缸内直喷式汽油机喷雾模型的建模和数值模拟
合集下载
305_GDI汽油机喷雾燃烧过程的三维数值模拟_北汽福田_孟云霞等(1)
缸内直喷汽油机喷雾燃烧过程的三维数值模拟孟云霞，刘晓，李丽（北汽福田汽车股份有限公司，北京，102206）[摘要]：本文针对某款缸内直喷汽油发动机GDI（Gasoline Direct Injection），运用三维计算流体力学软件FIRE，建立了带进排气道的三维数值模型，根据实验缸压值，对燃烧模型进行了标定，进而模拟了缸内气体流动、湍流的发展过程；通过对喷雾燃烧的模拟，直观的了解燃料雾化、油气混合和燃烧等过程，初步评机油稀释率，预测点火前缸内环境；初步评估燃烧特性。
计算结果有助于深入理解GDI发动机的缸内工作过程，并为后续研究GDI 燃烧控制策略提供了模拟计算平台。
关键词：汽油机 GDI 滚流比湍流喷雾燃烧主要软件： AVL FIRENumerical Simulation of Mixture Formation and Combustionfor GDIYunxia Meng 1 Xiao Liu2 Li Li 3BEIQI FOTON MOTOR CO.,LTD.&Beijing;[Abstract]A three-dimensional moving mesh with intake and exhaust ports used for gasoline direct injection (GDI) engine was established. The combustion model was validated via pressure measurement. The process of intake, spray, mixed gas formation and combustion was simulated. Oil dilution, combustion characteristic was evaluated preliminary. Calculation result is helpful to understand the GDI engine working process in cylinder, and provides simulation platform for combustion control strategy.Keywords: gasoline direct injection；tumble ratio；spray；combustionSoftware: AVL FIRE0. 概述内燃机燃烧过程的好坏对其动力性、经济型以及排放、震动、噪声等都有重大的影响，合理组织燃烧时气体的流动是优化燃烧的一项主要措施。
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
Ｄ＝Ｂ：ｒ０一一）
（２）
可以通过给出分布参数ｑ和喷雾的ＳＭＤ就可以计
试验发动机的三维模型导出生成的移动网格
如图１所示，哞＝局采ｊ｛Ｉ六面体阿格，近壁区域采ＪＨ 非结构化阿格贴体，网格尺度为２ｍｍ，在进排气ｆ Ｊ 与气门座区域进行局部细化，斟保证网格质量。为
算出液滴初始粒径的Ｒｏｓｉｎ－ＩＬａｍｍｌｅｒ分布。破碎模 型采用Ｗａｖｅ模型”…，该模型基于液体与气体界面
ｏｆＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ Ｅｎｅｒｇｙ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ３－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍｏｖｉｎｇ ｍｅｓｈ ｗｉｔｈ ｉｎｔａｋｅ ａｎｄ ｅｘｈａｕｓｔ ｐｏｒｔｓ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｇａｓｏｌｉｎｅ ｄｉｒｅｃｔ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ（ＧＤＩ）ｅｎｇｉｎｅ ＷａＳ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈｅ ｓｐｒａｙ ａｎｄ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌｓ ｗｅ托ｖａｌｉｄａｔｅｄ ｖｉａ ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ ａ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｂｏｍｂ ａｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｉｎ ａ ＧＤＩ ｅｎｇｉｎｅ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔａｋｅ．ｓｐｒａｙ，ｍｉｘｔｕｒｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｏｆ
Ａ
３Ｄ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ
Ｓｐｒａｙ，Ｍｉｘｔｕｒｅ
ａ
Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ
Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｆｏｒ
ＢＡＩ
ＧＤＩ Ｅｎｇｉｎｅ
Ｙｕｎｌｏｎｇ，ＷＡＮＧ Ｚｈｉ，ＳＨＵＡＩ
Ｓ埘ｉｎ，ＷＡＮＧ Ｊｉａｎｘｉｎ
缸内直喷汽油机的喷雾模拟
１ 动机 ． 虑到稀 燃 Ｎ 处理 器 的费用 及油 ． Ｌ发 ８ 考 Ｏ后 品 等问题 ． 款缸 内直 喷汽油 机采用 的是 均质燃 烧 。 这 选 用 的喷 油器 是 多孔 喷 油 器 ．其 在 １ ａ下 的静 ０ＭＰ
态 流量大 约 和分 析工作 ： 定容 弹或 研 在 光 学 发 动 机 内 利 用 激 光 多 普 勒 （ ｈ ｓ ｏ ｐｅ Ｐ ａｅＤ ｐ ｉｒ Ａ ｅ １ｅ ｙ Ｐ Ａ）方 法 测 量 喷雾 液 滴 的速 度 和 直 ｎｍｏ３ｔ ．Ｄ １ｒ
．
设计 ・ 计算 ・ 研究 ・
缸 内直 喷汽 油 机 的 喷 雾模 拟
陈海娥 宫艳峰 李 伟 李 康 李金成
（ 中国第 一汽 车集 团公 司技 术 中心 ）
【 摘要 】 在定 容弹内测量 了某直列 ４缸均质缸 内直喷汽油机不 同时刻的喷雾油束形状 和喷油器附近位置 的喷雾
液 滴 直 径 及速 度分 布 ， 并在 Ｃ Ｄ模 型 中 进 行 了喷 雾 的 标 定 。分 析 了原 机 缸 内 喷 雾 、 合 情 况 ， 究 了喷 雾 锥 角 、 孔 Ｆ 混 研 喷
Ｃ ｅ ｉ， ｏ ｇＹ ｎｅ ｇ Ｌ ｅ， ｉＫ ｎ ， ｉ ｉｃ ｅ ｇ ｈ ｎ Ｈａｅ Ｇ ｎ ａ ｆｎ ， ｉ ｉＬ ａ ｇ Ｌ ｎ ｈ ｎ Ｗ ｌ
（ ｈｎ ＡＷ ｏ ｐ Ｃ ｒｏａｉｎＲ＆Ｄ Ｃ ｎｅ ） Ｃ ｉａＦ Ｇｒｕ ｏｐ ｒｔ ｏ ｅ ｔｒ
【 ｂｔａｔＴ ｅｓａ ｅｏ ｒｙａｄｄａ ｅｅ ａｄｓｅｄｄｓ ｉｕ ｏ ｆ ｐａ ｒｐ ｔａ ｕ ｄｔｅｉ ｅｔ ｆ ｈ － Ａ ｓ ｃ ］ｈ ｈｐ ｆ ｐａ ｎ ｉ ｔｒ ｎ ｐｅ ｉｒ ｔ ｎｎ ｓｒ ｄｏ ｌ ｒ ｎ ｈ ｎ ｃ ｒ ｅｉ ｒ ｓ ｍ ｔｂ ｉ ｙ ｅ ｏ ｊ ｏｏｔ ｎ
