缸内直喷发动机快速起动首循环喷雾的数值模拟

韩立伟，洪 伟，高定伟，苏 岩，谢方喜

（1.长城汽车股份有限公司技术中心，河北 保 定 071000；2.河北省汽车工程技术研究中心，河北 保 定 071000；3.吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室，吉林 长 春 130022）

发动机采用起动－停止技术，即车辆怠速时熄火，起车时迅速起动的技术，能够有效降低城市工况下整车的排放和燃油消耗［1－2］。

起动－停止技术对发动机的起动速度要求相对较高。传统发动机起动因为需要判缸同步等过程，所以其首次着火最快要发生在首循环的第3或第4个冲程后，起动速度相对较慢。而缸内直喷发动机的判缸同步可以在停机过程中完成［3］，起动时可以在其首循环的第1个冲程结束时着火，实现快速起动。本研究把发动机停机后静止状态时处于压缩冲程的气缸定义为第1缸，按照点火时序排列，后面的3个气缸依次定义为第2缸、第3缸和第4缸。当发动机起动时，起动机拖动发动机转动的同时，第1缸喷油器向缸内喷油，当活塞压缩移动到上止点时点火，第1缸燃烧做功；然后第2缸进入压缩冲程，当活塞压缩移动到其上止点时点火，第2缸燃烧做功；同样，后面各缸依次喷油点火做功。在这个过程中，因首循环第1个压缩冲程就着火，从而实现快速起动，但是由于发动机热机停止，滞留在气缸和气道内的气体直接受到高温气缸壁、气缸盖的加热，温度要高于普通工况进入气缸内的气体温度，所以在起动时着火的初始边界条件具有特殊性。经过前期研究可知，起动时第1缸活塞处于某一位置，当其压缩移动到上止点时，其有效压缩比相对较低，从而缸内温度相对不高，几乎不会发生自燃；而第2缸经历了一个完整的压缩冲程，有效压缩比较大，加上其较高的进气温度，其混合气自燃（在火花塞跳火前发生自燃）的可能性极大［4］；第3缸和后面各缸因为经历了完整的进气冲程，吸入了温度较低的外界空气，所以即使有效压缩比较大，发生自燃的可能性也不大。

由于第2缸较大概率的自燃对起动极为不利，基于以上原因，本研究着重研究第2缸，通过软件Fire对其压缩过程中的喷雾和混合气形成情况进行数值模拟与理论分析，并找出理想的喷油控制策略，然后通过试验研究指出该缸不同喷油策略下发生自燃、可以点燃和失火的区域，为实现起动－停止技术的快速起动提供一定试验数据和理论指导。

1 数学模型和模型验证

1.1 网格模型

本研究针对三菱公司的4G15GDI汽油机建模并选取计算参数，发动机主要参数见表1。同时，基于该发动机活塞的实际几何尺寸，构建了模拟过程所用的物理模型，图1示出了其计算网格。

表1 发动机主要技术参数

1.2 数学模型和初始边界条件

对于本研究而言，选取适当的喷雾模型是非常关键的。燃油的喷雾过程极为复杂，涉及到破碎、蒸发、喷壁、湍流扩散等多种物理现象。本研究采用Laundering和Spalding提出的适用范围比较广、计算精度比较高的标准κ－ε湍流模型描述缸内气流运动。根据国内外对缸内直喷汽油机高压旋流喷油器喷雾特性的研究结果［5－6］可知，燃油离孔后的初始液滴粒径尺寸一般服从Rosin－Rammler分布函数［7－8］。本研究采用这一分布函数对初始液滴的尺寸和概率进行估算，分布函数的数学表达式为

本研究采用TAB破碎模型对液滴的二次雾化过程进行描述，该模型适用于低速的汽油喷射过程。该模型是将相对速度为urel液滴的振动与变形类比为一个弹簧重物系统的振动。模型中将液滴所受气动力、表面张力及黏性力等分别类比为对液滴振动起着激振力F、回复力Fspring、阻尼力Fdamping的作用，由此得到液滴表面的强迫或阻尼振动控制方程：

