山西中北大學機械與動力工程學院 柳青 續(xù)彥芳

1 引言

燃燒系統(tǒng)是GDI汽油機開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文應(yīng)用AVL-FIRE CFD軟件對某型GDI汽油機全負荷工況燃燒過程進行三維瞬態(tài)數(shù)值模擬，幫助理解GDI燃燒過程控制規(guī)律，從而為優(yōu)化GDI汽油機燃燒系統(tǒng)提供參考。

2 發(fā)動機基本參數(shù)

本文研究對象為某型GDI汽油機，部分參數(shù)如表1。

表1 發(fā)動機基本參數(shù)

3 有限元模型的建立

將Pro/E建立的三維幾何模型導入AVL-FIRE的FAMEEngine Plus前處理模塊中，自動生成計算所用的FEP動網(wǎng)格。計算從進氣門打開時刻至排氣門打開時刻，時間為503°CA。計算時定義進氣上止點為360°CA，燃燒上止點為720°CA。進氣過程網(wǎng)格數(shù)為80-126萬，壓縮做功過程網(wǎng)格數(shù)在46萬左右。計算網(wǎng)格如圖1所示。其中（a）進氣門打開時刻位置計算網(wǎng)格數(shù)目1276639，（b）活塞下止點位置計算網(wǎng)格數(shù)目699835，（c）活塞下止點后 60°CA計算網(wǎng)格數(shù)目4661530。

圖1 各時刻計算網(wǎng)格

4 邊界條件和初始條件

計算設(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)學模型的選擇

表4 數(shù)學模型

6 結(jié)果分析

點火時刻700°CA，標定噴油壓力24Pa，因為噴油持續(xù)期為132°CA早噴射，噴射時刻390°CA和噴油持續(xù)期111°CA晚噴射，噴射時刻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、上止點后20°CA、40°CA三個時刻，火花塞中心截面上，用溫度場表示這兩種情況的火焰?zhèn)鞑ミ^程，進行對比發(fā)現(xiàn)兩種情況狀態(tài)基本相同。上止點時刻，火焰前鋒接近球形，氣流特性和點火特性影響明顯；上止點后20°CA，隨火焰發(fā)展，火焰?zhèn)鞑ゲ皇茳c火條件影響，火焰前鋒到達活塞頂面，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，進入湍流傳播階段，湍流促進燃燒的作用逐漸增強，火焰速度加快，燃燒速率達到某一穩(wěn)定狀態(tài)；上止點后40°CA，燃燒完90%的充量。

圖2 兩種情況溫度場對比

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

圖3 已燃燃油質(zhì)量分數(shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線

綜合圖2和圖3來看，噴油時刻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。圖示各噴油定時對應(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)的時刻基本相同。

7 結(jié)論

不同噴油定時對應(yīng)點火時刻，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)計條件給定情況下，當燃油噴射時刻420°CA，噴油持續(xù)期為132°CA時，在點火時刻火花塞電極間隙處及周圍出現(xiàn)有利于點火和火焰?zhèn)鞑サ妮^濃、均勻混合氣，燃空當量比為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.點火室式直噴汽油機燃燒系統(tǒng)及其噴霧特性研究[D].大連理工大學,2009.

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