；同樣，后面各缸依次噴油點(diǎn)火做功。在這個(gè)過程中，因首循環(huán)第1個(gè)壓縮沖程就著火，從而實(shí)現(xiàn)快速起動(dòng)，但是由于發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)停止，滯留在氣缸和氣道內(nèi)的氣體直接受到高溫氣缸壁、氣缸蓋的加熱，溫度要高于普通工況進(jìn)入氣缸內(nèi)的氣體溫度，所以在起動(dòng)時(shí)著火的初始邊界條件具有特殊性。經(jīng)過前期研究可知，起動(dòng)時(shí)第1缸活塞處于某一位置，當(dāng)其壓縮移動(dòng)到上止點(diǎn)時(shí)，其有效壓縮比相對(duì)較低，從而缸內(nèi)溫度相對(duì)不高，幾乎不會(huì)發(fā)生自燃；而第2缸經(jīng)歷了一個(gè)完整的壓縮沖程，有效壓縮比較大，加上其較高的進(jìn)氣溫度，其混合氣自燃（在火花塞跳火前發(fā)生自燃）的可能性極大［4］；第3缸和后面各缸因?yàn)榻?jīng)歷了完整的進(jìn)氣沖程，吸入了溫度較低的外界空氣，所以即使有效壓縮比較大，發(fā)生自燃的可能性也不大。

由于第2缸較大概率的自燃對(duì)起動(dòng)極為不利，基于以上原因，本研究著重研究第2缸，通過軟件Fire對(duì)其壓縮過程中的噴霧和混合氣形成情況進(jìn)行數(shù)值模擬與理論分析，并找出理想的噴油控制策略，然后通過試驗(yàn)研究指出該缸不同噴油策略下發(fā)生自燃、可以點(diǎn)燃和失火的區(qū)域，為實(shí)現(xiàn)起動(dòng)－停止技術(shù)的快速起動(dòng)提供一定試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論指導(dǎo)。

1 數(shù)學(xué)模型和模型驗(yàn)證

1.1 網(wǎng)格模型

本研究針對(duì)三菱公司的4G15GDI汽油機(jī)建模并選取計(jì)算參數(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)見表1。同時(shí)，基于該發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的實(shí)際幾何尺寸，構(gòu)建了模擬過程所用的物理模型，圖1示出了其計(jì)算網(wǎng)格。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.2 數(shù)學(xué)模型和初始邊界條件

對(duì)于本研究而言，選取適當(dāng)?shù)膰婌F模型是非常關(guān)鍵的。燃油的噴霧過程極為復(fù)雜，涉及到破碎、蒸發(fā)、噴壁、湍流擴(kuò)散等多種物理現(xiàn)象。本研究采用Laundering和Spalding提出的適用范圍比較廣、計(jì)算精度比較高的標(biāo)準(zhǔn)κ－ε湍流模型描述缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)。根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)缸內(nèi)直噴汽油機(jī)高壓旋流噴油器噴霧特性的研究結(jié)果［5－6］可知，燃油離孔后的初始液滴粒徑尺寸一般服從Rosin－Rammler分布函數(shù)［7－8］。本研究采用這一分布函數(shù)對(duì)初始液滴的尺寸和概率進(jìn)行估算，分布函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

本研究采用TAB破碎模型對(duì)液滴的二次霧化過程進(jìn)行描述，該模型適用于低速的汽油噴射過程。該模型是將相對(duì)速度為urel液滴的振動(dòng)與變形類比為一個(gè)彈簧重物系統(tǒng)的振動(dòng)。模型中將液滴所受氣動(dòng)力、表面張力及黏性力等分別類比為對(duì)液滴振動(dòng)起著激振力F、回復(fù)力Fspring、阻尼力Fdamping的作用，由此得到液滴表面的強(qiáng)迫或阻尼振動(dòng)控制方程：

