復(fù)合引導(dǎo)二沖程直噴汽油機(jī)混合氣形成的解析

劉迎春，劉向龍，許伯彥

（1．濰坊科技學(xué)院 汽車工程學(xué)院，山東 濰坊 262700；2．山東協(xié)和學(xué)院 汽車學(xué)院，山東 濟(jì)南 250107；3．山東建筑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101）

0 引 言

缸內(nèi)直噴稀燃技術(shù)的出現(xiàn)有效降低了有害物質(zhì)的排放，同時降低了燃油消耗率，成為汽車未來動力發(fā)展的重要研究方向［1－5］。二沖程汽油機(jī)具有功率大、轉(zhuǎn)速高等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此被國內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)青睞。奧地利格拉茨工業(yè)大學(xué)的Franz Winkler等對搭載了多孔噴嘴低壓直噴系統(tǒng)的二沖程汽油機(jī)的動力性及排放性進(jìn)行了研究。天津大學(xué)蔡曉林設(shè)計(jì)并改裝了排量98cm3的摩托車化油器發(fā)動機(jī)的直噴系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上使用了脈沖噴射系統(tǒng)和軸針式噴嘴，并對改裝后的性能進(jìn)行研究［6］。但是，以上研究都是進(jìn)行試驗(yàn)或是模擬仿真，并沒有對所做的結(jié)果進(jìn)行可視化驗(yàn)證。本文使用CFD軟件對二沖程直噴汽油機(jī)過渡工況及部分負(fù)荷工況下的混合氣形成過程進(jìn)行研究，并對研究結(jié)果進(jìn)行可視化驗(yàn)證。

1 噴霧－壁面復(fù)合引導(dǎo)系統(tǒng)

分層稀燃GDI發(fā)動機(jī)中混合氣的形成受很多因素影響，主要有燃燒室形狀、火花塞位置、缸內(nèi)氣流運(yùn)動形態(tài)等，因此混合氣的形成方式可分為噴霧引導(dǎo)、氣流引導(dǎo)和壁面引導(dǎo)3類。這些方式均有一定的不足：氣流引導(dǎo)在氣流運(yùn)動較弱的情況下不能將混合氣送至火花塞周圍；噴霧引導(dǎo)要求形成穩(wěn)定的混合氣，同時對噴霧質(zhì)量有很高的要求；而壁面引導(dǎo)需要特殊形狀的凹坑及特殊設(shè)計(jì)的氣流運(yùn)動［7］。本文提出應(yīng)用于二沖程發(fā)動機(jī)的噴霧－壁面復(fù)合引導(dǎo)燃燒系統(tǒng)，該系統(tǒng)同時擁有壁面引導(dǎo)和噴霧引導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)，使混合氣的稀燃界限進(jìn)一步擴(kuò)大。噴霧－壁面復(fù)合引導(dǎo)燃燒系統(tǒng)見圖1。

圖1 噴霧－壁面復(fù)合引導(dǎo)燃燒系統(tǒng)

如圖1所示，由于汽缸壁的作用使進(jìn)氣氣流形成卷吸渦，導(dǎo)致噴向火花塞方向的噴束產(chǎn)生一定程度的偏離，因此本文將四孔噴油器布置于燃燒室頂端，并與氣缸縱軸線形成一定夾角。為滿足不同工況的需求，上部3孔將汽油噴向火花塞附近，下部1孔將汽油噴到凹坑最低點(diǎn)。噴孔總面積為0．061 5 mm2，上部3孔直徑均為0．1mm，下部1孔直徑為0．22mm。在過渡工況（轉(zhuǎn)速2 000r·mim－1、30%負(fù)荷）下，由于進(jìn)氣流動比較弱，噴束1（圖2）可在火花塞附近形成良好的可燃混合氣；當(dāng)部分負(fù)荷（轉(zhuǎn)速4 800r·min－1、60%負(fù)荷）時，氣流運(yùn)動相對加強(qiáng)，致使噴束偏離程度加大，這時噴束2或噴束1、2之間正運(yùn)動至火花塞附近，形成可燃混合氣。從圖2可以看出，活塞凹坑軸線離氣缸軸線有一定距離，噴油器所噴汽油并未直接接觸火花塞，這樣減少了潤濕火花塞的幾率。