汽油缸内喷射喷雾特性的三维数值模拟
模 拟 ， 究 了 燃 烧 室 压 力 、 雾 液 滴 的 索 特 平 均 直 径 研 喷
的作 用 时间
为：
—ｉ ｍ ｎ
士
式 中 ： １ ０ （ 一 ０ １ ４３ ； 为 湍 流 脉 动 动 能 ； 为 ｃ 一 ． ；’ ． ２ ６ ｅ
湍 流能量 耗 散率 ； “ 为气 体 速度 ； 脉 动速 度 ； 为 “为 液滴 速度 。当计 算步 长大于 ． ． 川 时 液滴 要 经过不止 一
其 经 济 效 益 和 社 会 效 益 巨 大 ， 现 代 汽 油 机 的 前 沿 技 是
是蒸 发过 程 ， 而没有使 用 破碎模 型 ． 接给 出 了液滴 因 直 的粒径 分 布 ． 粒径 分布 为 Ｒ ｓ — ａ ｏ ｉ Ｒ ｍｍｌ ｎ ｅ ｒ分布 。
１ １ 蒸 发 方 程 ．
热 ， 交 换 过 程 的 计 算 是 根 据 Ｄ ｋ ｗｉ 质 ｕｏ ｃ ｚ所 开 发
摘 要 ： 三 维 计 算 流 体 力学 软 件 模 拟 了 汽 油 缸 内喷 射 的静 态 喷 雾 特 性 ． 究 了燃 烧 室 压 力 、 始 液 滴 直 用 研 初 径 和 喷 雾 锥 角 对 喷 雾 特 性 的影 响 ． 与 试 验 结 果 进 行 了 比较 研 究 结果 表 明 ： 烧 室 压 力、 始液 滴 直 径 并 燃 初
品 化 的 ＧＤ 发 动 机 之 后 ， 研 究 机 构 和 公 司也 纷 纷 投 Ｉ 各 入 大 量 的 人 力 、 力 和 财 力 开 展 这 一 领 域 的 研 究 开 发 物
工作 。 管缸 内喷射 汽油机有 着诱 人 的前景 ． 在实现 尽 但 技 术 上 仍存 在不 少难 点 ， 中如何 在 各种 工 况下 精 确 其 地 控 制 燃油 的 喷雾特 陛． 与空 气 混 合形 成 火 花 塞 附 并 近的 可燃 混 合气是 ＧＤＩ 的关键技 术 。 管多 年来 人们 尽
的作 用 时间
为：
—ｉ ｍ ｎ
士
式 中 ： １ ０ （ 一 ０ １ ４３ ； 为 湍 流 脉 动 动 能 ； 为 ｃ 一 ． ；’ ． ２ ６ ｅ
湍 流能量 耗 散率 ； “ 为气 体 速度 ； 脉 动速 度 ； 为 “为 液滴 速度 。当计 算步 长大于 ． ． 川 时 液滴 要 经过不止 一
其 经 济 效 益 和 社 会 效 益 巨 大 ， 现 代 汽 油 机 的 前 沿 技 是
是蒸 发过 程 ， 而没有使 用 破碎模 型 ． 接给 出 了液滴 因 直 的粒径 分 布 ． 粒径 分布 为 Ｒ ｓ — ａ ｏ ｉ Ｒ ｍｍｌ ｎ ｅ ｒ分布 。
１ １ 蒸 发 方 程 ．
热 ， 交 换 过 程 的 计 算 是 根 据 Ｄ ｋ ｗｉ 质 ｕｏ ｃ ｚ所 开 发
摘 要 ： 三 维 计 算 流 体 力学 软 件 模 拟 了 汽 油 缸 内喷 射 的静 态 喷 雾 特 性 ． 究 了燃 烧 室 压 力 、 始 液 滴 直 用 研 初 径 和 喷 雾 锥 角 对 喷 雾 特 性 的影 响 ． 与 试 验 结 果 进 行 了 比较 研 究 结果 表 明 ： 烧 室 压 力、 始液 滴 直 径 并 燃 初
品 化 的 ＧＤ 发 动 机 之 后 ， 研 究 机 构 和 公 司也 纷 纷 投 Ｉ 各 入 大 量 的 人 力 、 力 和 财 力 开 展 这 一 领 域 的 研 究 开 发 物
工作 。 管缸 内喷射 汽油机有 着诱 人 的前景 ． 在实现 尽 但 技 术 上 仍存 在不 少难 点 ， 中如何 在 各种 工 况下 精 确 其 地 控 制 燃油 的 喷雾特 陛． 与空 气 混 合形 成 火 花 塞 附 并 近的 可燃 混 合气是 ＧＤＩ 的关键技 术 。 管多 年来 人们 尽
