某發動機缸內工作過程的CFD分析

高延新，張超，常耀紅

某發動機缸內工作過程的CFD分析

高延新，張超，常耀紅

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230022）

文章利用AVL Fire軟件對某GDI汽油機缸內建立動網格，對噴霧、缸內壓力等進行標定，并進行了燃燒計算。結果表明：缸內的滾流滿足設計要求；火花塞附近混合氣流速合理，燃燒穩定性較好；燃油在缸套和活塞頂部的局部區域形成油膜，建議通過優化進氣道結構和活塞頂部形狀來減少壁面油膜生成。

貫穿距；滾流；油膜

CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-126-03

引言

汽油機缸內燃燒的好壞直接影響其動力學、經濟性、排放等[1]。隨著國家排放法規逐步升級及油耗要求日益嚴格，越來越多的汽車廠采用汽油機缸內直噴技術。

在缸內直噴汽油機的燃燒開發過程中，需要考慮燃燒室與進排氣系統的匹配設計、噴油器的選型及布置、VVT等[2,3]。在開發過程中，采用CAE分析可以有效地降低開發周期、開發成本等。

本文對某GDI汽油機進氣噴霧燃燒模擬，分析得到了缸內進氣過程、噴霧的發展、壁面油膜的形成及點火的預測等，并對燃燒室及進排氣系統結構提出了優化措施。

1 計算模型

1.1 三維數模及網格劃分

本次計算的數模見下圖。包括進/排氣道、進/排氣門、燃燒室頭部（含火花塞）、缸套、活塞頭部。計算工況采用全速全負荷點。

圖1 分析數模

計算一個完整的工作循環，從排氣門打開開始計算。計算從152°CA持續到872°CA，下表1顯示了CFD計算中的相關氣門正時。

表1 氣門正時

圖2顯示了計算中采用的氣門升程曲線。該曲線來自于AVL的熱力學計算，且考慮了氣門間隙。

圖2 氣門升程曲線

1.2 邊界條件

計算的工況點需要選擇缸蓋和排氣道熱負荷最高的工況，本次計算工況為額定轉速4850rpm。

初始時刻汽缸和排氣道內的殘余廢氣被設定為1.0（即100%），而進氣道內的EGR率被設定為0。在計算的初始時刻，汽缸和氣道內的壓力、溫度分布被認為是均勻的下表2顯示了CFD模擬中設定的壁面溫度。

本次計算進口邊界條件采用質量流量和溫度，出口邊界條件采用壓力和溫度，分別見圖3。

圖3 進出口邊界條件

1.3 模型設置

湍流模型采用 k-ζ-f 湍流模型，噴霧模型中，破碎模型采用WAVE模型，蒸發模型采用Dukowicz模型，壁面油膜模型采用Bai Gosman/Expert模型，燃燒模型采用ECFM模型[4]。

2 模型驗證

2.1 噴霧模型及標定

圖4 貫穿距曲線對比

圖5 噴油形態

噴霧對汽油機缸內混合器形成和燃燒過程都有十分顯著的影響。缸內計算首先要進行噴霧標定。燃油種類采用正庚烷，燃油噴射壓力為100bar，環境壓力為1bar，氣體溫度為30°C。通過調整噴霧模型參數和蒸發模型參數，得到的模擬貫穿距與試驗貫穿距曲線對比見圖。在1.5ms時刻，模擬和試驗得到的噴油形態見圖4。從噴霧粒子貫穿距以及噴油形態的模擬結果與試驗結果對比中可以看出，采用此噴霧模型，噴霧計算結果和試驗結果吻合度高。

2.2 缸內壓力和溫度驗證

圖6為缸內壓力的CFD計算結果和BOOST結果對比示意圖。從圖中可以看出，CFD計算結果和BOOST結果十分接近，可以認為參數標定很好。

圖6 缸內壓力和缸內溫度對比示意圖

3 計算結果及分析

3.1 進氣流動

進氣過程分為四個階段：

階段1：雙側進氣。從氣門兩側進氣，兩邊射流形成方向不同的滾流，外側進氣區有明顯低速高湍動能區域

階段2：單側進氣。外側進氣通道，被低速高滾流區域阻塞，使得大部分空氣從內側進氣，缸內開始趨向形成統一的順時針方向的滾流。

階段3：噴霧流場促進滾流發展。噴霧流場在一定程度上起到了引導促進缸內滾流發展的作用，470°CA時缸內滾流中心受噴霧場的影響處于進氣道側。

階段4：壓縮過程滾流。壓縮過程中氣流保持以滾流形式組織。

圖7 進氣流動四個階段

圖8 為滾流比曲線圖，最大滾流比在3.3左右。缸內滾流會影響進氣及壓縮過程中燃油和空氣的混合程度，同時也影響缸內湍動能及點火過程。通常將進氣門關閉時刻的滾流大小作為主要參考值，本文中進氣門在582°CA關閉，此時滾流比為2.05，達到設計要求。