圖2 燃燒室結(jié)構(gòu)及4孔噴油器噴束和火花塞位置

2 計(jì)算模型及解析方法

2．1 計(jì)算模型

幾何模型建立完善后，需要使用各種控制方程（如動量守恒方程、能量守恒方程、質(zhì)量守恒方程）來完善其計(jì)算模型，用以描述汽油噴射過程。在計(jì)算模型中，湍動能方程用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)和RNGk－ε模型封閉［8］。計(jì)算時還應(yīng)用了描述汽油蒸發(fā)模型、湍流擴(kuò)散模型和破碎模型。由于汽油以較高的壓力噴射且燃料具有較高的初始速度，所以選用O`Rourke模型和 KH－RT模型［9］。

2．2 計(jì)算方法的可行性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所建立的計(jì)算模型及計(jì)算方法的正確性，首先采用能夠觀察到流場密度梯度變化的光學(xué)紋影法拍攝汽油噴霧過程，并將數(shù)值解析結(jié)果與同條件下拍攝的汽油噴霧過程進(jìn)行對比。圖3（a）是噴射壓力為2MP時拍攝的單孔噴嘴噴出汽油的噴霧過程，圖3（b）是數(shù)值解析得到的2MP噴射壓力下汽油噴霧過程。比較2組圖像可以看出，紋影試驗(yàn)得到的試驗(yàn)圖像與數(shù)值解析結(jié)果十分接近，只是紋影試驗(yàn)所得圖像噴霧外圍的蒸汽部分邊緣不規(guī)則。由圖4自由噴霧時的噴霧貫穿距離與時間之間的關(guān)系可知，試驗(yàn)值與計(jì)算值具有良好的一致性。

2．3 網(wǎng)格模型

本文使用具有底部排氣道和頂部雙進(jìn)氣道的模型。使用solidworks建立實(shí)體模型，如圖5所示。在冷啟動－暖機(jī)工況和部分負(fù)荷工況下，進(jìn)氣量相對較少，只需要打開一個進(jìn)氣門，因此建立單進(jìn)氣道模型，如圖5（b）所示；在大負(fù)荷工況下進(jìn)氣量加大，需要開啟2個進(jìn)氣門，建立雙進(jìn)氣道模型，如圖5（c）所示。表1為二沖程直噴汽油機(jī)的主要參數(shù)。為適應(yīng)不同工況下的模擬仿真，并且在保證計(jì)算結(jié)果真實(shí)有效的情況下減少不必要的計(jì)算量，劃分2套不同的動網(wǎng)格。使用AVL Fire中的Fame Engine Plus生成動網(wǎng)格?；钊斆媸请S活塞移動的動邊界，在下止點(diǎn)時網(wǎng)格數(shù)量最大，整體網(wǎng)格數(shù)量為457 379，為了使缸內(nèi)流場更加流暢，對氣門、進(jìn)氣口及排氣口等處進(jìn)行細(xì)化加密處理。

圖3 單孔噴嘴噴出的汽油自由噴霧發(fā)展過程

圖4 汽油噴霧貫穿距離的計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的比較

表1 二沖程直噴汽油機(jī)的主要參數(shù)

圖5 噴霧壁面復(fù)合引導(dǎo)系統(tǒng)網(wǎng)格模型

離散化方程采用基于控制體積的有限容積法。在離散化過程中，采用SIMPLE法求得流場壓力－速度的耦合［10］。根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置邊界條件等一系列參數(shù)。湍流方程、能量方程、尺度方程選擇一階迎風(fēng)格式進(jìn)行差分，動量方程選擇MINMOD方式進(jìn)行差分，連續(xù)方程使用中心差分方式［11－12］。在求解過程中引入松弛因子控制每個計(jì)算循環(huán)變量的更新速度，同時增強(qiáng)計(jì)算的穩(wěn)定性和收斂性。本文采用的松弛因子為：壓強(qiáng)0．2、動量0．4、湍流能量0．4、湍流消散率0．4、黏性1、質(zhì)量1、能量0．8、組分傳輸1。

3 解析結(jié)果與分析

傳統(tǒng)的均質(zhì)混合氣保證可靠點(diǎn)火所對應(yīng)的空燃比為10～20，但直接噴射稀燃系統(tǒng)卻可以很容易地超過這一界限。在氣缸中心及通過火花塞電極的氣缸斜剖面位置做切片，研究在部分工況下的混合氣形成情況。使用表1所示的燃燒系統(tǒng)參數(shù)，數(shù)值解析二沖程直噴汽油機(jī)部分負(fù)荷工況下分層混合氣的形成情況。

