进气道对缸内直喷增压汽油机性能的影响研究_滚流比-论文网

图4计算几何模型

Fig.5Geometrymodelforsimulation

2.1喷雾模型校核

由于采用CFD方法直接模拟喷油器内的燃油流动及喷油器出口处的燃油液柱分解过程计算量太大，对于计算资源要求太高，现阶段还难以应用到实际设计当中。目前工程上常用的方法是采用定容弹或光学发动机测量喷雾特性，然后用来对CFD计算喷雾模型进行标定，最后用标定好的模型研究缸内的油气混合和燃烧。

所研究发动机的喷油器喷嘴为7孔，喷射压力为15MPa，背压1bar，燃油温度20℃，喷射出口流速138m/s。喷雾模型的选择对缸内油气混合过程的模拟分析非常重要，计算采用拉格朗日多相流耦合算法，喷嘴模型采用Effective模型，雾化及破碎模型采用Reitz模型，能量、动量及质量传递模型采用Standard模型，燃油物性可变并通过子程序实现，撞壁模型采用Bai+Switch30模型，考虑湍动能耗散和重力的影响。

图5为不同时刻定容弹喷雾试验与模拟结果的对比结果，两者贯穿距非常接近，形状也较为吻合，因此选用本喷雾模型和喷嘴参数进行油气混合分析。

图5喷雾模型定容校核

Fig.5Testandsimulationcomparisonofinjectionspray

2.3进气流场分析

图6给出了两种气道不同时刻的速度场分布。从图中可以看出，在470CA，进气门处于最大升程，高滚流比气道HTPort在缸内形成两个明显的漩涡，而低滚流比气道LTPort则在多处形成漩涡，但均不明显，分布显得有点杂乱。在590CA进气门关闭时，HTPort在缸内形成一明显漩涡，而LTPort则不是那么明显，这种趋势一直保持到活塞快接近上止点。

LTPortHTPort

图6速度场分布比较

Fig.6Comparisonofvelocitymagnitude

由于增压，进气道进口压力大于环境压力，气流通过压气机压缩进入缸内，虽然两气道的流量系数差16%，但进气量差别却不明显，如图7所示，在1500r/min全负荷工况下均为815mg/循环左右，此时过量空气系数Lambda为0.7881左右。因此，对于增压GDI发动机，进气道流量系数对进气充量影响较小。如图8所示，由于高滚流比气道在缸内形成更为规则的大尺度的漩涡，高滚流比气道在缸内的瞬态滚流比较低滚流比气道更高，在气门最大升程470CA时，LTPort气道滚流比为0.256，HTPort气道滚流比为1.455，差别较大，这也与稳态CFD分析结果趋势一致。对于涡流比，由于两种气道均对称，气流作用相互抵消，因此，缸内瞬态涡流比基本为零。

图7每循环进气量比较

Fig.7Comparisonofairflowmasspercycle

图8滚流比及涡流比比较

Fig.8Comparisonoftumbleandswirlratio

2.4湍动能分析

如图9所示，在气门最大升程470CA时，由于HTPort滚流比高，HTPort湍动能强度空间分布比LTPort强烈且范围广，这有利于油气混合。在700CA时，此时接近点火时刻，在火花塞周围的湍动能高滚流比气道明显高于低滚流比气道。

LTPortHTPort

图9470CA和700CA的湍动能分布比较

Fig.9ComparisonofTKEat470CAand700CA

如图10所示，在710CA时，LTPort的湍动能TKE为8.21m/s，而HTPort的TKE为16.8m/s，高于指导值15m/s，这有利于点火成功。因此，高滚流比气道有利于提高火焰传播速度，加快燃烧速率。特别是对于增压机而言，为了减小爆震倾向，在对充气效率影响较小的情况下，更应提高滚流比，在中低速部分负荷下，提前点火，增加扭矩，提高低速瞬态响应。因此，对于缸内直喷增压汽油机采用高滚流比气道较好。

图10湍动能对比

Fig.10ComparisonofTKE

2.5缸内油气混合均匀性

图10为两气道在550CA时的油气混合分布图，此时喷雾已经结束，从图中可以看出，油气在高滚流比明显漩涡的气流下，被卷入空间的油雾分子要比低滚流比气道要多，也就是说，在进气和压缩冲程气流对喷雾和雾化是会产生影响的。

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