基于CFD的某缸内直喷发动机燃烧室优化研究

李书森（泛亚汽车技术中心有限公司，上海201201）

基于CFD的某缸内直喷发动机燃烧室优化研究

李书森
（泛亚汽车技术中心有限公司，上海201201）

运用CFD的分析方法，对某缸内直喷发动机燃油喷射过程与缸内可燃混合气的流动进行了数值模拟分析，研究了不同燃烧室设计方案对缸内流动过程的影响。结合滚流、旋流、缸内当量比分布等8项评价指标，对不同设计方案的优化效果进行了对比，并引入优化率对计算结果进行总体评价。结果表明，优化设计方案在高转速工况和低转速工况下的优化率分别达到了28.7%和38.4%，发动机缸内混合气的形成过程得到了明显的改善。

缸内直喷燃烧室设计优化

1 前言

随着排放及油耗法规的日益严苛，采用更高压缩比和汽油缸内直喷技术的发动机受到了越来越多的关注[1～2]。在新一代的发动机燃烧系统开发过程中，需要考虑燃烧室及进排气系统的设计，喷油器的选型和布置，气门正时及喷油相位等因素[3]。在此过程中，通过合理的、流程化的CAE分析过程，可以大幅缩短燃烧系统的开发周期。本文以一款高压缩比的直喷汽油机为对象，通过CFD模拟计算，研究了不同燃烧室设计对缸内流动、喷雾过程以及混合气形成的影响。提出了基于滚流、旋流、缸内当量比分布等8项指标的燃烧室设计评价体系，并以此对计算结果进行了分析，获取了最优的燃烧室设计方案。

2 缸内过程计算模型

整个发动机循环计算过程从排气时刻开始，包括排气、扫气、进气、压缩四个阶段。计算区域的模型如图1所示，计算工况见表1。其中为了增强计算的收敛性，分别将进气入口和排气出口延长了30mm。根据实际进排气门升程曲线和活塞运动规律，根据三维初始设计模型构建了整个计算过程的动网格，最大网格数量控制在120万左右。计算过程中，进气道入口设置流量和温度边界，排气道出口设置温度和压力边界，其他壁面采用温度边界，所有的边界条件都由一维计算得到。本文计算了全负荷下1 500 r/min和4 400 r/min两种工况，其中高转速工况对混合气进行了加浓处理。

图1 计算区域模型

表1 缸内流动计算工况

为研究不同燃烧室结构对缸内气体流动形成过程的影响，本文选取4种燃烧室设计方案，对缸内流动过程进行模拟计算。其中原机燃烧室方案压缩比为12.5，方案1～方案3为改进优化方案，压缩比都为12，各设计方案调整的主要设计参数如图2和表2所示。

图2 燃烧室主要设计参数

3 喷雾模型及标定

喷雾对缸内混合气的形成以及燃烧过程都有着巨大的影响，因此在计算缸内过程之前，首先要对喷雾模型进行标定。本文计算所用6孔喷油器每个喷孔油束的喷雾锥角为14°，喷孔位置分布及喷油落点分布均呈三角形。

喷雾标定过程中，蒸发模型选择Dukowicz模型，破碎模型选择Wave模型。模型标定时，喷射燃油种类为正庚烷，燃料喷射压力及环境压力分别为1MPa和100 kPa。模型标定结果如图3和图4所示。

表2 燃烧室改进方案参数

图3 喷雾贯穿距离的模拟值与实测值对比

图4 不同时刻喷雾形状对比

通过调整各子模型的参数，得到的喷雾贯穿距离模拟值和实测值的对比见图3，可见二者结果较为接近。图4为各时刻CFD计算喷雾形状与试验测试喷雾现状的对比，从油束分布、粒子贯穿距离等角度的对比可以看出，计算结果和实测值的吻合度较高。因此本文所用模型对于喷嘴参数的设置能够体现喷嘴真实的喷雾特性，进而保证了后续缸内喷雾模拟计算的精度。

4 计算结果及分析

根据AVL对缸内流动过程的评价体系，本文对计算结果进行了分析，通过缸内滚流（Tumble）、缸内旋流（Swirl）、湍动能、火花塞附近流速以及缸内燃料浓度分布等几项指标对不同的燃烧室设计进行了对比及分析。

缸内滚流影响进气及压缩过程中的油气混合，同时也决定了缸内湍动能进而影响点火过程，因此滚流是评价燃烧室设计的重要指标之一。图5为4种燃烧室方案分别在高速和低速工况下的缸内滚流的计算结果对比。由于进气门关闭后，缸内滚流可以较好地保持，故通常将进气门关闭时刻的滚流大小作为主要参考量，并且其值越大就越有益于缸内气体的混合。如图5所示，在1 500 r/min时，4种燃烧室在进气门关闭时刻的滚流大小分别为1.04、 1.29、1.21和1.22；在4 400 r/min时，滚流大小分别为1.32、1.55、1.64和1.30。这说明，原机采用高压缩比设计所得到的滚流较小，3种优化方案的滚流在低速工况下较为接近，在高速工况下，方案2的滚流最大。

