直喷汽油机混合气燃烧抑制爆震的数值模拟研究

直喷汽油机混合气燃烧抑制爆震的数值模拟研究

发动机模型的建立及验证原油直接廖化技术（sdi）是提高车辆燃料经济性的重要手段。爆震是由于气缸中远离火花塞的末端混合气自燃引起的笔者采用数值模拟的方法对分层当量比混合气抑制缸内直喷汽油机爆震的思路进行进一步研究,利用FIRE软件建立了GDI发动机的三维数值模型进行模拟解析,并对模拟结果进行了试验验证。1sdi车辆值模型的构建和校正1.1网格结构的局部细化试验GDI发动机的基本参数见表1。试验发动机的三维模型导出生成的移动网格如图1所示,大部分为六面体网格,近壁区域采用非结构化网格贴体,网格尺度为2mm,在进排气门与气门座区域进行局部细化,以保证网格质量。在气门重叠时刻带进、排气道时网格数量约为28万,在压缩上止点去掉进、排气道时网格数量约为8万。1.2流动控制方程离散化采用的计算模型见表2。计算基于16-CPU集群系统,运行环境为RedhatLinuxAS4.464操作系统,并采用MPI并行计算模式。采用控制体积法进行流动控制方程的离散化,边界值计算采用外推插值;连续方程、动量方程采用中心差分格式;能量方程、湍流控制方程和线性求解方程均采用迎风差分格式。1.3气体压缩边界计算初始条件和边界条件的设置见表3。活塞、进气门和排气门为移动壁面,其它为固壁边界。进气道入口处边界为非稳态压力边界条件(试验测得的进气压力波),排气道出口采用定压边界条件,其它边界采用温度边界条件。1.4发动机工作过程模型为了使得所建立的GDI发动机数值模型能够较准确地反映实际发动机的工作过程,对数值模型进行了标定。喷雾模型通过喷雾可视化试验结果进行标定,而燃烧模型则通过实际发动机缸压示功图进行标定2计算结果和分析2.1发动机混合气浓度对燃烧与爆震的影响混合气浓度的影响是研究分层当量比混合气抑制爆震的先决条件,因此首先通过数值模拟研究了发动机混合气浓度变化对燃烧和爆震的影响。图4显示了转速为2,000,r/min、节气门全开工况下不同燃空当量比(φ,)混合气的瞬时放热率曲线和最大爆震因子的模拟结果,其中最大爆震因子是FIRE软件通过Shell自燃模型2.2燃烧时间和燃烧速率为了验证分层当量比混合气抑制爆震的思路,通过重新初始化的方法在缸内形成均质当量比和分层当量比两种不同模式的混合气分布,如图6所示。均质当量比模式下缸内混合气处于完全均匀状态并保证燃空当量比为1,分层当量比模式下则在火花塞周围初始化形成一个球形的浓区(燃空当量比为1.2),而在周围则为较稀混合气(燃空当量比为0.8),但整体燃空当量比为1。图7为均质当量比和分层当量比两种混合气组织模式的燃烧放热率和爆震强度。与均质当量比混合气相比,该种形式的分层当量比混合气在燃烧时显示出先快后慢的特征,即在燃烧初期由于火花塞周围混合气处于偏浓的状态(燃空当量比为1.2)且为完全均匀混合,因此初始燃烧速度较快,而后期由于周围混合气较稀(燃空当量比为0.8),燃烧速度减慢。从整体上看,混合气分层之后加快了燃烧放热,燃烧相位提前,同时由于周围混合气较稀,整体上使得爆震强度降低。图8显示了浓稀区不同浓度比例时的最大爆震因子和瞬时放热率的模拟结果。与均质混合气相比,混合气分层之后的爆震强度都显著降低,并且随着混合气浓区浓度增加(稀区浓度减小)爆震强度逐渐降低。同时发现,当混合气浓区浓度较小(燃空当量比为1.1、1.2)时,分层混合气初期燃烧速度较快,而当混合气浓区浓度较大(燃空当量比为1.3、1.4)时,分层混合气初期燃烧速度减慢,这两种效果在抑制爆震的原理方面存在差异2.3模型模拟结果前面结果分析从理论上证明了分层当量比抑制爆震的可行性,为了实现该策略在具体发动机中的应用,对实际GDI发动机的具体工作过程进行了数值模拟研究和试验验证。在实际GDI发动机工作过程中,采用优化的活塞形状,通过在进气冲程中单次喷射可在缸内形成均匀混合气,而在进气和压缩冲程中两次喷射则可在缸内形成分层混合气。图9为优化后的侧凹坑燃烧室分别采用单次喷射和两次喷射时点火时刻(20°CABTDC)缸内混合气的浓度分布,其中单次喷射开始时刻为300°CABTDC(TDC为压缩上止点),两次喷射的第1次喷射时刻(SOI在GDI两次喷射策略中,第2次喷射比例g从图10中可以看出,当第2次喷油时刻相同时,随着第2次喷油比例增大,燃油蒸发比例逐渐减小,浓区混合越不均匀,而稀区的混合气浓度则减小;而当第2次喷油比例相同时,随着第2次喷油时刻提前,燃油蒸发比例提高,分层混合气浓区的面积逐渐增大,浓区的混合气越趋于均质。分层混合气组织形式不同将会对其燃烧排放以及抑制爆震的效果产生重要影响对均质混合气和分层混合气两种不同模式的混合气的燃烧过程和爆震强度进行了模拟研究,图11显示了两种混合气燃烧模式的爆震强度对比(取气缸顶部切片进行分析),其中参数设置与图9相同。从图11中可以看出,GDI发动机采用两次喷射形成分层当量比混合气燃烧的爆震强度明显降低,当量比条件下进行混合气分层能够有效抑制爆震。为了验证上述数值模拟结果,在GDI汽油机上进行了分层当量比混合气抑制爆震的试验研究。试验中保持转速和节气门位置不变,分别采用单次喷射和两次喷射形成均质混合气和分层混合气,单次喷射和两次喷射的总油量相等,使得缸内整体混合气处于化学计量比。图12显示了转速1,600r/min,p从图12可以看出,当采用均质当量比混合气燃烧时,缸压曲线在最大爆发压力后产生明显的振动锯齿波,而爆震波也产生较大振幅的高频振荡,发生明显爆震;采用分层当量比混合气燃烧之后,缸压高频振动锯齿波几乎消失,滤波后的爆震波振幅也明显减小,分层当量比混合气产生明显的抑制爆震的效果。3gi发动机增加了分层减量比混合气(1)燃烧速度和爆震强度都在混合气偏浓(燃空当量比为1.1)时达到最大值,混合气过浓或者过稀都会减小燃烧速度,降低爆震强度。(2)与均质当量比混合气相比,分层当量比混合气能够有效抑制爆震,并且爆震强度随着浓区浓度增加和稀区浓度减小而降低