PFI汽油机混合气形成的三维数值模拟

【２】Ｊｉｒｏ Ｓｅｎｄａ，Ｍａｓａｎｏｒｉ Ｏｂｎｉｓｈｉ，Ｔｏｍｏｈａｓｈｉ Ｔｓｋａｈａｓｈｉ． Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｆｕｅｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｎ Ｆｉｒｓｔ Ｃｙｃｌｅ Ｆｕｅｌ Ｄｅｌｉｖｅｒｙ ｉｎ ａ ＳＩ Ｅｎｇｉｎｅ．ＳＡＥ，１９９９—０ｌ一０７９８．１９９９，
［３】Ｃ．Ｂｒｅｈｍ，Ｊ．Ｈ．Ｗｈｉｔｅｌａｗ．Ａｉｒ ａｎｄ Ｆｕｅｌ
４喷射方向的影响
由于进气门开时喷射，喷雾直接进入缸内， 喷射路径对缸内混合气浓度分布会有很大对影 响。模拟了ＯＶＩ时五种不同喷油方案，喷射方向 分别为Ｆ向、Ｎ向、Ｉ向、Ｏ向和Ｃ向，见图７。
Ｆ
Ｏ
图７进气道各喷射方向空间位置示意
燃空当量比分布情况如图８。其中，各图的标尺均 取为Ｏ～２。
Ｉ向
ｃ向
Ｏ向
图８ ｏｖＩ的５种喷射方向下进气结束时刻的
（ｄ） 图６ ＯＶｌ和ＣＶＩ两种喷油时刻的燃空当量比
（ａ）１００℃＾：（ｂ）３５３＂ＣＡ（ｃ）５００＂ＣＡ （ｄ）５７５＂ＣＡ（气缸中心平面）
哈尔滨．２００６年９月
中国内燃机学会第四届青年学术年会论文集
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从图６（ａ）一（ｄ）的两种喷油时刻方案的比 较中可以看出：
（１）对进气门开时喷射的混合气形成过程， 由于喷射方向指向气阀中心，喷雾主要碰到阀背 和阀杆上，也有部分喷雾碰到两进气道叉口处的 壁面上。在这些位置近壁区域，由于碰壁的飞溅 和蒸发作用，迅速形成浓混合气。随着进气流的 卷带，大量液滴直接进入缸内，碰在排气阀侧的 气缸壁面和活塞顶面。并形成油膜。而缸内这些 位置的油膜，正是未燃Ｈｃ排放的重要来源。
表１模型设置 模型选择
Ｄｕｋｏｗｉｃｚ模型 ＴＡＢ模型 Ｓｃｈｍｉｄｔ模型 Ｍｕｎｄｏ Ｓｏｍｍｅｒｆｅｌｄ模型
下文节选了液滴蒸发模型和油膜蒸发模型的 试验验证。
１．１液滴蒸发模型
依据液滴温度均匀一致性的假设．液滴温度 的变化率由能量平衡方程确定，即导入液滴的能 量，或者用来加热液滴，或者用来提供热量进行 蒸发。
３）ＯＶＩ时，燃油喷射得越远，在气流的运动 下，当量比分布越不均匀，浓区位置越往进气门 侧移动，浓区面积也会越丈。ＯＶＩ时指向气阀近 外之间的相位位置可以获得比较好的排放性能。
参考文献
【Ｉ】Ｌａｎｇ Ｋｅｖｉｎ Ｒ，Ｗａｉ Ｋ．Ｃｈｃｎｇ．Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｆｕｅｌ
Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｎ Ｆｉｒｓｔ Ｃｙｃｌｅ Ｆｕｅｌ Ｄｅｌｉｖｅｒｙ ｉｎ ａ ＳＩ Ｅｎｇｉｎｅ．ＳＡＥ，２００４—０１—３０５７，２００４．
哈尔滨。２００６年９月
中国内燃机学会第四届青年学术年会论文集
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体中蒸发。因此，气相流是一种两单元系统，即 蒸汽和无凝结气体．但每种单元可以由不同成分
混合气组成。引入当地表面热流量寸｜和蒸发质量
通量ｋ，依据液滴表面均匀一致性假设，质量通