图6为缸内旋流计算结果的对比。由于缸内旋流对火焰向各方向的传播造成影响，因此通常将点火时刻的缸内涡流作为最主要的参考指标。此外，过大的旋流引起局部火焰传播过慢，进而有可能增加发动机的爆震倾向，因此进行燃烧室设计时通常以降低缸内旋流为目标。由图中可见，在1 500 r/min工况下，4种燃烧室在点火时刻的旋流分别为0.362、0.273、0.306和0.059；在4 400 r/min时，旋流分别为0.546、0.496、0.608和0.393。方案3的缸内旋流最小，尤其是在低转速工况下与其他3种设计相比，旋流降低了约80%。

图5 滚流计算结果对比

图6 旋流计算结果对比

湍动能的大小直接决定了火花塞放电后混合气起燃的难易程度，同时湍动能越大也越有利于火核的扩散与发展，进而改善燃烧效率，因此燃烧室优化设计的目标是获取尽可能大的湍动能。由于不同工况下缸内湍动能差异较大，本文将湍动能的计算结果进行了无量纲化处理，用u′/Cm表征缸内的湍流尺度

图7为缸内湍动能计算结果的对比。从图中结果可以看出，原机方案的湍动能较小，3种优化设计在不同程度上都改善了湍动能。在1 500 r/min工况下，3种燃烧室在点火时刻的u′/Cm的计算结果分别为0.382、0.394、0.406和0.416，在4 400 r/min工况下分别为0.552、0.577、0.585和0.586。从对比结果可以看出，方案3的的湍动能相对较大。

图7湍动能计算结果对比

图8 为点火时刻湍动能分布的计算结果对比。从图中可以看出，原机和方案1的点火时刻湍动能中心偏向进气侧，而方案2和方案3的湍动能中心在火花塞附近。

图8点火时刻湍动能分布计算结果对比

图9 为火花塞附近流速计算结果的对比。火花塞附近的速度场会影响火核刚形成时的拉伸强度，进而对火焰发展及传播产生较大影响。火花塞位置处过大的流速会导致火焰向各方向传播的速度有差异，因此设计目标是降低该位置点火时刻的流动速度。由图中结果可知，1 500 r/min工况下，4种燃烧室方案的计算结果分别为2.25、2.48、2.39和1.32 m/s；在4 400 r/min时，计算结果分别为12.32、13.80、17.88和5.31m/s。低转速下火花塞位置的流速较小，对燃烧过程影响不大。高转速时，原机的流速达到了12.32m/s，方案3的流速仅为5.31m/s，比原机降低了60%以上，因此采用该方案可以获得较好的燃烧稳定性。而方案1和方案2的计算结果却都大于原机，在一定程度上会使燃烧效果变差。

缸内当量比分布是评价缸内混合气均匀性的指标，当量比分布越集中在目标当量比附近，则说明缸内燃油与空气的混合越均匀。图10为点火时刻缸内当量比分布的对比曲线图。由图中可见，在低转速工况下，缸内当量比分布都集中在1附近；在高转速工况下，当量比分布范围较大，且离目标当量比（1.2）较远的分布情况也较多。造成这一现象的原因主要是，低速时燃油有更多的时间可以在缸内进行雾化与蒸发，而高速时雾化蒸发的时间较短，因此会存在燃油蒸发不完全、混合气局部过浓或过稀的现象。对比不同设计方案可以发现，在1 500 r/min时，方案1恶化了缸内混合气的均匀性，但方案2和方案3都改善了均匀性；在4 400 r/min工况下，只有方案3的计算结果较为理想，其他3种设计得到的缸内均匀性都比较差。

图9 火花塞位置的流速对比

图10 缸内当量比分布对比

火花点火位置过浓或者过稀的混合气都会造成起燃的困难，因此燃烧室设计时需要将该位置的混合气浓度控制在合理的范围内。图11为火花塞附近混合气当量比的变化情况。在低转速时，由于并没有进行加浓控制，因此点火时刻火花塞周围的混合气浓度在0.9～1.2的范围内。但在高转速时，由于对混合气进行了加浓，并且缸内油滴也没有足够的时间进行雾化和蒸发，因此很容易造成点火时刻火花塞附近混合气过浓的现象。如图11所示，在4400 r/min工况下，4种燃烧室方案混合气浓度的计算结果分别为1.52、1.54、1.37和1.41。与原始设计相比，方案2和方案3在一定程度上都改善了火花塞位置浓度的这一指标。