式中：urel為氣體與液滴的相對(duì)速度；r為液滴半徑；σ為表面張力；μl為液體黏性；ρg，ρl分別為氣體和液體的密度；CF，Ck和Cd通過計(jì)算分析和試驗(yàn)數(shù)據(jù)求得。油滴蒸發(fā)采用Dukowicz模型，該模型是建立在單組分燃油特性基礎(chǔ)之上的，液滴溫度的變化率由能量方程決定：

式中：md為液滴質(zhì)量；Td為液滴溫度；cpd為液滴比定壓熱容；L為液滴的蒸發(fā)潛熱；Q0為周圍氣體傳遞給液滴的熱量。

碰壁模型采用walljet0模型，該模型適用于噴射速度較低和入射距離較短的噴射，因此可用于GDI發(fā)動(dòng)機(jī)。湍流擴(kuò)散模型采用Gosman和Ioannidis提出的隨機(jī)擴(kuò)散模型，該模型假設(shè)液滴波動(dòng)速度的各相同性湍流分量由Gaussian分布隨機(jī)決定，湍流對(duì)噴霧顆粒的作用效果是通過在平均氣流速度上增加一個(gè)波動(dòng)速度來(lái)模擬的。粒子相互作用模型對(duì)噴霧場(chǎng)的特性具有重要影響，本研究采用“Schmidt”模型。

1.3 噴霧模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證噴霧模型，創(chuàng)建了定容彈噴霧模型（見圖2），噴油器在網(wǎng)格頂部中心。采用AVL公司在用于噴霧研究的可視化發(fā)動(dòng)機(jī)上用激光誘導(dǎo)熒光法測(cè)量的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行模型的有效性驗(yàn)證。圖3示出了背壓分別為0.1MPa與0.6MPa時(shí)，噴霧后3ms的噴霧形態(tài)模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，其中噴油持續(xù)期為3ms，噴油壓力為5MPa。結(jié)果表明，隨著燃燒室背壓的提高，噴霧錐角與噴霧油束貫穿距離均隨之降低，噴霧形態(tài)基本吻合。仿真過程數(shù)學(xué)模型、計(jì)算方法和邊界條件準(zhǔn)確，該模型可以較準(zhǔn)確地反映直噴汽油機(jī)噴嘴的噴霧特性［9］。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

本研究模擬計(jì)算了起動(dòng)過程首循環(huán)第2缸在不同噴油策略（不同噴油量和不同噴油時(shí)刻）下的噴霧和混合氣形成過程。表2示出了噴油量和噴油時(shí)刻的組合，依據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，從表中選取了具有代表性的噴油策略進(jìn)行分析，分別為（41mm3，160°BTDC），（41mm3，80°BTDC），（41mm3，30°BTDC），（12mm3，160°BTDC），（12mm3，80°BTDC），（12mm3，30°BTDC）， （2mm3，160°BTDC），（2mm3，80°BTDC）和（2mm3，30°BTDC），且分別記為 ST－11，ST－12，ST－13，ST－21，ST－22，ST－23，ST－31，ST－32 和 ST－33。當(dāng) 噴 油 量 為 41mm3，12mm3和2mm3時(shí)，與缸內(nèi)空氣形成均質(zhì)混合氣對(duì)應(yīng)的燃空當(dāng)量比分別為1.22，0.36和0.06，代表較濃的混合氣、偏稀的混合氣和很稀的混合氣。