直喷汽油机燃烧系统开发中的喷雾激光诊断技术
第一作者 ／ ｉ ｔ ｕｈ ｒ 张玉银 ／ Ｈ Ｎ ｕ ｉ （ ９ ２ ） 男 （ ） 安徽 ． Ｆｒ ｔ ｏ ： ｓａ Ｚ Ａ Ｇ Ｙ ｙ １６一 ， 汉 ， ｎ 教授 。Ｅｍａ ： ｕ ｉｚ ａ ｇ ｊ ・ ｕ ｎ － ｉ ｙ ｙｒ ｈｎ ＠ｓ ｕ ｄ － ｌ ｔ ｔｅ ｃ
张玉银，等： 直喷汽油机燃烧系统开发中的喷雾激光诊断技术
中图分类 号 ：Ｕ ４ ４２ ６．
Ｌ ｒｄａ ｎ ｓｉｓ ｏ ｒ ｙｏ ａ ｋ‘ｎｔ ｎｄ ｒ ｃ ｊｃｉｎ ａ ｅ ｉ￣ ｏ；ｃ ｒｓ ａ ｆ ｐ ｒ ｉ ｏ ｉｅ ｔｎ ：ｏ ｓ ｇ ｔ ｆ ￣ Ｉ ｐ ｏ Ｏ ｓ ｋｌ ｌ Ｉ ￣ ｉ ｌ ￣ ｍ ｌ 。． ｔ Ｉ ｅ （Ｉ Ｉ ｃｍｂ ｓｉｎｓｓ ｍ ＳＤ ） ｏ ｕｔ ｔ ｏ ｙｅ
指导 、验证 和促 进的过程，利用激光诊 断可以对 Ｃ Ｄ Ｆ
计算 的准确性 进行确认 ，而 Ｃ Ｄ的结果又可以指导激 Ｆ
光诊 断。在 利用数值模 拟计算确认 燃烧系统后 ，则 可
以根据 优化 后 的结果 制造样 机，并在 台架上面进行多 次反复的实验 。 数值模 拟在直喷发 动机开发 中的广泛运用 ，极大
诊断可实现 对燃油雾化与蒸发 过程进行可视化 以及定 量测量，为数值计算和建模提 供实验验 证进而提高模 拟仿真的精 确性，还为缸 内混合气 形成 过程及燃烧诊 断提供 直观 的物理描 述和解 释，其重 要性 不言而 喻。
喷雾 的性能直 接关系到缸 内燃油分布，从 而决定燃烧
收稿日期 ／ ｃ ｉｅ Ｒｅ ｅｖ ｄ：２ １—１０ ０１１—４ 基金项 目 ／ ｐ ｒ ｄｂ 清华大学汽车安全与节能国家重点实验室开放基金 （ Ｆ ｌｌ ） Ｓ ｏｔ ｙ： ｅ Ｋ ｌｌ１
行对 比实现对 Ｃ Ｄ 中的喷雾模 型的验 证和标 定。由于 Ｆ 对喷 雾的激光 诊断工作大多 数和激光诊 断是两个相互
基于缸内流动喷雾燃烧CFD仿真的直喷汽油机燃烧系统优化设计
基于缸 内流动 喷雾燃烧 ＣＦ Ｄ仿真 的
直 喷汽油机燃烧 系统优化 设计
叶伊苏 ，王伟 民 ，黎华平 （ 尔 汽 车公 ｝ ｊ Ｊ 技术 中心 ，武汉４ ３ ０ ０ ５ ８） 摘 要 ：对一款 １ ． ０ Ｌ一 缸增 Ｋ 直喷汽 油机 ，建立 了燃烧 系统 Ｃ Ｆ Ｄ 仿真模 ．并 弹川捕述 Ｊ 换气 、唢油器喷雾特性等边 界条件的设置 。分析 了其额 定功率点下的缸 内瞬态流动 、唢露 、 合气形成以及燃烧过程 。原没计状 态下 ，点火前缸 内湍动能分 布以及燃油浓度分布 够合 ， 火焰传播小对称 ，仔在爆震Ｊ ｘ Ｌ 险 ＝ 通过优化设 计进气道及活塞冠而 ，缸 内滚流运动 埂点 火丽湍 动能提 升 ，燃油浓度 分柿改 善 ，燃烧速度加快 约３ 。ｃ Ａ ，同￣ ， Ｊ Ｌ ｈ于ｔ ． ￣ ｍ ｅ ｇ ａ 涡流降低 ，排气侧 湍 动能改善 ，火焰 均匀传播到气缸 四周。最终 的设计方案下 ，滚 流 、湍动能 、火花塞周 流场 、 湿壁 、燃油浓度分 布以及火焰传播 均能满 足工程 目标 。在 随后 的单缸光学可视 化 发动机 验 Ｉ ＿ Ｉ ，各 Ｉ 况 的混合气形成 、 壁及燃烧均能满足要求
关键词 ：燃烧 系统 ； 滚流 ； 湍动能 ；ｏ ｍ ｅ ｇ ａ 涡流 ；火焰传播
中图分类号 ： １ ＇ Ｋ ４ ６ ４ 文献标识码 ：Ａ 文章 编号 ：１ ０ ０ ５ — ２ ５ ５ ０（ ２ ０ １ ７） ０ ６ 一 （ ） （ ） ０ ２ － ０ ６