式中：urel为气体与液滴的相对速度；r为液滴半径；σ为表面张力；μl为液体黏性；ρg，ρl分别为气体和液体的密度；CF，Ck和Cd通过计算分析和试验数据求得。油滴蒸发采用Dukowicz模型，该模型是建立在单组分燃油特性基础之上的，液滴温度的变化率由能量方程决定：

式中：md为液滴质量；Td为液滴温度；cpd为液滴比定压热容；L为液滴的蒸发潜热；Q0为周围气体传递给液滴的热量。

碰壁模型采用walljet0模型，该模型适用于喷射速度较低和入射距离较短的喷射，因此可用于GDI发动机。湍流扩散模型采用Gosman和Ioannidis提出的随机扩散模型，该模型假设液滴波动速度的各相同性湍流分量由Gaussian分布随机决定，湍流对喷雾颗粒的作用效果是通过在平均气流速度上增加一个波动速度来模拟的。粒子相互作用模型对喷雾场的特性具有重要影响，本研究采用“Schmidt”模型。

1.3 喷雾模型验证

为了验证喷雾模型，创建了定容弹喷雾模型（见图2），喷油器在网格顶部中心。采用AVL公司在用于喷雾研究的可视化发动机上用激光诱导荧光法测量的试验结果进行模型的有效性验证。图3示出了背压分别为0.1MPa与0.6MPa时，喷雾后3ms的喷雾形态模拟与试验结果对比，其中喷油持续期为3ms，喷油压力为5MPa。结果表明，随着燃烧室背压的提高，喷雾锥角与喷雾油束贯穿距离均随之降低，喷雾形态基本吻合。仿真过程数学模型、计算方法和边界条件准确，该模型可以较准确地反映直喷汽油机喷嘴的喷雾特性［9］。

2 计算结果与分析

本研究模拟计算了起动过程首循环第2缸在不同喷油策略（不同喷油量和不同喷油时刻）下的喷雾和混合气形成过程。表2示出了喷油量和喷油时刻的组合，依据模拟计算结果，从表中选取了具有代表性的喷油策略进行分析，分别为（41mm3，160°BTDC），（41mm3，80°BTDC），（41mm3，30°BTDC），（12mm3，160°BTDC），（12mm3，80°BTDC），（12mm3，30°BTDC）， （2mm3，160°BTDC），（2mm3，80°BTDC）和（2mm3，30°BTDC），且分别记为 ST－11，ST－12，ST－13，ST－21，ST－22，ST－23，ST－31，ST－32 和 ST－33。当 喷 油 量 为 41mm3，12mm3和2mm3时，与缸内空气形成均质混合气对应的燃空当量比分别为1.22，0.36和0.06，代表较浓的混合气、偏稀的混合气和很稀的混合气。

表2 喷油定时和喷油量

2.1 混合气较浓时喷油时刻对缸内喷雾和混合气形成的影响

图4示出了喷油策略ST－11时的浓度场、流场和温度场。喷油初始时刻起动转速很低，缸内滚流相对较弱，且喷油时刻距离上止点较远，缸内背压相对很低，因此较多燃油碰壁，缸内流场在油束贯穿的作用下形成了两个滚流中心，一部分燃油在滚流作用下向缸盖扩散，另一部分向活塞顶面扩散，且不断蒸发与空气混合。两个滚流随着活塞的压缩上行消失，并且在活塞上行到30°BTDC左右时，形成了一个逆滚流。由于喷油时刻在160°BTDC，相对较为提前，缸内气流有较长的时间使燃油雾化，以致活塞上行至上止点时缸内浓度场相对均匀。

缸内温度场的变化与其浓度场相对应，由于压缩上止点时空燃比分布相对均匀，从而该时刻缸内温度场分布也相对均匀。由前文所述可知第2缸工作具有特殊性，一方面该缸有效压缩比较高（该发动机压缩比为11∶1），另一方面由于该缸的空气为滞留在气缸和气道内的气体，受到高温气缸壁、气缸盖的加热，其初始温度较高。基于以上原因，虽然压缩上止点时空燃比分布相对均匀，较好的燃油雾化可以在一定程度上降低缸内温度，但并不起决定作用，所以压缩上止点的缸内温度场相对均匀，而且整体偏高。图中方框所示区域内，当量比为0.58左右的混合气对应温度为741K，超过了混合气自燃点，容易产生自燃。