表2 噴油定時(shí)和噴油量

2.1 混合氣較濃時(shí)噴油時(shí)刻對(duì)缸內(nèi)噴霧和混合氣形成的影響

圖4示出了噴油策略ST－11時(shí)的濃度場(chǎng)、流場(chǎng)和溫度場(chǎng)。噴油初始時(shí)刻起動(dòng)轉(zhuǎn)速很低，缸內(nèi)滾流相對(duì)較弱，且噴油時(shí)刻距離上止點(diǎn)較遠(yuǎn)，缸內(nèi)背壓相對(duì)很低，因此較多燃油碰壁，缸內(nèi)流場(chǎng)在油束貫穿的作用下形成了兩個(gè)滾流中心，一部分燃油在滾流作用下向缸蓋擴(kuò)散，另一部分向活塞頂面擴(kuò)散，且不斷蒸發(fā)與空氣混合。兩個(gè)滾流隨著活塞的壓縮上行消失，并且在活塞上行到30°BTDC左右時(shí)，形成了一個(gè)逆滾流。由于噴油時(shí)刻在160°BTDC，相對(duì)較為提前，缸內(nèi)氣流有較長(zhǎng)的時(shí)間使燃油霧化，以致活塞上行至上止點(diǎn)時(shí)缸內(nèi)濃度場(chǎng)相對(duì)均勻。

缸內(nèi)溫度場(chǎng)的變化與其濃度場(chǎng)相對(duì)應(yīng)，由于壓縮上止點(diǎn)時(shí)空燃比分布相對(duì)均勻，從而該時(shí)刻缸內(nèi)溫度場(chǎng)分布也相對(duì)均勻。由前文所述可知第2缸工作具有特殊性，一方面該缸有效壓縮比較高（該發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比為11∶1），另一方面由于該缸的空氣為滯留在氣缸和氣道內(nèi)的氣體，受到高溫氣缸壁、氣缸蓋的加熱，其初始溫度較高。基于以上原因，雖然壓縮上止點(diǎn)時(shí)空燃比分布相對(duì)均勻，較好的燃油霧化可以在一定程度上降低缸內(nèi)溫度，但并不起決定作用，所以壓縮上止點(diǎn)的缸內(nèi)溫度場(chǎng)相對(duì)均勻，而且整體偏高。圖中方框所示區(qū)域內(nèi)，當(dāng)量比為0.58左右的混合氣對(duì)應(yīng)溫度為741K，超過了混合氣自燃點(diǎn)，容易產(chǎn)生自燃。

噴油策略ST－12與噴油策略ST－13時(shí)的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)和濃度場(chǎng)分別見圖5與圖6。

由圖5可見，噴油初始時(shí)刻，油束前端產(chǎn)生卷吸，有利于霧化，油束噴在活塞頂部，在其壁面誘導(dǎo)與油束貫穿的作用下，缸內(nèi)流場(chǎng)在50°BTDC左右形成了兩個(gè)滾流中心，且燃油被卷向缸壁的兩側(cè)。隨著活塞上行，兩個(gè)滾流相互作用，兩側(cè)燃油向火花塞聚集靠攏。當(dāng)活塞上行至上止點(diǎn)時(shí)，相比噴油時(shí)刻在160°BTDC的濃度場(chǎng)和溫度場(chǎng)，混合氣分布不均勻，濃稀區(qū)域明顯，溫度高的區(qū)域混合氣濃度較稀，超過自燃稀限，不易自燃?？扇蓟旌蠚鈪^(qū)域（方框圈中區(qū)域）對(duì)應(yīng)的溫度相對(duì)不高（不到700K），故此時(shí)不易發(fā)生自燃?；谝陨戏治觯谠搰娪蜁r(shí)刻和噴油量下，混合氣不均勻的濃度和溫度分布能避免自燃的發(fā)生，可以正常點(diǎn)燃。

由圖6可見，噴油初始時(shí)刻油束前端產(chǎn)生卷吸，由于活塞壁面誘導(dǎo)作用和活塞的壓縮上行，在缸內(nèi)產(chǎn)成了一個(gè)逆滾流。在活塞形狀和噴霧的誘導(dǎo)下，缸內(nèi)液滴一邊破碎蒸發(fā)一邊在逆滾流作用下沿逆時(shí)針方向向火花塞附近擴(kuò)散，當(dāng)活塞上行至上止點(diǎn)時(shí)，在火花塞附近形成了可燃混合氣區(qū)域（圖中圈中部分），溫度高達(dá)778K左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了混合氣自燃點(diǎn)，因此混合氣非常容易發(fā)生自燃。

