可变涡流对直喷汽油机进气流动和油气混合特性影响的数值模拟.pdf

2 0 1 3年 第 3 5卷 第 8期 汽车工程 A u t o mo t i v e E n g i n e e r i n g 2 0 1 3 V o 1 ． 3 5 N o ． 8 2 01 31 2 7 可变涡流对直喷汽油机进气流动和油气 混合特性影响的数值模拟 尹丛勃 ， 张振 东 ， 郭辉 ， 程强 1 ．上海理工大学机械 学院 ， 上海2 0 0 0 9 3； 2 ．上海工程技 术大学汽 车工程 学院， 上海2 0 1 6 2 0 [ 摘要] 为一台带可变涡流进气道的缸内直喷汽油机建立了三维数值模型， 对其在 2 0 0 0和 5 5 0 0 r ／ m i n全负 荷工况和涡流调节阀开启与关闭不同状态下的进气、 喷雾和混合气形成过程进行数值模拟。结果表明 通过涡流调 节阀开启和关闭可以改变进气门周围进气流动速度分布， 进而调节缸内滚流强度。在低转速时， 涡流阀关闭使缸内 滚流强度明显提高， 达涡流阀开启时的4 6倍； 关闭涡流阀产生的大滚流强度加快了缸内燃油雾化速度， 有助于在 点火时刻形成浓度均匀一致的混合气。但在高转速时， 关闭涡流阀使进气道流通能力受到抑制， 缸内进气质量仅为 涡流阀开启时的2 ／ 3 ， 且过大的湍动能也不利于稳定燃烧。 关键词 直喷汽油机 ； 可变涡流进气道 ； 油气混合 ； 滚流 ； 数值模拟 Nu me r i c a l S i mu l a t i o n o n t h e Ef f e c t s o f Va r i a b l e S wi r l o n t h e I n t a k e F l 0 w a n d F u e l a i r Mi x i n g C h a r a c t e r i s t i c s i n a G a s o l i n e D i r e c t I n j e c t i o n E n g i n e Yi n C o n g b o ， Z h a n g Z h e n d o n g ， G u o Hu i ， C h e n g Qi a n g 1 ． C o l l e g e o fMe c h a n i c a l E n g i n e e r i n g，U n i v e r s i t y ofS h a n g h a i f o r S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 3 2 ． C o l l e g e o fA u t o m o b i l e E n g i nee ri n g ，S h a n g h a i U n i v e n i of E n g i nee ri n g S c i e n c e ， S h a n g h a i 2 0 1 6 2 0 [ Ab s t r a c t ] A 3 D n u me ri c a l mo d e l f o r a n i n - c y l i n d e r d i r e c t i n j e c t i o n g a s o l i n e e n g i n e w i t h v a ri a b l e s w i r l i n - t a ke p o r t i s e s t a b l i s h e d a nd a n u me ric a l s i mu l a t i o n o n i t s i n d u c t i o n，s p r a y a n d mi x t u r e f o r mi n g p r o c e s s e s u n de r a c o n d i t i o n o f f u l l l o a d a t 2 0 0 0 r ／ m i n a n d 5 5 0 0 r ／ m i n r o t a t i n g s p e e d s w i t h s w i r l c o n t r o l v a l v e S C Vo p e n a n d c l o s e s t a t e s ．