（动力机械及工程专业论文）gdi汽油机进气系统的数值模拟研究.pdf

摘要 缸内直喷汽油机( g a s o l i n ed i r e c ti n j e c t i o n ，简称g d i ) 能有机的将汽油机和柴 油机的优点结合起来，使内燃机具有较好的动力性、经济性能，是车用发动机的 发展方向之一。但是缸内直喷汽油机的设计和开发技术难度很大，尤其是冷起动 工况下的喷油压力以及排放问题一直困扰着众多g d i 发动机研发人员。本文主 要通过数值模拟方法研究一种新式的供油系统一复合供油系统，探讨其低压供 油部分喷油器位置设计以及复合供油系统对g d i 汽油机冷起动工况排放问题的 改善。 本文针对4 g 1 5 - g d i 汽油机，借助计算流体力学( c f d ) 辅助内燃机设计理 论，研究c f d 在汽油机进气系统开发中的应用及其模拟精度。利用三维流体计 算软件a v lf i r e 对g d i 汽油机的进气歧管进行模拟仿真，深入研究4 g 1 5 一g d i 汽油机进气歧管上安装低压喷油器的可行性，以及探讨不同喷油器安装位置及角 度对管内油气混合状态的影响，确定最佳方案。 探讨g d i 汽油机缸内工作过程模拟计算动网格的建立方法及要求，利用三 维流体计算软件a v lf i r e 对g d i 汽油机缸内工作过程进行模拟仿真，深入研 究4 g 1 5 g d i 汽油机缸内流体的流场特性以及油气混和状态。 研究4 g 1 5 g d i 汽油机复合供油系统的结构及复合供油系统对4 g 1 5 g d i 汽 油机缸内油气混合状态的影响。 本文采用计算机辅助分析手段，利用现代化集成研究方法，一维发动机工作 过程循环模拟与三维c f d 流场分析并行，对进气系统上低压供油喷油器的设计 及作用进行了比较全面的分析，加快了g d i 汽油机的研发进程。 关键词：缸内直喷进气系统复合供油系统数值模拟流场特性油气混合 a b s t r a c t g a s o l i n ed i r e c ti n j e c t i o n ( g d i ) e n g i n ea sap r o m i s i n gd i r e c t i o no fv e h i c l e s e n g i n ed e v e l o p m e n tc a nc o m b i n et h ea d v a n t a g e so fb o t hg a s o l i n ee n g i n ea n dd i e s e l ，i t m a k e si n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e ( i c e ) m o r ep o w e r f u la n de f f i c i e n t h o w e v e r , t h e r e a r eal o to fd i f f i c u l tf o rt h ed e s i g na n dt e c h n i c a ld e v e l o p m e n to fg d ie n g i n e ， e s p e c i a l l yt h ep r o b l e m so ft h ep r e s s u r ei n j e c t i o na n de m i s s i o na tt h ec o n d i t i o no f c o l d s t a r t t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c h e st h ef u n c t i o no fan e wf u e ls u p p l ys y s t e m ， c o m p o u n df u e ls u p p l ys y s t e m , b yu s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o n i nt h i sp a p e r , t h e d e s i g no fl o w - p r e s s u r ef u e ls u p p l yi n j e c t o rl o c a t i o nw a ss t u d i e d ，a n dt h ee m i s s i o n u n d e rt h ec o n d i t i o no fc o l d s t a r to fg d ie n g i n ew i t hc o m p o u n df u e ls u p p l ys y s t e m w a sa l s od i s c u s s e d r e s e a r c h e dc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) a p p l i c a t i o ni nt h eg a s o l i n e e n g i n ei n t a k es