圖8 滾流比曲線圖

3.2 噴霧發展

從圖中9可以看出，燃油剛開始噴射時，燃油沿直線噴入缸內，在440°CA時刻，噴霧粒子碰到活塞頂部。隨著活塞向下運動，燃油粒子在氣流運動的引導下向下沿順時針方向發生偏轉，燃油粒子進入到缸內的更多地方。

由于碰壁及滾流帶動液滴，在活塞凹坑靠近缸壁的地方形成油膜，混合還不均勻。接近下止點，活塞速度減小，因此噴霧受到偏轉作用減小，液滴能夠進入缸內更遠的距離。

圖9 噴霧流動（392CA～460°CA）

圖10 噴霧流動及當量比分布（540°CA～630°CA）

3.3 壁面油膜

圖11 油膜質量變化曲線

圖11 為在活塞和缸套表面的油膜質量隨曲軸轉角的變化值。在390 °CA開始燃油噴射后，從395°CA開始有油膜沉積，隨著噴霧的進行，油膜質量不斷增加。在495°CA時刻，油膜質量有一個明顯的下降，這是由于蒸發作用，壁面的油膜質量逐漸減少。500°CA以后，蒸發的油膜質量少于碰壁新生成的油膜質量，所以油膜質量逐漸增多。600° CA以后，缸內溫度升高，蒸發速度增加，碰壁蒸發的油膜質量大于碰壁新生成的油膜質量。圖12分別為不同曲軸轉角下缸內的油膜質量分布圖。

圖12 不同曲軸轉角下缸內的油膜質量分布圖

3.4 點火預測

汽油機點火與火花塞能量和點火時刻的局部流動密切相關。為了保證點火，火花塞必須具有一定的氣流速度和湍動能。從圖13可以看出，該火花塞附近的混合氣速度在5m/s附近，可以獲得較好的燃燒穩定性。

圖13 火花塞截面速度分布圖

4 總結

本文對某GDI汽油機建立缸內動網格，進行了汽油機一個工作循環的模擬分析。可以得出以下結論：

（1）該模型可以對缸內噴霧燃燒過程進行很好的分析；

（2）缸內形成的滾流滿足設計要求；

（3）燃油在缸套和活塞頂部的局部區域形成油膜，需要通過優化進氣道結構和活塞頂部形狀來減少壁面油膜生成；

（4）火花塞附近混合氣流速合理，燃燒穩定性較好。

[1] Iwamoto Y,Noma K,Nakayama O.Development of Gasoline Direct Injection Engine[C].SAE Paper 970541,1997.

[2] 彭禹,曾金玲.噴油器安裝角度對缸內直噴汽油機混合氣的影響[J].汽車技術,2011（7）；4-10.

[3] 胡軍軍,周龍保等.缸內直噴式汽油機工作過程三維數值模擬[J].車用發動機.2003（3）：43-47.

[4] Luca Olmo,John Thornton.CFD Analysis of Mixture Formation and Combustion Process for High Performance DI Gasoline Engine. SAE paper,2005-01-0214.

The CFD Simulation of the Engine Working Process

Gao Yanxin, Zhang Chao, Chang Yaohong
( Anhui Jianghuai Automobile group Co., Ltd., Anhui Hefei 230022 )

In this paper, we make dynamic grid, calibrate the spray, the pressure in cylinder, and combustion analysis, using AVL Fire soft. The results shows∶ The tumble in cylinder meets requirements; The velocity of mixer is reasonable and the combustion stability is good; Oil film is formed in the local area of the the cylinder liner and the top of the piston, we suggest that optimizing the intake port and piston top to reduce the oil film.

penetration; Tumble; Oil Film

U463.6

A

1671-7988 (2017)16-126-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.16.044

高延新，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。