Th e r e s u l t s s h o w t h a t s wi t c h i n g t h e o p e n a n d c l o s e s t a t e o f S CV c a n c h a ng e t h e d i s t r i b u t i o n o f i n d u c t i o n fl o w v e l o c i t y a r o u n d i n t a k e v a l v e a n d h e nc e c o n t r o l t h e t u mb l e i n t e n s i t y i n c y l i n d e r ．At l o w r o t a t i n g s p e e d，c l o s i n g S CV wi l l ma r k e d l y i n c r e a s e t h e t u mb l e i n t e n s i t y u p t o 4 ～6 t i me s a s h i g h a s t h a t wi t h S CV o p e n e d，a n d t h e h i g he r r u m b l e i n t e n s i t y c a u s e d b y c l o s i n g S CV wi l l a c c e l e r a t e t h e a t o mi z i n g s p e e d o f f u e l i n c y l i n de r ，b e i ng c o n d uc i v e t o t he f o r mi n g o f mi x t u r e wi t h u n i f o r m c o n c e n t r a t i o n ． Bu t a t h i g h s p e e d，c l o s i ng S CV wi l l r e s t r a i n t h e flo w p a s s i n g t h r o u g h i n t a k e p o r t wi t h a ma s s o f c ha r g e i n c y l i n d e r r e d uc e s t o o n l y t wo t h i r d o f t h a t wi t h S CV o p e n e d，a n d t o o l a r g e a t u r - b u l e n t k i ne t i c e n e r g y i s a l s o d e t rime n t a l t o s t a b l e c o mb u s t i o n． Ke y wo r d sGDI e ng i n e；v a r i a b l e s wi r l i nd uc t i on po r t；f ue l - a i r m i xi n g；t u m bl e；n um e r i c a l s i mul a t i o n 日 IJ舌 直喷汽油机缸 内的气流运动对混合气雾化和燃 烧过程有着重要 的作用 ， 从而影响发动机 的性能和 排放水平 ] 。可变涡流直喷汽油机利用气道和气 门 产生较强的进气流动 ， 使缸 内形成大尺度 的涡流和 滚流 ， 可扩大稀燃极限， 有利于火焰 的快速传播 ， 改 善发动机的燃烧。国外科研人员开发了各种可变进 气系统， 有的通过改变缸内涡流和滚流的比例， 使发 动机动力性 和经济性得到改善 ； 有 的则通过 关 闭涡流调节 阀增加低负荷时的缸 内涡流， 增加低 速 }教育部博士点基金 2 0 0 8 0 2 5 2 0 0 0 1 和上海市教委发展基金 0 2 G K 0 6 资助。 原稿收到日期为 2 0 1 1 年 1 2月 1 9日， 修改稿收到13期为2 0 1 2年2月2 0日。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 7 8 汽车工程 2 0 t 3年 第 3 5卷 第 8期 动力性 j 。 作者 曾对可变涡流缸 内直喷汽油机在低转速工 况下 的工作过程进行数值模拟计算 ， 表明低转速 下增强滚流强度可 以有效提高燃油蒸发速度 ， 促进 油气混合 。为了更全面地揭示可变涡流直喷汽油机 在高、 低不同转速下 的工作过程及滚流调节特点 ， 本 文 中在原有基础上对高转速工况下可变涡流直喷汽 油机的进气流动 和油气混合过程进行研究 ， 并与低 速工况进行对 比， 分析了可变涡流调节方式对直喷 汽油机进气道流动特性和不 同转速工况工作过程 的 影响， 为直喷汽油机可变涡流燃烧 系统设计提供更 全面的依据。 