y s t e m ，b yu s i n gc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) c o m b i n et h e i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ed e s i g nt h e o r y a n dt h em e s hs t r u c t u r ew a sa l s or e s e a r c h e d w h i c hw a st h ek e yp o i n tt o c o m p u t ep r e c i s i o n u s i n gt h r e e - d i m e n s i o n a lf l u i d c a l c u l a t i o ns o f t w a r ea v l f i r et os i m u l a t i o nt h eg d ie n g i n ei n t a k em a n i f o l d ， s t u d i e dd e e p l yt h ef e a s i b i l i t yt h a tl o w p r e s s u r ei n j e c t o ri n s t a l l e do n4 g15 g d ie n g i n e i n t a k em a n i f o l d ，a n dc o n s i d e r e dt h ei m p a c to fd i f f e r e n ti n j e c t o rl o c a t i o na n dd i f f e r e n t a n g l et ot h em i x t u r eo ff u e la n da i r ，a n dt h e nd e t e r m i n e dt h eb e s to p t i o n t h em e t h o do fc r e a t i n gt h em e s ho fg d ie n g i n ec y l i n d e rw o r kp r o c e s sw a s s t u d i e d u s i n gt h r e e d i m e n s i o n a lf l u i dc a l c u l a t i o ns o f t w a r ea v l f i r et os i m u l a t e t h eg d ie n g i n ec y l i n d e rw o r kp r o c e s s ，i n d e p t hs t u d i e d4 g15 - g d ig a s o l i n ee n g i n e c y l i n d e rf l o wc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h em i x t u r eo ff u e la n da i r t h es t r u c t u r eo f4 g15 g d ie n g i n em u l t i p l ef u e ls u p p l ys y s t e ma n di t si m p a c to f t h em i x t u r eo ff u e la n da i rw e r es t u d i e d t h es t u d yo nn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ei n t a k es y s t e mo fg d ie n g i n ew a su s i n g c o m p u t e ra s s i s t a n c ea n a l y s i s ，i n t e g r a t e d o n ea n dt h r e e d i m e n s i o n a ln u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o da n dc u r r e n ts i m u l a t i o n ，a n dc a r r i e do naq u i t ec o m p r e h e n s i v e a n a l y s i st ot h ed e s i g no fl o wp r e s s u r ei n j e c t o ro nt h ei n t a k es y s t e ma n dt h ef u n c t i o no f c o m p o u n df u e ls u p p l ys y s t e m t h i sp a p e rh a ss o m er e f e r e n c ev a l u ei ng d ie n g i n e s i m u l a t i o na n ds p e e d su