Ｏ ｐｔ ｉ ｍｉ ｚ ａｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｃｏ ｍｂ ｕｓ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｓｙ ｓ ｔ ｅ ｍ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｆ ｏ ｒ ａ Ｔ ｕｒ ｂｏ — ｃ ｈａ ｒ ｇ ｅ ｄ ＧＤＩ Ｅｎｇ ｉ ｎｅ Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｉ ｎ－ ｃ ｙ ｌ ｉ ｎｄｅ ｒ Ｆｌ ｏ ｗ ａｎｄ Ｍｉ ｘ ｔ ｕｒ ｅ Ｆｏ ｒ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎｄ Ｃｏｍ ｂｕｓ ｔ ｉ ｏ ｎ ＣＦＤ Ｓｉ ｍ ｕｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
缸内直喷汽油机工作过程的数值模拟
1.1 计算网格 利用AVL-FIRE的FAME Engine Plus模块生成从
进气门开到排气门开启时刻的六面体动网格。本文 计算过程是进气、压缩和做功冲程，没有计算排气 冲程。进气过程网格数70-127万，压缩做功过程网 格数在45万左右。计算网格如图2所示，其中左图为 进气冲程中下止点时刻，网格数为75.4万；右图为压 缩冲程中下止点后60 ºCA时刻，网格数为46.5万。
缸内流场的理想分布对混合气的形成和在燃烧 过程中对加速火焰传播速度、降低爆燃和循环变动 等都十分有利。
2.2 喷雾过程与混合气形成分析 喷雾过程是直喷汽油机工作过程的核心过程之 一，对燃油雾化、蒸发和混合气的形成以及燃烧过 程有至关重要的影响。在高速高负荷工况在进气行 程开始喷油，选用较大的喷油提前角。高转速时， 缸内的气流运动较为强烈，能加速缸内燃油液滴的
2.1 流动分析 汽油机缸内气体流动影响着火以及火焰传播速 度，进而影响发动机的动力性、经济性和排放性能。 通过分析进气过程和缸内流场的变化可以为汽油机 结构的优化提供依据。发动机缸内流场的合理分布 有利于促进缸内混合气的形成和火花塞附近混合气 的着火能力，有助于加快火焰传播速度，缩短燃烧 持续期。 文中的速度场均以速度矢量图表达。由于进排 气道及缸内各区域的气流运动速度大小相差很大， 为表达清晰起见，除局部放大图以外，其他速度矢 量图中的矢量长度均一化，而以颜色表达速度的大 小。
排气道
进气道
图3为通过气门轴线的纵截面截图（如图1中1所 指）从上到下依次为369ºCA（排气门未关）、370ºCA 和372ºCA时刻。369ºCA进气门升程0.17mm，排气门 升程0.11mm，此时刻进排气门升程较小，370ºCA排 气门关闭。在369ºCA时刻由于缸内压力比排气道压 力低，排气倒流，是该阶段决定缸内流场的主要因 素；而缸内压力比进气道压力大，由于压差的作用， 气体从缸内向进气道内倒流，气道内流速不高。随 着活塞下行，进气道压力逐渐高于缸内压力，从 372ºCA开始气流运动方向转为正常，从进气道向缸 内流动。
汽油缸内喷射喷雾特性的三维数值模拟
文章编号:100020909(2002)0320193207200045汽油缸内喷射喷雾特性的三维数值模拟Ξ孙 勇1,帅石金1,王建昕1,首藤登志夫2(1.清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京100084;2.武藏工业大学能源基础工学科,日本东京15828557) 摘要:用三维计算流体力学软件模拟了汽油缸内喷射的静态喷雾特性,研究了燃烧室压力、初始液滴直径和喷雾锥角对喷雾特性的影响,并与试验结果进行了比较。
研究结果表明:燃烧室压力、初始液滴直径和喷雾锥角对喷雾特性有较大影响。