1 可变涡流进气道稳态 C F D分析 采用 A V L F I R E软件对一台四气门废气涡轮增 压缸 内直喷汽油机进行数值模拟分析。发动机主要 参数见表 1 ， 采用的计算模型见表 2 。 表 1 发动机主要参数 项 目 参数 缸径／ m m 8 2 ． 5 气缸数 4 行程／ m m 8 4 ． 2 总排量／ L 1 ． 8 压缩 比 9 ． 6 1 喷油器 6孔喷嘴 活塞形状 凹坑活塞 表 2 计算模型 湍流模型 k - e模型 蒸发模 型 D u k o w i e z 模 型 破碎模 型 Wa v e 模 型 碰壁模 型 Wa l l j e t 模型 可变涡流进气道计算 区域面网格根据三维 C A D 模型建立 ， 包括进气管下部可变涡流控制部分、 缸盖 进气道和燃烧室 ， 稳压箱尺寸与气缸长度根据试验 台架搭建 ， 最小网格尺寸为 0 ． 2 5 mm， 网格数 目在 7 5 万左右。计算网格如图 1 所示。 图 2为可变涡流进气道在不同气 门升程下涡流 阀打开和关闭时的流量系数计算和实验结果。由图 可见 在涡流阀打开时流量系数随着气 门升程 的增 籁 娉 a 进气道计算网格 c 涡流阀开启 图 1 可变涡流进气道计算网格 进气门升程／ m m 图 2 流量 系数 实验 和计算结果 大而增大 ， 最大值可达 0 ． 5左右 ， 各气 门升程下的气 道流量系数均比关闭时大 ； 而当涡流阀关闭时， 流量 系数在气 门较小开度 时随着气 门升程 的增 大而增 大 ， 而后便保持在稳定值 0 ． 2左右 ， 主要原因是涡流 阀关闭后气道流通面积减小 ， 气流只能沿 挡板上部 通过 ， 气道流通能力被抑制 。 图3为不同气门升程下缸内滚流比的实验和计 算结果。由图可见 涡流阀关闭后， 缸内滚流强度明 显提高 ， 最大滚流 比超过 3 ， 在气 门升程为 6 mm时， 涡流阀关闭时的滚流比约为开启时的 8倍。 煺 避 进气门升程／ ram 图3 滚流比实验和计算结果 2 瞬态计算模型和边界条件 建立 了涡流调节阀关闭和开启状态的发动机动 ～ 4 5 3 5 2 5 l 5 O 3 2 1 O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3 V o 1 ． 3 5 N o ． 8 尹丛勃， 等 可变涡流对直喷汽油机进气流动和油气混合特性影响的数值模拟 6 7 9 网格模型， 采用合适的计算模型， 并对喷雾模型和湍 流模型进行验证， 具体参见文献[ 6 ] 。瞬态仿真计 算边界条件见表 3 。 表 3 计算边界条件 转速／ r ／ m i n 2 0 0 o 5 5 0 0 进 气压力／ k P a 1 6 2 ． 5 1 3 7 ． 5 进气温度／ K 3 0 3 3 0 3 燃 油温度／ K 3 4 0 3 4 0 喷油压力／ k P a l 1 0 0 0 1 5 0 0 0 喷油持续时间／ ms 4 ． 7 4 ． 2 空燃 比 1 0 ． 8 9 喷油时刻／ 。 C A 4 2 0 4 2 0 3 瞬态 C F D计算结果与分析 3 ． 1 缸 内流动评价方法 瞬态旋转方 向垂直于气缸轴线 的滚流角速度和 以 轴为旋转方向的滚流比Ⅳ T 定义 为 k ∑m [ 一 Y 。 一 g 0 ] ∞ 一 1 ∞ 一 ∑m [ 一 y Y o ] i l N T u ／ t o 2 式中 k 为计算区域中体网格的数 目； m 为每一个体 网格的质量； ， Y ， 为相应体网格单元的坐标； 。 ， Y o 为气缸轴线的坐标 ； M ， ， W 为每一个体 网格单元的速度标量 ； to 为发动机角速度。 图 4为不同转速下涡流阀打开和关闭不 同状态 缸内滚流比随曲轴转角 的变化 。由图可见 在进气 过程 中缸 内滚流比先增大后减小 ， 主要是气 门升程 堪 巡 一 涡流阀关闭2 0 0 0 ff mi n ⋯ 涡流阀开启2 0 0 0 ff mm ⋯ 涡流阀关 闭5 5 0 0 ff mi n 涡流阀开启5 5 0 0 r ／ rai n ， 广 ， ．． ．． ．． ．． ． ；。。 3 8 0 4 2 0 4 6 0 5 0 0 5 4 0 5 8 0 6 2 0 6 6 0 7 0 0 曲轴转角， o 图4 缸内滚流比随曲轴转角的变化 的影响较大 ， 在压缩过程滚流比先增大后减小 ， 主要 是活塞上行产生 的挤流增加了缸 内滚流 比； 同一转 速下涡流阀关 闭状态时缸内滚流 比均较涡流阀开启 时大 ， 最大值 为 3 6 7 0 。 