pt h eg d ie n g i n er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o c e s s k e yw o r d s ：g a s o l i n ed i r e c ti n j e c t i o n , i n t a k es y s t e m ， c o m p o u n df u e ls u p p l ys y s t e m , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , f l o wc h a r a c t e r i s t i c s ，m i x t u r eo ff u e la n da i r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：力觞是 签字日期：扫n 矿年 朔日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：力酉殇人 签字日期：叻占年月日 刷噬名列伍叼 签字日期：2 矿护8 年矿月矿日 第一章绪论 1 1 本课题研究背景 第一章绪论 内燃机具有热效率高、功率范围广、适应性好等优点，因而其诞生以来一直 被广泛应用于各行各业，对人类活动和社会发展均产生了深远的影响。内燃机的 发展带动了汽车行业的发展，目前全世界汽车年产量己达5 千万辆，保有量已超 过7 亿辆，预计至u 2 0 1 0 年时，全世界汽车保有量将突破1 0 亿辆【1 1 。我国汽车工业 起步较晚，但是，自改革开放以来，我国汽车工业就以前所未有的速度向前发展。 特别是最近5 年，我国汽车产量增长了三倍。在2 0 0 7 年1 月，中国汽车工业协会统 计数据显示，我国汽车销量已经突破7 0 0 万辆，中国汽车市场成为了世界第二大 汽车市场。 汽车行业的飞速发展推动了社会经济的发展、提高了人们的生活质量，但是 同时也带来了不可避免的负面影响。主要表现在以下两个方面： 能源问题 环境问题 1 1 2 能源问题 图1 - 1 我国汽车保有量( 含预测数据) 第章绪论 单位百万吨 圈卜2 我国石油消费量( 音顶测数据) 改革开放以来，我国汽车、摩托车工业以前所未有的速度向前发展，取得了 举世瞩日的成就。我国的摩托车产量己居世界第一( 保有量超过一亿台) ，轿车 正快速进入中国家庭“j 。2 0 0 0 2 0 0 5 年保有量增长率在j 4 1 6 ，按稳妥的】0 左右测算，2 0 1 0 、2 0 1 5 、2 0 2 0 年保有分别为6 0 0 0 、9 6 0 0 和1 4 5 0 0 万辆( 见鲥1 1 ) 。 我国进入移动社会一，汽车保有量大量增加，引发了对能源需求的强烈增长。最 新统计数字表明我国已经是世界石油资源消耗第二大国即】。如图l ，2 , 9 示，自 1 9 9 3 年以来我国已成为石油净进口国。2 0 0 0 年进口依存度达到3 66 超过警戒 线，2 0 0 4 年全国石油消费量已近3 亿盹。2 0 0 1 2 0 0 4 年平均增长量1 6 0 0 2 1 0 0 万吨， 年均增长率6 。今后如按该平均增长率预测，则每5 年增长i 亿吨左右，到2 0 1 0 、 2 0 1 5 、2 0 2 0 年分别需要4 亿、5 g 、6 亿吨。而可供量( 包括自产和进口) 难以满 足如此巨大需求，供应量缺口至少i 亿吨和15 - 2 亿吨。这给我国的能源安全敲响 了警钟。能源问题己经成为制约我国经济社会持续健康发展的重要因素。 在汽牟保有量不断增加的今天，除了积极探索新的能源咀外( 开源) ，另外 个重要的途径就是减少汽车所消耗的石油资源( 节流) 。通过技术进步提高汽 车发动机的燃油经济性成为政府部门和生产厂商关注的焦点。美国、日本、欧洲 各固相继制定了燃油消耗法规和计划1 。我国政府对汽车燃料的消耗也非常重 视，早在8 0 年代就制定了j b 3 9 0 98 4 载货汽车燃懵消耗量限值洼规。2 0 0 5 年7 月1 日， 乘用圭燃料消耗量限值( c 3 8 1 9 5 7 8 2 0 0 4 ) 强伟性网家标准正式实施。 新标准规定，1 1 j 2 0 f ) 5 年时，重量为24 吨的运动型多用遗车每1 0 0 1 0 n 耗油量将不得 超过155 l ，；r 2 0 0 8 年盱，每1 0 0 k i n 耗油量棒币傅超过1 4 l ；对于车重为j 吨的汽 第一章绪论 车，需在2 0 0 5 年达到1 0 0 k m 耗油量不超过8 2 l ，2 0 0 8 年时每1 0 0 k m 耗油量将不得 超过7 l 。因此，要缓解我国石油供需的紧张状况，首先要提高我国内燃机的燃料 利用率。当前，我国内燃机技术和世界先进国家相比，还有很大的差距，内燃机 燃料利用率与国外先进机型相比要低1 0 2 0 以上，所以开展内燃机节能研究是 有潜力的、必要的。 1 1 3 环境问题 内燃机是大气环境，特别是城市大气环境的主要污染源。内燃机的主要有害 排放物为未燃碳氢( h c ) 、一氧化碳( c o ) 、氮氧化物( n o x ) 和微粒物( p m ) 等。