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

叶伊苏+王伟民+黎华平

摘 要：对一款1.0L 三缸增压直喷汽油机，建立了燃烧系统CFD仿真模型，并详细描述了换气、喷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、喷雾、混合气形成以及燃烧过程。原设计状态下，点火前缸内湍动能分布以及燃油浓度分布不够合理，火焰传播不对称，存在爆震风险。通过优化设计进气道及活塞冠面，缸内滚流运动及点火前湍动能提升，燃油浓度分布改善，燃烧速度加快约3°CA，同时由于omega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、火花塞周围流场、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试验中，各工况下的混合气形成、湿壁及燃烧均能满足要求。

关键词：燃烧系统； 滚流； 湍动能 ；omega涡流；火焰传播

中图分类号：TK464 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2017）06-0002-06

Abstract： The combustion system CFD model was created for a 1.0L turbo-charged three-cylinder GDI engine， and then the boundary conditions of gas exchange and spray characteristic such as spray angle， particle size distribution were described in detail. Evaluation of in-cylinder flow characteristics， mixture preparation and combustion process were performed subsequently at rated power. Under initial design， turbulent kinetic energy and fuel distribution before ignition time were not reasonable， which cause asymmetric flame and have risk of knocking. After optimizing intake port and piston bowl， in-cylinder tumble level， turbulent kinetic energy and fuel distribution before ignition time have been improved obviously， so the combustion duration shortened 3°CA. Simultaneously， the residual omega swirl at the end of compression stroke had been more decreased， which can improve combustion at exhaust side， ensuring flame propagate onto liner at the same time. Under the final design， tumble level， turbulent kinetic energy ， flow characteristic around spark plug， wall wetting， fuel distribution and flame propagation all meet the engineering target. In the coming single optical engine visualization test， the mixture preparation， wall wetting and flame propagation were recorded and analyzed， all meet the requirements.

Key Words： Combustion system； Tumble； Turbulent kinetic energy； Omega； Flame propagation

GDI汽油機燃烧系统开发包括进排气道及缸盖燃烧室优化设计、活塞冠面设计、喷雾油束布置优化或选型[1-2]，这些工作一般依靠气道稳流试验、CFD模拟以及光学发动机试验来进行。通常在开发初期通过气道稳流试验和CFD分析初选进排气道（会有2～3种方案），然后进行缸内流动、喷雾及燃烧CFD分析，评估缸内滚流运动、湍动能分布、燃油湿壁以及火焰传播对称性情况，选出较优的气道、活塞方案，最后通过单缸光学发动机进行喷油器的选型。

本文结合某1.0L增压直喷汽油机的开发，讲述缸内滚流运动、混合气形成以及火焰传播的CFD分析情况，并结合详细的结果分析优化气道、活塞冠面，最终使得各参数达到工程目标。

1 燃烧系统方案说明

如前文所述，设计阶段基于特定的喷油器（油束布置基于经验设计，喷雾特性参照类似机型的定容弹数据）来进行气道及燃烧室的优化。本章对进气道及燃烧室（活塞冠面）的方案进行说明。

1.1 进气道

结合CFD分析及气道稳流试验，并采用如图2所示的PIV滚流测试系统，对气道的流通能力及滚流进行评价，初选进气道方案。对于该增压直喷汽油机，在进气道的喉口处设计了导流结构，将大部分气流引导从气门上方进入气缸，增强滚流，同时为了提高低升程下的滚流，在缸盖阀座下方设计了导气屏，如图3所示：

通过对比分析，初选了两款进气道方案，如图4所示。两款进气道方案形状相似，但气道曲面及喉口处的导流加工尺寸有微小变化，目的是为了生成不同强度的滚流。这点从PIV测试系统中气缸盖下方D/2平面处的速度分布可以看出，虽然速度分布相似，但Intake port 01方案下，仍有小部分气流从气门下方进入气缸，而Intake port 02方案则明显减少，因此其滚流强度较高。两种方案下的气道流动特性均位于数据带上方。endprint