2.2 混合氣偏稀時(shí)噴油時(shí)刻對(duì)缸內(nèi)噴霧和混合氣形成的影響

圖7示出了噴油策略 ST－21，ST－22和 ST－23下上止點(diǎn)時(shí)的濃度場(chǎng)、流場(chǎng)和溫度場(chǎng)。每個(gè)策略下溫度場(chǎng)、流場(chǎng)和濃度場(chǎng)的變化趨勢(shì)與混合氣較濃時(shí)相同，不同的是在上止點(diǎn)時(shí)刻溫度相對(duì)增高，濃度相對(duì)降低，因此只分析上止點(diǎn)位置的情況。由于噴油量相對(duì)較少，其霧化蒸發(fā)少，吸收的熱量相對(duì)較少，故缸內(nèi)溫度相對(duì)較高。濃度場(chǎng)圈中區(qū)域?yàn)榭扇蓟旌蠚鈪^(qū)域，其對(duì)應(yīng)溫度場(chǎng)最高溫度均很高，均超過了750K，極易發(fā)生自燃。因此若混合氣偏稀，不論噴油時(shí)刻在上止點(diǎn)附近還是在較遠(yuǎn)或者中間位置，當(dāng)活塞上行至上止點(diǎn)附近時(shí)，混合氣發(fā)生自燃可能性都很大。

2.3 混合氣很稀時(shí)噴油時(shí)刻對(duì)缸內(nèi)噴霧和混合氣形成的影響

圖8示出了噴油策略 ST－31，ST－32和 ST－33下上止點(diǎn)時(shí)的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)和濃度場(chǎng)。與圖7一樣只分析上止點(diǎn)位置的情況。同樣因噴油量少，其霧化蒸發(fā)吸收熱量少，以致缸內(nèi)溫度非常高。圖8a和圖8b中噴油時(shí)刻離上止點(diǎn)較遠(yuǎn)，壓縮上止點(diǎn)的濃度場(chǎng)相對(duì)均勻，從而混合氣濃度很低，其濃區(qū)當(dāng)量比在0.1～0.2之間，遠(yuǎn)超出混合氣著火稀限，因此這兩種策略下將會(huì)產(chǎn)生失火。圖8c中噴油時(shí)刻在上止點(diǎn)附近，壓縮上止點(diǎn)的混合氣濃區(qū)當(dāng)量比為0.5左右，接近可以點(diǎn)燃的著火稀限，但由于其對(duì)應(yīng)溫度場(chǎng)溫度高達(dá)787K左右，所以此時(shí)容易產(chǎn)生自燃。

通過對(duì)不同噴油策略下噴霧和混合氣形成情況的研究發(fā)現(xiàn)，噴油量和噴油時(shí)刻對(duì)噴霧和混合氣的形成均有很大影響，導(dǎo)致壓縮上止點(diǎn)時(shí)混合氣的著火情況也有所不同。當(dāng)噴油時(shí)刻距上止點(diǎn)相對(duì)較遠(yuǎn)或者在上止點(diǎn)附近時(shí)，在壓縮上止點(diǎn)時(shí)因缸內(nèi)可燃混合氣區(qū)域內(nèi)溫度相對(duì)較高，因此混合氣較傾向于自燃；當(dāng)噴油時(shí)刻距上止點(diǎn)相對(duì)中間的位置時(shí)，在壓縮上止點(diǎn)形成的混合氣及缸內(nèi)溫度較為理想，自燃傾向較小，并且火花塞附近混合氣可以點(diǎn)燃；但是如果噴油量較少（即混合氣偏?。?，較少的霧化吸熱導(dǎo)致缸內(nèi)溫度降低程度減小，即使噴油時(shí)刻在離上止點(diǎn)相對(duì)中間的位置，壓縮上止點(diǎn)時(shí)缸內(nèi)可燃混合氣區(qū)域內(nèi)溫度仍較高，混合氣仍較傾向于自燃。因此，只有當(dāng)噴油時(shí)刻選擇離上止點(diǎn)適當(dāng)?shù)奈恢们覈娪土枯^大時(shí)，壓縮上止點(diǎn)時(shí)的混合氣才可以正常點(diǎn)燃。