喷油策略ST－12与喷油策略ST－13时的温度场、流场和浓度场分别见图5与图6。

由图5可见，喷油初始时刻，油束前端产生卷吸，有利于雾化，油束喷在活塞顶部，在其壁面诱导与油束贯穿的作用下，缸内流场在50°BTDC左右形成了两个滚流中心，且燃油被卷向缸壁的两侧。随着活塞上行，两个滚流相互作用，两侧燃油向火花塞聚集靠拢。当活塞上行至上止点时，相比喷油时刻在160°BTDC的浓度场和温度场，混合气分布不均匀，浓稀区域明显，温度高的区域混合气浓度较稀，超过自燃稀限，不易自燃。可燃混合气区域（方框圈中区域）对应的温度相对不高（不到700K），故此时不易发生自燃。基于以上分析，在该喷油时刻和喷油量下，混合气不均匀的浓度和温度分布能避免自燃的发生，可以正常点燃。

由图6可见，喷油初始时刻油束前端产生卷吸，由于活塞壁面诱导作用和活塞的压缩上行，在缸内产成了一个逆滚流。在活塞形状和喷雾的诱导下，缸内液滴一边破碎蒸发一边在逆滚流作用下沿逆时针方向向火花塞附近扩散，当活塞上行至上止点时，在火花塞附近形成了可燃混合气区域（图中圈中部分），温度高达778K左右，远远超出了混合气自燃点，因此混合气非常容易发生自燃。

2.2 混合气偏稀时喷油时刻对缸内喷雾和混合气形成的影响

图7示出了喷油策略 ST－21，ST－22和 ST－23下上止点时的浓度场、流场和温度场。每个策略下温度场、流场和浓度场的变化趋势与混合气较浓时相同，不同的是在上止点时刻温度相对增高，浓度相对降低，因此只分析上止点位置的情况。由于喷油量相对较少，其雾化蒸发少，吸收的热量相对较少，故缸内温度相对较高。浓度场圈中区域为可燃混合气区域，其对应温度场最高温度均很高，均超过了750K，极易发生自燃。因此若混合气偏稀，不论喷油时刻在上止点附近还是在较远或者中间位置，当活塞上行至上止点附近时，混合气发生自燃可能性都很大。

2.3 混合气很稀时喷油时刻对缸内喷雾和混合气形成的影响

图8示出了喷油策略 ST－31，ST－32和 ST－33下上止点时的温度场、流场和浓度场。与图7一样只分析上止点位置的情况。同样因喷油量少，其雾化蒸发吸收热量少，以致缸内温度非常高。图8a和图8b中喷油时刻离上止点较远，压缩上止点的浓度场相对均匀，从而混合气浓度很低，其浓区当量比在0.1～0.2之间，远超出混合气着火稀限，因此这两种策略下将会产生失火。图8c中喷油时刻在上止点附近，压缩上止点的混合气浓区当量比为0.5左右，接近可以点燃的着火稀限，但由于其对应温度场温度高达787K左右，所以此时容易产生自燃。

通过对不同喷油策略下喷雾和混合气形成情况的研究发现，喷油量和喷油时刻对喷雾和混合气的形成均有很大影响，导致压缩上止点时混合气的着火情况也有所不同。当喷油时刻距上止点相对较远或者在上止点附近时，在压缩上止点时因缸内可燃混合气区域内温度相对较高，因此混合气较倾向于自燃；当喷油时刻距上止点相对中间的位置时，在压缩上止点形成的混合气及缸内温度较为理想，自燃倾向较小，并且火花塞附近混合气可以点燃；但是如果喷油量较少（即混合气偏稀），较少的雾化吸热导致缸内温度降低程度减小，即使喷油时刻在离上止点相对中间的位置，压缩上止点时缸内可燃混合气区域内温度仍较高，混合气仍较倾向于自燃。因此，只有当喷油时刻选择离上止点适当的位置且喷油量较大时，压缩上止点时的混合气才可以正常点燃。