1.2 活塞冠面

活塞冠面形状的设计需要考虑诸多因素，如尽可能避免燃油在气流的作用下甩向气缸壁，引起机油稀释现象，另外，还应避免较大尺度的omega涡流，以改善火焰传播的对称性，降低爆震风险。图5是设计的3种活塞方案，其中02相对于01形状基本未变，仅边缘处宽度增加，03相对于02边缘处高度降低，同時为适应压缩比，凹坑深度有所减小。

1.3 喷雾油束布置

该发动机采用喷油器侧置方式，设计时考虑了油束与进排气门，油束与缸套均不能有干涉现象，否则引起的湿壁现象会导致SOOT颗粒物排放大幅增加。油束布置如图6所示：

1.4 方案组合

缸内流动、喷雾及燃烧CFD仿真时，共分析了3种燃烧系统组合方案，如表1所示：

2 边界条件设置

模拟特定工况下的缸内充气过程、混合气形成及燃烧过程需要输入准确的边界条件，这里需要设置换气及喷油边界（喷油器喷雾模型）。

2.1 换气边界设置

本文模拟的是5500rpm额定功率点工况，分析720°CA循环内的换气、压缩及燃烧做功过程。其凸轮型线及相位如图7所示，进排气边界来自GT-POWER一维热力学仿真，采用的是瞬态流量、压力、温度边界，可以考虑进排气门开启及关闭时刻缸内压力脉动对充气效率的影响。进气边界如图7所示，排气边界不再展示。

2.2 喷油器喷雾模型

对于喷油器而言，除了油束方向要在仿真模型中描述外，还要对其喷雾特性（含喷油量、流量特性、喷射速度、喷雾锥角以及粒径分布）进行详细描述。图9和图10分别是其流量特性及喷孔轴径方向30mm截面处的粒径分布（定容弹测量结果，一般认为在此位置处，燃油完成了二次破碎，可代表实际的状态）。需要说明的是，粒径大小取决于喷射压力及环境压力，喷射压力越大，粒径越小[3-4]。

3 结果分析

本章对缸内气流运动及发展、湍动能、混合气形成及浓度分布、湿壁以及燃烧过程进行详细的对比分析。

3.1 缸内气流运动

对于汽油机来说，由于气道采用对称式设计，气流在进入气缸时，会产生如图11所示的3种缸内宏观气流运动。其中滚流是主要形式，由于从气门上方进入气缸的气体多于下方，因此会产生如图11所示的围绕y轴的气流旋转运动，一般用滚流比来定义其运动强度，定义公式如下。

，

其中TR为滚流比，ωmot为发动机旋转角速度， ωFK为气流绕旋转轴旋转角速度的积分平均值，ρi 为单元体的密度，Vi 为单元体的体积，vi 为单元体的速度，ri 为单元体相对于旋转轴的半径。

对于omega滚流及omega涡流的计算，由于是对称分布，取一半气缸，规定了旋转轴的位置如11所示：

图12是3种方案下的滚流、omega滚流、omega涡流以及湍流尺度的对比情况，可以看到，滚流存在两个峰值，第一个峰值出现在进气门最大升程处，此时进气速度最大，第二个峰值出现在压缩冲程中段，此时活塞运动速度最大。V02方案下在进气及压缩冲程中滚流比及湍流尺度较V00及V01均明显提升，另外在压缩冲程后期其omega滚流及omega滚流均下降到目标范围内，这些都是有利于加快火焰传播速度及改善火焰对称性的。

图13是3种方案下压缩冲程中湍动能的对比图，可以看到各方案下随着活塞上行，滚流破碎成湍流，结合图12在690°CA附近形成峰值，后续继续破碎成更小尺度的湍流。在点火时刻710°CA附近，V02方案下湍动能更强，峰值中心更接近火花塞，有利于改善排气侧的火焰传播。

图14是点火时刻omega涡流及omega滚流的速度矢量图，V00方案下在气缸边缘存在较高的气流运动速度，而在气缸中心气流从排气侧流向进气侧，结合图13，排气侧湍动能分布原本就较弱，这样更不利于火焰传播，且会使得爆震的可能性增加。而V02方案气缸中心气流运动速度高于边缘处，且从进气侧流向排气侧，是有利于改善火焰传播的对称性的，这点从3.3节中的火焰分布结果中可以得到印证。3种方案下omega滚流都较弱，V02方案更低。另外，监控了点火时刻火花塞周围1.5mm及3mm半径球体内平均气流运动速度，满足限值要求，不存在失火风险。