关键词:汽油机;汽油缸内喷射;喷雾特性;三维数值模拟中图分类号:T K411.12 文献标识码:A引言 汽油缸内喷射(GD I)技术在降低汽油机的燃油耗方面较常规进气道喷射(PF I)汽油机有明显的优势,其经济效益和社会效益巨大,是现代汽油机的前沿技术。
尤其是1996年日本三菱公司在世界上最先推出商品化的GD I发动机之后,各研究机构和公司也纷纷投入大量的人力、物力和财力开展这一领域的研究开发工作。
尽管缸内喷射汽油机有着诱人的前景,但在实现技术上仍存在不少难点,其中如何在各种工况下精确地控制燃油的喷雾特性,并与空气混合形成火花塞附近的可燃混合气是GD I的关键技术。
尽管多年来人们对柴油喷雾和汽油进气道喷雾的研究取得了不少成果,但它们与汽油缸内喷射在燃油性质、喷油压力级别(缸内喷射汽油机为4M Pa～13M Pa,进气道喷射汽油机为0.25M Pa～0.45M Pa)、油滴速度和油滴粒度范围等方面都有差别。
因而柴油喷雾和汽油进气道喷雾的经验不能直接应用于缸内喷射汽油机,这就需要对汽油缸内喷射的喷雾特性进行相应的研究。
本文用AVL公司的三维计算流体力学(CFD)软件F I R E对汽油缸内喷射的静态喷雾特性进行了数值模拟,研究了燃烧室压力、喷雾液滴的索特平均直径(S M D)和喷雾锥角等因素对喷雾特性的影响。
1 燃油喷雾模型 燃油喷雾模型建立在离散液滴模型(DDM)之上。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
４ｈ， ＳｐＤ ｌ ｌ ） ｎ ＋ （ Ｂ ｍ
ＰＦ
（ ） ６
氏
．、 ， ！
其中
Ａｄ ｖ ， ｓｃ ＝ ｅＩ ＝ ｇ ｖＩ Ｄ 上 式中， 。 斯 尔丁（ ａ ｉ ） 数； ｈ 舍 Ｂ为 帕 Ｓ ｌ ｎ 传质 Ｓ 为 伍德 （ ｅ ｏ ） Ｒ 为 诺数： ｃ ｐｄｇ Ｓ ｒ ｏ 数： ｅ 雷 ｈｗｄ Ｓ
近些年来， 一方面受能源短缺的困扰， 另一方面发动机电控技术发展迅速， 使得国外对缸 内直喷 （ 工 汽油机的 Ｇ ） Ｄ 研究取得了 突破性的进展。 ９６ 日 菱汽车公司率先推出商用Ｇ工 １９ 年， 本三 Ｄ 发动机， 其燃油经济性较常规进气道汽油机可以 提高 ２％一３％， ０ ０ 动力性提高 １％ ０ 左右｛ 缸 ’ Ｃ 内直喷汽油机在中小负荷采用分层稀薄燃烧混合气， 并要求在点火时刻在火花塞间隙形成可燃混 合气， 因此对喷雾过程在时间和空间上的精确控制提出更高的要求。 喷雾能否形成合理的分层结
缸内直喷式汽油机喷雾模型的建模和数值模拟
王燕军 王建听 帅 石金 首藤登志夫＊
１ 清华大学 汽车工程系，汽车安全与节能国家重点实脸室！
【 摘要】 内直喷式 （： 〕 缸 Ｇ Ｉ 汽油机可以大幅度提 高汽油机的燃油经济性和降低 Ｎ ， Ｏ 本文在 ＫＶ－Ｖ ＩＡ ３ 原代码程序
的基础上建立了Ｇ工 Ｄ 的汽油喷雾和混合气形成的数位模型， 并对不同喷封条件下的汽油伞喷方案进行了数值模拟 和试脸对比． 模拟结果说明： 混合气浓度对Ｋ油蒸发模型物性参数计葬有较大的影响， ． 混合气浓度梯度修正的蒸
ｓ Ａ ｓｒｃ： ｓｌｅ ｅｔ ｃｏ Ｅｇ ｅ ｉｐ ｖ ｔ ｆｅｅｏｏ ｙ ｒｄｃ Ｎ ， ｉｉｎ ａｙＴｈｉ ｂ ｔａｔ ａ ｉ Ｄｒ Ｉｅｔｎ ｉ ｃｎｍ ｒ ｅ ｕｌ ｎｍ ａｄ ｕｅ ｅ ｓｏ ｇ ｔ Ｇ ｏｎ ｉｃ ｎ ｉ ｎ ｎ ａ ｊ ｏ ｈ ｅ ｃ ｎ ｅ Ｏ ｍｓ ｒ ｌ ｅ
２ 铭
构是影响直喷汽油机性能好坏的一个重要因素。 喷雾的形成和发展涉及到较为复杂的两相流问 题， 影响混合气形成过程的因素也较多， 如宏观的气流运动、 微观的湍流扩散特性、 嫩油喷射模 式、 喷雾特性以 及热力条件等等。 尽管多年来对柴油喷雾的 形成和燃烧研究取得了 不少成果， 但 由于柴油和汽油二者在燃油性质、 喷油压力、 喷雾质量和 燃烧室中 所处环境的明显差别， 柴油机 上的经验和理论还不能直接应用在直喷汽油机上。 对汽油喷雾的形成和发展需要进行重新认识 本文通过对原ＫＶ 程序进行改进， ＩＡ 模拟了汽油喷雾的 形成和发展过程， 并与试验结果进行了对
