均质直喷汽油机喷油起始角对低转速下缸内油气混合过程的影响.pdf

均质直喷汽油机喷油起始角对低转速下 缸内油气混合过程的影响 丁 宁 同济大学汽车学院， 上海2 0 1 8 0 4 高卫民 陈 明 上海汽车集团股份有限公司， 上海2 0 1 8 04 【 摘要】 为深入研究低转速下均质直喷汽油机喷 油起始角对缸内油气混合过程的 影响， 选择1 5 0 0 r ／ m i n 全负荷工况， 利用 S T A R C D软件对比分析了4个不同喷油起始角条件下发动机缸内的油气混合过程。 【 A b s t r a c t 】 I n o r d e r to s t u d y t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n S O I S t a r t o f I n j e c t o r a n d m i x t u r e p r o c e s s a b o u t h o mo g e n e o u s GDI e n g i ne s i n l o w s p e e d，1 5 0 0 r ／mi n f u l l l o a d wo r k c o n d i t i o n i s s e l e c t e d． T h e n，S T AR- C D s o f t w a r e i s u s e d t o c o mp a r a t i v e l y a n a l y z e f o u r d i f f e r e n t c o n d i t i o n s o f mi x t u r e p r o c e s s ． 【 关键词】 直喷汽油机喷油起始角油气混合汽车 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 7 - 4 5 5 4 ． 2 0 1 1 ． 0 6 ． 0 3 0 引言 均质直喷汽油机具有 瞬态响应性好 ， 控制精 度高、 冷启动排放少、 与其它新技术配合使用容易 等技术优点 ， 同时又避免 了分层燃 烧直喷汽油机 排放后处理 困难 的问题 ， 目前 正是 国内外汽 车公 司和国内各大高校研究 的热点 J 。对 于均质直 喷汽油机的燃油 喷射 过程 ， 喷油起 始角是其重要 的可调参数 ， 它 的变化将直接 影响着缸 内的油气 混合 、 缸壁的机油稀释等问题。因此 ， 用 C F D的方 法从三维瞬态角度来研究喷油起始角对缸内油气 混合的影响对于均质直喷汽油机 的深入研究具有 十分重要 的理论和工程意义。 1 计算模型的设置 均质直喷汽油机缸 内的燃油喷射、 油气混合 收稿 日期 2 0 1 1 0 41 1 上海汽车2 0 1 1 ． 0 6 过程是一个气液两相流问题 。本文在用 C F D方法 进行数值仿真时， 采用的是欧拉一拉格朗 日 E u l e r i a n ． L a g r a n g i a n 描述方法。该方法将缸 内的气体 视为连续相 ， 借助于湍流模 型和壁面 函数对 N a v i e r S t o k e s 方程进行 求解 ， 而将液体 喷雾视为离 散 相。燃油液滴 D r o p s 被认为是三维空 间里独立 的质量点 ， 其运动轨迹和运动速度通过拉格 朗 日 方法进 行描述 。两 相之 间的相互 作用是 通过 动 量、 能量和质量 的交换来实现 的。表 1为软件 中 计算模型的设置。其 中初次破碎模型是基于 R e i t z 与广安博之等人的相关理论采用 F O R T R A N语 言 进行了二次开发 。 2 发动机基本参数及 网格模型 本文所研究 的均质直 喷汽油机 为直列 4缸 、 非增压水冷、 电控共轨、 多孔中心喷射型汽油机， 其基本参数如表2 所示 。 多孔式喷油器孑 L 径为 1 3- 表 1 计算模型设置 项 目 类 型 湍流模型 标准 ， c ． 