量控制方程可以表示为：
盟：Ｏ盖
ｄｔ
’吼
于是，液滴的能量方程可以表示为：
近年来，国外在ＰＦＩ汽油机混合气形成 方面的研究主要集中在对喷油时刻．喷射方 向，燃油物性等影响囚索的研究上ｌｌ】。研究手 段往往采用可视化口Ｊ，三维数值模拟ｐ１，或两者 相结合的方法［４１。而国内在汽油机进气道喷 射方面的研究还很少。本文将主要对喷油时 刻对混合气浓度分布的影响进行数值模拟研 究。
在进气门关闭时刻，五种喷射方向的混合气
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宣读论文
５结论
１）进气门关时喷油（ＣＶＩ）燃油先在气道内 形成油膜井缓慢蒸发，再随着气流进入缸内，与 喷雾直接进入缸内的进气门关时喷（ＯＶＩ）相比， 更有利于降低冷起动时的ＨＣ排放。
２）在进气门开时喷油（ＯＶＩ）条件下，燃油 射向内外气阀开启缝隙时对喷雾有二次破碎作 用。比射向气阀背面时更能形成均匀的混合气。
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宣读论文
寸为２ ｍｍ，在局部如气门间隙处，网格细化至 ０．２５ｍｍ，见图３ａ。
将计算的基本条件设置列于表２。
工作 条件 边界 条件
初始 条件
喷嘴 设置
表２模型中基本条件的设置
发动机转速 配气相位
进气道入口 其他边界 流体
１５００ ｒ／ｍｉｎ
气阀升程曲线 压力边界（图４）
温度边界 空气
气道内初始温度 缸内初始温度 压力 密度 燃油
∥：一ｆ监±驯堡 Ｌ １一ｃ『 Ｊ印
从式中可以看出．蒸发速率受浓度梯度 （０ｃ／ａｙ），温度（与温度相关的特性参数ｃ．和 Ｄ１，）以及湍流扩散过程（湍流扩散系数Ｄｆ）的影 响。
为了验证油膜蒸发模型，采用定容燃烧弹内 的压力测量试验Ｍ。将压力测量曲线与模拟曲线 相比较。从压力测量曲线可以看出，在喷油的瞬 间，燃烧弹内的压力突降，然后随着汽油的慢慢 蒸发，压力慢慢升高，逐渐稳定在一个更高的压 力值。可以看出，试验曲线与理论预测的变化趋 势一致，而最终的压力上升幅度与理论预测的３１９ Ｐａ也符台的很好。
燃空当量比分布
从图８可以看出： １）Ｎ向、ｃ向和Ｆ向的对比代表了喷射方向 远近的影响。从进气门结束时的气阀平面和中间 平面来看，Ｎ向时缸内整体较为均匀，在活塞顶 面稍浓；Ｃ向时缸内当量比分布不均匀，浓区主 要集中在气缸中下部，另外排气阀下的壁面上还 会形成局部极浓的区域；而Ｆ向时更加不均匀， 浓区收缩在气缸的底部中间，浓区核心依然在底 部壁面，比Ｎ向时左移，面积进一步扩大。综合 上面的分析可以看出，浓区都会分布在底部壁面， 燃油喷射得越远，在气流的运动下，当量比分布 越不均匀，浓区位置越偏左，浓区面积也会越大。 比较这三种喷射方向，Ｎ向时由于当量比分布相 对均匀，较为理想。 ２）Ｉ向、Ｃ向和Ｏ向的对比代表了喷射方向 里外的影响。分析进气门结束时气阀平面和中间 平面的当量比分布，可以看出，Ｉ向时整体缸内偏 稀，在底面和右侧壁面形成小面积的较浓区域， 摄浓的位置出现在靠近排气阀的壁面上，这对控 制排放不利。Ｏ向时前面已有分析，在底部中间 和排气阀下侧形成当量比大于２的浓区。而Ｏ向 时整体相对均匀，没有形成当量比大于１的浓区， 是比较理想的喷射方向。无论是Ｉ向，还是Ｏ向， 在喷雾达到气阀时，气阀已经开启，喷雾主要通 过气阀开启缝隙进入缸内，二次破碎对其混合气 形成起了有利的作用，使得两者的当量比分布都 比Ｃ向直接射向气阀要好。