3 不同噴油策略的試驗(yàn)研究

根據(jù)以上模擬計(jì)算分析，控制初始邊界條件進(jìn)行試驗(yàn)研究。環(huán)境溫度20℃，冷卻液溫度控制在100℃，手動(dòng)盤動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)使其第1缸活塞處于壓縮上止點(diǎn)前180°（在這個(gè)位置起動(dòng)，該缸經(jīng)歷1個(gè)完整的壓縮沖程，這相當(dāng)于前文所述起動(dòng)過程的第2缸），采用起動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，噴油控制策略按表2執(zhí)行，采集第1缸的缸壓信號(hào)分析其著火情況，根據(jù)試驗(yàn)具體情況再增加試驗(yàn)點(diǎn)，最后繪出其著火情況的區(qū)域圖。圖9示出了上述條件下不同噴油控制策略下著火情況的區(qū)域圖。

圖9中點(diǎn)燃區(qū)、自燃區(qū)和失火區(qū)分別代表不同的噴油策略下，活塞上行至上止點(diǎn)時(shí)混合氣可以點(diǎn)燃、發(fā)生自燃和發(fā)生失火的情況。當(dāng)噴油時(shí)刻離上止點(diǎn)相對(duì)較遠(yuǎn)或者在上止點(diǎn)附近時(shí)，活塞壓縮到上止點(diǎn)時(shí)因其缸內(nèi)可燃混合氣區(qū)域內(nèi)溫度相對(duì)較高，混合氣均發(fā)生自燃；橫軸沿噴油量減少的方向，點(diǎn)燃區(qū)域趨向于中間縮?。粐娪蜁r(shí)刻離上止點(diǎn)相對(duì)中間的位置時(shí)，活塞上行至上止點(diǎn)時(shí)混合氣可以點(diǎn)燃，這是由于當(dāng)噴油時(shí)刻離上止點(diǎn)相對(duì)中間的位置時(shí)，自燃傾向較小，且火花塞附近形成可以點(diǎn)燃的混合氣；噴油量較少時(shí)（即混合氣偏?。?，此時(shí)即使噴油時(shí)刻離上止點(diǎn)在相對(duì)中間的位置，活塞壓縮到上止點(diǎn)時(shí)混合氣仍然會(huì)自燃；當(dāng)混合氣很稀，噴油時(shí)刻離上止點(diǎn)較遠(yuǎn)或者在中間位置時(shí)，壓縮上止點(diǎn)附近混合氣均會(huì)失火，而在上止點(diǎn)附近時(shí)產(chǎn)生自燃。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了前文的模擬計(jì)算分析。

4 結(jié)論

a）噴油時(shí)刻與噴油量不同，噴霧與混合氣形成情況將會(huì)不同，致使壓縮上止點(diǎn)時(shí)的混合氣著火情況不同；

b）第2缸混合氣比較容易產(chǎn)生自燃：噴油時(shí)刻離上止點(diǎn)相對(duì)較遠(yuǎn)或在上止點(diǎn)附近時(shí)，混合氣在壓縮上止點(diǎn)較易于自燃；噴油時(shí)刻在距上止點(diǎn)相對(duì)中間的位置時(shí)，在壓縮上止點(diǎn)時(shí)形成的混合氣自燃可能性較小且可以點(diǎn)燃；但是如果噴油量少，即使噴油時(shí)刻在距上止點(diǎn)相對(duì)中間的位置時(shí)，在壓縮上止點(diǎn)時(shí)形成的混合氣仍傾向于自燃；若混合氣很稀，噴油時(shí)刻距上止點(diǎn)較遠(yuǎn)或者在中間位置時(shí)，壓縮上止點(diǎn)附近混合氣均會(huì)失火，而在上止點(diǎn)附近時(shí)發(fā)產(chǎn)生自燃。

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