基于非对称进气门升程技术的直喷汽油机油气混合过程的数值研究.pdf

基于非对称进气 门升程技术的直喷汽油机 油气混合过程的数值研究 丁 宁 上海汽车集团股份有限公司技术中心， 上海2 0 1 8 0 4 【 摘要】 为了 深入研究非对称进气门升程技术的 直喷汽油机缸内流动及油气混合过程， 利用S T A R ． c D 软件数值模拟了 1 5 0 0转全负荷典型工况下发动机缸内的流动特性。对比分析了对称和非对称的进气门升程 方案下 ， 缸内的涡流比、 滚流比、 湍动能以及关注切面的流场分布和当量 比等。结果表明 采用非对称进气门升 程技术的直喷汽油机在进气和压缩冲程中除了能保持较强的滚流， 还可以在缸内形成较强烈的涡流， 这样使得 缸内整体流动显著加强。另外， 在点火时刻缸内的油气混合效果也有明显改善。 【 A b s t r a c t 】 I n o r d e r t o r e s e a r c h o n t h e f l o w c h a r a c t e r is t i c s a n d t h e m i x tu r e p r o c e s s o f th e G D I e n g i n e wi t h n o n s y mme t ric a l i n t a k e v a l v e l i ft，a t y p i c a l w o r k c o n d i t i o n i s n u me r i c a l s i mu l a t e d b y S TAR CD c o d e s，wh i c h i s a f u l l l o a d o f 1 5 0 0 r ／mi n． T he s wi r l r a t i o，t h e t u mb l e r a t i o，t u r b u l e n t k i n e t i c e n e r g y i n c y l i nd e r a s we l l a s t h e flo w fie l d d i s t rib u t i o n o f s o me i n t e r e s t e d s e c t i o n s whi c h ha s s y m me t r y a n d n o n s y mme t r i c a l i n t a k e v a l v e l i ft a r e c o mp a r a t i v e a n a l y z e d．Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e GDI e n g i n e wh i c h u s e s t h e n o n s y mme t ric a l i n t a k e v a l v e l i ft t e c h n o l o g y c a n n o t o n l y k e e p s t r o ng t u mb l e d u rin g t h e i n t a k e a n d c o mp r e s s s t r o k e，b u t a l s o c a n g e t s t r o n g s wi r l i n ． c y l i n d e r ．Th e flo w c a n e n f o r c e e v i d e n t l y ．I n a d d i t i o n，t h e mi x t u r e e f f e c t s i mp r o v e e f f e c t i v e l y ． 【 关键词】 直喷汽油机汽车流动特性 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 3 ． 0 3 ． 1 1 0 引言 直喷汽油机以其瞬态响应性好 ， 控制精度高 ， 冷启动排放少等技术优势成为 了当今乘用车汽油 机的主要发展方 向 卜 。传统 的汽油机设计理念 基本上都是采用 对称 的进气道和进气 门升程 ， 试 图利用滚流转化为点火 时缸 内的湍动能 ， 对于涡 ⋯ _ I 。 ⋯⋯ ‘ ⋯⋯ 。 ‘ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 。 ⋯⋯ ．- “ ⋯I ’ “ ⋯ ’ “ ⋯ ‘ ⋯⋯‘ ⋯ ⋯ ⋯⋯I - 。 ⋯⋯ ⋯ ’。 I -。 ’ l - 。 “ ⋯| _ ’ _ l I ’‘ ⋯ ⋯ 。 ⋯⋯ 。 l 配性评价的需求 。 参考文献 [ 1 ] 张旭 ， 王爱民， 刘检华．产品设计可装配性技术[ M] 北京 航空工业 出版社 ， 2 0 1 0 ． 收稿 日期 2 0 1 30 1 2 2 上海汽车2 0 1 3 ． 0 3 [ 2 ] 莫建 中， 奚立 峰 ， 蔡建 国．D F MA在汽 车工业 中的应用 [ J ] ． 汽车工程 ， 1 9 9 7 3 ． [ 3 ] 舒启林 ， 王德俊 ， 郝 永平．零 件级 的可装 配性分析评价 模型的建立和研究 [ J ] ． 机械设 计 ， 2 0 0 1 1 2 ． [ 4 ] 马铁利， 付奇． 面向制造和装配的设计[ J ] ．世界汽车， 2 0 0 3 1 ． 43 流的应用基本忽略。而这种设计往往不能够充分 利用进气过程 的能量 ， 缸 内的湍动能大小及油气 混合均匀性等问题上有所欠缺。以往 国内外进行 直喷汽油机非对称 进气门升程的研究很少 ， 而这 种设计对于缸 内的燃烧又具有十分重要 的意 义。 应用 C F D方法从i维瞬态、 微观层面来研究这种 新 的设计方法 ， 对 于提升直喷汽油机性能和改善 其燃烧质量都将起到十分关键的作用 。 1 计算模型的建立及数值解析方法 数值研究采用 了通用 三维流体 S T A R ． C D软 件 ， 在 L i n u x R e d h a t 5系统平台上进行 了多 C P U 并行计算 。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 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。两相之问的 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 ⋯。 表 1 计算模型设置 项 目 类型 湍流模型 标准 ． s高雷诺数湍流模型 壁面 甬数 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 B a i 模 型 数值计’ 算方法 P I S O算法 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。多孑 L 式喷油器 孔径为 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 维 网格模型如图 1所 4 4 示 ， 在该位置网格总数为 5 5 8 9 8 0 。 表 2 发动机基本参数 类型 参数 型式 直列四缸 排量／ L 2 ． 4 缸径／ m m 9 l 冲程／ mm 9 2 压缩 比 1 2 最大转速／ r ／ rai n 6 5 0 0 最 大扭矩／ N m 2 4 6 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 ， 分别采 用对称和非对称的进气门升程方案进行了缸 内流 动及油气混合过程 的数值研究 ， 并开展 了对 比分 析。具体 的研究方案设置如表 3所示 ， 两组进气 门升程曲线 的对 比见图 2 。 表 3 研究方案 项目 方案 i { 亍 寨 2 转速／ r ／ mi n l 5 0 0 l 5 0 0 负荷 全负荷 全负荷 进气门 1的最大升程／ mm l O ． 6 7 4 ． 5 进气门 2的最大升程／ mm 1 O ． 6 7 1 O ． 6 7 排气门 1的最大升程／ mm l 0 ． 6 7 1 0 ． 6 7 排气门 2的最大升程／ mm 1 0 ． 6 7 1 0 6 7 空燃 比 1 3 l 3 单循环喷射量／ m g 4 7 ． 9 4 7 ． 9 喷油起始角／ C A 4 2 0 4 2 0 喷油持续期／ 。 C A 2 7 ． 3 2 7 ． 3 3 ． 2 计算初始条件 本文三维缸 内计算的研究范围主要是直喷汽 油机的进气 、 压缩冲程， 即从进气门打开开始到压 上海汽车2 0 1 3 ． 0 3