孫振鵬 袁文華 張愛國

摘要：以157FMI發(fā)動(dòng)機(jī)為原型，針對(duì)其進(jìn)氣道噴射形式嘗試根據(jù)雙火花塞位置結(jié)構(gòu)實(shí)施缸內(nèi)直噴技術(shù)，并對(duì)缸內(nèi)噴油器噴嘴伸出量的確定問題開展研究，對(duì)比了不同噴嘴伸出量參數(shù)對(duì)缸內(nèi)燃燒性能的影響。結(jié)果表明：循環(huán)噴油量10mg、轉(zhuǎn)速3600r/min及當(dāng)量比為1的工況下，噴油器安裝角度設(shè)定為55°時(shí)，噴嘴伸出量為X=3.5mm時(shí)，其對(duì)應(yīng)的壓力升高率為0.419MPa/°CA，超出了一般壓力升高率為0.2～0.4MPa/°CA的范圍，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴。當(dāng)X=3.8mm時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力、溫度和放熱量峰值相比X=3mm時(shí)低，累積放熱量是由燃料燃燒的完全程度決定的，相比之下X=3mm時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)混合氣燃燒的最充分。研究結(jié)果為157FMI發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)的應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)和參考。

關(guān)鍵詞：缸內(nèi)直噴;燃燒性能;噴嘴伸出量

0 ?引言

缸內(nèi)直噴汽油機(jī)因其充氣效率高、壓縮比大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、系統(tǒng)優(yōu)化潛力大等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用。為了滿足發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)直噴、分層燃燒的各種需求，需要對(duì)燃燒室結(jié)構(gòu)、噴油器噴嘴位置和方向、火花塞位置等進(jìn)行合理設(shè)置，在實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)直噴技術(shù)的應(yīng)用上，噴油器噴嘴位置和噴霧方向的研究至關(guān)重要[1-3]。直噴發(fā)動(dòng)機(jī)合理的噴嘴位置一方面保證了在點(diǎn)火時(shí)刻火花塞附近形成易于著火的混合氣，使混合氣盡量集中在燃燒室附近;另一方面，合理的噴嘴位置保證了燃油盡量少的與缸壁或活塞頂面相撞，避免了積炭和未燃HC的排放過高稀釋[4-5]。為此，江蘇大學(xué)的朱建飛[6]通過試驗(yàn)進(jìn)行了比較，在標(biāo)定工況時(shí)，油嘴伸出量為 3.2 mm時(shí)煙度和燃油消耗率都相對(duì)較低;在最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)工況時(shí)，適當(dāng)增大油嘴伸出量會(huì)使煙度和燃油消耗率減小，但是 NOx的排放會(huì)隨之增大。韓丹，王謙[7]利用Fire數(shù)值模擬軟件研究了柴油噴孔和天然氣噴孔的相對(duì)距離、相對(duì)夾角和相對(duì)交角這3個(gè)參數(shù)對(duì)柴油引燃天然氣缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的影響。結(jié)果表明：相對(duì)距離越小，溫度場(chǎng)分布越均勻，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)平均壓力越高;兩噴孔相對(duì)夾角的增大，缸內(nèi)的平均壓力和平均溫度越低，兩噴孔相對(duì)夾角較大時(shí)，天然氣燃燒始點(diǎn)略有推遲，存在嚴(yán)重的燃料不完全燃燒現(xiàn)象。中國重型汽車集團(tuán)有限公司[8]應(yīng)用STAR-CD建立了噴嘴-氣缸的三維模型，模擬了不同噴嘴布置方案下缸內(nèi)燃?xì)夥植记闆r，結(jié)果顯示采用噴嘴豎直布置會(huì)造成燃?xì)夥植疾痪?，發(fā)動(dòng)機(jī)性能惡化，采用噴嘴傾斜布置可以使缸內(nèi)燃?xì)夥植季鶆颍瑢?shí)現(xiàn)稀薄分層燃燒。從現(xiàn)有研究表明，關(guān)于噴嘴位置對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒過程有著重要的影響，噴嘴伸出量的大小直接影響到氣缸內(nèi)燃油與空氣的混合，過大或過小都會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能產(chǎn)生不利的影響，因此，接下來對(duì)157FMI發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器噴嘴伸出量在實(shí)施缸內(nèi)直噴技改的情況下進(jìn)行探索。

本文在157FMI發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)施雙火花塞結(jié)構(gòu)布置可行性的基礎(chǔ)上[9]，嘗試性的對(duì)157FMI發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)施缸內(nèi)直噴技術(shù)，針對(duì)不同噴嘴伸出量展開對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程的研究，為缸內(nèi)直噴系統(tǒng)更替進(jìn)氣管道噴射系統(tǒng)以及優(yōu)化燃燒室結(jié)構(gòu)奠定技改經(jīng)驗(yàn)和理論參考基礎(chǔ)。

