157FMI汽油機進氣道噴射改缸內直噴燃燒特性研究

伏軍 張愛國 孫振鵬

摘要：本文以157FMI汽油機為研究對象，對其嘗試性的實施由進氣道噴射改為缸內直噴技改，分析了噴油器斜置和噴油器頂置兩種方案下的缸內燃燒特性。研究結果表明：合理的布置噴油器對發動機的工作有著至關重要的意義，噴油器頂置方案，不利于后續的燃燒擴散，燃燒較為緩慢，NO生成量較高，噴油器斜置方案則具有較為理想的效果。

關鍵詞：摩托車;汽油機;缸內直噴;噴油器安裝位置;燃燒特性

中圖分類號：TK411.2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）07-0005-03

0 ?引言

缸內直噴汽油機因其充氣效率高、動態響應快、系統優化潛力大等優點得到廣泛的應用。為了滿足發動機實現直噴、分層燃燒的各種需求，需要對燃燒室結構、噴油器位置和方向及火花塞位置等進行合理設置，其中，噴油器位置和噴霧方向的研究至關重要[1-3]。直噴發動機合理的噴油器安裝位置一方面保證了在點火時刻火花塞附近形成易于著火的混合氣;另一方面，保證了燃油盡量少的與缸壁及活塞頂相撞，避免了燃燒過程中的積炭造成未燃碳氫排放過高和潤滑油稀釋的問題[4-5]。本研究以157FMI汽油機為研究對象，對其嘗試性的實施缸內直噴技改，在理論分析的基礎上初步確定了噴油器的安裝位置，分別設置噴油器頂置和斜置兩種方案進行初步研究[6-7]。研究過程中設置噴油時刻為90℃A BTDC，噴油持續期為20℃A，點火時刻為22℃A BTDC，每循環噴油量20.79mg展開兩種噴油器安裝位置下的缸內燃燒特性研究。

1 ?計算模型

1.1 計算對象 ?本文計算所用157FMI汽油機三維流體模型如圖1所示，模型的建立包括進排氣道、氣缸、活塞、燃燒室等。在模型建立過程中，對計算模型進行適當簡化忽略噴油器及火花塞伸入量對流場的影響，將其看作一個點進行研究。表1為計算所需157FMI汽油機缸內直噴基本參數。定義720℃A為壓縮上止點，350℃A為進氣門開啟時刻，860℃A為排氣門開啟時刻。其中，350～580℃A為進氣階段，進氣過程排氣門處于關閉狀態，不考慮排氣道的影響;580～860℃A為壓縮做功階段，此階段進排氣門處于關閉狀態，將進排氣道省去以減少網格數量[8-9]。在網格劃分過程中，主要以1.25mm六面體網格為主，氣門、氣門座及燃燒室部分進行0.625mm的網格細化，整體網格數為108.8276萬。

1.2 計算條件及求解模型設置 ?計算條件的準確性直接關系到氣缸內的空氣質量和初始狀態，并影響計算結果的準確性，對于瞬態模擬計算，初始條件應當盡量同實際條件相一致[10-11]。其初始條件和邊界條件如表2和表3所示。

計算采用湍流模型為k-ε模型;碰壁模型選用Walljet1模型;蒸發模型選用Dukowicz模型;破碎模型選用WAVE模型;點火模型選用相關火焰模型（Coherent Flame Model）[12]。計算初始壓力為0.09MPa，初始溫度為1600K。邊界條件：活塞溫度為550K，氣缸壁溫度為450K。

