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1、缸内直喷汽油机静态喷雾模拟孙勇帅石金王建听( 清华大学汽车 安全与节能国家重点实 脸室) 摘要 汽油扛内直喷 ( C D 川 技术是 提高汽油机经济性的有效途径。如何在各种发动机工况下精确地控制燃油的喷雾特性， 并与空气 混合形成火花塞附 近的可燃混合气是G D 1 的关 健枝术 研究汽油4 1 内 直喷喷雾特性对开发设计G D I 有看非常重要的意义. 本文模拟了 在定容燃烧弹里汽油的直嘴喷雾特性 研究了 燃烧室 压力 初始液滴直径和嘴雾谁角 对喷雾特性的影响，并与试验结果 进行了比 较关扭词: 汽油机汽油赶内直喷喷雾特性三维教值模拟Th r e e - Di me n s i o n a
2、l Nu me r i c a l S i mu l a t i o n o fG a s o l i n e D i r e c t I n j e c t i o n S p r a y C h a r a c t e r i s t i c sS U N Y o n g S H U A I S h g i n WA N G J i a n x i n( T s i n g h u a U n i v e r s i t y . S t a t e K e y L a b o f A u to m o t i v e S a f e ty a n d E n e r g y )A b s
3、t r a ct: G a s o l i n e D i r e c t I n j e c t i o n ( G D I ) t e c h n o l o g y i s a n e f fi c i e n t w a y t o i m p ro v e t h e e c o n o m i c c h a r a c t e r i s t i c s o fS I e n g i n e . I t is th e k e y p ro b l e m th a t h o w t o c o n tr o l th e s p r a y c h a r a c t e r
4、 i s t i c s p r e c is e l y u n d e r d iff e r e n t e v e n t s a n dg e n e r a te i g n it a b l e m i x t u r e w i t h a i r in th e v i c i n i ty o f s p a r k p l u g . I t i s v e ry i m p o r ta n t t o i n v e s t i g a te g a s o li n e d i r e c ti n j e c t i o n s p r a y c h a r a
5、 c t e r i s t i c s f o r G D I r e s e a r c h . T h i s s t u d y s i m u l a t e s t h e g a s o l i n e d i r e c t i 可 e c t i o n s p r a y i n a c o n s t a n tv o l u m e b o m b a n d in v e s t i g a t e s t h e e ff e c ts o f c h a m b e r p r e s s u r e , i n i t i a l d ro p l e t d
6、i a m e t e r a n d s p r a y a n g l e o n s p r a yc h a r a c te r i s t i c s . T h e r e s u l ts o f s i m u l a t i o n a r e c o m p a r e d w it h th o s e o f e x p e r i m e n t .K e y w o r d s : S I E n g i n e , G a s o l in e D i r e c t I n j e c t i o n , S p r a y C h a r a c te ri
7、 s t ic s ,T h r e e - Di me n s i o n a l Nu me r i c a l S i mu l a t i o n引言汽油缸内 直喷 ( G D I ) 技术在降低汽油机的 燃油 耗方面较常规 进气道喷射 ( ? F 工 ) 汽油机有 明显的优势， 并在降低有害物排放方面 有潜在的优势， 其经济效益和社会效益巨大， 是现代汽 油机发展的 前沿技术。 尤其是1 9 9 6 年日 本三菱公司在世界上最先推出 商品化的G E 工 发动 机之后， 各研究机构和公司也纷纷投人大量的人力、 物力和 财力开始这一领域的 研究开发工作 尽管缸 内直喷汽油机有着诱人的前景
8、， 但在实现技术上仍存在着不少难点， 其中 如何在各种运行工况 下精确地控制燃油的 喷雾特性， 并与空气混合形成火花塞附近的可燃混合气是S D I 的关键技术， 尽管多年来 人们对柴油喷雾和汽油进气道喷雾的研究取得了 不少成果， 但它们与汽油 缸内直喷 在燃油性质、 喷油压力级别 直喷汽油机为4 - 1 3 5 t p a ， 进气道喷射汽油机为。 . 2 5 - 0 . = 5 y . P a ) , 油 滴速度、 油滴粒度范围等方面都有差别 因而柴油喷雾和汽油进气道喷雾的经验不能直接应用于直喷汽油机， 这就需要对汽油缸内 直喷的喷雾特性进行相应的研究本文对定容 燃烧弹中的中 空锥形汽油直喷