1 ?計(jì)算模型的建立

1.1 幾何模型的建立及網(wǎng)格的劃分

本文以157FMI發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象對(duì)其進(jìn)行仿真模擬研究，表1為所選157FMI發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型的基本參數(shù)：

保持原模型結(jié)構(gòu)不變，僅對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋做出改動(dòng)以滿足直噴式發(fā)動(dòng)機(jī)的要求，將噴油器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋上相對(duì)氣缸軸面原火花塞的對(duì)稱位置（如圖a），且噴油器軸線與氣缸軸線的夾角為55°時(shí)進(jìn)行仿真模擬（如圖c），實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，進(jìn)排氣道對(duì)缸內(nèi)混合氣的形成和燃燒過程都有重要的影響，但本文主要考慮壓縮行程后期燃油直噴后缸內(nèi)燃燒過程，不考慮進(jìn)氣與排氣過程，整個(gè)過程類似一個(gè)封閉的系統(tǒng)，所以，在進(jìn)排氣門都關(guān)閉的壓縮和做功行程中將進(jìn)排氣道去掉，進(jìn)排氣系統(tǒng)所引起的缸內(nèi)氣體流動(dòng)由CFD軟件初始條件通過設(shè)置一定的渦流比來呈現(xiàn)，這樣可以大大縮短計(jì)算時(shí)間，提高模擬計(jì)算的速度[10]。最后在確定模擬模型結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上，將幾何模型以stl的格式導(dǎo)入到軟件中，生成線網(wǎng)格，本文把活塞位于上止點(diǎn)時(shí)的網(wǎng)格定義為360°CA，缸內(nèi)計(jì)算主要涉及發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮和做功兩個(gè)沖程，計(jì)算的開始時(shí)刻為進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻580°CA（40°CA ABDC），計(jì)算終了時(shí)刻為排氣門開啟時(shí)刻860°CA（40°CA BBDC）。網(wǎng)格的最大尺寸為1.25×10-6m，網(wǎng)格最小尺寸為 6.25×10-7m，最終生成網(wǎng)格質(zhì)量良好的157FMI汽油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室體網(wǎng)格如圖1（b）。

1.2 初始條件及邊界條件

建立數(shù)學(xué)模型以后，為求出具體流動(dòng)問題的解，還必須有特定的定解條件，即初始條件和邊界條件。如表2所示。

1.3 模型的選擇

本文計(jì)算湍流模型選用K-？灼-f四方程湍流模型[11];湍流擴(kuò)散模型選用Enable模型[12];碰壁模型選用walljet1模型[13];選用Dukowicz蒸發(fā)模型可看作傳質(zhì)和傳熱過程是幾乎相似的過程，表示液滴溫度發(fā)生變化時(shí)所需熱量和與液滴蒸發(fā)時(shí)所需熱量之和等于傳遞給油滴的熱量[14];選用KHRT破碎模型[15];選用ECFM燃燒模型，該模型適用于仿真汽油機(jī)中的均勻和非均勻預(yù)混的燃燒過程模型的優(yōu)勢(shì)就是對(duì)化學(xué)反應(yīng)尺度和湍流尺度進(jìn)行耦合處理[16]。

2 ?噴油器噴嘴伸出量對(duì)燃燒過程的影響

噴油器噴嘴伸出量指的是伸出氣缸蓋的長(zhǎng)度或者伸入燃燒室的長(zhǎng)度，對(duì)于偏置的噴油器來說，噴嘴伸出量直接影響噴孔在燃燒室中的分布以及燃油與進(jìn)入缸內(nèi)空氣的混合狀況，從而會(huì)對(duì)燃燒過程產(chǎn)生很大的影響。在發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)噴油量10mg、轉(zhuǎn)速3600r/min、當(dāng)量比為1的計(jì)算工況下，噴油器安裝角為55°，噴油時(shí)刻為75°CA BTDC，噴油持續(xù)期為5°CA。為了保證直噴下發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)順利點(diǎn)火，最終選取噴油器噴嘴伸出量分別為3mm、3.5 mm、3.8mm的情況下分析對(duì)缸內(nèi)壓力、溫度、燃燒放熱率等的影響。

