某直喷增压汽油机燃烧系统的研究分析

某直喷增压汽油机燃烧系统的研究分析

李晓君

重庆小康动力有限公司，重庆 401147

摘要： 由于直喷增压汽油机具有较高的升功率和升扭矩，在同水平性能输出的情况下可实现排量小型化，降低发动机的泵气损失和摩擦损失，同时具有精准的喷油控制能力，在排放和油耗上有很大的贡献性^[1]。近年来在乘用车上的应用越来越广。为此，在这种高功率密度直喷增压汽油机开发的同时，燃烧系统的开发显得尤其重要，如果燃烧系统设计存在问题，在将来的标定中有可能会影响性能的达标，甚至性能的恶化，极端情况下极容易造成早燃爆震、机油稀释等问题，影响发动机使用的可靠性。

关键词：增压直喷汽油机；缸内流畅分析；机油稀释；高滚流比；高压缩比

1 喷雾模型标定

1.1 计算数据网格化

采用FIRE的Topology建立六面体网格，定容弹网格的尺寸比喷雾范围要大，能够允许喷雾充分发展。为提高计算精度，对主要喷雾区进行了细化。

1.2 喷雾模型校核

表2为六孔喷油器在20MPa喷油压力下的试验和计算喷雾锥角对比。

表1 喷雾模型对比

2 缸内流畅CFD分析

2.1 数据网格化

分析所用数据网格主要包括：进/排气道、进/排气门、燃烧室顶面、火花塞、喷油器、活塞顶面、气缸壁等部分。

2.2 缸内CFD分析

2.2.1 混合气形成与撞壁情况分析

喷孔1、3、5的燃油油束直接撞缸壁，喷孔4燃油油束直接撞活塞顶。喷雾前端在进气滚流的作用下沿燃

烧室壁面顺时针运动。着火前，缸壁和活塞顶上都有液态燃油油膜残余。

表3 1500rpm ，20MPa喷油压力时撞壁油量

从表3看到，1500rpm，20MPa喷油压力时，喷雾贯穿距较大，总撞壁燃油量较，且在高着火前，缸壁和活塞顶上液态燃油残余量较高。

同理，可得到表4，5500rpm，20MPa喷油压力时的油膜蒸发量和点火前的残余量。与低转速相比，喷雾前端在进气滚流的作用下沿燃烧室壁面顺时针运动更加明显，活塞顶燃油撞壁量较少，主要是由于高转速下喷雾过程受气流影响更明显。

表4 5500rpm ，20MPa喷油压力时撞壁油量

2.2.2 当量空燃比情况分析

1）在1500rpm时，喷油压力时混合得更加均匀，油滴粒径更较小，雾化较好。

2）在5500rpm时，着火前，混合气有分层，均匀性较低转速差；火花塞附近为浓混合气，过量空气系数范围约为0.72-0.8。5500rpm工况下湍动能大于1500rpm工况，但混合结果表明1500rpm工况混合气更加均匀，这说明混合时间这一因素对于混合气的发展起到了更关键的作用，5500rpm工况的混合时间大约是1500rpm工况的四分之一，因此，即使5500rpm工况的湍动能较大，但短暂的混合时间造成了混合不均匀。

2.2.3 增大滚流比对缸内壁膜燃油的影响

在原方案的基础上，对发动机的进气道进行了改进，提高了发动机的滚流比。其中，高滚流比气道的滚流比相对原机提高了18.7%。高滚流比的气道能够比较明显的降低燃油总的撞壁量以及壁膜上的瞬时燃油量。高滚流比的气道对缸内燃油分布产生积极影响，使其分布的均匀性得到改善^[5]。此外，高滚流比气道空燃比基本分布于当量燃空比及浓混合气区域，而原机气道缸壁处有相当一部分是稀混合气，因此，高滚流比气道的着火和燃烧性能会更好^[6]。

3 结论

本文基于某款增压直喷汽油机的燃烧系统进行缸内流畅CFD分析，通过分析可得到以下结论：

（1）在1500rpm, 20MPa喷油压力时，缸内混合气均匀，火花塞附近为当量空燃比；在5500rpm，20MPa喷油压力时，缸内混合气总体为浓混合气，有一定程度分层，火花塞附近过量空气系数范围约为0.72~0.8；

（2）在1500rpm，喷孔1,3,5的燃油油束直接撞缸

壁，喷孔4燃油油束直接撞活塞顶；20MPa喷油压力下，燃油撞壁量较大，着火前残余油膜量较多。在5500rpm，活塞顶燃油量减少；喷雾过程受气流影响较明显，燃油撞壁量小于低转速；着火前的液态油膜质量高于低转速，需考虑机油稀释问题；空间液态燃油并未完全蒸发，仍有小颗粒液态燃油存在，可能会有碳烟问题。

（3）通过调整进气道滚流比发现，高滚流比进气道使燃油撞壁量和壁膜上的瞬时燃油量都有所降低，并使混合气的分布更为均匀。但高滚流比气道的流量系数降低，进而影响发动机的进气量和负荷。

参 考 文 献

[1] Hanccck D, Fraser N, Jeremy M. Sykes, et al. New 3 Cylinder 1.2L Advanced Downsizing Technology Engine [R]. SAE Technical, 2008.

[2] 史绍熙，苏万华. 内燃机燃烧研究中的几个前沿问题[J]. 内燃机学报, 1990.

[3] 史绍熙，苏万华. 新型汽油机燃烧研究的研究 [J]. 内燃机

学报, 1992

[4] AVL-Fire 中文入门教程及使用方法.

[5] 廖方楼. 双切向进气道评价参数计算修正及优化设计研究[D]. 天津大学, 硕士学位论文，2015.

[6] 刘大明. 汽油机缸内气流顺泰运动及近壁流动特性的实验和模拟研究[D]. 天津大学, 博士学位论文，2014.

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