PFI汽油機(jī)混合氣形成的三維數(shù)值模擬 - 圖文-

1、 哈爾濱。2006年9月中國(guó)內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)第四屆青年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集189體中蒸發(fā)。因此,氣相流是一種兩單元系統(tǒng),即蒸汽和無凝結(jié)氣體.但每種單元可以由不同成分混合氣組成。引入當(dāng)?shù)乇砻鏌崃髁看鐋和蒸發(fā)質(zhì)量通量k,依據(jù)液滴表面均勻一致性假設(shè),質(zhì)量通量控制方程可以表示為:盟:O蓋dt吼于是,液滴的能量方程可以表示為:mdcpd魯=“掃噴霧蒸發(fā)模型采用單液滴蒸發(fā)試驗(yàn)15的試驗(yàn)來驗(yàn)證。計(jì)算時(shí)采用建立特定的試驗(yàn)條件下:噴嘴出口的異辛烷粒子直徑蕊=0.216lllm,出口速度為u=6.77m/s,環(huán)境壓力0.3MPa,環(huán)境溫度為373K。T圖I蒸發(fā)速率的模擬值與試驗(yàn)值的對(duì)比1.2油膜蒸發(fā)模型油膜的蒸發(fā)模型,假設(shè)油

2、膜總是處于平衡狀態(tài),即物理和熱力學(xué)性質(zhì)一直處于平衡狀態(tài),沒有過熱液體模型。在油膜表面采用飽和條件。蒸發(fā)從機(jī)理上可以用Fick的擴(kuò)散定律來描述。:一f監(jiān)±馴堡L1一cJ印從式中可以看出.蒸發(fā)速率受濃度梯度(0c/ay,溫度(與溫度相關(guān)的特性參數(shù)c.和D1,以及湍流擴(kuò)散過程(湍流擴(kuò)散系數(shù)Df的影響。為了驗(yàn)證油膜蒸發(fā)模型,采用定容燃燒彈內(nèi)的壓力測(cè)量試驗(yàn)M。將壓力測(cè)量曲線與模擬曲線相比較。從壓力測(cè)量曲線可以看出,在噴油的瞬間,燃燒彈內(nèi)的壓力突降,然后隨著汽油的慢慢蒸發(fā),壓力慢慢升高,逐漸穩(wěn)定在一個(gè)更高的壓力值?？梢钥闯?試驗(yàn)曲線與理論預(yù)測(cè)的變化趨勢(shì)一致,而最終的壓力上升幅度與理論預(yù)測(cè)的319

3、 Pa也符臺(tái)的很好。2:時(shí)阿艟圖2壓力模擬曲線與測(cè)量曲線的比較2三維建?；谝慌_(tái)實(shí)際四氣門PFI汽油機(jī)的進(jìn)氣道進(jìn)行三維建模。由于排氣過程不是本文研究的重點(diǎn),僅將進(jìn)氣道和氣缸作為研究對(duì)象。利用FIRE軟件生成整個(gè)混合氣形成過程的三維動(dòng)網(wǎng)格,如圖3所示。移動(dòng)網(wǎng)格規(guī)模達(dá)35.4萬,全局網(wǎng)格單元尺(b圖3帶進(jìn)氣道的移動(dòng)網(wǎng)格 (B氣閥間隙處的網(wǎng)格局部細(xì)化;(b進(jìn)氣一氣缸網(wǎng)格190宣讀論文寸為2mm,在局部如氣門間隙處,網(wǎng)格細(xì)化至0.25mm,見圖3a。將計(jì)算的基本條件設(shè)置列于表2。表2模型中基本條件的設(shè)置工作發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1500r/min條件配氣相位氣閥升程曲線邊界進(jìn)氣道入口壓力邊界(圖4條件其他邊界溫度

4、邊界流體空氣氣道內(nèi)初始溫度293.15K初始缸內(nèi)初始溫度33315K條件壓力107515Pa密度1.19kg/m3燃油汽油噴油持續(xù)期10fits噴嘴出口速度23m/s設(shè)置噴孔直徑0.000307m噴孔錐角護(hù)至i出曲軸轉(zhuǎn)角n圖4入口壓力邊界條件計(jì)算整個(gè)循環(huán),0"CA到720"CA。在計(jì)算的初始20"CA和氣門間隙較小的進(jìn)氣上止點(diǎn)處前后15"CA采用0.1"CA的時(shí)間步長(zhǎng),其他時(shí)刻則選擇0.5"CA的時(shí)間步長(zhǎng)。計(jì)算機(jī)(CPU3.6Onz求解一個(gè)工況約耗時(shí)72小時(shí)。3噴油時(shí)刻的影響為了研究噴油時(shí)刻的影響,分別模擬進(jìn)氣門關(guān)時(shí)噴油(CVI和進(jìn)氣

5、門開時(shí)噴油(OVI兩種不同的噴油時(shí)刻條件。其中,CVI時(shí)設(shè)置在壓縮上止點(diǎn)時(shí)噴油,OVI設(shè)置在進(jìn)氣上止點(diǎn)噴油,如圖5所示。噴射方向均是指向氣閥背面中心處。12l8封索器一j封O曲軸轉(zhuǎn)角(。圖5兩種噴油時(shí)刻示意圖兩種噴油時(shí)刻條件下的混合氣形成過程相比較如圖6所示。(d圖6OVl和CVI兩種噴油時(shí)刻的燃空當(dāng)量比(a100:(b353"CA(c500"CA (d575"CA(氣缸中心平面哈爾濱.2006年9月中國(guó)內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)第四屆青年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集191從圖6(a一(d的兩種噴油時(shí)刻方案的比較中可以看出:(1對(duì)進(jìn)氣門開時(shí)噴射的混合氣形成過程,由于噴射方向指向氣閥中心,噴霧主