这些有害排放物对大气环境的危害主要表现在形成光化学烟雾、酸雨、使臭 氧层减薄、臭氧浓度过高以及造成全球范围的温室效应。同时这些排气污染物还 会直接危害人体健康。正因如此随着汽车数量的激增，汽车发动机的尾气排放己 成为城市大气污染的主要来源。在我国，随着汽车保有量的迅速增加，汽车造成 的对环境的污染越来越严重。表1 1 为我国部分大城市车用内燃机排放有害气体 占城市总污染物的百分比【9 _ 1 0 】。据北京市环保局和清华大学环境工程系的测试结 果，北京城市大气中6 8 的n o x ，7 8 的c o 和8 8 以上的h c 有害排放物来自汽 车，深圳市汽车排放的n o x 、c o 、h c l 9 9 7 年比1 9 8 6 年分别增长了7 6 0 ，5 2 0 和5 0 0 ，其中汽车排放的n o x 已占大气中n o x 的含量的7 8 3 t l o 】。治理城市大 气污染己迫在眉睫。 表1 - 1 汽车尾气排放在城市污染中的比例 汽车尾气排放比例( ) 城市 c oh cn o x 北京 6 3 47 3 54 6 上海8 7 9 7 7 4 重庆 8 5 83 6 68 6 3 西安 9 8 66 9 7 青岛 7 02 01 0 乌鲁木齐8 8 7 4 8 5 天津 8 38 15 5 成都 6 27 04 5 广州8 4 12 5 7 从6 0 年代开始，美国、日本、欧共体国家相继制定了汽车排放限制标准，如 第一章绪论 欧洲经济委员会( e c e ) 汽车排放标准i 号、i i 号、i i i 号、号，美国加州排放法规 等，以控制汽车的有害排放物( 主要是c o 、h c 、n o x 与颗粒) ，而且日趋严格( 见 表1 2 ) 。我国由于受国家经济技术水平的限制，对于汽车排放控制方面起步较晚。 根据国内机动车污染状况、发展需要和环境保护的需要，我国的机动车排气污染 控制法规主要借鉴了欧洲的排放法规标准体系，从19 9 9 年开始对小型车执行欧i 的排放限制标准，2 0 0 4 年7 月已开始执行相当于欧洲i i 号标准的排放法规；n 2 0 0 8 年7 月1 日，在全国范围内实施相当于欧洲第三阶段的排放控制水平( 北京于2 0 0 5 年7 月1 日实施国3 标准) ；2 0 1 0 年之后争取与国际排放控制水平接轨。 表1 2 欧洲汽车排放标准 生效 汽油车柴油车 法规 日期 c oh c n o x c oh c n o x p t 欧洲1 1 9 9 2 在2 7 20 9 72 7 20 9 70 1 4 欧洲2 1 9 9 5 焦2 20 51 o0 9 0o 1 0 欧洲32 0 0 0 焦2 3o 20 1 50 6 4o 5 6o 5o 0 5 欧洲4 2 0 0 5 年lo 1o 0 8o 50 3o 2 50 0 2 5 因此，提高我国内燃机的燃料利用率，降低有害排放，开发高效节能的内燃 机，对保障国民经济稳定发展、国家能源安全以及保护环境都具有十分重大的战 略意义。 1 2 缸内直喷汽油机研究现状 1 2 1 缸内直喷汽油机简介 汽油机比柴油机的升功率高，转速范围宽，动力性能好，噪声与振动小，颗 粒排放低，所以在城市交通运输的动力源中，汽油机占有主导地位。但汽油机的 热效率较柴油机的低，尤其是在低负荷区域。这是由于压燃、直接喷射式柴油机 具有较高的压缩比，同时负荷的变化是通过混合气变质调节方式来实现的，因而 没有汽油机采用量调节时节流阀的节流损失。研制综合传统柴油机与汽油机两者 优点的发动机( 9 0 具有柴油机那样高的热效率，同时保留了汽油机那样高的升功 率以及动力性能) 一直是内燃机界工程师们追求的目标。 研究表明，采用汽油机缸内直喷( g a s o l i n ed i r e c ti n j e c t i o n ，简称g d i ) f l 邑有机 4 第一章绪论 的将汽油机和柴油机的优点结合起来，使内燃机具有较好的动力性、经济性和排 放性能。g d i 汽油机和p f i 汽油机两种工作方式的特点如表1 3 所示。从表1 3 可以看出，g d i 汽油机可采用更稀的空燃比，压缩比和充气效率提高，系统优化 潜力大，g d i 汽油机在降低油耗和提高动力性方面比其他两种发动机存在着明显 的优势。 表1 3g d i 和f p i 汽油机的比较 g d i 汽油机 f p i 汽油机 喷油方式缸内直喷进气道喷射 均质混合气或者分层稀薄混 混合气形成均质混合气 合气 空燃比范围1 2 5 0 ，甚至更高化学计量比附近 较高( 取消截留，燃油汽化对 充气效率一般( 节气门) 进气冷却) 压缩比 1 0 1 37 9 稳态工况较好，过渡工况和冷 控制精度和响应速度控制精度高，响应速度块 起动则较差 优化潜力可以进行全方位优化进气管及燃烧的局部优化 h c 冷起动少，中小负荷较多较多 发动机排放n o较少高 c o 较多较多 g d i 汽油机综合了传统柴油机与汽油机两者优点，以其热效率高、动力性以 及经济性好等诸多优点引起了各国内燃机界的广泛关注，有望取代常规的进气管 和进气道喷射汽油机，并且己成为当今车用汽油机的一个十分重要的发展方向 1 1 - 1 2 。