GDI汽油机燃烧过程数值模拟

2015-01-25山西中北大学机械与动力工程学院柳青续彦芳

河北农机 2015年3期

关键词：曲线图混合气汽油机

山西中北大学机械与动力工程学院柳青续彦芳

1 引言

燃烧系统是GDI汽油机开发的关键技术之一。本文应用AVL-FIRE CFD软件对某型GDI汽油机全负荷工况燃烧过程进行三维瞬态数值模拟，帮助理解GDI燃烧过程控制规律，从而为优化GDI汽油机燃烧系统提供参考。

2 发动机基本参数

本文研究对象为某型GDI汽油机，部分参数如表1。

表1 发动机基本参数

3 有限元模型的建立

将Pro/E建立的三维几何模型导入AVL-FIRE的FAMEEngine Plus前处理模块中，自动生成计算所用的FEP动网格。计算从进气门打开时刻至排气门打开时刻，时间为503°CA。计算时定义进气上止点为360°CA，燃烧上止点为720°CA。进气过程网格数为80-126万，压缩做功过程网格数在46万左右。计算网格如图1所示。其中（a）进气门打开时刻位置计算网格数目1276639，（b）活塞下止点位置计算网格数目699835，（c）活塞下止点后 60°CA计算网格数目4661530。

图1 各时刻计算网格

4 边界条件和初始条件

计算设定的初始条件和边界条件如表2和表3所示。

表2 边界条件

表3 初始条件

5 数学模型的选择

表4 数学模型

6 结果分析

点火时刻700°CA，标定喷油压力24Pa，因为喷油持续期为132°CA早喷射，喷射时刻390°CA和喷油持续期111°CA晚喷射，喷射时刻420°CA两种情况形成混合气比较均匀，喷油嘴下方燃油聚集现象较轻，所以分析这两种情况的燃烧结果。

图2将上止点、上止点后20°CA、40°CA三个时刻，火花塞中心截面上，用温度场表示这两种情况的火焰传播过程，进行对比发现两种情况状态基本相同。上止点时刻，火焰前锋接近球形，气流特性和点火特性影响明显；上止点后20°CA，随火焰发展，火焰传播不受点火条件影响，火焰前锋到达活塞顶面，且向排气侧传播速度较快，由于喷油器侧混合气较浓，火焰不能快速传播，进入湍流传播阶段，湍流促进燃烧的作用逐渐增强，火焰速度加快，燃烧速率达到某一稳定状态；上止点后40°CA，燃烧完90%的充量。

图2 两种情况温度场对比

图3是已燃燃油质量分数随曲轴转角变化曲线图。

图3 已燃燃油质量分数随曲轴转角变化曲线

综合图2和图3来看，喷油时刻420°CA，喷油持续期132°CA的情况，缸内整体混合气分布比较均匀，燃烧速率较快。

图4 两种情况的缸内平均压力曲线图

图4是两种情况的缸内平均压力曲线图。图示各喷油定时对应缸内平均压力曲线不同。两种情况缸内峰值压力不同，峰值压力出现的时刻基本相同。

7 结论

不同喷油定时对应点火时刻，火花塞附近混合气浓度差异造成燃烧性能不同。在喷油压力和喷油嘴设计条件给定情况下，当燃油喷射时刻420°CA，喷油持续期为132°CA时，在点火时刻火花塞电极间隙处及周围出现有利于点火和火焰传播的较浓、均匀混合气，燃空当量比为1.1，燃烧速度快，快速燃烧期短，缸内峰值压力高，燃烧性能较好。