同向剪切气流对GDI 发动机燃烧室壁面油膜的影响

刘伍权，吴子尧，赫扎特，薛 云，胡顺堂，宋金瓯

(1.军事交通学院 军用车辆系，天津300161;2.天津大学 内燃机燃烧学国家重点实验室，天津300072)

一般情况，GDI 发动机在部分负荷采用分层 混合气，分层混合气有3 种形成模式:①壁面导流(wall-guided)模式，在这种模式下，燃油一般喷向活塞顶部具有特定形状的凹坑，并利用凹坑表面反射、导流作用，在火花塞附近形成可燃的分层稀薄混合气;②气流引导(flow or air-guided)模式;③喷注引导(spray-guided)模式。目前，GDI 发动机多使用模式①。在模式①的情况下，由于燃油喷雾与活塞表面直接作用，不可避免要在活塞头部表面形成油膜，影响发动机的燃烧与排放。Karlson 等［1］认为，采用分层混合气工作时，GDI 发动机有1% ～4%的燃油要以油膜的形式附于活塞顶部。实验显示，实际形成的油膜量还要多。Draker 等［2］的研究结果显示，对于高压涡旋喷油器而言，每循环的油膜量对汽油来说占总喷油量的1%，对辛烷来说则为0.1%。在分层燃烧模式下，一般认为GDI 发动机的HC 排放来自2 个方面［1］:分层混合气形成的HC 排放和壁面油膜所产生的HC 排放。Draker 等［2］的研究结果显示，GDI 发动机的碳烟排放与壁面油膜量呈线性关系，10%的油膜量均形成了碳烟。

研究GDI 发动机中油膜现象用得较多的技术是激光诱导荧光法(laser induced fluorescence，LIF)，实验大都在实际发动机或研究用单缸机上进行［1，3-7］，并取得了一些有意义的成果。Kakuhou 等［5］利用二甲基苯胺(di-methyl-aniline)作为荧光剂，研究了Nissan GDI 光学发动机活塞头部油膜随喷油正时的变化情况;Hochgreb 等［6］在发动机拖动状态下，对充量仅为氮气的活塞头部汽油油膜进行了LIF 可视化研究;Ortmann 等［7］分别对壁面导流模式和喷注引导模式GDI 发动机的汽油油膜进行了LIF 可视化研究;Kull［8］和Cho等［9］还利用LIF 技术对缸壁燃油分别进行了可视化和量化方面的研究;Kim 等［10］利用LIF 技术研究了油束方向对缸壁油膜特性的影响，主要测量了壁面油膜的厚度，并将实验结果用于校正油膜的预测模型;Karlsson 与Heywood［1］利用数值模拟和ICCD 相机研究了喷油器晚喷情况下，具有方形截面活塞的GDI 发动机活塞头部油膜形成情况;Stanglmaier 等［11］在壁面温度和压力可调控的模拟环境中，研究了Leidenfrost 温度对单个油滴和活塞表面相互作用过程的影响情况。

然而，在利用LIF 技术直接对GDI 发动机燃烧室壁面油膜进行实验研究方面仍然存在一些难以完全克服的技术障碍。首先，GDI 发动机活塞头部一般具有较为独特的几何形状，平面情况较少见，在采用缸内直接测量的情况下，较难考虑活塞头部独特的几何形状，所以，一般采用的实验方案与GDI 发动机的实际情况仍然相差甚远;其次，在实际发动机中，不论发动机是工作状态还是拖动状态，缸内压力一般变化很大，这将给荧光信号的采集带来一定的困难;再次，无法研究气流运动对油膜形成等方面的影响。为此，本文利用LIF 技术，在GDI 燃烧室模拟装置上研究了同向近壁气流运动对壁面油膜形成及演变过程的影响情况。

1 实验装置与实验方案

1.1 燃烧室模拟装置

图1 为燃烧室模拟装置剖面图。该装置可以实现如下功能:①采用抽吸加导流的方法模拟发动机进气过程中的气流运动，气流运动的方向变化通过改变导流风道来实现，气流运动的强度则通过调整装置真空度来实现;②燃油油束撞击的壁面可以更换;③更换盖板，还可以调节喷油器的布置位置。

图1 燃烧室模拟装置剖面

1.2 实验系统

图2 是光学实验系统简图。在本实验系统中，激光器产生的激光经过扩束、压缩等光学过程之后，在燃烧室模拟装置中形成片状激光，油束、飞溅油滴以及油膜在片状激光的诱导下，发射出荧光。燃油发射荧光的过程则由ICCD 系统记录下来。实验中，图中采集卡和协控单元负责协调喷油器、激光器和ICCD 系统的动作。实验系统中，喷油器为4 孔孔式;壁面材质为透紫外光学玻璃;激光器为DH712218FPI2MAX COMPex 102，功率20 W，波长308 nm;ICCD 相机分辨率为512 ×512;实验用油为异辛烷和3-戊酮的混合物，其中3-戊酮的体积比为20%。异辛烷和3-戊酮的理化性质见表1。