目前，日本、美国和欧洲众多公司及研究所对汽油机缸内直喷技术的研究 极为活跃，日本三菱、丰田和美国福特等公司已有相应的g d i 汽油机机型推出。 我国由于技术和条件的限制，在汽油缸内直喷燃烧技术方面的研究尚处于起步阶 段，与国外的差距较大，迫切需要加速加强这方面的研究工作，目前有很多企业 正在研发g d i 汽油机，并且已有部分企业研发成功。 1 2 2 缸内直喷汽油机研究现状 、早期g d i 发动机燃烧系统简介 早在1 9 2 0 年就有人企图把火花塞点火发动机和压燃式发动机的优点结合起 第一章绪论 来【l3 1 ，开发一种混合式内燃机，其目标是：1 ) 在压缩过程中把燃料直接喷入气缸， 从而减小一般汽油机均质混合气燃烧时末端混合气容易自燃的倾向，使发动机在 接近最佳效率的压缩比( 1 2 1 5 ) 下工作；2 ) 用火花塞点火直接控制着火时刻， 从而避免柴油机着火对燃料品质的要求：3 ) 改变循环供油量控制发动机功率，从 而减少泵气损失；4 ) 采用稀薄燃烧，提高混合气工质的比热容比，从而提高循环 热效率。这种缸内直喷和分层充气概念提出以后引起了很大的重视，1 9 4 0 年就 被应用在航空发动机上【i4 i 。 汽油缸内直喷技术在汽车上的应用，最早见报道的是5 0 年代奔驰的3 0 0 s l 发动机【1 4 1 ，其燃烧系统如图1 3 所示。它在化油器的基础上采用了一套汽油缸内 喷射系统，在进气行程中喷油，形成的是均质混合气。从1 9 6 0 年到1 9 7 9 年，又 有一些汽油缸内喷射和分层充气式燃烧系统出现。女i m a n - - f m 燃烧系统( 1 9 6 9 年) 引，见图1 4 ，其主要特点是把汽油直接喷射到球型燃烧室壁面上，通过组织 较强的涡流来促使壁面油膜的蒸发以形成分层混合气。这种燃烧系统壁面传热损 失较大，同时有较多的h c 排放，烟度较大。同时，只能在稀燃工况下运行，限 制了比功率的提高，其动力性不如同等排量的进气道喷射汽油机。 图1 3 奔驰3 0 0 s l 燃烧系统图1 - 4m a n f m 燃烧系统 其它典型的汽油缸内直喷和分层燃烧系统的实例还有1 9 7 8 年的福特的 p r o c o 系统【1 6 和1 9 7 4 年的德士古t c c s 燃烧系统【1 7 j 。 这些系统都存在着喷雾质量差，控制策略不灵活的缺点，不能完全满足发动 机动力性、经济性或者排放的要求，因此没有得到实际应用。 二、现代g d i 发动机的研究开发 。 2 0 世纪9 0 年代以后，以数值模拟和可视化为代表的内燃机研究手段的应用 加深了人们对缸内气流运动、混合气形成和燃烧的认识，加之精度高、响应快的 电控手段的开发，促使缸内直喷汽油机的研究得到长足的发展。 1 ) 三菱公司的g d i 发动机 醋 第一章绪论 三菱公司4 g 9 3 直喷式汽油机的燃烧系统如图1 5 所示，三菱4 g 9 3 直喷式 汽油机燃烧系统特点为火花塞中心布置、喷油嘴远离火花塞斜置的滚流型燃烧 室。部分负荷时，燃油再压缩形成后期喷入，利用垂直进气道与特殊活塞顶形状 产生逆滚流，燃油蒸汽在逆滚流的作用下流向火花塞附近实现分层稀燃( 过量空 气系数为2 3 ) ；在大负荷时，燃油在进气冲程喷入，实现均质预混合燃烧。由于 实现有效的分层稀燃，压缩比达到1 2 ，再加上采用一系列新技术，如带垂直进 气道的4 气门结构，共轨燃油系统，燃油雾化效果良好的旋流型喷嘴，电控e g r ， 还原型n o x 后处理系统等，使得该机节能与环保指标均大大优于原进气道汽油喷 射发动机。据k u m e 、a n d o 和k u w a h a r a 等人的报道【l8 1 ，该发动机的燃油经济性比 原机改善3 5 左右( 已达到或超过直喷柴油机的水平) ，充气效率平均提高了5 ，全负荷的功率输出提高了1 0 ，n o x j f 放降低了6 0 以上。 ( a ) 燃油喷射方案( b ) 活塞形状 图1 5 三菱g d i 汽油机燃烧系统示意图 2 ) 丰田公司d ，4 发动机 丰田公司d 4g d i 发动机如图1 - 6 所示，此款发动机采用变涡流配合特殊形 状的燃烧室组织混合气。发动机的活塞形状比较特殊，活塞凹坑中较窄的区域a 为混合气形成区域，位于火花塞上游；较宽区域b 为燃烧空间，沿涡流方向逐渐 变宽的该区域能加速混合气的形成，再分层混合气被点燃后，促进火焰的传播； 渐开线型线c 用于将燃油蒸汽引向火花塞。该发动机的进气系统由相互独立的螺 旋气道和直进气道组成：螺旋进气道的进气凸轮采用了智能可变气门定时系统， 用于提高中低转速区域的最大扭矩以及降低n o x 排放；直进气道的上游安装了 涡流控制阀( s c v ) ，用于改变进气涡流强度。低负荷时，s c v 关闭，仅从螺旋进 气道进气，产生较强的进气涡流，燃油在压缩冲程后期通过1 2 m p a 的高压旋流 型喷嘴喷入，在空气涡流的作用下雾化，形成分层混合气，并利用气流运动将弄 混合气引向火花塞。在高负荷时，s c v 打开，燃油在进气冲程喷入，实现均质 预混合燃烧。 