喷油机油箱喷雾均匀性的cfd模拟

喷油机油箱喷雾均匀性的cfd模拟

1高压喷雾的测量为了研究液体喷雾汽油结构的形成，研究人员进行了大量实验和分析：在定容弹或光学电机上，使用激光多普勒法（pda）测量喷雾液的滴速和直径，并使用高速数字相机拍摄喷雾液的形状。利用激光诱导荧光法测量燃油的耗水率等。由于缸内直喷汽油机喷油器的多样性及发展时间不长,商业软件中目前还没有现成的缸内直喷汽油机喷雾的计算模型。用计算流体力学(CFD)方法直接模拟喷油器内的燃油流动及将喷油器出口的燃油液柱分解为大的液滴计算代价太大,现在比较多的做法是在定容弹或光学发动机内测量喷雾的特性,然后用单缸机验证发动机的性能或用CFD标定好模型后再计算缸内的混合及燃烧。2各工况下喷油规律本文分析的缸内直喷汽油机是一款直列4缸1.8L发动机,考虑到稀燃NO为了解该喷油器的特性,首先在喷油器试验台上测量了喷油器的喷油规律,测量时通常要考虑高转速、大负荷及低转速、小负荷等几种工况。图1为测得的某一工况下的喷油规律。在定容弹内的测量主要有两部分内容:a.不同时刻喷雾油束的形状;b.喷油器附近位置的喷雾液滴直径及速度分布。前者通过高频照相得到,后者可以用PDA测量。因为喷油时间较短(低转速只有1ms左右),照相机的响应必须足够快。另外,对于多孔喷油器来说,为了能够测量到某一束油的形状,要用片光源进行测量。图2为测得的某一时刻的两束油的形状,图3为某一时刻的油束粒径分布,图4为某一时刻的油束速度分布。3cfd模型中喷雾的模拟准备CFD分析使用的软件是商业软件STAR-CD。计算中选用K-Epsilon紊流模型、标准壁面方程。油滴破碎模型选用Reitz,油滴撞击壁面选用Bai模型。为了能与喷雾测量的试验结果进行比较,需要从STAR-CD的结果文件中取出燃油液滴的相关信息存入数据文件中,然后再根据需要进行进一步的处理。要从CFD的结果中取出燃油液滴的信息,有两种方法:a.编制相关的后处理宏文件,等计算完成后执行此宏文件。b.计算前编好相关的用户子程序(posdat.f),并放入STAR-CD的用户子程序计算目录中,则计算完成后就会自动把燃油液滴的相关信息存入可以编辑的数据文件中。由于燃油液滴的数量很多,通常得到的这些数据文件也非常大。喷油器实际喷出的燃油液滴数量相当巨大,由于计算能力的限制,CFD模拟计算的燃油液滴数量比实际要少,如果不进行相关的技术处理,则CFD结果中会缺少某些与试验点的对应。为了有尽量多的燃油液滴的信息与试验比较,需要对喷雾油滴的结果进行复杂的后处理。这里用的是6孔喷油器,为了利用所有油滴的信息,处理时需要把其它5束油合理移动到第一束油的位置。要准确模拟喷雾的特性,需要校核如下几点与试验一致:a.每束油的喷雾锥角;b.不同时刻喷雾的贯穿度或不同时刻喷雾的速度分布;c.不同时刻喷雾液滴的直径分布。图5~图8分别为喷油1.0、1.25、1.5、1.75ms时CFD模拟的油束锥角、贯穿度与实测结果的对比。图9为CFD模拟的距离喷油中心35mm位置油滴的索特平均直径(SMD)、平均直径(AMD)与实测结果的比较。可以看出,仿真结果与实测结果比较接近,可以用此喷雾模型模拟实际发动机的缸内过程。4内容器的模拟结果4.1不同转速时不同喷油效果的均匀度分析对于均质缸内直喷来说,除怠速起车和催化器快速起燃外,其它各转速、负荷工况下缸内混合气应尽可能均匀,这样可以减少HC排放、减少循环间扭矩变动及提高高转速、全负荷时空气的利用率。另外,燃油湿壁会大大增加HC排放,应尽量避免。本文论述转速为5500r/min、全负荷及转速为2000r/min、平均有效压力为0.2MPa时两个工况下缸内的喷雾及混合情况。转速为5500r/min时喷油提前角为燃烧上止点前300°(曲轴转角,下同),喷油结束时间为燃烧上止点前189°,持续期为111°。图10为喷油开始后10°(对应430°)、喷油开始后60°(对应480°)、喷油结束后10°(对应540°)及点火时刻(对应690°)缸内空燃比分布及油束液滴的分布情况(沿进排气道中心的切面)。图11为对应时刻缸内流速分布情况。从图11中可见,开始喷油时油束沿喷孔方向向前传播,但很快就受到缸内流场的影响,由于缸内的滚流是逆时针方向,油束前沿便转弯,向下向右流动,导致点火时刻活塞表面的燃油浓度较高、而排气侧气缸边缘燃油浓度较低。如果能采取措施进一步提高缸内空燃比分布的均匀度,将会改善均质直喷汽油机的性能。图12为喷入燃油及燃油雾化质量随曲轴转角的变化情况,可见在高转速时由于空气速度较高,加强了空气和燃油的相互混合,燃油雾化比较快,在点火前所有燃油全都雾化了。图13为缸内油滴SMD随曲轴转角的变化情况。转速为2000r/min、平均有效压力为0.2MPa时喷油提前角为燃烧上止点前310°,喷油结束时间为燃烧上止点前296°,持续期为14°。转速为2000r/min、平均有效压力为0.2MPa时喷油开始后5°(对应415°)、喷油结束后5°(对应430°)、下止点(对应540°)及点火时刻(对应685°)缸内空燃比的分布及油束液滴的分布情况如图14所示。图15为对应时刻缸内流速分布情况。从图15中可以看出,喷油后油滴沿喷孔方向向前运动,但雾化较少,接近活塞表面时跟随空气沿排气侧向上运动。点火时刻整个缸内的空燃比分布不太均匀,排气侧燃油浓度高,进气侧燃油浓度低,这将带来高HC排放及增加循环间扭矩变动等不利影响。图16为喷入燃油及燃油雾化质量随曲轴转角的变化情况。可以看出,由于低转速时缸内流速较低,空气和燃油的相互作用较弱,又由于缸内温度较低,导致油滴雾化较慢。高转速大负荷时排气侧燃油浓度低,低转速部分负荷时进气侧燃油浓度低,两者相比,低转速部分负荷时缸内的均匀度更差些。为了改善缸内的均匀度,下面分析一下缸内滚流比的变化情况。图17和图18是转速分别为5500r/min和2000r/min时只有空气流动及用原机喷油器喷油后缸内滚流比的变化。从图中可以看出,高转速时喷油加强了缸内的滚流,低转速时喷油削弱了缸内的滚流,低转速时缸内的滚流本来就低,喷油后滚流就更低了。高的滚流可以提高上止点附近缸内的紊流强度,对混合和燃烧都有好处。再结合前面的浓度分布情况,有如下改进思路:采用更分散的喷雾锥角