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宣读论文
ＰＦＩ汽油机混合气形成的三维数值模拟
汪淼，王志，帅石金，王建昕 （清华大学汽车工程系汽车安全与节能国家重点实验室，北京１０００８４）
摘要：进气道喷射（ＰＦＩ）汽油机混合气形成对动力性、经济性和冷起动排放性能有重要影响。本文在验证油 膜蒸发模型和喷雾蒸发模型的基础上，建立了实际发动机进气系统的流动和喷雾模型，对混合气形成过程进 行三维模拟，并对喷油时刻进行了研究。模拟结果表明，进气门关时喷油（ＣＶＩ）方案比进气门开时喷油（ＯＶＩ） 方案缸内混合气浓度更均匀，对降低冷起动未燃ＨＣ排放有利。ＯＶｌ方案喷向近外４５。方向可以获得较均匀 的混合气；ＣＶＩ方案中喷向气道壁比喷向气阀背更有利于形成均匀混合气，并可以提高进气量。研究工作为 深入了解ＰＦＩ汽油机喷雾碰壁过程，优化其混合气形成过程，进行进气道喷射系统的优化设计提供依据。＋ 关键词：进气道喷射；汽油机；混合气形成；数值模拟
２００４，Ｖ０１．１２６：６３５－６４４．
２９３．１５Ｋ ３３３１５Ｋ １０７５１５ Ｐａ １．１９ ｋｇ／ｍ３
汽油
喷油持续期 出口速度 喷孔直径 喷孔锥角
１０ｆｉｔｓ ２３ｍ／ｓ ０．０００ ３０７ｍ
护
１２
＾
ｌ８
封 索
器一
ｊ封
Ｏ
曲轴转角（。）
图５两种喷油时刻示意图
两种喷油时刻条件下的混合气形成过程相比 较如图６所示。
至
ｉ
出
曲轴转角ｎ
图４入口压力边界条件
计算整个循环，０＂ＣＡ到７２０＂ＣＡ。在计算的 初始２０＂ＣＡ和气门间隙较小的进气上止点处前后 １５＂ＣＡ采用０．１＂ＣＡ的时间步长，其他时刻则选 择０．５＂ＣＡ的时间步长。计算机（ＣＰＵ ３．６ Ｏｎｚ） 求解一个工况约耗时７２小时。
３喷油时刻的影响
为了研究喷油时刻的影响，分别模拟进气门 关时喷油（ＣＶＩ）和进气门开时喷油（ＯＶＩ）两种 不同的喷油时刻条件。其中，ＣＶＩ时设置在压缩 上止点时喷油，ＯＶＩ设置在进气上止点喷油，如 图５所示。喷射方向均是指向气阀背面中心 处。
Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｉｎｔａｋｅ Ｐｏｒｔ ｏｆ ａ ＳＩ Ｅｎｇｉｎｅ． ＳＡＥ，１９９９—０１一１４９１，１９９９．
［４】Ｙａｎｇｂｉｎｇ Ｚｅｎｇ·Ｃ．Ｆ．Ｌｅｅ．Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ａｉ＃Ｆｕｅｌ Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ Ｐｒ ℃ａｓｓ ｉｎ ａ Ｐｏｒｔ－Ｉｎｊｃｏｔｅｄ Ｓｐａｒｋ－ｌｇｎｉｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅ Ｄｕｒｉｎｇ Ｃｏｌｄ—Ｓｔａｒｔｉｎｇ Ｐｈａｓｅ． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｆｏｒ Ｇａｓ Ｔｕｒｂｉｎｅｓ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ．
ｍｄｃｐｄ鲁＝∞“扫