第一章绪论 图1 - 6 丰田d - 4 直喷汽油机 其它典型的现代g d i 汽油机的典型代表还有日产公司的n i o d i 发动机奔 驰公司的g d i 汽油机，f e v 公司以及a v l 公司的g d i 汽油机，此外还有一些其 它公司都有自己的g d i 方案或产品推出。 】2 3 缸内直赜汽油机捧放问西 g d i 汽油机的开发成功，极大地提高了汽油机的燃油经济性。但其捧放，总 体讲要高于传统的在理论空燃比下工作的加三元催化剂的进气道喷射汽油机。其 捧放问题主要有： 1 中小负荷下来燃碳氢c o b h c ) 的捧放较多，其主要原因是：( a ) 理想的分层在 实际发动机上难以实现，分层燃烧火焰从浓区传播到稀区时往往容易熄灭，稀空 燃比工作条件造成缸内温度偏低，也不利于未燃碳氢随后的继续氧化。形成大量 u b h c ( 高于常规汽油机数倍) ：c o ) 商品化的g d i 汽油机产品其燃烧系统主要采 用了壁面引导组织混合气的形式，容易造成燃油喷到活塞顶和气缸壁上，由于活 塞顶和缸壁的温度偏低容易造成汽油在着火前来不及完全蒸发，形成较多的 u b h c 捧放：( c ) 大空燃比工作条件下造成缸内温度偏低，不利于u b h c 在燃烧 后期的继续氧化；( d ) 其他设计不当引起的混合气混合不充分和火焰延迟，也会 造成火焰传播速度降低，使得u b h c 捧放升高。 2 n o 排放较高其主要原因是：( 砷分层混合气由浓到稀分布，将不可避免 地出现化学计量比附近浓度的混合气其正是n o 容易生成的区域，造成局部n o 生成增多；彻较高的压缩比和较快的反应放热率也使w n o 生成比常规汽油机高。 3 颗粒捧放增加，在低负荷、过渡工况和冷起动的情况下g d i 汽油机的颗 粒捧放比传统的p f i 汽油机有较多的增加，但仍比柴油机要低一个到几个数量 级。其形成的主要原因可能是因为局部地区过浓的混合气或类似柴油机的液态油 滴扩散燃巍所引起并且缸内温度低也造成了颗粒氧化不完全。 第一章绪论 g d i 汽油机目前最主要的共性问题是，起动、怠速和小负荷工况产生h c 较 多，大负荷工况产生n o x 较多。g d i 汽油机在稀空燃比工作条件下造成的富氧气 氛使得传统的三元催化器的转化效率不高，废气排温较低也不利于起燃，限制了 其在直喷汽油机上的应用，目前正在开发各种稀燃适用的催化器，如稀燃选择还 原型n o x 催化器、吸附还原型n o x 催化、浆质型三元催化器和u b h c 氧化催化器 等。但这些催化器在不同程度上都存在着转化效率低、工作温度范围窄、性能不 如传统的三元催化器的问题，还需要进一步的研究。稀燃催化剂的开发将直接影 响至u g d i 发动机排放问题的解决l l 睨引。 1 3 缸内直喷汽油机数值模拟研究现状 计算机技术的发展使多维数值仿真技术成为一种有效的研究手段，不仅可以 获得进气歧管、进气道、气门以及缸内的结构参数及其相对位置对气体流动特性 的影响，而且可以得到其内部流场的大量信息，为进气系统的设计与改进提供可 靠的依据。从前文的几种典型缸内直喷汽油机的实例中可以看出，g d i 发动机根 据运行工况的不同，对混合气的形成有着不同的要求：例如部分负荷时燃油在压 缩行程后期喷入气缸，实现混合气分层、稀燃；在全负荷时，然后在进气行程中 喷入，实现均质预混燃烧。由此可见，g d i 汽油机对混合气的形成质量要求非常 高，这需要依靠缸内气流运动、燃油在缸内的分布和燃烧室形状的配合才能达到 要求。由于实际条件的限制，完全依靠试验对发动机系统进行优化是不可能的， 要依靠数值模拟计算的手段，深入地研究缸内直喷式汽油机的各种工作机理，为 进一步提高发动机的性能提供理论依据。近年来内燃机工作者对港内直喷式汽油 机的数值模拟工作通常集中在两个方面： 1 燃烧系统参数的匹配：包括喷油器的布置，油束的喷射、碰壁、雾化和 蒸发等过程。例如k o n o 等采用k i v a 研究了燃油喷射方向与涡流运动方向之间的 相互关系对发动机性能的影响，得到的结论是：采用顺涡流方向喷射时碰壁现象 最严重，燃油消耗率和u b r c h 放高；相反，采用逆涡流方向喷射时，喷注的运 动速度在涡流的作用下迅速降低，因此在火花塞间隙周围形成了可燃混合气，性 能得到提高 2 3 1 。l a k e 等对喷油器布置在一侧时，喷油时刻对缸内混合气形成的影 响进行了数值模拟，结果表明：早期喷射，喷油时刻在1 7 0 1 9 0 a t d c 时，缸内 混合气得形成情况最好【2 4 j 。 2 混合气的形成：缸内气体流动、油束迹燃烧时形状的配合。例女l l d u c l o s 等人运用c f d 方法对三菱g d i 发动机的混合气形成过程进行了研究。计算结果表 明：( 1 ) 随着平均当量比的增加，高负荷时混合气的均匀程度会下降；( 2 ) 总空燃比 第一章绪论 较稀的均质混合气工况，混合气的分布基本上是均匀的，而对于总空燃比为当量 比混合气的工况，会在活塞中心的上方存在浓混合气区域；( 3 ) 对于采用分层燃烧 的工况，最先被火花塞点燃的燃油直接来源于喷油器，而不是来源于喷射到活塞 上表面被气流引导到火花塞处的燃油，因此燃烧室的形状影响火焰的传播，而对 火核的形成没有影响；( 4 ) 碰壁后的燃油与活塞之间的相互关系，对于分层燃烧的 工况有非常重要的影响【z 川。 