157FMI汽油机进气道喷射改缸内直喷燃烧特性研究

伏军 张爱国 孙振鹏

摘要：本文以157FMI汽油机为研究对象，对其尝试性的实施由进气道喷射改为缸内直喷技改，分析了喷油器斜置和喷油器顶置两种方案下的缸内燃烧特性。研究结果表明：合理的布置喷油器对发动机的工作有着至关重要的意义，喷油器顶置方案，不利于后续的燃烧扩散，燃烧较为缓慢，NO生成量较高，喷油器斜置方案则具有较为理想的效果。

关键词：摩托车;汽油机;缸内直喷;喷油器安装位置;燃烧特性

中图分类号：TK411.2                                  文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）07-0005-03

0  引言

缸内直喷汽油机因其充气效率高、动态响应快、系统优化潜力大等优点得到广泛的应用。为了满足发动机实现直喷、分层燃烧的各种需求，需要对燃烧室结构、喷油器位置和方向及火花塞位置等进行合理设置，其中，喷油器位置和噴雾方向的研究至关重要[1-3]。直喷发动机合理的喷油器安装位置一方面保证了在点火时刻火花塞附近形成易于着火的混合气;另一方面，保证了燃油尽量少的与缸壁及活塞顶相撞，避免了燃烧过程中的积炭造成未燃碳氢排放过高和润滑油稀释的问题[4-5]。本研究以157FMI汽油机为研究对象，对其尝试性的实施缸内直喷技改，在理论分析的基础上初步确定了喷油器的安装位置，分别设置喷油器顶置和斜置两种方案进行初步研究[6-7]。研究过程中设置喷油时刻为90℃A BTDC，喷油持续期为20℃A，点火时刻为22℃A BTDC，每循环喷油量20.79mg展开两种喷油器安装位置下的缸内燃烧特性研究。

1  计算模型

1.1 计算对象  本文计算所用157FMI汽油机三维流体模型如图1所示，模型的建立包括进排气道、气缸、活塞、燃烧室等。在模型建立过程中，对计算模型进行适当简化忽略喷油器及火花塞伸入量对流场的影响，将其看作一个点进行研究。表1为计算所需157FMI汽油机缸内直喷基本参数。定义720℃A为压缩上止点，350℃A为进气门开启时刻，860℃A为排气门开启时刻。其中，350～580℃A为进气阶段，进气过程排气门处于关闭状态，不考虑排气道的影响;580～860℃A为压缩做功阶段，此阶段进排气门处于关闭状态，将进排气道省去以减少网格数量[8-9]。在网格划分过程中，主要以1.25mm六面体网格为主，气门、气门座及燃烧室部分进行0.625mm的网格细化，整体网格数为108.8276万。

1.2 计算条件及求解模型设置  计算条件的准确性直接关系到气缸内的空气质量和初始状态，并影响计算结果的准确性，对于瞬态模拟计算，初始条件应当尽量同实际条件相一致[10-11]。其初始条件和边界条件如表2和表3所示。

计算采用湍流模型为k-ε模型;碰壁模型选用Walljet1模型;蒸发模型选用Dukowicz模型;破碎模型选用WAVE模型;点火模型选用相关火焰模型（Coherent Flame Model）[12]。计算初始压力为0.09MPa，初始温度为1600K。边界条件：活塞温度为550K，气缸壁温度为450K。

2  计算结果分析

2.1 缸内浓度场分析  图2燃油分布云图可以看到，在喷油开始阶段，其喷雾锥角及燃油分布面积基本一致;随着活塞上行，喷油器斜置方案下的燃油开始喷射到燃烧室顶部，在燃烧室顶部存在浓度较高的燃油;650℃A喷油结束后，顶置喷油器方案下燃油主要分布在活塞顶部，而喷油器斜置方案下的燃油一部分分布在活塞顶部，一部分分布在燃烧室顶部。随着活塞进一步上行，碰壁燃油开始蒸发，可以看到在点火时刻附近喷油器斜置方案的燃油蒸发速度明显大于喷油器顶置方案，对比燃油分布云图可以看到，在698℃A点火时刻时，火花塞附近分布有较浓的混合气，而喷油器顶置方案下的燃油蒸发较慢，较浓混合气较多的分布在活塞顶部附近，点火时刻火花塞附近有利于点火的混合气分布较小，不利于点火及进一步燃烧扩散。单从混合气分布情况而言，喷油器顶置方案，不利于后续的燃烧扩散，此方案有待进一步完善[13-14]。

