PFI汽油機混合氣形成的三維數(shù)值模擬 - 圖文-

1、 哈爾濱。2006年9月中國內(nèi)燃機學會第四屆青年學術年會論文集189體中蒸發(fā)。因此,氣相流是一種兩單元系統(tǒng),即蒸汽和無凝結氣體.但每種單元可以由不同成分混合氣組成。引入當?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,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15的試驗來驗證。計算時采用建立特定的試驗條件下: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值的對比1.2油膜蒸發(fā)模型油膜的蒸發(fā)模型,假設油

2、膜總是處于平衡狀態(tài),即物理和熱力學性質(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)從機理上可以用Fick的擴散定律來描述。: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(與溫度相關的特性參數(shù)c.和D1,以及湍流擴散過程(湍流擴散系數(shù)Df的影響。為了驗證油膜蒸發(fā)模型,采用定容燃燒彈內(nèi)的壓力測量試驗M。將壓力測量曲線與模擬曲線相比較。從壓力測量曲線可以看出,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)定在一個更高的壓力值?？梢钥闯?試驗曲線與理論預測的變化趨勢一致,而最終的壓力上升幅度與理論預測的319

3、 Pa也符臺的很好。2:時阿艟圖2壓力模擬曲線與測量曲線的比較2三維建?；谝慌_實際四氣門PFI汽油機的進氣道進行三維建模。由于排氣過程不是本文研究的重點,僅將進氣道和氣缸作為研究對象。利用FIRE軟件生成整個混合氣形成過程的三維動網(wǎng)格,如圖3所示。移動網(wǎng)格規(guī)模達35.4萬,全局網(wǎng)格單元尺(b圖3帶進氣道的移動網(wǎng)格 (B氣閥間隙處的網(wǎng)格局部細化;(b進氣一氣缸網(wǎng)格190宣讀論文寸為2mm,在局部如氣門間隙處,網(wǎng)格細化至0.25mm,見圖3a。將計算的基本條件設置列于表2。表2模型中基本條件的設置工作發(fā)動機轉速1500r/min條件配氣相位氣閥升程曲線邊界進氣道入口壓力邊界(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設置噴孔直徑0.000307m噴孔錐角護至i出曲軸轉角n圖4入口壓力邊界條件計算整個循環(huán),0"CA到720"CA。在計算的初始20"CA和氣門間隙較小的進氣上止點處前后15"CA采用0.1"CA的時間步長,其他時刻則選擇0.5"CA的時間步長。計算機(CPU3.6Onz求解一個工況約耗時72小時。3噴油時刻的影響為了研究噴油時刻的影響,分別模擬進氣門關時噴油(CVI和進氣

5、門開時噴油(OVI兩種不同的噴油時刻條件。其中,CVI時設置在壓縮上止點時噴油,OVI設置在進氣上止點噴油,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曲軸轉角(。圖5兩種噴油時刻示意圖兩種噴油時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兩種噴油時刻的燃空當量比(a100:(b353"CA(c500"CA (d575"CA(氣缸中心平面哈爾濱.2006年9月中國內(nèi)燃機學會第四屆青年學術年會論文集191從圖6(a一(d的兩種噴油時刻方案的比較中可以看出:(1對進氣門開時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。隨著進氣流的卷帶,大量液滴直接進入缸內(nèi),碰在排氣閥側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進氣門關時噴射。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。進氣閥剛開啟,缸內(nèi)即充滿濃混合氣,局部當量比達到了30以上。濃混合氣團一邊逐漸變稀,一邊隨氣流移動。先移到缸內(nèi)排氣側,后運動到活塞頂,然后又向上運動,達到進氣閥附近。到了進氣結束時刻,氣閥下形成局部濃區(qū),整體比較均勻,大部分

7、區(qū)域當量比在1左右。(3比較相同噴射方向的OVI和CVI兩種噴油時刻。OVI由于缸內(nèi)進氣量較大,缸內(nèi)整體相對較稀。但是缸內(nèi)混合氣并不均勻,氣缸壁面和排氣閥側壁面存在局部濃區(qū)。其中,排氣閥下缸壁油膜是未燃HC的主要來源。而CVI則在進氣閥下面形成濃區(qū),對排放性能的影響相對排氣閥側的濃區(qū)要小一些。綜合上面的比較,動力性和發(fā)動機瞬態(tài)響應是OVI方案較好,而冷起動排放則是CVI方案較好。4噴射方向的影響由于進氣門開時噴射,噴霧直接進入缸內(nèi),噴射路徑對缸內(nèi)混合氣濃度分布會有很大對影響。模擬了OVI時五種不同噴油方案,噴射方向分別為F向、N向、I向、O向和C向,見圖7。O圖7進氣道各噴射方向空間位置示意F

8、 在進氣門關閉時刻,五種噴射方向的混合氣燃空當量比分布情況如圖8。其中,各圖的標尺均取為O2。I向c向O向圖8ovI的5種噴射方向下進氣結束時刻的燃空當量比分布從圖8可以看出:1N向、c向和F向的對比代表了噴射方向遠近的影響。從進氣門結束時的氣閥平面和中間平面來看,N向時缸內(nèi)整體較為均勻,在活塞頂面稍濃;C向時缸內(nèi)當量比分布不均勻,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形成局部極濃的區(qū)域;而F向時更加不均勻,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向時左移,面積進一步擴大。綜合上面的分析可以看出,濃區(qū)都會分布在底部壁面,燃油噴射得越遠,在氣流的運動下,當量比分布越不均勻,濃區(qū)位置越偏左,濃區(qū)面積也會越大。比較這三種噴射方向,N向時由于當量比分布相對均勻,較為理想。2I向、C向和O向的對比代表了噴射方向里外的影響。分析進氣門結束時氣閥平面和中間平面的當量比分布,可以看出,I向時整體缸內(nèi)偏稀,在底面和右側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,這對控制排放不利。O向時前面已有分析,在底部中間和排氣閥下側形成當量比大于2的濃區(qū)。而O向時整體相對均勻,沒有形成當量比大于1的濃區(qū),是比較理想的噴射方向。無論是I向,還是O向,在噴霧達到氣閥時,氣閥已經(jīng)開啟,噴霧主要通過氣