点火室式直喷汽油机燃烧系统的研究点火室内混合气形成过程kdh.docx

1、点火室式直喷汽油机燃烧系统的研究点火室内混合气形成过程kdh第28卷(2010第4期内燃机学报Transactions of CSICEVol28(2010No4文章编号:1000-0909(201004-0309-0728-048点火室式直喷汽油机燃烧系统的研究:点火室内混合气形成过程*田江平1,隆武强1,西田惠哉2,张武2(1大连理工大学内燃机研究所,辽宁大连116023;2广岛大学喷雾与燃烧实验室,广岛县东广岛市739-8527摘要:介绍了点火室式直喷汽油机的工作过程,使用与点火室对称面具有相同截面形状的二维碰撞块进行了激光吸收散射法的试验,研究了喷射压力、环境条件、碰撞角度以及点火室深

2、度对点火室内混合气形成过程的影响。在与试验相同的条件下,进行了碰撞喷雾的数值模拟,并使用试验数据对数值模拟中采用的碰撞模型进行了评价。试验结果表明:过大的碰撞角度会阻碍喷雾汽化过程;提高喷射压力可以加快喷雾汽化速度;近距离早喷射不利于点火室内混合气的形成;浅的点火室可以拖后喷射开始时刻,但会增大火花塞结碳的可能。计算结果与试验结果对比表明:目前常用的碰撞模型均不能在各个方面都与试验结果相吻合。关键词:点火室;缸内直喷汽油机;激光吸收散射法;数值模拟中图分类号:TK412文献标志码:AResearch on Combustion System of DISC Gasoline Engines:M

3、ixture formation process in the spark-chamberTIAN Jiang-ping1,LONG Wu-qiang1,NISHIDA Keiya2,ZHANG Wu2(1Institute of Internal Combustion Engine,Dalian University of Technology,Dalian116023,China;2Spray and Combustion Laboratory,Hiroshima University,Higashi-Hiroshima739-8527,JapanAbstract:Working proc

4、ess of the direct injection spark-chamber(DISCgasoline engine is introducedLaser absorption-scattering(LASexperiments were conducted using the2-dimensional impinging blockwhich has the same cross section to that of the spark-chamberEffects of injection pressure,ambient con-ditions,impinging angle an

5、d spark-chamber depth on mixture formation process were examinedNumericalsimulation was conducted for the impinging spray under the conditions of experimentsExperimental re-sults were used to evaluate the wall interaction models in simulationExperimental results showed that toolarge impinging angle

6、could suppress the vaporization process,and a higher injection pressure would resultin a higher vaporization rateEarly injection is inappropriate to mixture formation of spark-chamber and ashallower spark-chamber would retard the start of injection but increase the possibility of spark plug wet-ting

7、Comparison between simulation and experiment shows that none of the available wall interaction mod-els agree with the experimental results of the impinging spraysKeywords:Spark-chamber;Gasoline direct-injection;Laser absorption-scattering;Numerical simulation引言缸内直喷汽油机由于具有较高的燃油经济性、瞬态响应性以及冷启动时较低的排放而成为

8、研究的热点1。对于缸内直喷汽油机而言,燃料能否在短时间内雾化并在点火时刻在火花塞附近形成适于点燃的混合气,对于发动机的点火稳定性以及后续的燃烧都有至关重要的影响。缸内直喷汽油机燃烧系统分为:壁面引导方式、气流引导方式以及喷雾引导方式。在壁面引导燃烧系统中,由于雾束直接喷向燃烧室,在壁面*收稿日期:2009-10-11;修回日期:2009-12-26。基金项目:国家自然科学基金资助项目(50676014;国家“863”资助项目(2006AA110107。作者简介:田江平,博士,E-mail:tianjiangpinggmailcom。形成油膜是不可避免的,通常会造成大量的碳烟和HC排放2。在气流