C A， 2 0 0 0 r ／ m i n ， 涡流 阀打 开时气缸内部不 同曲轴转角下滚流 比较小 ， 最 大值 只有 0 ． 6左右 ； 在低转速时 ， 涡流 阀关 闭时滚流 比是 同一 时刻涡流阀开启状态时的 4～ 6倍 ； 涡流阀开启 时， 虽然高转速时进气压力小 ， 滚流 比却 略高 ， 说 明 在涡流阀开启状态 ， 提高发动机转速可提高滚流 比； 涡流 阀关闭时， 高转速时的滚流比反而下降。 图 5 a 和图5 b 分别为不 同转速下燃油蒸发 质量随曲轴转角的变化 。由图可见 在燃油喷射后 ， 随着 曲轴转角 的增加燃油蒸发 比例逐渐提高 ； 在低 转速时 ， 涡流阀关闭时燃油蒸发速度较快 ， 点火时刻 7 0 0 。 C A 燃油 已经全部蒸发 ， 而涡流阀开启状态燃 油蒸 发 速 度 慢 ， 至 点 火 时 刻 燃 油 蒸 发 比例 接 近 9 0 ％ ， 有大量燃油 尚未蒸发 ； 在高转速时 ， 涡流 阀关 闭与开启时燃油蒸发速度差别不大 ， 点火 时刻燃油 已经全部蒸发 。说明低转速时通过关闭涡流阀可 以 显著提高燃油蒸发速度 ， 而高转速 时关 闭涡流 阀对 燃油蒸发速度影响不大。 ∞ 皿 日 】1 魑 墓 繁 咖 乓 血I} 魑 墓 餐 ， ， 一 ， ／ ／ 一 燃油喷射量 ⋯ 滚流阀关闭蒸发质量 滚流阀打开蒸发质量 0 - - - ‘ ． ． J ． ． ． ． ． L ． J - - - - L - ． ． ． J ． ． ． ． ． L ． ． ． ． J ． ． ． ． - L - - - - J 38 O 4 2 0 4 6 0 5 0 0 5 4 0 5 8 0 6 2 0 6 6 0 7 0 0 7 4 0 7 8 0 曲轴转角／ 。 曲轴转角 b 5 5 0 ／ mi n 图 5 不同曲轴转角下燃油的蒸发质量 3 ． 2 缸内涡流的形成与演变 图 6与图 7为 2 0 0 0和 5 5 0 0 r ／ rai n全负荷工况 ∞ 如 ∞ 如 加 。 ， 。。， 。． L ， ． ． P ． ．L r ． ． - ． ． ． ． ， 。P ． ． L m w 4 6 2 8 4 2 6 2 8 4 O3 3 3 2 2 O O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 8 2 汽车工程 2 0 1 3年 第 3 5卷 第 8期 1 ．2 1 ．O 0 ． 8 0 ． 6 0 ． 4 0 ． 2 O 曰涡流阀开启 ■涡流阀关闭 5 5 0 0 r ／ mi n 图 1 2 涡流阀工作状态对缸内进气质量的影响 4 结论 1 建立 了 G D I 发动机涡流阀开启和关闭下的 三维数值模型， 并对喷雾模型进行了实验标定 ， 进而 模拟了 2 0 0 0和 5 5 0 0 r ／ mi n全负荷工况下可变涡流 阀开启和关闭两种模 式下进气、 喷雾和混合气形成 的整个过程 。 2 可变涡流进气道通过涡流阀的开启和关闭 改变了进气 门与座圈问的气流分布 ， 涡流 阀关闭使 缸 内滚流比显著提高 ， 但气道流通能力降低。 3 低转速时 ， 涡流 阀门关 闭使得缸 内滚流 比 明显增大 ， 为涡流阀开启状态下 的 4～6倍 ， 较大 的 滚流比可以减少缸内余隙中燃油含量， 提高燃油的 蒸发速度 ， 有助于点火时刻缸内形成较为均匀的混 合气以及显著提高湍动能。 4 高转速时 ， 涡流阀门开启可 以增加进气质 量， 缸内油气混合均匀 ， 湍动能较大 。关闭涡流 阀时 进气质量减小 1 ／ 3 ， 湍动能过大不利于稳定燃烧。 参考文献 蒋德明． 高等车用 内燃机原 理 [ M] ． 西安 西安 交通大学 出版 社 ， 2 0 0 7 9 6 9 7 ． P h i l i p p Ad o me i t ，Ma r k u s J a k o b ．Ef f e c t o f I n t a k e P o r t De s i g n o n t h e F l o w F i e l d S t a b i l i t y o f a G a s o l i n e D I E n g i n e [ c] ．S A E P a p e r 2 O1 1 01 1 2 4 8． J e s u s B e n a j e s ．T h r e e D i m e n s i o n C a l c u l a t i o n o f t h e F l o w i n a D I D i e s e l E n n e w i t h V a ri a b l e S w i r l I n t a k e P o r t s [ c] ．