＝０
上面三式中，Ｐ为 相 度 ｗ为 向 体 度 Ｙｉ １） 别 燃 表 蒸 和 境 体 ， 气 密 ； ， 径 气 速 ， （ ，分 为 油 面 气 环 气 ＝ｇ
的质量分数；
：燃 蒸 对 境 体 二 扩 系 人 气 导 系 为油气环气 的元散数 为体热数
Ｋ ＝
产１ １ ．ｅｓ
考虑到烬油蒸气向环境空气单向扩散的特点，在对流条件下可得蒸发常数
ｔｅ ｕ ｔ ｎ ｎｔ ｅｔ ｐ ｄ ｔ ｉｉ ｌ ｅ ｐ ｅｔ ｈ ｓｒ ｈ ｓ ｌ ｏ ｃｎ ｃｒ ｃ ｙ ｉ ｔ ｎ ｉ ｄｖｌ ｍ ｎ ｏ ｔ ｐａ ｉ ａ ｍ ｉ ａ ｏ ｏｒ ｌ ｒ ｃ ｈ ｔ ｅ ｏ ｅ ｅ ａ ｆ ｅ ｙ Ｋ ｙ ｏｄ： ｅｔ ｃｏ， ｏｉ Ｓｒ ， ｅｃｌ ｕ ｔ ｎ ｅｗ ｒｓＤｒ Ｉ ｅｔ ｎＧ ｓｌ ｅ ａ Ｎ ｍ ｒ ａＳｍ ｌｉ ｉｃ ｎ ｉ ｊ ａ ｎ ｐ ｙ ｕ ｉ ｉ ａｏ
Ｗ 表 考 态 的Ｃ． Ｐ 代 参 状 下 ｏａ ・ 或
参考状态的混合气密度用下式来计算：
Ｙｓｒ 一Ｐｓ
Ｐ．＝ ｇ ｃ
十—
Ｙ、 ． ．＿
）
ｌ， （）
文 ： 计 ， ， 为 油 发 处 稳 蒸 阶 ， 且 发 液 温 处 沸 ， 献， 算ｐＤ时 认 汽 蒸 时 于 态 发 段 并 蒸 的 体 度 于 点 ， 在
确 Ｍ 的 考 度即．： 工＿Ｔ，中』 毛 另 燃 表 和 境 体 温 ； 定 ｔ 参 温 ，ｒ 、（一） Ｔ ＿分心 油 面 环 气 的 度 ＝ Ｔ ． ， 为 其 ３ 一 。
其 物 参 如 几・Ｕ 〕 采 参 温 下 经 公 ： 他 性 数〔 Ｄ・ ； Ｉ 均 用 考 度 的 验 式 ，
发模型能更好地模拟汽油的蒸发过程； 通过引入 ＲｓｒＲｍ ｌｒ ｏ ｉ－ａｍｅ 燃油拉子质Ｉ分布和改进的液滴运动胆力模型使 ．
模拟计算结果与高压旋流汽油喷雾的发展的试验结果更加响合；但现有喷雾模型所采用的离散液滴方法 ＩＤ Ｉ ＤＭ
不能很好地预测喷雾发展的初始阶段
关键词： 缸内直接喷射
汽油喷雾
数值模拟
中图分类号： ６ ．３ ． 叮４４１４４
Ｅ ｔｂｉ ｍｅｔ Ｓｍｕａｉ ｏ Ｓ ｒｙ ｄ ｌ ｓ ｌｈ ｎ ａ ｄ ｌ ｏ ｆ ａ Ｍｏ ｅ ａ ｓ ｎ ｉ ｔ ｎ ｐ ｏ Ｇ ｓｌ ｅ ｅｔ ｅｔ ｎ ｇ ｅ ｆ ｏ ｎ ＤｒｃＩｊｃ ｏ Ｅ ｉ ａ ｉ ｉ ｎ ｉ ｎｎ
ＨＵＤ Ｔ ｉ ａ ｏ ＷＡ Ｇ ｎｕ ＷＡ Ｇ ｎ ｎ ＨＵ Ｉ Ｍ Ｏ ｍｔ Ｎ Ｙ ｊｎ Ｎ Ｊａ ｉ Ｓ Ａ ＭＵ Ｓ ａ ｉｄ
（一 ） １Ｙ ＋ ． ｅ ｃ＇ ６ ｎ Ｒｅ ＝２ ０ Ｒ ＇Ｓ ＂
（ ，ｇ Ｙ 一） 二 ，Ｙ， （一 ） ＹＹ
Ｓｈ
ｆ７ ）
为 密 数 △ 为 对 度 ｖ 为 体 动 度 Ｐ为 油 度 施 特 ： “ 相 速 ： 气 运 枯 ： 「燃 密 ・
ＫＶ 原程序在计算燃油蒸气的物性参数时， Ｉ Ａ 取边界层内 靠近液滴表面 １３ 侧 ／ 处的温度作为
Ｖ “ ，， 十 ， ， 几 Ｖ（ ） 珠Ｖ（ ） Ｔ Ｔ
Ｙ二，生 一． ，Ｙ （ Ｙ ＋Ｙ １
Ｙ ＝ 一｝ ｇ １Ｙ ， ｝ ｌ
３ ‘
式 ， 标Ｃ 参 状 ， 标ｓ・ ｉ 别 参 状 下 油 面 气 燃 蒸 质 分 ， 中 下 指 考 态 下 ． Ｙ分 指 考 态 燃 表 和 的 油 气 量 率 ｒ ． ，
比。
１ 计算模型及改进 ．