2.2 缸内温度场分析  图3为两种喷油器安装方案下的缸内温度分布情况。可以看出温度分布受喷油器安装位置的影响较大，其主要原因在于，喷油器位置直接影响混合气的分布，进而影响火焰的传播。在点火前期，缸内温度大小基本相同，温度变化主要来自活塞上行压缩气体。在698℃A点火时刻时，缸内高温区域主要集中在喷油器附近，对比混合气分布情况可以发现这一现象，主要原因在于高速喷射的燃油影响了缸内的气流运动，同时可以看到喷油器斜置导致燃油喷射到燃烧室顶部区域存在一小部分低温区。在点火初始时刻并没有形成稳定的火核，在活塞运动到710℃A时，喷油器斜置方案下的混合气在火花塞附近被点燃，形成稳定的初始火核，而喷油器顶置方案并没有形成明显的火核。随着活塞上行，缸内混合气被引燃，对比两种方案下温度分布可以看到，喷油器斜置方案下，缸内温度分布较为均匀，在远离火花塞近喷油器位置温度较低，火焰由火花塞附近向整个气缸蔓延，而喷油器顶置方案下的温度分布差异较大，高温区域主要集中在活塞顶部，火焰由活塞顶部向整个气缸蔓延，这一现象和混合气分布有着相同的规律，这也充分说明了混合气分布直接影响燃烧扩散并进而影响温度分布。可见，合理的布置喷油器对发动机的工作有着至关重要的意义。

2.3 燃烧特性分析  图4～图6显示了喷油器斜置和喷油器顶置方案下的缸内温度、压力、放热率和累积放热量随曲轴转角的变化规律。整体来看两种方案下的缸内温度和压力在点火发生后随着曲轴转角的增加先增大后减小，喷油器斜置方案下的缸内最大温度、压力峰值均高于喷油器顶置方案，其放热率及累积放热量变化速度均大于喷油器顶置方案。从缸内压力和放热率曲线及温度和累积放热量曲线可以看到，点火发生后缸内温度和压力并没有立刻发生骤升现象，而是经过一定的滞燃期后开始急剧升高，结合温度分布云图可以看到，两种方案下的滞燃期持续时间在10℃A左右，而喷油器顶置方案的滞燃期较喷油器斜置方案时间长，不利于火焰的快速传播。其中喷油器顶置方案下的缸内最大压力在738℃A时达到最大，为4.353MPa，放热率最大接近40J/℃A，其压力升高率为0.1088MPa/℃A，最高温度在748℃A时达到最大，为2219.748K;喷油器斜置方案下的缸内最大压力在725℃A时达到最大，为5.964MPa，放热率最大接近50J/℃A，其最大压力升高率为0.2209MPa/℃A，最高温度在731℃A时达到最大，为2309.9K。相比于原发动机缸内的最大爆发压力（5MPa左右），喷油器斜置方案明显提高了发动机的动力性。同时可以分析得到喷油器顶置方案的缓燃期持续时间为10℃A，喷油器斜置方案下的缓燃期持续时间为6℃A，缓燃期的缩短也将进一步加速火焰传播速度。根据工程实践经验和相关理论数据[15-16]，燃烧发生在上止点后8～15℃A左右比较接近理想定容加热循环的燃烧相位，发动机压力升高率的最大值一般为0.175～0.25MPa/℃A，相比而言，喷油器斜置方案更符合理论规律。

3  结论

本文以157FMI汽油机为研究对象，对其尝试性的实施由进气道喷射改为缸内直喷技改，分析了喷油器斜置和喷油器顶置两种方案下的缸内燃烧特性。在尽可能不改变原发动机结构前提下，合理的布置喷油器对发动机的工作性能有着至关重要的意义。在其他参数一定的情况下，喷油器顶置方案不利于燃油蒸发扩散，增加了燃油湿壁的概率，此方案有待进一步改善。喷油器斜置方案则具有较为理想的效果。该研究将为后续进一步研究提供一定的参考和借鉴价值。

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基金项目：湖南省研究生科研创新项目（CX20190970）;邵阳学院研究生科研创新项目（CX2019SY003）。

作者简介：伏军（1979-），男，湖南岳阳人，教授，博士，硕士研究生导师，从事发动机排放控制与燃烧技术研究。