中北大學機械與動力工程學院 柳青 續(xù)彥芳

引言

汽油機缸內直噴（Gasoline Direct Injection，GDI）發(fā)動機是近年來國內外內燃機研究的熱點。GDI發(fā)動機的混合氣質量直接影響發(fā)動機的燃燒過程，因此會對發(fā)動機的動力性、經濟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)動機的油氣混合過程，研究了噴射角度對缸內直噴汽油機混合氣形成的影響，為優(yōu)化缸內直噴汽油機的噴油參數(shù)提供理論參考。

1 發(fā)動機的部分參數(shù)

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

表1 汽油機的部分參數(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，并將其導入AVL-FIRE中的FAME Engine+模塊中，自動生成動網格。然后用Hybrid Assistant對模型的網格進行劃分從而確定各selection最佳網格尺寸。本文網格的最大尺寸為0.001m，最小網格尺寸為0.00020m。計算時定義進氣上止點為0°CA，不涉及排氣提前角。下圖顯示了各典型時刻的計算網格。

圖1 各典型時刻計算網格

其中：（a）進氣門升程最大位置（100°CAATDC）計算網格數(shù)目，346825；（b）進氣下止點位置計算網格數(shù)目，467186；（c）進排氣門同時關閉時刻計算網格數(shù)目，425956；（d）靠近于壓縮上止點（340°CAATDC）計算網格數(shù)目，116100。

3 邊界條件的設定

計算時設定的初始條件為表2所示，邊界條件為表3所示，而數(shù)學模型的選擇分別為：湍流模型，標準雙方程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；壁面處理設定為標準壁面函數(shù)。

表2 初始條件的參數(shù)

表3 溫度邊界參數(shù)

轉速為4500r/min時入口邊界參數(shù)

4 計算結果與分析

GDI發(fā)動機對噴射角度的要求很高。易于著火的混合氣既需要點火時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，設計時應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)動機轉速為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°時混合氣在氣缸內的分布情況。

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針的滾流造成燃油在縱向上輸運和分布。噴油初期的燃油貫穿距比較短，燃油未及時充分擴散，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針滾流的擠壓，霧束末端向進氣側翻折，有少量的燃油與活塞頂面碰撞，60°噴射的霧束受氣流經過氣門邊緣時產生的剪切力的影響，從而帶動霧束向排氣側移動過程中在缸底和缸壁產生燃油碰壁，由于燃油碰壁時空間反射不明顯而造成霧束直接碰壁使?jié)櫥拖♂專瑧M量避免這種情況。

圖2 噴射角度為60°時缸內混合氣的分布狀況

圖3 噴射角度為45°時缸內混合氣的分布狀況

圖4 噴射角度為30°時缸內混合氣的分布狀況

當240°CAATDC時，帶動燃油移動向進氣側的滾流和氣缸壁的共同作用使燃油向上翻轉，從而使燃油和空氣充分混合，所以30°和45°噴射時進氣側燃油濃度比較高，60°噴油燃油擴散較好。

當340°CAATDC時，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，進氣側的混合氣較濃，排氣側的混合氣過稀；60°噴射時，混合氣總體當量比較大，缸壁處混合氣較濃，火花塞附近混合氣較稀，設計時應注意不要出現(xiàn)這種情況；45°噴射時，缸內出現(xiàn)最均勻混合氣，總體當量與靠近化學當量比為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燃油蒸氣質量隨曲軸轉角變化曲線圖（圖5）。圖中顯示的三條曲線很相近，燃油蒸發(fā)都比較好?？拷c火正時處，45°是最適合于均質燃燒模式的噴射角度。

圖5 不同噴油角度下缸內燃油蒸汽的質量

5 結論

在點火正時處，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，設計時應盡量避免。其中，30°時，進氣側存在較濃混合氣，而排氣側存在過稀混合氣；60°時，混合氣總體當量比較大，然而缸壁處有較濃混合氣，火花塞附近有較稀混合氣；45°時，缸內混合氣比較均勻，適用于GDI的均質燃燒模式。

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