山西中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 柳青 續(xù)彥芳
燃燒系統(tǒng)是GDI汽油機(jī)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文應(yīng)用AVL-FIRE CFD軟件對(duì)某型GDI汽油機(jī)全負(fù)荷工況燃燒過(guò)程進(jìn)行三維瞬態(tài)數(shù)值模擬,幫助理解GDI燃燒過(guò)程控制規(guī)律,從而為優(yōu)化GDI汽油機(jī)燃燒系統(tǒng)提供參考。
本文研究對(duì)象為某型GDI汽油機(jī),部分參數(shù)如表1。
表1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)
將Pro/E建立的三維幾何模型導(dǎo)入AVL-FIRE的FAMEEngine Plus前處理模塊中,自動(dòng)生成計(jì)算所用的FEP動(dòng)網(wǎng)格。計(jì)算從進(jìn)氣門(mén)打開(kāi)時(shí)刻至排氣門(mén)打開(kāi)時(shí)刻,時(shí)間為503°CA。計(jì)算時(shí)定義進(jìn)氣上止點(diǎn)為360°CA,燃燒上止點(diǎn)為720°CA。進(jìn)氣過(guò)程網(wǎng)格數(shù)為80-126萬(wàn),壓縮做功過(guò)程網(wǎng)格數(shù)在46萬(wàn)左右。計(jì)算網(wǎng)格如圖1所示。其中(a)進(jìn)氣門(mén)打開(kāi)時(shí)刻位置計(jì)算網(wǎng)格數(shù)目1276639,(b)活塞下止點(diǎn)位置計(jì)算網(wǎng)格數(shù)目699835,(c)活塞下止點(diǎn)后 60°CA計(jì)算網(wǎng)格數(shù)目4661530。
圖1 各時(shí)刻計(jì)算網(wǎng)格
計(jì)算設(shè)定的初始條件和邊界條件如表2和表3所示。
表2 邊界條件
表3 初始條件
表4 數(shù)學(xué)模型
點(diǎn)火時(shí)刻700°CA,標(biāo)定噴油壓力24Pa,因?yàn)閲娪统掷m(xù)期為132°CA早噴射,噴射時(shí)刻390°CA和噴油持續(xù)期111°CA晚噴射,噴射時(shí)刻420°CA兩種情況形成混合氣比較均勻,噴油嘴下方燃油聚集現(xiàn)象較輕,所以分析這兩種情況的燃燒結(jié)果。
圖2將上止點(diǎn)、上止點(diǎn)后20°CA、40°CA三個(gè)時(shí)刻,火花塞中心截面上,用溫度場(chǎng)表示這兩種情況的火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程,進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)兩種情況狀態(tài)基本相同。上止點(diǎn)時(shí)刻,火焰前鋒接近球形,氣流特性和點(diǎn)火特性影響明顯;上止點(diǎn)后20°CA,隨火焰發(fā)展,火焰?zhèn)鞑ゲ皇茳c(diǎn)火條件影響,火焰前鋒到達(dá)活塞頂面,且向排氣側(cè)傳播速度較快,由于噴油器側(cè)混合氣較濃,火焰不能快速傳播,進(jìn)入湍流傳播階段,湍流促進(jìn)燃燒的作用逐漸增強(qiáng),火焰速度加快,燃燒速率達(dá)到某一穩(wěn)定狀態(tài);上止點(diǎn)后40°CA,燃燒完90%的充量。
圖2 兩種情況溫度場(chǎng)對(duì)比
圖3是已燃燃油質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線圖。
圖3 已燃燃油質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線
綜合圖2和圖3來(lái)看,噴油時(shí)刻420°CA,噴油持續(xù)期132°CA的情況,缸內(nèi)整體混合氣分布比較均勻,燃燒速率較快。
圖4 兩種情況的缸內(nèi)平均壓力曲線圖
圖4是兩種情況的缸內(nèi)平均壓力曲線圖。圖示各噴油定時(shí)對(duì)應(yīng)缸內(nèi)平均壓力曲線不同。兩種情況缸內(nèi)峰值壓力不同,峰值壓力出現(xiàn)的時(shí)刻基本相同。
不同噴油定時(shí)對(duì)應(yīng)點(diǎn)火時(shí)刻,火花塞附近混合氣濃度差異造成燃燒性能不同。在噴油壓力和噴油嘴設(shè)計(jì)條件給定情況下,當(dāng)燃油噴射時(shí)刻420°CA,噴油持續(xù)期為132°CA時(shí),在點(diǎn)火時(shí)刻火花塞電極間隙處及周?chē)霈F(xiàn)有利于點(diǎn)火和火焰?zhèn)鞑サ妮^濃、均勻混合氣,燃空當(dāng)量比為1.1,燃燒速度快,快速燃燒期短,缸內(nèi)峰值壓力高,燃燒性能較好。
[1]田江平.點(diǎn)火室式直噴汽油機(jī)燃燒系統(tǒng)及其噴霧特性研究[D].大連理工大學(xué),2009.
[2]孫晶晶.汽油機(jī)進(jìn)氣及燃燒過(guò)程的多為數(shù)值模擬研究[D].北京:北京交通大學(xué),2008.