6、要碰到閥背和閥桿上,也有部分噴霧碰到兩進(jìn)氣道叉口處的壁面上。在這些位置近壁區(qū)域,由于碰壁的飛濺和蒸發(fā)作用,迅速形成濃混合氣。隨著進(jìn)氣流的卷帶,大量液滴直接進(jìn)入缸內(nèi),碰在排氣閥側(cè)的氣缸壁面和活塞頂面。并形成油膜。而缸內(nèi)這些位置的油膜,正是未燃Hc排放的重要來源。(2進(jìn)氣門關(guān)時(shí)噴射。噴霧也是指向氣閥中心。首先在氣閥背面和閥桿形成油膜。經(jīng)過緩慢蒸發(fā),在氣道喉口內(nèi)形成大量濃混合氣。進(jìn)氣閥剛開啟,缸內(nèi)即充滿濃混合氣,局部當(dāng)量比達(dá)到了30以上。濃混合氣團(tuán)一邊逐漸變稀,一邊隨氣流移動(dòng)。先移到缸內(nèi)排氣側(cè),后運(yùn)動(dòng)到活塞頂,然后又向上運(yùn)動(dòng),達(dá)到進(jìn)氣閥附近。到了進(jìn)氣結(jié)束時(shí)刻,氣閥下形成局部濃區(qū),整體比較均勻,大部分

7、區(qū)域當(dāng)量比在1左右。(3比較相同噴射方向的OVI和CVI兩種噴油時(shí)刻。OVI由于缸內(nèi)進(jìn)氣量較大,缸內(nèi)整體相對(duì)較稀。但是缸內(nèi)混合氣并不均勻,氣缸壁面和排氣閥側(cè)壁面存在局部濃區(qū)。其中,排氣閥下缸壁油膜是未燃HC的主要來源。而CVI則在進(jìn)氣閥下面形成濃區(qū),對(duì)排放性能的影響相對(duì)排氣閥側(cè)的濃區(qū)要小一些。綜合上面的比較,動(dòng)力性和發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)是OVI方案較好,而冷起動(dòng)排放則是CVI方案較好。4噴射方向的影響由于進(jìn)氣門開時(shí)噴射,噴霧直接進(jìn)入缸內(nèi),噴射路徑對(duì)缸內(nèi)混合氣濃度分布會(huì)有很大對(duì)影響。模擬了OVI時(shí)五種不同噴油方案,噴射方向分別為F向、N向、I向、O向和C向,見圖7。O圖7進(jìn)氣道各噴射方向空間位置示意F

8、 在進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻,五種噴射方向的混合氣燃空當(dāng)量比分布情況如圖8。其中,各圖的標(biāo)尺均取為O2。I向c向O向圖8ovI的5種噴射方向下進(jìn)氣結(jié)束時(shí)刻的燃空當(dāng)量比分布從圖8可以看出:1N向、c向和F向的對(duì)比代表了噴射方向遠(yuǎn)近的影響。從進(jìn)氣門結(jié)束時(shí)的氣閥平面和中間平面來看,N向時(shí)缸內(nèi)整體較為均勻,在活塞頂面稍濃;C向時(shí)缸內(nèi)當(dāng)量比分布不均勻,濃區(qū)主要集中在氣缸中下部,另外排氣閥下的壁面上還會(huì)形成局部極濃的區(qū)域;而F向時(shí)更加不均勻,濃區(qū)收縮在氣缸的底部中間,濃區(qū)核心依然在底部壁面,比N向時(shí)左移,面積進(jìn)一步擴(kuò)大。綜合上面的分析可以看出,濃區(qū)都會(huì)分布在底部壁面,燃油噴射得越遠(yuǎn),在氣流的運(yùn)動(dòng)下,當(dāng)量比分布越不均勻,濃區(qū)位置越偏左,濃區(qū)面積也會(huì)越大。比較這三種噴射方向,N向時(shí)由于當(dāng)量比分布相對(duì)均勻,較為理想。2I向、C向和O向的對(duì)比代表了噴射方向里外的影響。分析進(jìn)氣門結(jié)束時(shí)氣閥平面和中間平面的當(dāng)量比分布,可以看出,I向時(shí)整體缸內(nèi)偏稀,在底面和右側(cè)壁面形成小面積的較濃區(qū)域,攝濃的位置出現(xiàn)在靠近排氣閥的壁面上,這對(duì)控制排放不利。O向時(shí)前面已有分析,在底部中間和排氣閥下側(cè)形成當(dāng)量比大于2的濃區(qū)。而O向時(shí)整體相對(duì)均勻,沒有形成當(dāng)量比大于1的濃區(qū),是比較理想的噴射方向。無論是I向,還是O向,在噴霧達(dá)到氣閥時(shí),氣閥已經(jīng)開啟,噴霧主要通過氣