S A E P a p e r 2 0 0 l 一0 1 3 2 3 0． L a k e T H，e t a1．C o mp a r i s o n o f D i r e c t I n j e c t i o n G a s o l i n e C o m b u s t i o n S y s t e ms [ C ] ．S A E P a p e r 9 8 0 1 5 4 ． C h o J a e Ma n，Yo o n Yo u n g Da e，e t a 1 ．Hy u n d a i ’ S Ne w Ge n e r a t i o n 1 ． 8 L G a s o l i n e E n g i n e [ C ] ．S AE P a p e r 2 0 1 1 0 1 - 0 4 1 7 ． 尹丛勃 ， 张振 东， 郭辉 ， 等． 可变涡流直 喷汽油机流 动及燃油喷 射的数值 模拟 [ J ] ． 中国机械_ [ 程 ， 2 0 1 2， 2 3 1 9 2 3 3 2 2 3 3 6 ． Ki m JN，Ki m H Y，e t a1．Ef f e c t o f I n t a k eVa l v e S wi ft o n F u e l - g a s Mi x i n g a n d S u b s e q u e n t C o m b u s t i o n i n a C A I E n g i n e [ J ] ．I n t e r n a - t i o n al J o u r n a l of A u t o mo t i v e T e c h n o l o g y ， 2 0 0 8 ， 9 6 ． 丁宁 ， 高卫民 ， 等． 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 4 ． 白云龙 ， 王志 ， 帅石金 ， 等． 缸 内直喷汽油机喷雾、 混合气形成和 燃烧过程的三维数值模拟 [ J ] ． 燃烧 科学 与技术 ， 2 0 1 0， 1 6 2 9 8 1 03 上接第 6 7 2页 参考文献 [ 1 ] 陈思 忠， 孟祥 ， 杨林 ， 等． 三轴汽车多轮转 向技术研 究[ J ] ． 北京 理工大学学报 ， 2 0 0 5 ， 2 5 8 6 7 9 6 8 3 ． [ 2 ] 李炎亮 ， 高秀华 ， 张春秋 ， 等． 车载式 自行火炮 多桥动态 转向系 统 [ J ] ． 吉林大学学报 工学版 ， 2 0 0 6 ， 3 6 3 ． [ 3 ] 张春秋 ， 高秀华 ， 杨旭 ， 等． 三轴车辆全轮转 向操纵稳定性 仿真 分析 [ J ] ． 农业装备与车辆工程 ， 2 0 0 7 9 ． [ 4 ] 张俊友 ， 王树风 ， 李华 师． 基于 多轴转 向的三轴 汽车操 纵稳定 [ 5 ] [ 6 1 [ 7 ] [ 8 ] 性仿真分析 [ J ] ． 拖拉机农业运输车 ， 2 0 0 8 ， 3 5 6 1 5 1 8 ． 周富家 ． 多 轮转 向全 路 面起 重机 操纵 稳 定性 控 制算 法研 究 [ D] ． 长春 吉林大学 ， 2 0 0 7 ． 祁永宁． 4 WS车辆直接横摆力矩控制与硬件在环仿真系统 [ D] ． 南京 东南大学 ， 2 0 0 5 ． Ma s a o Na g a i ，Yu t a k a Hi r a n o，e t a 1 ． I n t e g r a t e d C o n t r o l o f Ac t i v e Re a r W h e e l S t e e ri n g a n d Ya w Mo me n t C o n t r o l Us i n g Br a k i n g F o r c e s [ J ] ．J S ME I n t e rna t i o n a l J o u r n a l ， 1 9 9 9 ， 4 2 2 3 0 1 - 3 0 8 ． 李国勇． 最优 控制理论 及参数 优化 [ M] ． 北京 国防工业 出版 社 ， 2 0 0 6 1 6 3 1 8 4 ． 暑 ／ 唧峰 1J] J 1 』1j] J 1 1 J l寸l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m