喷射角度对GDI混合气形成的影响研究

中北大学机械与动力工程学院 柳青 续彦芳

引言

汽油机缸内直喷（Gasoline Direct Injection，GDI）发动机是近年来国内外内燃机研究的热点。GDI发动机的混合气质量直接影响发动机的燃烧过程，因此会对发动机的动力性、经济性和排放性造成影响。

本文在AVL-FIRE CFD软件的帮助下，模拟某GDI发动机的油气混合过程，研究了喷射角度对缸内直喷汽油机混合气形成的影响，为优化缸内直喷汽油机的喷油参数提供理论参考。

1 发动机的部分参数

为了研究喷射角度对缸内直喷汽油机混合气形成的影响，本文以某型GDI汽油机为研究对象，其具体的参数如表1所示。

表1 汽油机的部分参数

表1 续表1

表1 续表2

2 有限元模型的建立

用Pro/E软件建立三维几何模型，并将其导入AVL-FIRE中的FAME Engine+模块中，自动生成动网格。然后用Hybrid Assistant对模型的网格进行划分从而确定各selection最佳网格尺寸。本文网格的最大尺寸为0.001m，最小网格尺寸为0.00020m。计算时定义进气上止点为0°CA，不涉及排气提前角。下图显示了各典型时刻的计算网格。

图1 各典型时刻计算网格

其中：（a）进气门升程最大位置（100°CAATDC）计算网格数目，346825；（b）进气下止点位置计算网格数目，467186；（c）进排气门同时关闭时刻计算网格数目，425956；（d）靠近于压缩上止点（340°CAATDC）计算网格数目，116100。

3 边界条件的设定

计算时设定的初始条件为表2所示，边界条件为表3所示，而数学模型的选择分别为：湍流模型，标准双方程k-ε湍流模型；液滴蒸发模型，Dukowicz蒸发模型；湍流扩散模型，Enable模型；液滴破碎模型，TA模型；液滴碰壁模型，Walljet1碰壁模型；壁面处理设定为标准壁面函数。

表2 初始条件的参数

表3 温度边界参数

转速为4500r/min时入口边界参数

4 计算结果与分析

GDI发动机对喷射角度的要求很高。易于着火的混合气既需要点火时刻在火花塞附近形成，又要尽量集中在球型燃烧室附近；由于喷射角度不同，燃油可能直接喷到活塞顶或气缸壁上形成油膜湿壁，设计时应尽量避免燃油与活塞顶或气缸壁相碰的情况发生，否则产生积碳使UBHC排放较高并稀释润滑油。喷射角度定义为喷油器与气缸各自中心轴线之间的夹角。

图2、图3和图4分别给出发动机转速为4500r/min，喷油提前角为80°CAATDC，初始涡流比为1.5，喷射角度为60°、45°和30°时混合气在气缸内的分布情况。

从图2、图3和图4中可以看出，燃油顺着气流喷入气缸中形成顺时针的滚流造成燃油在纵向上输运和分布。喷油初期的燃油贯穿距比较短，燃油未及时充分扩散，喷嘴附近存在燃油浓度较高的区域，随着喷油的继续，雾束贯穿距不断增大，30°和45°喷射的雾束受大量顺时针滚流的挤压，雾束末端向进气侧翻折，有少量的燃油与活塞顶面碰撞，60°喷射的雾束受气流经过气门边缘时产生的剪切力的影响，从而带动雾束向排气侧移动过程中在缸底和缸壁产生燃油碰壁，由于燃油碰壁时空间反射不明显而造成雾束直接碰壁使润滑油稀释，应尽量避免这种情况。

图2 喷射角度为60°时缸内混合气的分布状况

图3 喷射角度为45°时缸内混合气的分布状况

图4 喷射角度为30°时缸内混合气的分布状况

当240°CAATDC时，带动燃油移动向进气侧的滚流和气缸壁的共同作用使燃油向上翻转，从而使燃油和空气充分混合，所以30°和45°喷射时进气侧燃油浓度比较高，60°喷油燃油扩散较好。

当340°CAATDC时，30°、45°和60°喷射均明显在喷油嘴下方出现较浓区域。喷射角度为30°时，进气侧的混合气较浓，排气侧的混合气过稀；60°喷射时，混合气总体当量比较大，缸壁处混合气较浓，火花塞附近混合气较稀，设计时应注意不要出现这种情况；45°喷射时，缸内出现最均匀混合气，总体当量与靠近化学当量比为1，因此45°是较合适的喷射角度。

下面是三种喷射角度的气缸内燃油蒸气质量随曲轴转角变化曲线图（图5）。图中显示的三条曲线很相近，燃油蒸发都比较好。靠近点火正时处，45°是最适合于均质燃烧模式的喷射角度。

图5 不同喷油角度下缸内燃油蒸汽的质量

5 结论

在点火正时处，喷射角度为30°、45°和60°均在喷油嘴下方出现混合气较浓的情况，设计时应尽量避免。其中，30°时，进气侧存在较浓混合气，而排气侧存在过稀混合气；60°时，混合气总体当量比较大，然而缸壁处有较浓混合气，火花塞附近有较稀混合气；45°时，缸内混合气比较均匀，适用于GDI的均质燃烧模式。

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