2.1 噴油器噴嘴伸出量對(duì)燃燒特性的影響

從圖2（a）缸內(nèi)壓力、溫度曲線分析可知，噴嘴伸出量為3mm、3.5mm、3.8mm對(duì)應(yīng)的壓力峰值分別為4.93MPa、5.05MPa、4.74MPa和溫度峰值分別為2320k、2384.72k、2274.42k，X=3.5mm時(shí)壓力、溫度峰值最高，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性有益，但其對(duì)應(yīng)的壓力升高率為0.419MPa/°C，超出了一般壓力升高率為0.2～0.4MPa/°CA的范圍，發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴，缸內(nèi)溫度峰值最高，有爆燃傾向，當(dāng)X=3.8mm時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力和溫度峰值相比3mm低，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能稍差一些;X=3mm和X=3.8mm時(shí)分別對(duì)應(yīng)的缸壓峰值相位為13°CA BTDC、14°CA BTDC，關(guān)于汽油機(jī)的壓力峰值相位一般要求出現(xiàn)在上止點(diǎn)后的12～15°CA，如果峰值壓力出現(xiàn)的過早說明缸內(nèi)混合氣早燃，這樣活塞還在壓縮階段，會(huì)造成壓縮過程負(fù)功增多;缸壓峰值過晚的話會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)等容度下降，循環(huán)熱效率下降，散熱損失增加。

從圖2（d）瞬時(shí)放熱率峰值出現(xiàn)時(shí)刻隨噴嘴伸出量的增大而靠前，由于放熱率峰值越高越有利于降低發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱損失而增加熱效率，因此X=3mm時(shí)散熱損失較少。

圖2（e）中累積放熱量是由燃料燃燒的完全程度決定的。缸內(nèi)適宜燃燒的混合氣分布越好，燃燒越充分，致使累積放熱量的峰值越高。累積放熱量峰值變化和燃燒性能缸壓曲線等變化趨勢(shì)一致，X=3mm時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的累積放熱量最高，說明此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)混合氣燃燒越充分。

2.2 噴油器噴嘴伸出量對(duì)缸內(nèi)溫度場(chǎng)的影響

由圖3可以看出，火花塞點(diǎn)火后，火核出現(xiàn)在火花塞位置附近，混合氣的燃燒使得火核的溫度逐漸升高，隨著缸內(nèi)燃燒的進(jìn)行，缸內(nèi)的高溫區(qū)域以火核為中心逐漸向四周擴(kuò)散傳播，溫度明顯高于周圍區(qū)域，活塞運(yùn)行到上止點(diǎn)時(shí)缸內(nèi)高溫區(qū)主要集中在燃燒室頂部靠近火花塞的附近，隨著燃燒過程的進(jìn)行，高溫區(qū)域逐漸轉(zhuǎn)移到燃燒室左側(cè)，從縱向來看，同一曲軸轉(zhuǎn)角下不同的噴嘴伸出量對(duì)應(yīng)的缸內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤炻透邷貐^(qū)域面積大小有所不同，當(dāng)x=3mm時(shí)對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞運(yùn)行到5°CA ATDC和15°CA ATDC時(shí)，缸內(nèi)高溫區(qū)域面積都明顯大于其它兩組且缸內(nèi)溫度場(chǎng)的均勻分布程度最好，說明在此噴嘴伸出量下有利于缸內(nèi)混合氣的快速燃燒。

3 ?結(jié)論

本章在技改157FMI發(fā)動(dòng)機(jī)模型基礎(chǔ)上，將其發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道噴射原型嘗試性地實(shí)施缸內(nèi)直噴技術(shù)，仿真分析研究了不同噴嘴伸出量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒過程的影響規(guī)律。主要得到以下結(jié)論：

①噴油器安裝角度為55°時(shí)，噴噴嘴伸出量為3mm、3.5mm、3.8mm對(duì)應(yīng)的壓力峰值分別為4.93MPa、5.05 MPa、4.74MPa和溫度峰值分別為2320k、2384.72k、2274.42k，X=3.5mm時(shí)壓力、溫度峰值最高，但其對(duì)應(yīng)的壓力升高率為0.419MPa/°C，超出了一般壓力升高率為0.2～0.4MPa/°CA的范圍，發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴。累積放熱量是由燃料完全燃燒的完全程度決定的，相比于X=3.8mm時(shí)，X=3mm時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的累積放熱量高，說明此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)混合氣燃燒充分;②當(dāng)x=3mm對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞運(yùn)行到5°CA ATDC和15°CA ATDC時(shí)，缸內(nèi)高溫區(qū)域面積都明顯大于其它兩組且缸內(nèi)溫度場(chǎng)達(dá)到的均勻分布程度也最好。

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基金項(xiàng)目：邵陽學(xué)院研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目（CX2018SY022）;湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2018JJ5034）。

作者簡(jiǎn)介：孫振鵬（1992-），男，河南濮陽人，在讀研究生，從事發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒方向的研究;袁文華（通訊作者），男，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，從事內(nèi)燃機(jī)燃燒技術(shù)的研究。