9、引导燃烧系统中,若想实现在不同的工况,不同的缸内流动情况下,油雾都能在气流的作用下运输到火花塞电极附近并形成合适浓度的混合气是非常困难的。另外,产生这种强烈的滚流或者涡流会增加节流损失而降低燃油经济性。对于壁面引导和气流引导而言,复杂的活塞顶表面增加了传热面积而增大了热损失。另外尖锐的活塞顶形状使得发动机的抗爆性变差,通常情况下需要降低发动机的压缩比以减小全负荷工况下的爆震趋势3。在喷雾引导燃烧系统中,点火时刻火花塞附近有合适浓度的混合气的同时避免火花塞湿润现象也非常困难。为了保证点火稳定,并且进一步扩大发动机的稀薄燃烧范围,笔者提出了一种点火室式直喷汽油机燃烧系统,并进行了怠速工况的初步试验

10、4。图1为点火室缸内直喷汽油机的一种设计方案。在气缸盖上加工出一个点火室,火花塞放置其中。点火室与主燃烧室通过一个锥形通道相连。在压缩冲程,设置在点火室旁边的喷油器喷出的一束燃油直接喷向点火室,并在点火室内部形成合适浓度的适于点燃的混合气。其他的油束喷向主燃烧室,并在其中形成稀薄的混合气。在点火室内的混合气被点燃后,燃烧的混合气从点火室喷出,引燃主燃烧室内的稀薄混合气。由于燃烧的混合气的能量远远大于火花塞放电时产生的能量,因此主燃烧室内的混合气更加容易被点燃。这样主燃烧室内可以采用更加稀薄的混合气,扩大缸内混合气的空燃比。再者,由于在本燃烧系统中,点火室起到点火能量放大器和主燃烧室内扰动源的作

11、用,因而可以加快主燃烧室内的燃烧速度,从而提高燃油经济性。在本燃烧系统中,点火室内的混合气形成过程是十分关键的。喷雾在点火室内的近距离连续碰撞行为十分复杂,并且很难使用光学测试方法对喷雾在点火室内的发展进行观测。为此,将三维的点火室抽象成为具有二维形状的碰撞块并进行了试验。图1点火室缸内直喷汽油机示意Fig1Schematic of DISC gasoline engine 1试验方法采用激光吸收散射法,在定容容器内对点火室内的混合气形成过程进行了研究。11二维碰撞块图2中二维化的点火室的横截面与真实点火室的对称平面形状相同。图2c中碰撞块宽度为80mm,碰撞块由一根圆柱固定在高压容器盖上,圆

12、柱下方的螺栓用于调整碰撞块的方向与光路方向相同,另外通过调整连接碰撞块和摇臂之间的螺栓,可以实现碰撞块与喷雾之间的距离、角度等多个自由度的调整 。图2LAS试验用碰撞块Fig2Impinging block used in the LAS experiments12激光吸收散射(LAS法LAS法最早由Chraplyvy5提出,使用He-Ne激光器发出的两波长的激光,来测量正庚烷轴对称喷雾中的气相浓度分布。后来有人使用类似的红外消光法测量稳定喷雾中的气、液相分布6。近些年来,应用紫外光和可见光的LAS技术已经发展成为可以同时测量气、液相分布的定量分析光学测试方法,在柴油和汽油喷雾测试中都有应用7

13、。13试验条件表1中p inj为喷射压力;T a为环境温度;p a为环境压力;A imp为碰撞角,即喷雾轴线与碰撞斜面夹角;D ic 为点火室深度,即点火室圆柱部分长度,定义见图3。所有试验使用孔径为0155mm的单孔喷嘴。条件1为基准条件,其环境条件与试验机在上止点前15CA 的真实缸内条件相同。在保持其他条件不变的同时,变换一个或者一对试验条件,得到试验条件2 9。条件1 3用来研究碰撞角度的影响;条件1、4和5用来研究喷射压力的影响;条件1、6和7用来研究环境温度和压力的影响;条件1、8和9用来研究点火室深度的影响。各次试验中的喷射量均设定为2mm3。013内燃机学报第28卷第4期表1L