原ＫＶ程序ｍ 模拟采 散液滴 喷雾 Ｉ Ａ 用离 方法 （Ｄ） 即 续分布的 滴直径用有限 Ｄ ． 把连 Ｍ 油 个名义 滴径来代表， 用具有代表性的统刘样本来模拟真实喷雾粒子在缸内的 运动， 每个样本都代表一定
数目 大小和状态都完全相同的油滴， 用拉格朗日 方式跟踪这些油滴样本的运动， 求解描述其运动 轨迹和蒸发、 传热过程的一组微分方程。 液相对气相的于扰以 附加源项的 形式出 现在描述气相的 偏微分方程中， 交替求解气液两相方程， 求得每一时刻缸内 各组分的浓度分布和其他参数 １１燕发模型的改进 ． Ｋ 程序的 蒸发模型在满足一定假设条件下，认为液滴蒸发遵循如下规律： Ｎ Ａ
则有 ：
（ 珍为Ｌｗｓ ｅｉ 数）
（ １） 二
但在进气行程喷射过程中 Ｍ 朋温度和比刀郁牧１， Ｒ ７ 利用（ ）１苦Ｐ Ｌ 则会有软大的倔爱 － ｝｝ ． ）
上 式 。 ，Ａ， Ａ， 人分 为 验 数 Ｐ为 体 度 三 中 Ａ ，Ａ ，Ａ ， ， ， ， ， 别 经 常 ， ：气 密 ・
原Ｐ，程 Ｔ 序中， 有 燃 蒸 浓度 度对 合气 影响， ｓ ｑ 计 采 参 ｀ Ａ 没 考虑 油 气 梯 混 的 产 ，兄等的 算 用了
考温度下的空气的物性值。 由于柴油的蒸发较慢， 此用上面的 因 经验公式模拟柴油蒸发过程与试 验结果较吻合。 但在汽油喷雾的模拟和试 验对比中 发现， 用上面公式和系数模拟得到的 结果与试 验有较大的差别， 要原因是没有考虑燃油蒸气对混合气物性参数的 其主 影响、 因此， 本文除采用 了 参考温度的 概念外， 还考虑了 燃油浓度及其浓度梯度的 影响， 取边界层内靠近液滴表面侧 １３ ． １ 处的物性值作为参考状态下混合气的物性值来模拟汽油的 蒸发 本文采用文献， 推荐的公式来 ， 中 计算混合气的物性参数：
ｄｚ （）一 ｄ 、 ＝
ｄｔ （ ）
式中，ｄ为液滴直径；Ｋ 为蒸发常数， 是燃料种类和环境状态的函数。 在认为燃油蒸发满足稳 态平衡燕条件下，Ｋ 的求解可由燃油液相和环境气相条件联立求解得出： 液滴液相方程：
ｍ，＝ 一－ ， ， ４ａ ：ｒ Ｃ ｎ（ ｈ Ｐ ｒ 鲁 ｚ Ｔ ， Ｈ
式 。 ，双 ｉ Ｃ＂么 Ｈ分 为 滴 量 温 、 径 定 比 、 发 率 蒸 中 ｍ ・ ｀ 、 ：别 液 质 、 度 半 、 压 热 蒸 速 和 发 ． ．
潜热：ａ为气液两相的 热交换系 数；Ｚ为环 体温 恒 ａ ｝
景８， （２＝ ＰＷ ０ ｒ）
（ 油蒸气成分方程 ｂ １
ｄＺ ｀， ） ｒｐ、ｇ ］ ｝ｓ一 ｝＝ ｒＷ Ｄ （ ０
ｉ）能量守恒 ｓ
景＇ ，Ｔ － ｛Ｂ， ：Ａ ， ｒＷ（ ｓ ｝ ［Ｃ 一 器 Ｐ
ｐｐｒ ｂ ｓｅ ｔ ｇｓｌｅ ａ ａｄ ｘ ｒ ｆ ｍ ｔ ｎ ｄｌｏ ｔ ｂｓ ｏ ｔ ｏｉｎｌ Ａ３ ｃｄ 一 ｈ ａｅ ｅａｌｈｄ ａ ｉ ｓｒ ｎ ｍ ｔｅ ｏ ａｏ ｍ ｅ ｎ ａ ｓ ｈ ｒ ｉ Ｋ Ｖ －Ｖ ｅ ｆ Ｃ ｓ ｉ ｔ ｈ ｅ ｏｎ ｐ ｙ ｉｕ ｒ ｉ ｏ ｓ ｈ ｅ ｉ ｆ ｅ ｇ ａ Ｉ ｏ ＂ｍ ｒｌ ｓｒ ｗ ｓ ｕ ｔ ａｄ ｐｒ ｕｄｒ ｄ ｅ ｎｉｅｔｎ ｄ ｏｓＴ ｅ ｕ ｔｎ ｕｓ ｗ ｔ ｕ ｂ ｌ＂ ａ ａ ｓ ｌｅ ｎ ｃｍ ａｄ ｅｔ ｉ ｒ ｔ ｃｏ ｃｎｉ ｎ． ｓ ｌｉ ｒ ｌ ｓ ｔ ｅａ ｐ ｙ ｉ ａ ｄ ｏ ｅ ｎ ｈ ｆ ｅ ｎ ｉ ｏ ｔ ｍ ｅ ｊ ｉ ｈ ｉ ａｏ ｅ ｔ ｈ ｈ ｍ ｓ ｏ ａ
（ｅａｍ ｎｏ Ａ ｔ ｏ ｖ Ｅ ｇ ｅｒ ｇＳ ｔＫ ｙ ｏ ｔ Ａ ｔ ｏｖ Ｓｆ ａｄ ｒ ， ｇｕ Ｕ ｉ ｒｔ Ｄ ｐｒ ｅｔ ｕ ｍ ｔｅ ｉ ｅｎ， ｅ Ｌｂｒｏ ｏ ｕ ｍ ｔｅ ａ ｔ Ｅ ｅ ｙＴｉ ｈａ ｖ ｓ ） ｔ ｆ ｏ ｉ ｎ ｎ ｉ ｔ ｅ ａ ａ ｒ ｆ ｏ ｉ ａ ｙ ｅ ｎ ｎｇ ｓ ｙ ｎ ｎ ｅｉ ｙ