GDI汽油機(jī)燃燒過(guò)程數(shù)值模擬

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

1 引言

燃燒系統(tǒng)是GDI汽油機(jī)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文應(yīng)用AVL-FIRE CFD軟件對(duì)某型GDI汽油機(jī)全負(fù)荷工況燃燒過(guò)程進(jìn)行三維瞬態(tài)數(shù)值模擬，幫助理解GDI燃燒過(guò)程控制規(guī)律，從而為優(yōu)化GDI汽油機(jī)燃燒系統(tǒng)提供參考。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

本文研究對(duì)象為某型GDI汽油機(jī)，部分參數(shù)如表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

3 有限元模型的建立

將Pro/E建立的三維幾何模型導(dǎo)入AVL-FIRE的FAMEEngine Plus前處理模塊中，自動(dòng)生成計(jì)算所用的FEP動(dòng)網(wǎng)格。計(jì)算從進(jìn)氣門(mén)打開(kāi)時(shí)刻至排氣門(mén)打開(kāi)時(shí)刻，時(shí)間為503°CA。計(jì)算時(shí)定義進(jìn)氣上止點(diǎn)為360°CA，燃燒上止點(diǎn)為720°CA。進(jìn)氣過(guò)程網(wǎng)格數(shù)為80-126萬(wàn)，壓縮做功過(guò)程網(wǎng)格數(shù)在46萬(wàn)左右。計(jì)算網(wǎng)格如圖1所示。其中（a）進(jìn)氣門(mén)打開(kāi)時(shí)刻位置計(jì)算網(wǎng)格數(shù)目1276639，（b）活塞下止點(diǎn)位置計(jì)算網(wǎng)格數(shù)目699835，（c）活塞下止點(diǎn)后 60°CA計(jì)算網(wǎng)格數(shù)目4661530。

圖1 各時(shí)刻計(jì)算網(wǎng)格

4 邊界條件和初始條件

計(jì)算設(shè)定的初始條件和邊界條件如表2和表3所示。

表2 邊界條件

表3 初始條件

5 數(shù)學(xué)模型的選擇

表4 數(shù)學(xué)模型

6 結(jié)果分析

點(diǎn)火時(shí)刻700°CA，標(biāo)定噴油壓力24Pa，因?yàn)閲娪统掷m(xù)期為132°CA早噴射，噴射時(shí)刻390°CA和噴油持續(xù)期111°CA晚噴射，噴射時(shí)刻420°CA兩種情況形成混合氣比較均勻，噴油嘴下方燃油聚集現(xiàn)象較輕，所以分析這兩種情況的燃燒結(jié)果。

圖2將上止點(diǎn)、上止點(diǎn)后20°CA、40°CA三個(gè)時(shí)刻，火花塞中心截面上，用溫度場(chǎng)表示這兩種情況的火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程，進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)兩種情況狀態(tài)基本相同。上止點(diǎn)時(shí)刻，火焰前鋒接近球形，氣流特性和點(diǎn)火特性影響明顯；上止點(diǎn)后20°CA，隨火焰發(fā)展，火焰?zhèn)鞑ゲ皇茳c(diǎn)火條件影響，火焰前鋒到達(dá)活塞頂面，且向排氣側(cè)傳播速度較快，由于噴油器側(cè)混合氣較濃，火焰不能快速傳播，進(jìn)入湍流傳播階段，湍流促進(jìn)燃燒的作用逐漸增強(qiáng)，火焰速度加快，燃燒速率達(dá)到某一穩(wěn)定狀態(tài)；上止點(diǎn)后40°CA，燃燒完90%的充量。

圖2 兩種情況溫度場(chǎng)對(duì)比

圖3是已燃燃油質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線圖。

圖3 已燃燃油質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線

綜合圖2和圖3來(lái)看，噴油時(shí)刻420°CA，噴油持續(xù)期132°CA的情況，缸內(nèi)整體混合氣分布比較均勻，燃燒速率較快。

圖4 兩種情況的缸內(nèi)平均壓力曲線圖

圖4是兩種情況的缸內(nèi)平均壓力曲線圖。圖示各噴油定時(shí)對(duì)應(yīng)缸內(nèi)平均壓力曲線不同。兩種情況缸內(nèi)峰值壓力不同，峰值壓力出現(xiàn)的時(shí)刻基本相同。

7 結(jié)論

不同噴油定時(shí)對(duì)應(yīng)點(diǎn)火時(shí)刻，火花塞附近混合氣濃度差異造成燃燒性能不同。在噴油壓力和噴油嘴設(shè)計(jì)條件給定情況下，當(dāng)燃油噴射時(shí)刻420°CA，噴油持續(xù)期為132°CA時(shí)，在點(diǎn)火時(shí)刻火花塞電極間隙處及周?chē)霈F(xiàn)有利于點(diǎn)火和火焰?zhèn)鞑サ妮^濃、均勻混合氣，燃空當(dāng)量比為1.1，燃燒速度快，快速燃燒期短，缸內(nèi)峰值壓力高，燃燒性能較好。

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

[2]孫晶晶.汽油機(jī)進(jìn)氣及燃燒過(guò)程的多為數(shù)值模擬研究[D].北京:北京交通大學(xué),2008.