圖6、7為過渡工況（轉(zhuǎn)速2 000r·min－1、噴油時刻BTDC 40°CA、噴油持續(xù)時間10°CA）缸內(nèi)混合氣的分布情況。圖6顯示由于缸內(nèi)卷流影響噴向火花塞方向的三束汽油噴霧在噴出后混成一束，并隨著氣流的運(yùn)動向火花塞相對集中地移動，在點(diǎn)火時刻（BTDC 20°CA）時形成的可燃混合氣運(yùn)動至火花塞附近；圖7顯示噴向活塞凹坑的汽油噴束，在活塞凹坑底面和進(jìn)氣渦流的雙重作用下沿著凹坑壁上行，與噴向火花塞方向的汽油噴束在BTDC 30°CA時相遇，并在BTDC 25°CA混合到一起，在缸內(nèi)渦流作用下將混合氣集中到火花塞電極附近，形成穩(wěn)定的可燃混合氣分層，使缸內(nèi)整體空燃比達(dá)到40∶1以上。

圖6 過渡工況氣缸中心縱剖面位置的混合氣濃度分布

圖7 過渡工況通過火花塞電極的氣缸斜剖面位置的混合氣濃度分布

圖8、9為過渡工況下的速度場，在汽油還沒噴射時缸內(nèi)存在強(qiáng)烈的湍流現(xiàn)象，當(dāng)汽油從噴油器噴出后形成強(qiáng)烈的剪切流，一定程度上加劇了湍流現(xiàn)象，同時在活塞頂部凹坑壁及進(jìn)氣氣流作用下移動到火花塞附近。圖10、11為部分負(fù)荷工況（轉(zhuǎn)速4 800r·min－1、噴油時刻BTDC 50°CA、噴油持續(xù)時間12°CA）缸內(nèi)混合氣的分布情況，圖12、13為該工況下的速度場。與過渡工況下對比可以看出，部分負(fù)荷工況下混合氣受進(jìn)氣渦流的影響更強(qiáng)，噴向火花塞的汽油被進(jìn)氣渦流卷向一側(cè)的偏離現(xiàn)象比較明顯，并且混合氣濃度區(qū)加大。相較于圖8、9而言，圖12、13由于速度的增大，缸內(nèi)產(chǎn)生的湍流現(xiàn)象更加劇烈。

圖8 過渡工況氣缸中心縱剖面位置的速度場

圖9 過渡工況通過火花塞電極的氣缸斜剖面位置的速度場

圖10 部分負(fù)荷工況氣缸中心縱剖面位置的混合氣濃度分布

圖11 部分負(fù)荷工況通過火花塞電極的氣缸斜剖面位置的混合氣濃度分布

圖12 部分負(fù)荷工況氣缸中心縱剖面位置的速度場

圖13 部分負(fù)荷工況通過火花塞電極的氣缸斜剖面位置的速度場

4 結(jié) 語

（1）提出了適用于二沖程汽油機(jī)的噴霧－壁面復(fù)合引導(dǎo)燃燒系統(tǒng)。從下部1孔及上部3孔噴出的汽油在活塞頂部凹坑壁及缸內(nèi)氣流的作用下于火花塞附近形成穩(wěn)定的可燃混合氣；使用光學(xué)紋影法驗(yàn)證了計(jì)算方法的可行性。

（2）對過渡工況和部分負(fù)荷工況下缸內(nèi)混合氣的形成過程進(jìn)行了解析。過渡工況（轉(zhuǎn)速2 000r·min－1）采用40°CA BTDC噴射和部分負(fù)荷工況（轉(zhuǎn)速4 800r·min－1）采用50°CA BTDC噴射，汽油在進(jìn)氣卷吸渦與活塞凹坑的作用下可于火花塞附近形成穩(wěn)定的分層混合氣，而缸內(nèi)整體空燃比達(dá)到40∶1以上。

（3）對過渡工況及部分負(fù)荷工況下的速度場進(jìn)行解析。過渡工況下湍流現(xiàn)象較弱，同時也顯示出在進(jìn)氣氣流與活塞頂部凹坑的作用下，汽油運(yùn)動至火花塞附近。

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