高雷诺数湍流模型 壁面函数 标准壁面函数 初次破碎模型 二次开发 二次破碎模型 R e i t z ． D i w a k e r 模 型 碰壁模型 蒸发模型 数值计算方法 P I S O算法 表 3 研 究方 案 项 目 方案 1 方案 2 方案 3 方案 4 转速 r ／ mi n 1 5 0 0 1 5 0 0 l 5 0 0 1 5 0 0 负荷 全负荷 全负荷 全负荷 全负荷 空燃 比 l 3 l 3 l 3 1 3 循环喷射 量 mg 4 7 ． 9 4 7 ． 9 4 7 ． 9 4 7 ． 9 喷油起始角 。 C A 3 8 0 4 2 0 4 6 0 5 0 0 喷油持续期 。 C A 2 7 ． 3 2 7 ． 3 2 7 ． 3 2 7 ． 3 点火时刻 。 C A 7 1 5 7 1 5 7 l 5 7 l 5 0 ． 1 8 3 m m， 喷孔数为 6个 ； 燃烧室为浅盆型。该发 动机燃烧系统下止点位置三维 网格模 型如 图 1 所 所示 。初始缸 内的湍动能为0 ． 1 m 2 ／ s ， 对应的耗 示 ， 在该位置网格总数为 5 5 8 9 8 0 。 散率为 0 ． 0 0 2 。 表 2 发动机基本参数 类型 参数 类型 参数 型式 直列 四缸 压缩 比 1 2 排量 L 2 ． 4 最大转速 r ／ rai n 6 5 o o 缸径 m m 9 1 最大扭矩 N m 2 4 6 冲程 m m 9 2 图 1 燃烧系统三维 网格模型 B D C 3 研究方案及计算初始条件 3 ． 1 研究方案 本 文 选 择 了 1 5 0 0 r ／ m i n全 负 荷 工 况 ， 对 3 8 0 。 C A、 4 2 0 。 C A、 4 6 0 。 C A和 5 0 0 。 C A等 4组不 同的 喷油起始角条件下缸 内油气混合 的瞬态过程进行 了数值研究， 具体的研究方案设置如表3所示。 3 ． 2 计算初始条件 本文三维缸 内计算 的研究范围主要是均质直 喷汽油机的进气 、 压缩冲程 ， 即从进气门打开开始 到压缩上止点结束。1 5 0 0 r ／ m i n 全负荷工况下， 进 气 门 为3 3 5 。 C A打 开 。 计算 的初始 条 件 如表4 1 4 表4 计算初始条件 项 目 温度 K 压力 MP a 缸盖 4 0 0 ， 缸壁 3 9 3 ， 活塞 5 0 0 ， 进气 道 3 4 2 0 ． 0 9 9 排气道 7 6 0 0 ． 0 9 8 气缸 8 4 9 0 ． 0 9 8 燃油 3 4 0 l 5 4仿真结果及分析 4 ． 1 缸 内的油气分布 气缸油气分布分析截面示意图见图 2 。 ■一 b 正视图 图2 气缸分析截面示意图 众所周知， 一款发动机的动力性 、 燃油经济性 和排放性 能在很大程度 上取决 于缸 内的燃烧 过 程。均质直喷汽油机为 了获得较好 的燃烧 、 排放 效果 ， 希望气缸 内工 质能够按 照化 学当量 比来混 合 ， 而且分布尽可能均匀 。但是在 实际工作过程 上海汽车2 0 1 1 ． o 6 中， 往往受到多种因素 的共 同影响， 那种理想 的燃 烧情况实际上并不存在。通过对 点火时刻缸内的 油气混合状况的分析 和比较可以有效地预测出发 动机的燃烧 过程好坏 ， 从 而为燃烧系统 的设计 提 供支持 。 图 3为1 5 0 0 r ／ m i n 全负荷工况下点火时刻缸 内混合气分布 图。从 图中可 以发现 ， 方案 1与方 案 2获得了相对 好的油气混合效果 ； 而方案 3与 方案 4缸内混合气 的均匀性 较差 ， 在气缸边 缘 出 现 了大量的浓混合气区与稀混合气区。其 中的超 浓混合气和和的超稀混合气也占据 了相当的空 间 。 由图4 可知 ， 点火 时刻方案1 含有值为0 ． 9～1 叠 一 S OI 3 8 0。 CA S OI 4 2 0。 C A 喇 躺 一 盘 S OI 4 6 0。 CA S OI 5 0 0。 C A a A ． A 截面的混合气分布图 l _ _ 蕾 蜮 蛔 - _ - ■ ■ 螓 鎏 商 函 瞄 盘 k l 1 一 - ■ r t S OI 3 8 0。 CA S oI 4 2 0。 CA _ __强 雀薹 要 需l 鬟 磊 i i 簦 藿 薹 搏■ _ 瞪 S 01 4 6 0。 