14、AS试验条件Tab1LAS experimental parameters条件p inj/MPa T a/K p a/MPa A imp/(D ic/mm1156261654320215626165482031562616538204106261654320520626165432061537702443207153000104320815626165431691562616543 12图3试验参数定义Fig3Definitions of experimental parameters14试验装置及过程图4中的Nd:YAG激光器用来产生同轴的波长为266nm的紫外光和波长为532nm的可见光。

15、两种波长的激光由分色镜分开,并都被扩大到直径为100 mm。两束光由分色镜重新合并为同轴光,然后穿透喷雾,再次使用分色镜分为两束光,聚焦后图像被两个CCD照相机捕获。激光发射、燃油喷射以及CCD相机的快门均使用延迟/脉冲发生器控制。使用IPLab图像分析系统来获取图像并对图像进行运算。使用对二甲苯作为汽油的替代物来完成LAS试验,因为对二甲苯对紫外线吸收十分强烈,而对于可见光透过性非常好。另外,对二甲苯的沸点、黏度、密度和蒸发特性均与汽油相近。 喷油器的入口与一个燃料图4LAS试验装置示意Fig4Schematic of LAS experimental setup 储存器相连,燃料储存器的压

16、力由一个可提供高于25 MPa的氮气瓶提供。2CFD模拟使用与试验条件1相同的条件,对喷雾及点火室内的混合气形成过程进行了数值模拟。其主要目的是为了验证计算中使用的碰撞模型的精确度。21边界条件和初始条件按照试验中使用的真实碰撞块的边界设置边界条件。碰撞块的表面设置为壁面,恒温且各方向速度为零。其他表面设为恒温恒压。所有网格内的初始速度为零,初始温度和压力与试验条件相同。空气密度由理想气体状态方程计算得到。22计算模型在前期工作中,使用自由喷雾的LAS试验数据,对采用的计算模型进行了评价和标定8。结果表明表2中所列的喷雾破碎模型、湍流模型、湍流扩散模型、粒子相互作用模型以及蒸发模型可以准确预测

17、自由喷雾形状、贯穿距以及汽化过程。笔者的目的是评价和验证喷雾-壁面作用模型。表2已验证计算模型Tab2Validated calculation models物理过程模型湍流标准k-模型湍流扩散ORourke模型喷雾破碎不使用(液滴直径指定粒子相互作用Schmidt模型蒸发Dukowicz模型Walljet0、Walljet1以及Walljet2模型均是原理上基于Namber和Reitz的喷雾-壁面作用模型9。在Walljet0模型中,不考虑液滴碰壁后的破碎,其反射粒子速度矢量与碰撞平面的夹角在05。Walljet1模型的反射角与Walljet0变化范围相同,只是碰撞后的液滴直径为韦伯数的函数

18、,We=v2D p/。其中为燃料密度,v为液滴速度,D p为液滴直径,为表面张力。Walljet2与Walljet1模型相似,只是碰撞后的液滴直径和反射角与之有些差别。Mundo-Sommerfeld10、Bai Gosman11以及ORourke12模型均为Splash模型,在这3种模型中,喷雾的一部分液滴会转化为液膜。因此,这3种模型需要与液膜模型配合使用;这3种模型相对于3种Walljet模型更为高级,物理意义上更能符合喷雾碰撞后的真实情况。Mundo-Sommerfeld 模型与Namber Reitz模型不同,选用K为控制参数。其中,K=槡槡We Re,Re=D p v/,为黏度。B

19、ai Gos-1132010年7月田江平等:点火室式直喷汽油机燃烧系统的研究man 模型中选用韦伯数和拉普拉斯数为控制参数,拉普拉斯数的表达式为:La =D p /。O Rourke 模型选用韦伯数、飞溅马赫数E 12和K 为控制参数。各种计算模型的比较如表3所示。表3壁面作用模型简单对比Tab3Brief comparison of wall-interaction models模型名称Namber Reitz Mundo Bai GosmanO Rourke 作用类型Rebound ,WalljetDeposition ,SplashRebound ,Adhesion ,Splash De