此外，i i y a m a 、h a r t 、a n d e r s o n 等人都对影响g d i 式汽油机性能的参数进行了 深入细致的研究，对g d i 汽油机的发展有着重要的指导意义【2 睨9 | 。 1 4 本课题意义及主要研究内容 g d i 汽油机能有机的将汽油机和柴油机的优点结合起来，使内燃机具有较好 的动力性、经济性能，是车用发动机的发展方向之一。g d i 汽油机可采用更稀的 空燃比，压缩比和充气效率提高，系统优化潜力大，并且在降低油耗和提高动力 性方面g d i 发动机存在着明显的优势，能够缓解日益严峻的能源问题。因此，对 g d i 发动机的研发是十分有意义而且必要的。 g d i 汽油机的设计面临着几个主要的技术难点，其中冷起动工况的排放性能 一直得不到良好的解决，进一步降低g d i 汽油机冷起动工况下的排放是保证g d i 汽油机能够满足日益严格的排放标准的前提，也是g d i 汽油机能够大量生产的前 提。为解决此问题，本课题组提出复合供油系统方案来改善g d i 汽油机冷起动工 况所存在问题，复合供油系统包括高压共轨为缸内直喷喷油器供油，低压系统为 装于进气歧管稳压腔上的喷油器提供抵压供油，因此需在g d i 汽油机的进气系统 ( 进气歧管) 上设计安装一个低压喷油器。本文拟在此基础上，以4 g 1 5 一g d i 汽 油机为研究对象，采用数值仿真方法研究g d i 汽油机的进气系统及复合供油系 统，为其合理设计和控制策略的制定提供理论依据。主要研究以下内容： 1 本文模拟计算所运用的数值方法及数值模型。 2 本文模拟计算所采用网格模型。 3 运用多维数值模拟方法确定g d i 汽油机进气系统上喷油器安装方案。 4 g d l 汽油机缸内流体流动及油气混合过程。 5 复合供油系统对g d i 汽油机缸内油气混合过程影响。 】0 第二章数值模拟基础 第二章数值模拟基础 内燃机工作过程的多维数值模拟是根据流体力学的基本原理用一组经典的 守恒偏微分方程，描述缸内流体运动和流场结构及其对燃料与空气混合的影响。 本研究采用眦数值方法，利用流场的基本守恒定律对湍流、传质和喷雾等计 算模型建立相应控制方程进行数值求解，计算获得一系列进气系统流场及缸内流 场的详尽信息，如流体的速度、温度、湍动能分布等瞬态空间场，为直喷式汽油 机燃烧特性的研究创造条件。 2 1 基本控制方程 在惯性坐标系o ( x ，y ，z ) ，中，记流场控制容积为矿，边界为s ，其边界运动 速度为u ，则流体与边界的相对速度为( c u ) ，通过边界的通量可表示为对边 界面积微元幽的积分。设该流体微元无限小，汇于一点( x ，y ，z ) ，则流体微元内 的各流体力学参数可表示为五y ，z ，t 的函数，流体微元内的守恒量可表达为对体 积微元( 洲= d x d y d z ) 的积分，于是各守恒量的关系式分别为【3 0 】： 2 1 1 组分m 的质量守恒方程 j d 。i p , d v = _ 唾成( c u ) 幽+ 4 胪v ( p p m ) d a + 王a 瓯，d y ( 2 - 1 ) 式中，左端为单位时间内流体微元中组分的质量变化；右端第一项为通过边 界流入微元内的质量输运量；第二项为边界内外因组分密度分布不均匀产生的扩 散传质量，其中v = f + + 为拉普拉斯算子；第三项为流体微元内燃料蒸 幽砂位 发所产生的外源项，其中a 为燃烧质量变化率。 2 1 2 总的质量守恒方程 丢肛矿= 一嘎肿一u ) d a 十c i , d v ( 2 - 2 ) 气体总的质量为各组分质量之和，即p = 岛，除无需扩散传质外，其他与 组分的质量守恒类同。 “ 第二章数值模拟基础 2 1 3 动量守恒方程 i d 工胪d 矿= 一4 胪( c u ) 刎一唾p t a a + 唾施+ j ：f a y ( 2 - 3 ) 式中，左端为流体微元内流体的动量变化率；右端第一项为通过边界流入流 体微元内的动量输运量；第二、三项为流体微元内流体所受的净作用力，忽略气 体质量力后，流体微元内流体所承受的作用力来自于流体微元表面上的应力，其 中，为单位二阶张量，p 为静压力，盯为粘性应力张量；第四项为外源项，即流 体微元内因燃料蒸发、运动而产生的动量交换，只为单位体积、单位时间内的 交换量。 2 1 4 能量守恒方程 罢工( ) = 唾( ) ( c 一以一嘎p 两洲+ 嘎p ( 一o - c ) 洲一唾掣+ 王毫d v ( 2 - 4 ) 式中，左端为流体微元内流体的内能变化率；右端第一项为因质量输运所携 带的能量输运；第二、三项为外围流体作用在流体微元边界上的应力所作的功； 第四项为通过边界的传热量，q 为热流量，方向为外法线方向；第五项为外源项， 即液相与气相之间的能量交换，度为单位时间单位体积内的能量交换率。 在计算上式中的传热项时，不仅考虑了因温差产生的导热，还考虑了因传质 产生的传热现象，即： q = 胛卜p d h m v ( ；，m ) ( 2 - 5 ) mj 式中，k 为导热系数，办。气为第m 组分的质量焓。 