2 ?計算結果分析

2.1 缸內濃度場分析 ?圖2燃油分布云圖可以看到，在噴油開始階段，其噴霧錐角及燃油分布面積基本一致;隨著活塞上行，噴油器斜置方案下的燃油開始噴射到燃燒室頂部，在燃燒室頂部存在濃度較高的燃油;650℃A噴油結束后，頂置噴油器方案下燃油主要分布在活塞頂部，而噴油器斜置方案下的燃油一部分分布在活塞頂部，一部分分布在燃燒室頂部。隨著活塞進一步上行，碰壁燃油開始蒸發，可以看到在點火時刻附近噴油器斜置方案的燃油蒸發速度明顯大于噴油器頂置方案，對比燃油分布云圖可以看到，在698℃A點火時刻時，火花塞附近分布有較濃的混合氣，而噴油器頂置方案下的燃油蒸發較慢，較濃混合氣較多的分布在活塞頂部附近，點火時刻火花塞附近有利于點火的混合氣分布較小，不利于點火及進一步燃燒擴散。單從混合氣分布情況而言，噴油器頂置方案，不利于后續的燃燒擴散，此方案有待進一步完善[13-14]。

2.2 缸內溫度場分析 ?圖3為兩種噴油器安裝方案下的缸內溫度分布情況?？梢钥闯鰷囟确植际車娪推靼惭b位置的影響較大，其主要原因在于，噴油器位置直接影響混合氣的分布，進而影響火焰的傳播。在點火前期，缸內溫度大小基本相同，溫度變化主要來自活塞上行壓縮氣體。在698℃A點火時刻時，缸內高溫區域主要集中在噴油器附近，對比混合氣分布情況可以發現這一現象，主要原因在于高速噴射的燃油影響了缸內的氣流運動，同時可以看到噴油器斜置導致燃油噴射到燃燒室頂部區域存在一小部分低溫區。在點火初始時刻并沒有形成穩定的火核，在活塞運動到710℃A時，噴油器斜置方案下的混合氣在火花塞附近被點燃，形成穩定的初始火核，而噴油器頂置方案并沒有形成明顯的火核。隨著活塞上行，缸內混合氣被引燃，對比兩種方案下溫度分布可以看到，噴油器斜置方案下，缸內溫度分布較為均勻，在遠離火花塞近噴油器位置溫度較低，火焰由火花塞附近向整個氣缸蔓延，而噴油器頂置方案下的溫度分布差異較大，高溫區域主要集中在活塞頂部，火焰由活塞頂部向整個氣缸蔓延，這一現象和混合氣分布有著相同的規律，這也充分說明了混合氣分布直接影響燃燒擴散并進而影響溫度分布?？梢?，合理的布置噴油器對發動機的工作有著至關重要的意義。

2.3 燃燒特性分析 ?圖4～圖6顯示了噴油器斜置和噴油器頂置方案下的缸內溫度、壓力、放熱率和累積放熱量隨曲軸轉角的變化規律。整體來看兩種方案下的缸內溫度和壓力在點火發生后隨著曲軸轉角的增加先增大后減小，噴油器斜置方案下的缸內最大溫度、壓力峰值均高于噴油器頂置方案，其放熱率及累積放熱量變化速度均大于噴油器頂置方案。從缸內壓力和放熱率曲線及溫度和累積放熱量曲線可以看到，點火發生后缸內溫度和壓力并沒有立刻發生驟升現象，而是經過一定的滯燃期后開始急劇升高，結合溫度分布云圖可以看到，兩種方案下的滯燃期持續時間在10℃A左右，而噴油器頂置方案的滯燃期較噴油器斜置方案時間長，不利于火焰的快速傳播。其中噴油器頂置方案下的缸內最大壓力在738℃A時達到最大，為4.353MPa，放熱率最大接近40J/℃A，其壓力升高率為0.1088MPa/℃A，最高溫度在748℃A時達到最大，為2219.748K;噴油器斜置方案下的缸內最大壓力在725℃A時達到最大，為5.964MPa，放熱率最大接近50J/℃A，其最大壓力升高率為0.2209MPa/℃A，最高溫度在731℃A時達到最大，為2309.9K。相比于原發動機缸內的最大爆發壓力（5MPa左右），噴油器斜置方案明顯提高了發動機的動力性。同時可以分析得到噴油器頂置方案的緩燃期持續時間為10℃A，噴油器斜置方案下的緩燃期持續時間為6℃A，緩燃期的縮短也將進一步加速火焰傳播速度。根據工程實踐經驗和相關理論數據[15-16]，燃燒發生在上止點后8～15℃A左右比較接近理想定容加熱循環的燃燒相位，發動機壓力升高率的最大值一般為0.175～0.25MPa/℃A，相比而言，噴油器斜置方案更符合理論規律。