20、position ,Splash 控制参数Weber 数K Weber 数,Laplace 数Weber 数,E ,K 液滴速度经验公式经验公式,能量守恒经验公式,能量守恒液滴直径经验公式经验公式经验公式,能量守恒液滴质量经验公式经验公式经验公式3结果与讨论图5为基准试验条件下,点火室内碰撞喷雾的气相和液相质量分布。所谓气相质量分布和液相质量分布,是指气、液相燃料质量在垂直光路方向上的投影,即每个像素点的数值大小,代表在此处沿光路的质量积分。后面图中的标尺与图5中给出的标尺相同,不再一一给出。从液相质量分布图可以看出,在喷射终了后2ms (2ms AEOI 时刻,在点火室内,所有液滴都已经蒸发

21、,没有液相的存在;在喷雾碰撞火花塞所处位置的时候,其液相质量在火花塞位置处很小。液相质量在此处的分布对于火花点火的可靠性有很重要的影响。当液相质量接触到火花塞电极的时候会在其表面形成液膜,造成火花塞的湿润,从而降低火花能量。另外湿润的火花塞在经过数次燃烧后,残留在电极表面的燃油会造成火花塞结碳,进而造成点火失败。31喷雾角的影响为了避免喷雾碰撞后在碰撞表面出现液相堆积,要求喷雾进行短距离碰撞后即与碰撞表面进行剥离。考虑到点火室的几何形状和碰撞喷雾要求,让喷雾与入口的斜面碰撞,然后喷雾从碰撞斜面剥离,进入到点火室内部。试验中选用3种不同的碰撞角度,喷孔轴线与斜面之间的夹角分别为38、43和48。

22、在这些碰撞角度下,喷雾几乎都与斜面碰撞。图6为不同碰撞角下的气相质量分布。由于碰撞角度的变化范围比较小,因此在喷射终了时刻,喷雾的尖端到点火室底面的距离差别不大。但是从喷雾碰撞后的高度和点火室内部各处的气相质量分布均可看出,碰撞角为48的喷雾的雾化效果劣于另外两个喷雾。从图7中可以更清楚地看清这一点。碰撞角度为38和43的喷雾在各个时刻的气相质量基本相当,均大于碰撞角度为48的喷雾 。图5基准条件(试验条件1下点火室内气、液相燃料质量分布发展过程Fig5Vapor and liquid phase developing processes in the Spark-Chamber under

23、the baseline conditions213内燃机学报第28卷第4期 图6碰撞角度对气相质量分布的影响Fig6Effect of the impinging angle to thevapor phase mass distribution图8喷射压力对气相质量分布的影响Fig8Effect of injection pressure to vaporphase mass distribution33环境条件影响图10为不同环境条件下的液相质量分布。由于在低温条件下喷雾的汽化速度很低,所以在分析环境条件影响的时候,选择了液相分布进行比较。这3种环境条件分别为常温常压、80CA BTDC

24、和15CA BT-DC时刻,压缩比为14的缸内直喷汽油机内, 环境条件图10环境条件对液相质量分布的影响Fig10Effect of ambient conditions to liquidphase mass distribution34点火室深度影响图12是点火室深度分别为12mm、16mm和20 mm时,点火室内喷雾的气、液相质量分布。点火室深度越小,喷雾尖端碰撞安装火花塞的点火室底部的时刻越早。另外,小深度点火室内的喷雾更容易形成较为均匀的混合气。小深度的点火室可以缩短喷雾喷射开始到火花点火的时间间隔。如果点火时刻固定,则喷射开始时刻即可拖后。喷射时刻越靠近上止点,缸内的温度和压力就越

25、高,就更利于喷雾的雾化和液滴的汽化。然而从图12的气相质量分布及图13的气相3132010年7月田江平等:点火室式直喷汽油机燃烧系统的研究 314 内 燃 机 学 报 第 28 卷第 4 期 质量均可以看出， 当点火室深度为 12 mm 的时候， 喷 雾的扩散区域和气相质量分布浓度以及气相质量均为 最小。图 12 中的液相质量分布能更清晰地描述这个 越深的点火室内的 现象。在喷射终了后 0 9 ms 时刻， 说明深的点火室内有足够的空间以及 液态燃料越少， 与喷雾进行混合的空气， 促进了喷雾的汽化。 Walljet0 模型不考虑碰撞后的液滴破碎， 因而产生了 较大的液滴。Walljet1 和

