某发动机缸内工作过程的CFD分析

高延新，张超，常耀红

某发动机缸内工作过程的CFD分析

高延新，张超，常耀红

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230022）

文章利用AVL Fire软件对某GDI汽油机缸内建立动网格，对喷雾、缸内压力等进行标定，并进行了燃烧计算。结果表明：缸内的滚流满足设计要求；火花塞附近混合气流速合理，燃烧稳定性较好；燃油在缸套和活塞顶部的局部区域形成油膜，建议通过优化进气道结构和活塞顶部形状来减少壁面油膜生成。

贯穿距；滚流；油膜

CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-126-03

引言

汽油机缸内燃烧的好坏直接影响其动力学、经济性、排放等[1]。随着国家排放法规逐步升级及油耗要求日益严格，越来越多的汽车厂采用汽油机缸内直喷技术。

在缸内直喷汽油机的燃烧开发过程中，需要考虑燃烧室与进排气系统的匹配设计、喷油器的选型及布置、VVT等[2,3]。在开发过程中，采用CAE分析可以有效地降低开发周期、开发成本等。

本文对某GDI汽油机进气喷雾燃烧模拟，分析得到了缸内进气过程、喷雾的发展、壁面油膜的形成及点火的预测等，并对燃烧室及进排气系统结构提出了优化措施。

1 计算模型

1.1 三维数模及网格划分

本次计算的数模见下图。包括进/排气道、进/排气门、燃烧室头部（含火花塞）、缸套、活塞头部。计算工况采用全速全负荷点。

图1 分析数模

计算一个完整的工作循环，从排气门打开开始计算。计算从152°CA持续到872°CA，下表1显示了CFD计算中的相关气门正时。

表1 气门正时

图2显示了计算中采用的气门升程曲线。该曲线来自于AVL的热力学计算，且考虑了气门间隙。

图2 气门升程曲线

1.2 边界条件

计算的工况点需要选择缸盖和排气道热负荷最高的工况，本次计算工况为额定转速4850rpm。

初始时刻汽缸和排气道内的残余废气被设定为1.0（即100%），而进气道内的EGR率被设定为0。在计算的初始时刻，汽缸和气道内的压力、温度分布被认为是均匀的下表2显示了CFD模拟中设定的壁面温度。

本次计算进口边界条件采用质量流量和温度，出口边界条件采用压力和温度，分别见图3。

图3 进出口边界条件

1.3 模型设置

湍流模型采用 k-ζ-f 湍流模型，喷雾模型中，破碎模型采用WAVE模型，蒸发模型采用Dukowicz模型，壁面油膜模型采用Bai Gosman/Expert模型，燃烧模型采用ECFM模型[4]。

2 模型验证

2.1 喷雾模型及标定

图4 贯穿距曲线对比

图5 喷油形态

喷雾对汽油机缸内混合器形成和燃烧过程都有十分显著的影响。缸内计算首先要进行喷雾标定。燃油种类采用正庚烷，燃油喷射压力为100bar，环境压力为1bar，气体温度为30°C。通过调整喷雾模型参数和蒸发模型参数，得到的模拟贯穿距与试验贯穿距曲线对比见图。在1.5ms时刻，模拟和试验得到的喷油形态见图4。从喷雾粒子贯穿距以及喷油形态的模拟结果与试验结果对比中可以看出，采用此喷雾模型，喷雾计算结果和试验结果吻合度高。

2.2 缸内压力和温度验证

图6为缸内压力的CFD计算结果和BOOST结果对比示意图。从图中可以看出，CFD计算结果和BOOST结果十分接近，可以认为参数标定很好。

图6 缸内压力和缸内温度对比示意图

3 计算结果及分析

3.1 进气流动

进气过程分为四个阶段：

阶段1：双侧进气。从气门两侧进气，两边射流形成方向不同的滚流，外侧进气区有明显低速高湍动能区域

阶段2：单侧进气。外侧进气通道，被低速高滚流区域阻塞，使得大部分空气从内侧进气，缸内开始趋向形成统一的顺时针方向的滚流。

阶段3：喷雾流场促进滚流发展。喷雾流场在一定程度上起到了引导促进缸内滚流发展的作用，470°CA时缸内滚流中心受喷雾场的影响处于进气道侧。

阶段4：压缩过程滚流。压缩过程中气流保持以滚流形式组织。

图7 进气流动四个阶段

图8 为滚流比曲线图，最大滚流比在3.3左右。缸内滚流会影响进气及压缩过程中燃油和空气的混合程度，同时也影响缸内湍动能及点火过程。通常将进气门关闭时刻的滚流大小作为主要参考值，本文中进气门在582°CA关闭，此时滚流比为2.05，达到设计要求。