图2 光学实验系统构成示意

表1 实验用油的理化性质

1.3 实验方案

用沿壁面38°切向方向的导向气流来进行模拟。由于该气流方向与沿38°布置的喷油器方向一致，也称为同向剪切气流对喷注撞壁过程中油膜形成与演变过程的影响。分别对气流速度为17.6、24.5、30.5 m/s 情况下的喷注撞壁过程中油膜形成与演变过程进行LIF 观测实验。孔式喷油器侧向布置，油束与水平方向夹角为38°，喷油压力固定在0.4 MPa。环境温度为16 ℃，大气压力为101.325 kPa。

2 实验结果讨论

2.1 油膜区域划分

根据油膜形成特点，喷雾撞壁过程中油膜区域可以划分为2 个:①喷注与壁面直接接触和首次飞溅所形成的油膜区域，称之为一次油膜;②飞溅油滴与一次油膜流动所形成的油膜区域，称之为二次油膜。

2.2 静态喷射条件下的油膜形成

图3 为静态喷射过程中的油膜形成情况。静态喷射情况下，在垂直于喷注方向的壁面上，燃油油膜呈圆周展开。

图3 静态喷油时的油膜形成情况

可以看出，一次油膜区域随喷油过程逐渐展开，大量燃油集中在喷注撞壁区域。在喷油过程进行到4 ～6 ms 时，一次油膜区域的直径约为撞壁区域的2 倍;在8 ～10 ms 时，一次油膜直径扩大为撞壁区域的2.5 ～3 倍。随着撞壁区域燃油的积累，由于燃油黏滞力与表面张力的作用，喷注撞壁时的反射角逐渐变大。由图3(a)可以看出，在撞壁初始阶段，反射油迹与燃油喷注十分接近，夹角非常小;随着喷油过程的进行，反射油迹与燃油喷注之间的夹角逐渐变大。这一现象说明在现有喷油条件下，燃油在撞壁区域积累明显。另外，随喷油过程的进行，二次油膜也呈轻微增加趋势。

2.3 静态喷射条件下的油膜演变

图4 为静态喷射条件下，壁面油膜的演变情况。

图4 静态喷油结束后的油膜演变情况

可以看出，一次油膜随喷油过程结束迅速减少，在喷油过程结束4 ms 以后，一次油膜区域的油膜量已经很少，从图片上已难以发现。这是因为，一次油膜区域处于燃油喷注的直接作用区，附于壁面的燃油在后来喷注的作用下经历二次转移，溅于壁面其他地方。二次油膜随喷油过程的结束呈较慢速度弥散。这是由于二次油膜主要由能量较低的一次油膜流动和飞溅油滴形成，喷油过程结束以后，附于壁面的油膜弥散主要依赖于蒸发过程，所以二次油膜弥散较慢。从图4 可以看出，二次油膜在喷油过程结束10 ms 以后依然明显存在。

2.4 同向剪切气流作用下的油膜形成

图5、图6、图7 为流速分别为17. 6、24. 5、30.5 m/s 三种同向剪切气流作用下壁面油膜的形成过程。

图5 同向剪切气流(17.6 m/s)作用下油膜形成过程

图6 同向剪切气流(24.5 m/s)作用下油膜形成过程

可以看出，在同向剪切气流作用下，一次油膜向气流下游方向蔓延，随着气流运动的增强，一次油膜向下游蔓延越来越显著。一次油膜量呈累积、增加趋势。在同向剪切气流作用下，二次油膜的形成受到抑制，并且随气流运动的增强，抑制效果越明显。这主要是由于气流运动对一次油膜的流动起到了阻碍作用。与静态喷射相比，一次油膜区域的燃油附壁明显减少，减少幅度随气流运动增强而增加。

喷油过程进行到一定时刻，壁面油膜将维持相对稳定，可以称之为平衡状态，此时，壁面油膜中的燃油量将不再累积。由此，可以简单计算油膜沉积量的多少。主要影响因素有喷油压力、燃油表面张力、燃油对壁面的亲和力等。

图7 同向剪切气流(30.5m/s)作用下油膜形成过程

2.5 同向剪切气流作用下的油膜演变

图8 为同向剪切气流作用下壁面油膜的演变过程。

图8 同向剪切气流作用下油膜演变过程

可以看出，在不同气流运动条件下，油膜达到平衡的时间是有所区别的。一次油膜随气流运动的增强，弥散速度增加，当气流速度达到30.5 m/s 时，一次油膜在壁面的保存时间少于4 ms。二次油膜在气流运动达到30.5 m/s 时，得到有效抑制，喷油过程结束时，二次油膜存量很少。与静态喷射相比，同向剪切气流运动可以促进二次油膜的弥散，但是二次油膜在壁面的保存时间依然在10 ms 以上。这说明同向剪切气流可以减少壁面油膜的形成，并且气流运动越强，油膜弥散越明显。