26、Walljet2 模型考虑了液滴破 碎， 因而液滴直径明显变小。 图 13 Fig 13 不同点火室深度气相质量比较 sparkchamber depth Comparison of vapor phase mass with different 图 11 Fig 11 不同环境条件液相质量比较 Comparison of liquid phase mass with different ambient conditions 图 12 Fig 12 点火室深度对气、 液相质量分布的影响 Effect of sparkchamber depth to vapor and liquid phase

27、 mass distributions 图 14 Fig 14 喷射终了时中心纵截面当量比分布与 3 5 喷雾壁面作用模型评价 图 14 为采用不同壁面作用模型的碰撞喷雾在喷 射终了时刻与基准试验条件下试验结果的比较 。计算 结 果为喷射终了时刻当量比分布 。 从喷雾的形状来 看， 喷雾 贯 穿 距 离 的 计 算 值 均 小 于 试 验 值， 采 用 而 Walljet1 以及 MundoSommerfeld 模型的计算结果与试 验结果最为相近， 采用其他模型的计算结果与试验结 果相比均有较大差别。 图 15 为在喷射终了时刻采用不同壁面作用模型 采用不同的模型， 计算得到的液 计算得到的液

28、滴分布， 滴分布差别非常大。喷雾碰撞以后所形成的液滴的分 充分验证了各个喷雾壁面作用模型的特点。由于 布， 试验得到的气相质量分布形状比较 Comparison of equivalence ratio in the central crossfrom experiments at the end of injection section and the shape of vapor phase mass distribution 如图 16 所示， 由于这 3 种 Walljet 模型均不考虑 液膜的影响， 因而在喷射终了前一段时间， 喷雾中的蒸 气量明显大于 LAS 试验值。3 种与液膜模

29、型配合使用 Mundo的模型， 其碰撞后产生的液滴的分布也不相同 ， Sommerfeld 模型产生的液滴最小， 在喷射终了时刻几 Rourke 模型则产生了大得离谱的液滴； 乎不可见； O BaiGosman 模型产生了貌似合理的液滴直径分布 。另 Gos外从蒸气量占总喷射量分数对比来看， 采用 Bai- 2010 年 7 月 田江平等： 点火室式直喷汽油机燃烧系统的研究 315 man 模型的计算结果与试验结果最为吻合， 采用 MundoSommerfeld 模型的结果与采用不考虑液膜存在的 3 Rourke 模 种 Walljet 模型的计算结果较接近， 采用 O 型的计算结果则小于 L

30、AS 试验测得结果。 宜早喷。浅的点火室可以缩短喷射开始到点火时刻的 时间间隔， 但会增大火花塞湿润的可能性。 采用不同的壁面作用模型， 其计算结果有 。目前常用的壁面作用模型均不能在各个 很大的差别 Walljet1 方面都与试验结果相吻合。在喷雾形状方面， Sommerfeld 模型与试验结果比较接近， 模型与 MundoBai而在蒸气分数方面， Gosman 模型与试验结果相当。 因此， 目前已有的模型需要进一步修正 ， 以对碰撞喷雾 进行更加精确的数值模拟。 参考文献： 1 Zhao F，Lai M C，Harrington D L Automotive SparkIgnited Di

31、rectInjection Gasoline Engines Progress in EnerJ 1999， 5） ： 43725（ 562 gy and Combustion Science， 2 Han Z，Yi J，Trigui N Stratified Mixture Formation and Piston Surface Wetting in a DISI EngineC SAE Paper 2002- 2655， 012002 （ 3） 图 15 Fig 15 采用不同计算模型得到的在喷射终了时的 液滴直径分布 Droplet diameter distributions at the end of 3 Eichlseder H，Baumann E，Muller P，et al Potential and Risks of Gasoline Direct Injection Engines for Passenger Cardrivelines MTZ Worldwide， J 2000， 3） ： 14461（ 152 4 田江平， 隆武强， 杜