喷雾蒸发模型采用单液滴蒸发试验１５］的试验 来验证。计算时采用建立特定的试验条件下：喷 嘴出口的异辛烷粒子直径蕊＝０．２１６ｌｌｌｍ，出口速度 为ｕ＝６．７７ ｍ／ｓ，环境压力０．３ ＭＰａ，环境温度为
３７３Ｋ。
２
：㈣
■
Ｔ㈦ 图Ｉ蒸发速率的模拟值与试验值的对比
１．２油膜蒸发模型
油膜的蒸发模型，假设油膜总是处于平衡状 态，即物理和热力学性质一直处于平衡状态，没 有过热液体模型。在油膜表面采用饱和条件。蒸 发从机理上可以用Ｆｉｃｋ的扩散定律来描述。
（３）比较相同喷射方向的ＯＶＩ和ＣＶＩ两种 喷油时刻。ＯＶＩ由于缸内进气量较大，缸内整体 相对较稀。但是缸内混合气并不均匀，气缸壁面 和排气阀侧壁面存在局部浓区。其中，排气阀下 缸壁油膜是未燃ＨＣ的主要来源。而ＣＶＩ则在进 气阀下面形成浓区，对排放性能的影响相对排气 阀侧的浓区要小一些。综合上面的比较，动力性 和发动机瞬态响应是ＯＶＩ方案较好，而冷起动排 放则是ＣＶＩ方案较好。
％％鲁＝Ｌ訾＋。
从气流到液滴表面的对流热通量Ｑ为：
口＝口＾（Ｌ—Ｌ）
其中口是通过液滴周围膜（没有传质）的对流传 热系数，４是液滴表面积。
Ｄｕｋｏｗｉｅｚ蒸发模型，认为液滴是在无凝结气
作者简介；汪淼（１９８２一），女，硕士研究生，研究方向为汽油机喷雾碰壁及混合气形成。 Ｅ－ｍａｉｈ ｗａｎｇｚｈｉ＠ｍａｉｌ．ｔｓｉｎｇｈｕａ．ｅｄｕ．ｃｎ
（２）进气门关时喷射。喷雾也是指向气阀中 心。首先在气阀背面和阀杆形成油膜。经过缓慢 蒸发，在气道喉口内形成大量浓混合气。进气阀 刚开启，缸内即充满浓混合气，局部当量比达到 了３０以上。浓混合气团一边逐渐变稀，一边随气 流移动。先移到缸内排气侧，后运动到活塞顶， 然后又向上运动，达到进气阀附近。到了进气结 束时刻，气阀下形成局部浓区，整体比较均匀， 大部分区域当量比在１左右。
常规进气道喷射式汽油机中燃油喷射压力 只有２５０～３００ ｋＰａ，很难实现燃油的快速雾化和 蒸发，同时伴随着进气管内壁或进气门阀背的 碰壁现象。由于壁面温度比较低，无法传给燃 油液滴足够的热量蒸发，所以碰壁后燃油液滴 会在壁面上形成油膜。而且，较低壁温下油膜 蒸发缓慢，只有部分进入本次循环，大部分会 积累到接下来的多个循环中。尤其冷起动工况， 低压喷雾雾化和壁面油膜的流动，使得燃烧室 内的混合气并不均匀，在燃烧室表面和缝隙处 会残存高浓度的ＨＣ，造成大量未燃ＨＣ的排出。 排放法规测试结果表明，７０％以上的ＨＣ排放来 白发动机冷起动过程，因此为了降低各种工况下 的Ｈｃ排放以满足更严格的法规要求，必须对进 气道喷射的喷雾和混合气形成过程进行深入的研 究。
时阿艟 图２压力模拟曲线与测量曲线的比较
２三维建模 基于一台实际四气门ＰＦＩ汽油机的进气道进
行三维建模。由于排气过程不是本文研究的重点， 仅将进气道和气缸作为研究对象。利用ＦＩＲＥ软件 生成整个混合气形成过程的三维动网格，如图３ 所示。移动网格规模达３５．４万，全局网格单元尺
（ｂ） 图３带进气道的移动网格 （Ｂ）气阀间隙处的网格局部细化；（ｂ）进气一气缸网格
１模型设置与验证
为了进行基ห้องสมุดไป่ตู้进气道动网格的数值计算，准确 模拟实际发动机进气过程中的混合气形成，必须
验证其中的喷雾相关模型。主要包括蒸发模型、 破碎模型、粒子碰撞聚合模型、喷雾碰壁模型、 油膜蒸发模型、油膜剥离模型和湍流扩散模型等。 模型设置见表１。
模型类型 液滴蒸发 液滴破碎 粒子碰撞聚合 喷雾碰壁