3 不同喷油策略的试验研究

根据以上模拟计算分析，控制初始边界条件进行试验研究。环境温度20℃，冷却液温度控制在100℃，手动盘动发动机使其第1缸活塞处于压缩上止点前180°（在这个位置起动，该缸经历1个完整的压缩冲程，这相当于前文所述起动过程的第2缸），采用起动机拖动，喷油控制策略按表2执行，采集第1缸的缸压信号分析其着火情况，根据试验具体情况再增加试验点，最后绘出其着火情况的区域图。图9示出了上述条件下不同喷油控制策略下着火情况的区域图。

图9中点燃区、自燃区和失火区分别代表不同的喷油策略下，活塞上行至上止点时混合气可以点燃、发生自燃和发生失火的情况。当喷油时刻离上止点相对较远或者在上止点附近时，活塞压缩到上止点时因其缸内可燃混合气区域内温度相对较高，混合气均发生自燃；横轴沿喷油量减少的方向，点燃区域趋向于中间缩小；喷油时刻离上止点相对中间的位置时，活塞上行至上止点时混合气可以点燃，这是由于当喷油时刻离上止点相对中间的位置时，自燃倾向较小，且火花塞附近形成可以点燃的混合气；喷油量较少时（即混合气偏稀），此时即使喷油时刻离上止点在相对中间的位置，活塞压缩到上止点时混合气仍然会自燃；当混合气很稀，喷油时刻离上止点较远或者在中间位置时，压缩上止点附近混合气均会失火，而在上止点附近时产生自燃。试验结果验证了前文的模拟计算分析。

4 结论

a）喷油时刻与喷油量不同，喷雾与混合气形成情况将会不同，致使压缩上止点时的混合气着火情况不同；

b）第2缸混合气比较容易产生自燃：喷油时刻离上止点相对较远或在上止点附近时，混合气在压缩上止点较易于自燃；喷油时刻在距上止点相对中间的位置时，在压缩上止点时形成的混合气自燃可能性较小且可以点燃；但是如果喷油量少，即使喷油时刻在距上止点相对中间的位置时，在压缩上止点时形成的混合气仍倾向于自燃；若混合气很稀，喷油时刻距上止点较远或者在中间位置时，压缩上止点附近混合气均会失火，而在上止点附近时发产生自燃。

［1］ John Bishop，Ashok Nedungadi，Gregory Ostrowski，et al.An Engine Start／Stop System for Improved Fuel E－conomy［C］.SAE Paper 2007－01－1777.

［2］ 李振磊，林 逸，龚 旭.基于Start－Stop技术的微混轿车仿真及试验研究［J］.中国机械工程，2010，21（1）：110－114.

［3］ 韩立伟，洪 伟，苏 岩，等.发动机停机后曲轴停止相位的研究［J］.车用发动机，2010（3）：83－85，89.

［4］ Ueda K，Kaihara K，Kurose K，et al.Idling Stop System Coupled with Quick Start Features of Gasoline Direct Injection［C］.SAE Paper 2001－01－0545.

［5］ Han Zhiyu，ReitzRD，Clay baker P J，et al.Modeling the Effects of Intake Flow Structures on Fuel／Air Mixing in a Direct－injected Spark－ignition Engine［C］.SAE Paper 961192，1996.

［6］ 王燕军，帅石金，雷小呼，等.汽油高压旋流喷雾的数值模拟和试验研究［J］.汽车工程，2004，26（6）：632－634.

［7］ Han Z，Fan L，Reitz R.Multidimensional Modeling of Spray Atomization and Air－fuel Mixing in a Direct injection Spark－ignition Engine ［C］.SAE Paper 970884，1997.

［8］ 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，2010，16（2）：97－103.

［9］ Michael H Shelby，Brad A VanDerWege，Simone Hochgreb.Early Spray Dvelopment in Gasoline Dieect－Injected Spark Ignition Engines ［C］.SAE Paper 980160，1998.