图8 滚流比曲线图

3.2 喷雾发展

从图中9可以看出，燃油刚开始喷射时，燃油沿直线喷入缸内，在440°CA时刻，喷雾粒子碰到活塞顶部。随着活塞向下运动，燃油粒子在气流运动的引导下向下沿顺时针方向发生偏转，燃油粒子进入到缸内的更多地方。

由于碰壁及滚流带动液滴，在活塞凹坑靠近缸壁的地方形成油膜，混合还不均匀。接近下止点，活塞速度减小，因此喷雾受到偏转作用减小，液滴能够进入缸内更远的距离。

图9 喷雾流动（392CA～460°CA）

图10 喷雾流动及当量比分布（540°CA～630°CA）

3.3 壁面油膜

图11 油膜质量变化曲线

图11 为在活塞和缸套表面的油膜质量随曲轴转角的变化值。在390 °CA开始燃油喷射后，从395°CA开始有油膜沉积，随着喷雾的进行，油膜质量不断增加。在495°CA时刻，油膜质量有一个明显的下降，这是由于蒸发作用，壁面的油膜质量逐渐减少。500°CA以后，蒸发的油膜质量少于碰壁新生成的油膜质量，所以油膜质量逐渐增多。600° CA以后，缸内温度升高，蒸发速度增加，碰壁蒸发的油膜质量大于碰壁新生成的油膜质量。图12分别为不同曲轴转角下缸内的油膜质量分布图。

图12 不同曲轴转角下缸内的油膜质量分布图

3.4 点火预测

汽油机点火与火花塞能量和点火时刻的局部流动密切相关。为了保证点火，火花塞必须具有一定的气流速度和湍动能。从图13可以看出，该火花塞附近的混合气速度在5m/s附近，可以获得较好的燃烧稳定性。

图13 火花塞截面速度分布图

4 总结

本文对某GDI汽油机建立缸内动网格，进行了汽油机一个工作循环的模拟分析。可以得出以下结论：

（1）该模型可以对缸内喷雾燃烧过程进行很好的分析；

（2）缸内形成的滚流满足设计要求；

（3）燃油在缸套和活塞顶部的局部区域形成油膜，需要通过优化进气道结构和活塞顶部形状来减少壁面油膜生成；

（4）火花塞附近混合气流速合理，燃烧稳定性较好。

[1] Iwamoto Y,Noma K,Nakayama O.Development of Gasoline Direct Injection Engine[C].SAE Paper 970541,1997.

[2] 彭禹,曾金玲.喷油器安装角度对缸内直喷汽油机混合气的影响[J].汽车技术,2011（7）；4-10.

[3] 胡军军,周龙保等.缸内直喷式汽油机工作过程三维数值模拟[J].车用发动机.2003（3）：43-47.

[4] Luca Olmo,John Thornton.CFD Analysis of Mixture Formation and Combustion Process for High Performance DI Gasoline Engine. SAE paper,2005-01-0214.

The CFD Simulation of the Engine Working Process

Gao Yanxin, Zhang Chao, Chang Yaohong
( Anhui Jianghuai Automobile group Co., Ltd., Anhui Hefei 230022 )

In this paper, we make dynamic grid, calibrate the spray, the pressure in cylinder, and combustion analysis, using AVL Fire soft. The results shows∶ The tumble in cylinder meets requirements; The velocity of mixer is reasonable and the combustion stability is good; Oil film is formed in the local area of the the cylinder liner and the top of the piston, we suggest that optimizing the intake port and piston top to reduce the oil film.

penetration; Tumble; Oil Film

U463.6

A

1671-7988 (2017)16-126-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.16.044

高延新，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。