復合引導二沖程直噴汽油機混合氣形成的解析

劉迎春，劉向龍，許伯彥

（1．濰坊科技學院 汽車工程學院，山東 濰坊 262700；2．山東協(xié)和學院 汽車學院，山東 濟南 250107；3．山東建筑大學 機電工程學院，山東 濟南 250101）

0 引 言

缸內直噴稀燃技術的出現有效降低了有害物質的排放，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］。二沖程汽油機具有功率大、轉速高等諸多優(yōu)點，因此被國內外很多研究機構青睞。奧地利格拉茨工業(yè)大學的Franz Winkler等對搭載了多孔噴嘴低壓直噴系統(tǒng)的二沖程汽油機的動力性及排放性進行了研究。天津大學蔡曉林設計并改裝了排量98cm3的摩托車化油器發(fā)動機的直噴系統(tǒng)，在此基礎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行研究［6］。但是，以上研究都是進行試驗或是模擬仿真，并沒有對所做的結果進行可視化驗證。本文使用CFD軟件對二沖程直噴汽油機過渡工況及部分負荷工況下的混合氣形成過程進行研究，并對研究結果進行可視化驗證。

1 噴霧－壁面復合引導系統(tǒng)

分層稀燃GDI發(fā)動機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、缸內氣流運動形態(tài)等，因此混合氣的形成方式可分為噴霧引導、氣流引導和壁面引導3類。這些方式均有一定的不足：氣流引導在氣流運動較弱的情況下不能將混合氣送至火花塞周圍；噴霧引導要求形成穩(wěn)定的混合氣，同時對噴霧質量有很高的要求；而壁面引導需要特殊形狀的凹坑及特殊設計的氣流運動［7］。本文提出應用于二沖程發(fā)動機的噴霧－壁面復合引導燃燒系統(tǒng)，該系統(tǒng)同時擁有壁面引導和噴霧引導的優(yōu)點，使混合氣的稀燃界限進一步擴大。噴霧－壁面復合引導燃燒系統(tǒng)見圖1。

圖1 噴霧－壁面復合引導燃燒系統(tǒng)

如圖1所示，由于汽缸壁的作用使進氣氣流形成卷吸渦，導致噴向火花塞方向的噴束產生一定程度的偏離，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。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（轉速2 000r·mim－1、30%負荷）下，由于進氣流動比較弱，噴束1（圖2）可在火花塞附近形成良好的可燃混合氣；當部分負荷（轉速4 800r·min－1、60%負荷）時，氣流運動相對加強，致使噴束偏離程度加大，這時噴束2或噴束1、2之間正運動至火花塞附近，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 燃燒室結構及4孔噴油器噴束和火花塞位置

2 計算模型及解析方法

2．1 計算模型

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、質量守恒方程）來完善其計算模型，用以描述汽油噴射過程。在計算模型中，湍動能方程用標準壁面函數和RNGk－ε模型封閉［8］。計算時還應用了描述汽油蒸發(fā)模型、湍流擴散模型和破碎模型。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 計算方法的可行性驗證

為了驗證所建立的計算模型及計算方法的正確性，首先采用能夠觀察到流場密度梯度變化的光學紋影法拍攝汽油噴霧過程，并將數值解析結果與同條件下拍攝的汽油噴霧過程進行對比。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，紋影試驗得到的試驗圖像與數值解析結果十分接近，只是紋影試驗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系可知，試驗值與計算值具有良好的一致性。

2．3 網格模型

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

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算結果和試驗結果的比較

表1 二沖程直噴汽油機的主要參數

圖5 噴霧壁面復合引導系統(tǒng)網格模型

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］。根據實際情況設置邊界條件等一系列參數。湍流方程、能量方程、尺度方程選擇一階迎風格式進行差分，動量方程選擇MINMOD方式進行差分，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算循環(huán)變量的更新速度，同時增強計算的穩(wěn)定性和收斂性。本文采用的松弛因子為：壓強0．2、動量0．4、湍流能量0．4、湍流消散率0．4、黏性1、質量1、能量0．8、組分傳輸1。

3 解析結果與分析

傳統(tǒng)的均質混合氣保證可靠點火所對應的空燃比為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，數值解析二沖程直噴汽油機部分負荷工況下分層混合氣的形成情況。

圖6、7為過渡工況（轉速2 000r·min－1、噴油時刻BTDC 40°CA、噴油持續(xù)時間10°CA）缸內混合氣的分布情況。圖6顯示由于缸內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，并隨著氣流的運動向火花塞相對集中地移動，在點火時刻（BTDC 20°CA）時形成的可燃混合氣運動至火花塞附近；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，使缸內整體空燃比達到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存在強烈的湍流現象，當汽油從噴油器噴出后形成強烈的剪切流，一定程度上加劇了湍流現象，同時在活塞頂部凹坑壁及進氣氣流作用下移動到火花塞附近。圖10、11為部分負荷工況（轉速4 800r·min－1、噴油時刻BTDC 50°CA、噴油持續(xù)時間12°CA）缸內混合氣的分布情況，圖12、13為該工況下的速度場。與過渡工況下對比可以看出，部分負荷工況下混合氣受進氣渦流的影響更強，噴向火花塞的汽油被進氣渦流卷向一側的偏離現象比較明顯，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，缸內產生的湍流現象更加劇烈。

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 部分負荷工況氣缸中心縱剖面位置的速度場

圖13 部分負荷工況通過火花塞電極的氣缸斜剖面位置的速度場

4 結 語

（1）提出了適用于二沖程汽油機的噴霧－壁面復合引導燃燒系統(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；使用光學紋影法驗證了計算方法的可行性。

（2）對過渡工況和部分負荷工況下缸內混合氣的形成過程進行了解析。過渡工況（轉速2 000r·min－1）采用40°CA BTDC噴射和部分負荷工況（轉速4 800r·min－1）采用50°CA BTDC噴射，汽油在進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，而缸內整體空燃比達到40∶1以上。

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

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