3 数值模拟

由于壁面油膜形成与演变过程在量化及全景观察方面依然存在困难，本文利用KIVA 程序针对喷油方向、气流运动形式、燃烧室环境(温度和压力)、喷油压力等壁面油膜的形成与演变过程进行了数值模拟计算。

3.1 计算方法

3.1.1 模型建立

利用Autocad 2004 建立几何模型，利用kiva3中的k3prep 前处理器输入几何模型中的坐标，生成网格。生成网格后导入kiva3 求解器中，在itape5 中输入边界条件及其他计算参数进行计算，后处理通过FIELDVIEW 软件进行。所生成的三维网格如图9 所示，网格总数为30 014，节点数为32 884。

图9 燃烧室模拟装置三维网格视图

燃油从喷嘴中喷出后，经过了油束雾化、油滴破碎、油滴间碰撞与聚合、燃油撞壁及燃油蒸发等复杂的物理过程。在数值模拟中，认为气体充量的流动状态为可压缩的黏性湍流运动，湍流模型选用传统k-ε 模型;喷雾破碎模型采用考虑液滴聚合的KHRT 模型。

3.1.2 计算参数及工况设定

初始参数见表2。计算共分3 个气流强度，真空度分别为2、4、6 kPa，对应气流速度分别为17.6、24.5、30.5 m/s;喷油器位置为与水平方向成38°;气流运动方式为静止气流和同向剪切气流，也称为逆向滚流(图9 中逆时针方向)。主要计算油膜形成与演变过程中壁面油膜平均厚度、油膜区域面积、油膜残存百分数等参数的时间历程特性。

表2 初始参数设置

计算过程中取真空度为初始条件，将喷油时刻定于装置内气流运动开始稳定时。图10 为其中一个工况下装置内气流动量和动能的时间特性，其他工况类似。可以看出，气流在0.06 s 附近趋于稳定，故选择0.06 s 处为喷油始点，计算时间步长最大值为1.0e-5 s。

图10 装置内的瞬态气流运动特性

3.2 计算结果

本次计算静止气流和同向剪切气流2 种气流运动方式，同向剪切气流又分3 个流速，所以一共有4 种情况。图11 为静态喷射条件下油膜平均厚度、油膜区域面积和油膜残存百分数的时间历程特性。

图11 静态喷射条件下的壁面油膜特性

可以看出，在喷油过程结束以前(0. 06 ～0.08 s)，油膜平均厚度及油膜面积均随喷油过程的进行而增加。喷油过程结束(0.08 ～0.12 s)以后，油膜厚度、油膜区域面积以及油膜残存百分数变化均不大。这是因为，静态喷射条件下，喷注撞壁所形成的壁面油膜只能依靠自然蒸发实现壁面油膜的弥散，所以壁面油膜的弥散过程较慢。

图12 为17.6 m/s 同向剪切气流作用下的壁面油膜特性。可以看出，在燃油喷射阶段壁面油膜平均厚度和油膜残存百分数存在明显的波动现象。在喷油过程的早期阶段，壁面油膜呈现显著累积现象，油膜厚度和残存百分数均增加;在喷油过程的中间阶段，由于燃油喷注对壁面油膜的冲击作用，以及气流运动的输运作用，壁面油膜厚度以及油膜残存百分数呈现下降趋势;但是随着飞溅油滴的二次附壁，以及气流运动对大油滴的输运作用减弱，壁面油膜厚度和油膜残存百分数又显著增加。随着喷油过程的结束，壁面油膜平均厚度和油膜残存百分数迅速减少，这说明气流运动对壁面油膜的弥散作用是显著的。

图13、图14 为24.5 m/s 和30.5 m/s 同向剪切气流作用下壁面油膜特性。可以看出，与17.6 m/s 同向剪切气流相比，气流运动增强以后，燃油喷射阶段壁面油膜平均厚度和油膜残存百分数波动幅度增加，同时形成阶段的油膜厚度和油膜残存百分数减少。另一方面，喷油过程结束以后，在较强气流运动的作用下，油膜厚度和油膜残存百分数下降幅度也增加。以上说明，同向剪切气流可以有效减少壁面油膜的形成，亦可有效促进壁面油膜的弥散。

图12 17.6 m/s 同向剪切气流作用下的壁面油膜特性

图13 24.5 m/s 同向剪切气流作用下的壁面油膜特性

图14 30.5 m/s 同向剪切气流作用下的壁面油膜特性

4 结 论

(1)静态喷油条件下，壁面油膜厚度、油膜残存百分数随喷油过程的进行不断累积，并且喷油过程结束后，燃油自然蒸发对壁面油膜的弥散作用有限。

(2)引入同向剪切气流后，38°侧向喷油时壁面油膜厚度、油膜残存百分数随喷油过程的进行有明显的波动现象，但是壁面油膜厚度、油膜残存百分数的最大值与静态喷射相比均呈减少趋势，并且随气流强度的增加，壁面油膜形成量减少幅度增加。在喷油过程结束以后，壁面油膜在气流运动的输运作用下迅速减少，说明同向剪切气流对减少油膜形成、促进油膜弥散具有重要的作用。

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