5 优化结果评价

本文将计算结果进行处理后，通过滚流、旋流等8项指标对不同设计的缸内流动计算结果进行评价，具体评价结果如表3和表4所示。其中，火花塞位置的流速及当量比计算结果为对以火核为中心，半径为5mm的球形区域内的数据求平均值所得到的；湍动能中心偏移率A及缸内当量比分布均匀性B分别由公式（2）和公式（3）计算得到。

其中，Vn为第n个网格单元的体积，EQUn为第n个网格单元内的当量比，为缸内当量比的平均值。

此外，还引入了优化率Fsum这一参数，用于对优化方案的计算结果进行总体评价[4]。

图11 火花塞位置的当量比对比

表3 1 500 r/m in缸内计算结果评价

表4 4 400 r/m in缸内计算结果评价

其中，α为评价参数的权重因子，f为评价参数，下标i表示第i项评价指标，下标base表示原设计，下标j表示第j种优化设计。

统计优化率时，由于在低转速工况下点火推迟较多，因此认为上止点前的湍动能强度对燃烧的影响较小；在高转速工况下，由于缸内整体流速较快，故也认为点火时刻的旋流为非主要评价参数。

如表中结果所示，3种优化方案在不同程度上都提高了发动机的综合性能。与原机方案相比，方案1在提升缸内滚流和改善混合气均匀性方面有一定效果，但各方面性能与原机方案都较为接近。方案2的优势在于增大了滚流，同时使湍动能中心更接近点火位置，但却恶化了缸内混合气分布的均匀性，这说明方案2喷油过程与气体流动的匹配做得不够好。方案3的总体性能较好，虽然滚流的提升并不明显，但旋流得到了明显的改善，同时湍动能强度得到了提高，并且湍流中心位置离点火位置也更近，此外缸内混合气均匀性比其他3种方案都更好。尽管如此，从上表的结果可以看出，在4 400 r/min时，缸内当量比分布的均匀性较差，因此需要在后续开发中对此进行改进，如通过优化喷油嘴布置、优化喷油相位及提高油轨压力等方式改善油束的雾化和蒸发效果，从而提高缸内混合气的均匀性。

综上所述，在3个优化设计方案中，方案3的改进效果最显著，在低转速和高转速工况下，其优化率分别达到了38.4%和28.7%。

6 结束语

通过对某高压缩比直喷发动机的缸内流动及喷雾过程的三维CFD分析，获取了不同燃烧室设计对缸内混合气形成过程的影响规律。通过对计算结果的分析和评价，选取了最优的燃烧室设计方案，与原始设计相比，优化设计在低转速和高转速工况下的优化率分别达到了38.4%和28.7%，优化效果十分明显。通过合理的、流程化的CAE分析过程，降低燃烧系统的开发周期与开发成本。

[1]Jang J,Lee J,Kim J,etal.Comparisonsof the Nanoparticle Emission Characteristicsbetween GDI and PFIVehicles[J].JournalofNanoparticle Research,2015,17(12):1-14.

[2]Chen XD,Zhan ZS,Lin ZX.The Study on Spray Wetting CylinderWall Phenomenon ofGDIEngine through CFDAnalysis[J].InternalCombustion Engines,2010(6):28-33.

[3]Montanaro A,Allocca L,CostaM,etal.Assessment ofa3DCFDmodel forGDISpray Impactagainst Wall through Experiments Based on DifferentOptical Techniques[J].International JournalofMultiphase Flow,2016,84:204-216.

[4]徐丹.柴油机燃烧室及喷油系统多参数优化匹配研究[D].北京理工大学，2015.

Chamber StructureOptimization foraGDIEngine Based on CFDMethods

LiShusen
（Pan Asia Technical Automotive Center Co.,Ltd.,Shanghai201201)

CFDmodels for in-cylinder flow and spray processes of a GDIenginewere established in AVLFIRE.Numericalstudieswere carried outand the in-cylinder processesofdifferentchamber structure designs were analyzed.Calculation results of different design were then evaluated through eight aspects including tumble,swirl,in-cylinder equivalence ratio fraction and et al.Finally,optimization rate was introduced to summarize the effectof the optimization designs.Evaluation results showed thatoptimization rate of final design reached as high as 28.7%and 38.4%for high speed and low speed engine conditions, which indicated that this type of design performed best in improving the in-cylinder mixture formation process.

direct injection,design of chamber,optim ization

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.03.003

来稿日期：2017-04-15

李书森（1974），男，硕士，主要研究方向为计算机辅助工程，整车集成。