CA S O1 5 0 0。 CA 0 ．4 ■圈_1 ． 6 当量比 b ／3 - ／ 3 截面的混合气分布图 0 ． 4 ■囝■ 1 ．6 当量比九 c z - O ．5 1 1 1 1 1 1 截面的混合气分布图 图3 点火时 7 1 5。 C A 缸内混合气分布图 上海汽车2 0 1 1 ． 0 6 的均匀混合气的体积分数最大， 燃烧和排放效果 应该最好。这种情况的产生主要是 因为在低转速 工况 ， 缸内的气体运动速度较低 ， 如果喷射 时间较 晚， 留给油气混合的时间就不充分， 混合效果就会 变差。 当量比 图 4 点火时 1J 7 1 5。 C A 不同浓度混合气的体积分布 4 2 缸 内燃油湿壁 对于均质直喷汽油机来说 ， 由于燃油直接 喷 入缸内， 在全负荷工况下喷射量较多， 很容易导致 燃油湿壁 ， 从而引起机油稀释 问题 和机 油蒸 发燃 烧带来的特殊气体排放 。机油稀释会造成发动机 机油浓度的明显下降， 影响曲轴轴承等部件的润 滑效果 。由图 5可 以观察到 ， 方案 1由于喷射时 间较早， 燃油湿壁现象比较严重， 在喷射过程中最 多有近l 0 ． 1 m g 燃油分布在燃烧室表面的区域。 b0 咯 震 饕 图5 距燃烧室表面0 ． 0 5 mm范围内的 燃油质量 液滴与蒸气 下转第2 5页 - 1 5 挂车整体结构 的有 限元计算模 型 ， 选 取 中心均布 工况 ， 并施加与上述 优化过程 中同样 的载荷和边 界条件。计算后得到横梁经拓扑优化和可制造化 处理后 的应力水平， 以及横梁转角、 上翼 板和下翼 板等关注区域的应力值。拓扑优化设计前后关注 区域的应力水平和最大应力值对 比如表 1所示 。 由表 i可知 ， 拓扑优化设计和可制造化处理之后 ， 横梁的应力水平提 高了 3 9 ％， 材料的利用率得到 大幅提高 ， 但仍远远低 于材料 的屈服极 限， 表 明拓 扑结构形式较好 。横梁上翼板应力在优化后降幅 较大 ， 横梁转角和纵梁下翼板处应力值变化较小 。 另外 ， 横梁经拓扑优化后重量降低 了1 6 1 ． 2 k g ， 相 对于横梁设计前重量降幅明显。 表 1 横梁拓扑优化设计前后比较 关注 区域 的应力值 MP a 中心均布工况 横 砬力 水 横 梁 转 角 梁 上 翼板 f纵 梁 下 翼 板 横 梁 拓 扑 前 2 8 0 l 2 8 0 l 4 7 0 l 4 0 0 横梁拓扑后 3 9 0 3 1 O 2 5 0 4 0 0 另外 ， 对六轴 线液压模块组合挂 车最常见 的 装载工况 ， 即单支架装载工况 下对拓扑优化后 的 挂车也进行 了验算。计算结果表 明 ， 经拓扑优化 设计和可制造化处理后 ， 上板总成、 纵梁总成和拼 接板总成结构的应力水平 和应力分布趋势与设计 之前相比没有发生 明显变化 ， 说明拓扑优化设计 是成功的。 5 结语 计算表明， 利用拓扑优化 的方法 对基于整体 的六轴线液压组合挂车横梁进行拓扑优化是可行 的。在满足整体 结构强度和刚度 的情况下 ， 经拓 扑优化后横梁 的材料利用率大幅提 高， 且横梁重 量也得到一定的降低。 参考文献 [ 1 ] 乐巨国． 组合挂车发展趋势[ J ] ． 上海公路， 2 0 0 2 ， 4 ． [ 2 ] 张宇探， 马力， 李冰． 液压模块组合挂车整体结构有限 元计算分析 [ J ] ． 专用汽车 ， 2 0 1 0 ， 2 ． [ 3 ] 周鹤 ， 马力 ， 赵永辉 ．基 于大客车车 身骨 架拓扑优化结 果的可制造化处理[ J ] ．客车技术， 2 0 0 9 ， 1 ． 上接第 1 5页 5 结语 该均质直喷汽油机在1 5 0 0 r ／ m i n 全负荷工况 下 ， 喷油起始角为 4 2 0。 C A时可以获得最佳的综合 效果 。喷油起 始角 为 3 8 0 。 C A时 ， 燃油 湿壁 量增 加 ， 将 带来 机油稀 释和非 常规气 体排放 量增加。 喷油起始角为 4 6 0。 C A和 5 0 0。 C A时 ， 由于低转速 工况 ， 缸内的气体运动速度较低， 喷射时间晚将导 致混合气均匀性下降， 从而产生 H C、 C O等常规污 染物排放量上升 。 