噴油時刻對直噴汽油機(jī)油膜形成的影響

汪杰強(qiáng) 姚博煒 黃勇 黃忠文 劉高領(lǐng)

摘 要：通過對某直噴汽油機(jī)不同噴油時刻下缸內(nèi)油膜形成的模擬分析，并借助光學(xué)發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)獲得的缸內(nèi)氣流運(yùn)動和噴霧過程數(shù)據(jù)，研究了噴油時刻對直噴汽油機(jī)油膜形成的影響。結(jié)果顯示，隨著噴油時刻的提前，從-270°CA到-300°CA，缸內(nèi)的油膜量逐步增加，再持續(xù)提升到-310°CA后，缸內(nèi)的油膜量幾乎不變。并且噴油時刻從-270°CA提前到-300°CA，活塞頂上的油膜量增加，缸壁上的油膜量減少。在缸內(nèi)氣體滾流較強(qiáng)時刻噴油，由于滾流的作用會導(dǎo)致燃油碰壁量的增加，而在缸內(nèi)氣體滾流較強(qiáng)時刻之前噴油，可以有效的減少燃油的碰壁量。

關(guān)鍵詞：噴油時刻;油膜;直噴汽油機(jī)

1 前言

目前汽油缸內(nèi)直噴技術(shù)發(fā)展越來越快，快速提升了汽油發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性，但是也面臨著諸多的挑戰(zhàn)，燃油濕壁問題是主要問題之一。燃油濕壁后，缸壁面上的燃油會隨著活塞的運(yùn)動進(jìn)入曲軸箱稀釋機(jī)油，導(dǎo)致機(jī)油惡化潤滑不良，較多未霧化的燃油會影響汽油機(jī)的排放。

因此，本文針對一款1.2L頂置直噴汽油機(jī)，通過數(shù)值模擬分析，研究噴油時刻對缸內(nèi)油膜形成的影響，并運(yùn)用光學(xué)發(fā)動機(jī)對缸內(nèi)氣流和噴霧過程進(jìn)行分析研究。

2 發(fā)動機(jī)參數(shù)及模型建立

2.1 發(fā)動機(jī)參數(shù)

本文所研究的汽油機(jī)為一款1.2L渦輪增壓缸內(nèi)直噴汽油機(jī)，噴油器為靠近火花塞居中布置，燃油噴射壓力為350bar，發(fā)動機(jī)的具體參數(shù)見表1。

2.2 模型建立及標(biāo)定

首先通過CONVERGE軟件建立燃燒噴霧CFD計算模型，如圖1所示。并運(yùn)用臺架測試的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對CONVERGE計算模型進(jìn)行標(biāo)定，缸壓對比見圖2所示。

由圖2可知，燃燒之前（0CA），試驗(yàn)缸壓和模擬缸壓吻合良好，說明參數(shù)設(shè)置基本正確，進(jìn)氣和噴霧的計算結(jié)果可靠。

3 噴油時刻對油膜形成的影響

根據(jù)1.2標(biāo)定好的計算模型，分別計算不同噴油時刻對缸內(nèi)油膜的影響。

3.1 噴油時刻對油膜量的影響

按照表2的計算工況分別計算4種噴油時刻的燃油噴霧撞壁量和油膜量，計算結(jié)果如圖3/4所示。

由圖3可知，將噴油時刻從-270°CA提前到-300°CA，燃油噴霧的撞壁量明顯降低，但是繼續(xù)提前到-310°CA，燃油噴霧的撞壁量幾乎不變，再提高到-320°CA，油膜量增加。這是由于-320°CA更接近上止點(diǎn)，更多的燃油噴射到活塞頂部，導(dǎo)致噴霧撞壁量增加。

由圖4可知，當(dāng)噴油時刻從-270°CA提前到-300°CA后，燃油噴射后缸內(nèi)形成的油膜量降低;這是由于隨著噴油時刻從-270°CA提前到-300°CA，燃油撞壁量減少了;并且燃油提前噴射，增加了噴射到缸內(nèi)燃油的霧化時間，有利于粘附在缸壁上的油膜蒸發(fā)，從而降低了缸內(nèi)的油膜量。而噴油時刻從-310°CA提前到-320°CA，由于噴霧撞壁量增加，導(dǎo)致最終的油膜量也增加。