3 ?結論

本文以157FMI汽油機為研究對象，對其嘗試性的實施由進氣道噴射改為缸內直噴技改，分析了噴油器斜置和噴油器頂置兩種方案下的缸內燃燒特性。在盡可能不改變原發動機結構前提下，合理的布置噴油器對發動機的工作性能有著至關重要的意義。在其他參數一定的情況下，噴油器頂置方案不利于燃油蒸發擴散，增加了燃油濕壁的概率，此方案有待進一步改善。噴油器斜置方案則具有較為理想的效果。該研究將為后續進一步研究提供一定的參考和借鑒價值。

參考文獻：

[1]孫承，張毅，江武，等.高速汽油機進氣道噴射參數對混合氣形成的影響[J].中國機械工程，2019，30（15）：1796-1812.

[2]馬宗正，程勇，紀少波，楊永廣.二次燃油噴射對摩托車汽油機性能影響的試驗研究[J].內燃機工程，2012，33（01）：72-75，80.

[3]范新雨，蘇萬華.缸內直噴天然氣射流混合過程的數值模擬[J].內燃機學報，2018，36（05）：385-392.

[4]薛云，劉伍權，趙麒.缸內直噴技術在小型汽油機上的應用研究[J].車用發動機，2010（01）：41-43.

[5]FALFARIS， BRUSIANIF， PELLONIP. 3D CFD Analysis of the fluence of Some Gometrical Engine Parameters on Small PFI Engine Performances the Effects on the Tumble Motion and the Mean Turbulent Intensity Distribution[J]. Energy Procedia， 2014， 45：701-710.

[6]謝冬和，孫振鵬，張愛國.基于GDI技術摩托車發動機噴油時刻對燃燒過程的影響[J].小型內燃機與車輛技術，2019，48（06）：15-20.

[7]孫振鵬，袁文華，張愛國.噴嘴伸出量對157FMI發動機缸內直噴燃燒過程的影響[J].內燃機與配件，2020（12）：55-58.

[8]譚文政，馮立巖，張春煥，田江平，隆武強，李駿，李金成，宮艷峰.缸內直噴汽油機工作過程三維數值模擬[J].內燃機學報，2011，29（03）：221-228.

[9]李朋.液壓自由活塞柴油機冷卻水套的流動及傳熱分析[D].吉林大學，2014.

[10]白云龍，王志，帥石金，王建昕.缸內直噴汽油機噴霧、混合氣形成和燃燒過程的三維數值模擬[J].燃燒科學與技術，2010，16（02）：97-103.

[11]Sun B.-G， Zhao J.-H.， Liu F.-S. Numerical simulation for laminar burning velocity of premixed hydrogen-air mixture [J]. RanshaoKexue Yu Jishu/Journal of Combustion Science and Technology， 2010， 16（5）： 430-435.

[12]孫振鵬，袁文華，張愛國.點火時刻對157FMI發動機缸內直噴燃燒過程的影響研究[J].內燃機與配件，2020（04）：12-15.

[13]曹春暉，李高堅，李巖，楊淑玲.汽油機點火系統參數對其性能及排放的影響[J].內燃機，2020（05）：59-62.

[14]代志堯.噴射策略對缸內直噴汽油機性能和排放的影響[D].吉林大學，2017.

[15]馬富康.對置活塞二沖程缸內直噴汽油機燃燒系統研究[D].北京理工大學，2016.

[16]Ji Changwei， Cong Xiaoyu， Wang Shuofeng. Performance of ahydrogen -blended gasoline direct injection engine undervarious second gasoline direct injection timings [J]. EnergyConversion and Management 2018， 171： 1704-1711.

基金項目：湖南省研究生科研創新項目（CX20190970）;邵陽學院研究生科研創新項目（CX2019SY003）。

作者簡介：伏軍（1979-），男，湖南岳陽人，教授，博士，碩士研究生導師，從事發動機排放控制與燃燒技術研究。