参考文献 [ 1 ] 丁宁， 高卫民， 平银生． 喷雾引导型直喷汽油机燃油喷 射对缸内流动特性影响的数值研究[ J ] ． 内燃机工程， 2 0 1 0 ， 3 1 5 1 6 -2 0 ． 上海汽车2 0 1 1 ． 0 6 [ 2 ] N i n g D i n g ，We i rai n G a o ，Mi n g C h e n ，X i a o - m a o Z h a n g ． S p r a y C h a r a c t e r i s t i c s o f N e w Ge n e r a t i o n Mu l t i -h o l e I n j e c t o r f o r S p ark -- i g n i t i o n G a s o l i n e E n g i n e s w i t h D i r e c t F u e l I n j e c t i o n [ C ] ．I C I E 2 0 1 0 ． [ 3 ] M i n g C h e n ， Wa n p i n g Z h a n g ， X i a o m a o Z h a n g 。 N i n g Di n g ． I nc y l i n d e r CF D S i mu l a t i o n o f a Ne w 2． 0L T u r b o C h a r g e d GDI E n gin e ， S AE P a p e r 2 0 1 1 -01 - 0 8 2 6 ． [ 4 ] 杨嘉林． 车用汽油发动机燃烧系统的开发[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 9 ． [ 5] 山下洋 幸 ， 田中连 也 ， 濑 芦桔利． 、／l J’／工 、／ 、／ l J ～ 、／燃烷技钭 吁 [ J ] ． 自勤卓技衍 ， 2 0 0 8， 6 2 3 1 6 - 2 0 ． [ 6 ] S a r r e C ． K ， K 0 I l g S ． C ， R e i t z R ． D ． M o d e l i n g th e E ff e c t o f i n j e c to r N o z z l e G e o me t r y 0 1 1 D i e s e l S p r a y ， S A E p a p e r I 1 9 9 9 -01 - ／3 9 1 2 ， 1 9 9 9 ． 『 7]H i r o y a s u H i my u k i 。Ma s a t a k a A r a i ．S t r u c t u r e s o f F u e l S p r a y s i n D i e s e l E n gi n e s ， S A E p a p e r 9 0 0 4 7 5 ，1 9 9 0 ． [ 8 ] H i s a s h i A k a g a w a ， T a k e s h i Mi y a m o t o ， A k i r a Ha r a d a ， e t a 1 ． Ap p r o a c h e s t o S o l v e P r o b l e m o f t h e P r e mix e d L e a n Di e s e l Co mbu s t i o n， S AE P a p e r 1 9 9 9-01 -0 1 8 3，1 9 9 9． [ 9 ] S t e i n C， B u d d e M， Wi t t i e r M， e t a 1 ．I n fl u e n c e o f t h e Mi x ． t u re F o r ma t i o n o n th e Lu b r a t i o n Oi l Emi s s i o n o f Co mb u s t i o n En g i n e s ， s AE p a p e r 2 01 0 -0 1 - 1 2 7 5．2 0 1 0 ． 2 5