9、的喷雾特性进行了三维数值模拟 就燃烧室压力、 喷雾液滴的 索特平均直径 ( S M D ) , 喷雾锥角等因素对喷雾特性的影响进行了 分析研究1 . 数学模型与计算条件本文用A V I 的三维计算流体力学 ( C F D ) 软件F I R E 对直喷汽油机的静态中 空锥形喷雾特性 进行模拟。数值模型包含了质量、 动量和能量守恒， 并考虑了湍流模型和燃油碰壁模型。湍流模型使 用的是k - e 模型。 初始的 燃油破碎， 也就是从喷油器内的 单相流动到形成离散液滴的雾化过程， 还没有一个较为满意的模型。 但是， 如果喷射的初始条件 ( 如 液滴的初速度和粒径分布)可以 由 试验或者理论分析的结果
10、给出的 话， 通过数值模拟来研究燃油的喷雾特性还是可行的喷雾模型建立在离散液滴模型 ( D O M ) 之上。这个模型把喷束描述成一个离散的 “ 包，( p a r c e l s ) 的统计学样本。 一个“ 包” 是许多 具有同 样尺寸的液滴的全体。 每个“ 包” 的位置、 速度、 温度、 质量和液滴直径是由一系列常微分方程的 解给出的 ( 拉格朗日 方法) 。 这些数据又 用于计算喷束对流动域的影响， 认为流动域是一个可由一系列偏微分方程的 解给出的连续相 欧 拉方法 。液滴的尺寸分布是描述喷雾特性的一 个具有决定性意义的参数。 在喷雾模型中， 可以 输人 液滴粒径的 分布几率，由 它来决
11、定液滴出现不同直径的几率。 喷 雾模型还需要液滴速度的初始 值 ( 绝对值和方向) ， 这也是由 试验测得或者由 分析 ( 伯努利方程) 给出影响喷射特性的 另一个重要因 素是液滴与 周围 空气相互作用的阻力。 阻力系数通常由液滴 和气体之间的相对速度、 液滴尺寸、 液滴形状和气体的 粘性所决定， 阻力系数由下式计算 ， ， :Cd2 4 +3. 6.R e“ 0 aReR e R e * 时， 认为阻力系数不变， 恒为。4 4 ( 对应于R e * = 1 0 0 0 ) 。喷雾模型还包含了 建立在单组分燃油特性基础 之上的 蒸发模型。本文模拟所用的网格如图1 所示。这是一个非结 构化的圆柱
12、体的网 格，喷嘴在网 格顶部的 正中 心处， 对这里采用了 加密的处理，以便更准确的模拟喷雾过 程。 整个网格的直径是1 2 。 二，高度为8 0 m m 图1 计算网 格三维视圈2 ， 计算结果与分析本文主要是 用三 维数值模拟方法分别研究了 燃烧室压力、 喷雾液滴的$ M D , 喷雾锥角等因 素对在定容燃烧弹中的中空锥形汽油直喷喷雾特性的影响。2 . 1 燃烧室压力对喷雾特性的影响燃烧室压力对喷雾的形态、 喷雾锥角以 及喷雾贯穿距都有影响， 如图2 所示图2 显示了 燃烧室压力从。1 M P a 到1 . 2 M P a 变化时喷雾形态的 模拟计算与 实验结果的对比 图2 ( a ) 是
13、模拟计算的结果 ( 燃烧室温度 5 5 0 K , 喷雾锥角5 0 ，喷油速率 1 1 . 0 4 m 9。 ) ，图2 ( b ) 是 A V L公司在一台用于研究喷雾的可视的发动机上用激光诱导荧光法 ( L a s e r I n , U C e Q F : c o r e s c e n c e , L I F ) 测得的 试验 结果2 1从图中 可以 看出 模拟计 算的 结果和试 验的 结果吻合 较 好。随着燃烧室压力的升高，喷雾在空间分布上逐渐收缩。0. 2 MP 压a. 石 甘P a1. 2 MPs.) C P D 计茸结果食b )L 工 ， 侧.结果图2 燎烧宣压力对喷界形态的影
14、响( 喷油压力B A P a . 喷界后3 m s )对于中空锥形喷雾来说， 喷雾锥角是随着时间变化的。 模拟时设定的喷雾锥角为 5 C ， 但 这只是指不考虑与空气相互作用时的 名义喷雾锥角， 实际的 喷雾锥角会因为和 空气的相互作用 而随时间变化， 但在某一时刻的喷雾锥角是由喷油压力和 燃烧室压力决定的。 喷油压力对喷雾 锥角的影响将在后面讨论， 燃烧室压力对喷雾锥角的 影响较大。 如图2 所示， 在喷雾后 3 二，根据模拟的 结果， 燃烧室压力为0 . 1 M P a 时， 喷雾锥角为6 0 ; 燃烧室压力为。 锥角为4 9 ; 燃烧室压力为。 A M P a 时， 喷 雾锥角为4 0
15、; 燃烧室压力为1 锥角为3 5 0。 随着燃烧室压力的 升高， 喷雾锥角明 显减小。. 2 M P a 时， 喷雾 2 M P a 时，喷雾1 . 2 MP a一乒，_t _、丫P一-r尸，户门自自曰日，浏袄公考不冷冬翻钩 n认二果结算:二二二计 a一二劝 M蟒资票一思秘粼粼毕必。a)福 即井 i 陌涪泪1 猛 . . d 泪 I 任 一咨r! Ps.b ) P D A 侧.结.圈3 灌烧宜压力对喷，液滴油度的影晌( 喷油压力，喷称后3 m)图3 为燃烧室压力从。 . 1 M P a 到1 . 2 M P a 变化时速度场的 模拟计算与实验结果的对比。图3( a ) 是全场的速度分布的 模拟
16、计算结果， 图3 ( b ) 是A V L 公司用相位多普勒测速( P h a s e D o p p l e r A n e m o m e t r y , P D A ) 技术侧试的各个不同位置处的 液滴的 速度2 i 。 从图3 ( a ) 和图3 ( b ) 都可以 看出随着燃烧室压力的升高， 喷雾液滴的速度随之减小。 这一点从理论分析上也可以得出。假设一个球形的质量一定的液滴在静止的空气中 运动， 忽略重力、 压力梯度、 和空气的动 量交换、 液滴变形等因素的 影响， 液滴的运动由以下的方程来表示， : d u一二 二 d t一 兰 C d P- 上 。 2 4 P j, d式 中 ， 。 是 液 滴 相 对 空 气 的 速 度 ; c a 是 阻 力 系 数 : P a ， 是 空 气 的 密 度 : P IK 是 液 滴 的 密 度 ; 液滴直径。( 2)d为随着然烧室压力的升高， 空气的密度也增大， 从 ( 2 ) 式可以 看出，空气密度增大导致速度减小得更快。 因而， 对于同 样的