2 1 5 状态方程 在以上的基本方程中，未知量有：因变量p m 、p 、u 、c ；状态量p 、t 、 h ，；外源项a 、只、丘。其中状态量可由状态方程与因变量联系起来，从而构 成封闭的联立方程组。 内能与温度的关系 u ( t ) = u ( t o ) + c v ( t - t o ) ( 2 6 ) 理想气体状态方程 p = r t z 皂 ( 2 7 ) l ， 。 m h 朋 混合气体的加和性 第二章数值模拟基础 咿) 2 ；告味d 们) 。；告叫n 内能与焓的关系 j ，、 k ( 丁) = u m 叮) + r t m , ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 一l o ) 式中，“。为混合气体组分历的分质量内能，q ( 丁) 为混合气体组分聊的比定 容热容，q 为混合气体的总比定容热容，r 为通用气体常数，露。为组分肌的克 分子量 2 2 数值方法 内燃机工作过程中流场问题求解的数值方法分为两种：s i m p l e 算法和a l e 算法【3 l 】。内燃机缸内流场的求解多采e u l e r 法或l a n g r a n g e e n l e r 法相结合的方 法。如r p m 和p h o e n i c s 软件采用纯e u l e r 法的s i m p l e 算法，k i v a 和s t a r - c d 采 用l a n g r a n g e 和e u l e r 相结合的a l e 法，a v l - f i r e 软件也采用此法。目前，s i m p l e 算法和a l e 算法是国内外应用最广的两种算法。 2 2 1s i m p l e 算法和a l e 算法 s i m p l e 算法是求解应力耦合方程的半隐式算法。它对积分区域的离散化一 般采用正交网格系统，特别是正交贴体坐标系网格系统，易于离散基本方程，适 用于具有复杂几何形状的积分区域。a l e 算法具有网格灵活多变，几何适应性 强的特点。它的差分网格具有可按规定速度运动的灵活性。当网格按当地流体速 度运动时，计算是拉格朗日方式当网格固定不动时，计算则是欧拉方式，这些特 点使a l e 算法特别适用于内燃机工作过程中的流动问题。 2 2 2a l e 算法的数值解法 ( 1 ) 守恒方程 面d 工( 卯矽矿= 一唾( 胛) ( c u ) 幽+ 嗔( r 伊v 伊彬+ 嘎以+ 工一矿 ( 2 - 1 1 ) 这是质量、动量、能量守恒方程的通用表达式，式中矽的不同取值代表了不 同的守恒量。f 。为相应的扩散系数。 上式中各项从左到右依次外瞬态项、对流输运项、内源项及外源项。表2 1 汇总了采用通用表达式各守恒方程的具体形式。 第二章数值模拟基础 表2 1 各守恒方程的具体形式 方程 够 r 。 s 褂 组分质量守恒 成pp d o 夸s 6 嘲 总的质量守恒 100 p s 动量守恒 c p i | 飞cu v c + ( v c ) 7 】+ ( v c ) 1 只 能量守恒 “ - p ( i c ) v c( 卯) 一q e s 整理守恒方程式( 2 6 ) 得 丢工( 艘) d 矿= 么+ b + c ( 2 - 1 2 ) 其中a ：代表欧拉法计算的扩散项与源项； b 代表按拉格朗日法计算的内源项中与压力相关的项； c 代表最终在以欧拉场的形式描述流场时，才需考虑的对流输运项。 式中，对于各个守恒方程，a 、b 、c 各项的具体内容列于表2 2 。相应地， a l e 算法的一个计算步长依次分为a 、b 、c 三个阶段。 表2 2 守恒方程各项具体内容 方程 9 abc 组分 成 4 ，p d v ( p m ) d a + l 芦5 6 m ? d v p o 一嗔成( c - u ) d a 质量 p 州 总的 s 芦s 鲥 0 - q ，p o ( c - u ) d a l 质量 动量 c c f 确+ f e d v c fp - i d a - c p c ( c - u ) d 4 j 5 能量 “ ( - , 4 一q , q d a + j ，丘d 矿。一c p ( t c ) d a一4 ( ) ( c u ) d a ( 2 ) 差分方程 对于式( 2 1 1 ) ，其差分方程为 1 4 第二章数值模拟基础 笪笔塑= 一莓 卯( c 一【，儿以+ 莓( r 尹v 妒) 。以+ & y 式中，下标口指积分区域的界面，如积分区域为一六面体， f ，d 分指该区域的左右前后项底等六个界面。 ( 3 ) 时间差分 ( 2 1 3 ) 则口= z ，f ，d ， a v l f i r e 软件采用一种依时间渐进的显示方法，在一个计算循环( 或时间 步长) 内具体划分为a 、b 、c3 个阶段，每一个计算阶段均充分利用上一个阶 段的计算结果，使计算值不断刷新，式2 - 6 的差分方程可以分解为3 个，即： ! 丝型二! 丝! ! ：a n 出 ! 丝型二! 旦缕蔓：b 爿 f ( p 缈矿) 胂1 一( p 矽矿) 口p b 一一o a t 3 式相加便得到一个完成时间步长的总的差分方程： ( 2 1 4 ) ! 丝兰! = = ：= ! 丝型：a 一+