3.2 混合气形成及湿壁

图15是710°CA点火时刻缸内燃油当量比分布图，可以看到，V00方案下混合气存在分层现象，且接近缸套处较浓，这是不利于火焰传播的，而V02方案下，由于滚流增强，油气混合更好，缸内各区域的混合气浓度基本一致，在喷油器附近存在少量的浓混合气，但不影响整体燃烧过程。

图16是湿壁情况的对比。各方案下湿壁主要集中在活塞上，但在压缩冲程中在滚流的作用下又重新挥发，仅V00方案点火前仍存在一定的湿壁，会影响到颗粒物排放。另外，缸套处的湿壁几乎没有，在此喷油策略下的机油稀释风险较小。

3.3 燃烧过程分析

火焰面传播情况如图17所示，综合前文的分析，V00方案下，正是由于流场、湍动能及混合气浓度分布的不合理，火焰传播不对称，排气侧燃烧较慢。而V02方案下各参数的改进获得了对称的火焰，同时燃烧持续期缩短2.5°CA。

4 光学发动机试验

通过光学发动机试验可以对比采用不同喷油器时的混合气形成、燃油湿壁、火焰传播以及颗粒物排放情况[5]，并根据可视化结果来优化喷射策略。受透明缸套强度的制约，发动机转速不能超过3000rpm，图18是试验装置图，共研究了1500rpm WOT、2000rpm/2bar以及催化器起燃3种工况。

图19是采用最优的6孔喷油器时，并优化喷射策略后，催化器起燃工况下喷雾及混合气形成图像，可以看到，采用3段喷射后，混合气较为均匀，同时无湿壁现象发生。图20是SOI3第3段喷射起始角对火焰形成的影响，可以看到当第3次喷油时刻退后时，混合气不够均匀引发了扩散火焰，并形成颗粒物进入排气管，而当SOI3=130BTDC时，燃烧最好。图中红色代表SOOT火焰。其它两种工况这里不再说明，光学发动机的研究结果可以用于后续的热力学开发试验。

基于以上方法确定的燃烧系统、喷油器在随后的热力学开发试验中，动力性，油耗及原始排放均达到既定目标。

5 总结与展望

本文结合某直喷汽油机的开发，对燃烧系统开发仿真工作内容，边界条件设置进行了详细说明，基于CFD仿真对3种不同的燃烧系统方案下的缸内流场、混合气形成、湿壁以及燃烧过程进行了详细的对比分析，总结如下：

1）气道优化可提高缸内滚流，加强油气混合，改善混合气浓度分布情况；同时湍流更强，湍动能分布更加合理。

2）优化活塞形状能降低点火前残余的omega滚流及omega涡流，改善缸内流场分布。

3）湍流的改善、omega涡流的降低以及混合气浓度分布的改善，使得燃烧速度加快，同时形成对称的火焰面。

参考文献：

[1]Chen Yang， Haiyuan Cheng， Zizhu Fan， etc. Development of Combustion System for a 1-Liter Advanced Turbocharged Gasoline Direct Injection 3-Cylinder Engine. SAE 2016-01-2243.

[2]Dipl.-Ing. Smail Mokhtari， Dipl.-Ing. Philippe Souhaite， etc. Combustion System Design of the New PSA Peugeot Citro?n PureTech 1.2 e-THP Engine. 23rd Aachen Colloquium Automobile and Engine Technology 2014.

[3]毛立伟. 直喷汽油机多孔喷油器的喷雾特性研究. 天津大学硕士论文， 2008年6月.

[4]陈海娥， 宫艳峰， 李伟等. 缸内直喷汽油机的喷雾模拟. 汽车技术， 2010年第1期.

[5]安新亮， 何旭， 王丽雯等. 应用高速纹影法对汽油机燃烧过程的研究. 内燃机工程， 2007，28（2）.endprint