3.2 噴油時刻對油膜位置的影響

按照表2的計算工況分別計算4種噴油時刻的缸壁和活塞頂油膜量的分布，計算結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，燃油噴射后油膜主要出現(xiàn)在活塞和缸壁，當(dāng)噴油時刻由-270°CA逐步從-280°CA、-300°CA提前到-310°CA時，缸壁的油膜質(zhì)量隨著噴油時刻的提前而逐步增加，活塞頂?shù)挠湍べ|(zhì)量隨著噴油時刻的提前而逐步減少。這是由于當(dāng)噴油時刻越靠近上止點(diǎn)，油霧噴射到活塞頂?shù)挠湍ち烤驮蕉啵瑢?dǎo)致活塞頂油膜量增加; 而噴油時刻越遠(yuǎn)離上止點(diǎn)，油霧噴射到缸壁上的油膜量就越多，導(dǎo)致缸壁上油膜量增加。

4 光學(xué)發(fā)動機(jī)噴霧研究

光學(xué)發(fā)動機(jī)即通過在氣缸或活塞上設(shè)計出光學(xué)通道，使用光學(xué)信號通過探測裝置采集和處理缸內(nèi)噴霧和燃燒數(shù)據(jù)的發(fā)動機(jī)。通過光學(xué)發(fā)動機(jī)試驗(yàn)，可以在不破壞缸內(nèi)工作過程的條件下獲得缸內(nèi)真實(shí)的噴霧和燃燒信息。我們通過搭建光學(xué)發(fā)動機(jī)對缸內(nèi)氣體的流動的和缸內(nèi)噴霧的狀態(tài)進(jìn)行分析研究。

4.1 光學(xué)發(fā)動機(jī)及臺架搭建

根據(jù)本文研究的汽油機(jī)燃燒系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)，我們搭建了單缸的光學(xué)發(fā)動機(jī)模型并建立了光學(xué)發(fā)動機(jī)實(shí)物，如圖6所示。

圖7為光學(xué)發(fā)動機(jī)的試驗(yàn)原理，計算區(qū)域?yàn)橐粋€透明的玻璃缸套，激光通過玻璃缸套下方的45°鏡子反射光源到氣缸內(nèi)，相機(jī)通過激光反射到缸內(nèi)的光源記錄缸內(nèi)的噴霧狀態(tài)。圖8為搭建的光學(xué)發(fā)動機(jī)臺架。

4.2 噴霧試驗(yàn)

根據(jù)2.3的模擬分析，我們選取噴油時刻-270°CA和-300°CA進(jìn)行光學(xué)發(fā)動機(jī)噴霧試驗(yàn)，試驗(yàn)工況采用表2中的工況參數(shù)。圖9為缸內(nèi)氣體的滾流狀態(tài)，噴霧試驗(yàn)結(jié)果如圖10/11所示。

由圖9可知，在300bTDC時，缸內(nèi)上部氣流速度過小，并且整體速度過小，沒有形成有效的強(qiáng)滾流流場;在270bTDC時，缸內(nèi)左半部分氣流流速明顯增大，并形成了有效的滾流;在180bTDC時，缸內(nèi)氣流流速減低，滾流依然存在，但是強(qiáng)度下降。

由圖10可知，在燃油噴油開始角為-270°CA時，在263bTDC噴油時刻，油束由于滾流的作用開始向右側(cè)發(fā)展，在253bTDC噴油時刻，油束已經(jīng)明顯的偏離了噴油方向，并按照圖9中270bTDC的氣體流動方向向右側(cè)傾斜，直到245bTDC時刻缸壁上存在大量的油膜;

由圖11可知，在燃油噴油開始角為-300°CA時，在300bTDC時刻缸內(nèi)氣體流速度較小，沒有形成有效的滾流，因此在整個噴油過程中油束基本按著噴油的方向發(fā)展，直到275bTDC時刻缸壁上的油膜量非常的少。

5 結(jié)論

1.隨著噴油時刻的提前，從-270°CA逐步提前到-300°CA，缸內(nèi)的油膜量逐步增加，再持續(xù)提升到-310°CA后，缸內(nèi)的油膜量幾乎不變，再提高到-320°CA，油膜量增加。

2.隨著噴油時刻的提前，從-270°CA逐步提前到-310°CA，活塞頂上的油膜量增加，缸壁上的油膜量減少。

3.在缸內(nèi)氣體滾流較強(qiáng)時刻噴油，由于滾流的作用會導(dǎo)致燃油碰壁量的增加;而在缸內(nèi)氣體滾流較強(qiáng)時刻之前噴油，可以有效的減少燃油的碰壁量。

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