噴油機(jī)油箱噴霧均勻性的cfd模擬

噴油機(jī)油箱噴霧均勻性的cfd模擬

1高壓噴霧的測(cè)量為了研究液體噴霧汽油結(jié)構(gòu)的形成，研究人員進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)和分析：在定容彈或光學(xué)電機(jī)上，使用激光多普勒法（pda）測(cè)量噴霧液的滴速和直徑，并使用高速數(shù)字相機(jī)拍攝噴霧液的形狀。利用激光誘導(dǎo)熒光法測(cè)量燃油的耗水率等。由于缸內(nèi)直噴汽油機(jī)噴油器的多樣性及發(fā)展時(shí)間不長,商業(yè)軟件中目前還沒有現(xiàn)成的缸內(nèi)直噴汽油機(jī)噴霧的計(jì)算模型。用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法直接模擬噴油器內(nèi)的燃油流動(dòng)及將噴油器出口的燃油液柱分解為大的液滴計(jì)算代價(jià)太大,現(xiàn)在比較多的做法是在定容彈或光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)測(cè)量噴霧的特性,然后用單缸機(jī)驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)的性能或用CFD標(biāo)定好模型后再計(jì)算缸內(nèi)的混合及燃燒。2各工況下噴油規(guī)律本文分析的缸內(nèi)直噴汽油機(jī)是一款直列4缸1.8L發(fā)動(dòng)機(jī),考慮到稀燃NO為了解該噴油器的特性,首先在噴油器試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)量了噴油器的噴油規(guī)律,測(cè)量時(shí)通常要考慮高轉(zhuǎn)速、大負(fù)荷及低轉(zhuǎn)速、小負(fù)荷等幾種工況。圖1為測(cè)得的某一工況下的噴油規(guī)律。在定容彈內(nèi)的測(cè)量主要有兩部分內(nèi)容:a.不同時(shí)刻噴霧油束的形狀;b.噴油器附近位置的噴霧液滴直徑及速度分布。前者通過高頻照相得到,后者可以用PDA測(cè)量。因?yàn)閲娪蜁r(shí)間較短(低轉(zhuǎn)速只有1ms左右),照相機(jī)的響應(yīng)必須足夠快。另外,對(duì)于多孔噴油器來說,為了能夠測(cè)量到某一束油的形狀,要用片光源進(jìn)行測(cè)量。圖2為測(cè)得的某一時(shí)刻的兩束油的形狀,圖3為某一時(shí)刻的油束粒徑分布,圖4為某一時(shí)刻的油束速度分布。3cfd模型中噴霧的模擬準(zhǔn)備CFD分析使用的軟件是商業(yè)軟件STAR-CD。計(jì)算中選用K-Epsilon紊流模型、標(biāo)準(zhǔn)壁面方程。油滴破碎模型選用Reitz,油滴撞擊壁面選用Bai模型。為了能與噴霧測(cè)量的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,需要從STAR-CD的結(jié)果文件中取出燃油液滴的相關(guān)信息存入數(shù)據(jù)文件中,然后再根據(jù)需要進(jìn)行進(jìn)一步的處理。要從CFD的結(jié)果中取出燃油液滴的信息,有兩種方法:a.編制相關(guān)的后處理宏文件,等計(jì)算完成后執(zhí)行此宏文件。b.計(jì)算前編好相關(guān)的用戶子程序(posdat.f),并放入STAR-CD的用戶子程序計(jì)算目錄中,則計(jì)算完成后就會(huì)自動(dòng)把燃油液滴的相關(guān)信息存入可以編輯的數(shù)據(jù)文件中。由于燃油液滴的數(shù)量很多,通常得到的這些數(shù)據(jù)文件也非常大。噴油器實(shí)際噴出的燃油液滴數(shù)量相當(dāng)巨大,由于計(jì)算能力的限制,CFD模擬計(jì)算的燃油液滴數(shù)量比實(shí)際要少,如果不進(jìn)行相關(guān)的技術(shù)處理,則CFD結(jié)果中會(huì)缺少某些與試驗(yàn)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)。為了有盡量多的燃油液滴的信息與試驗(yàn)比較,需要對(duì)噴霧油滴的結(jié)果進(jìn)行復(fù)雜的后處理。這里用的是6孔噴油器,為了利用所有油滴的信息,處理時(shí)需要把其它5束油合理移動(dòng)到第一束油的位置。要準(zhǔn)確模擬噴霧的特性,需要校核如下幾點(diǎn)與試驗(yàn)一致:a.每束油的噴霧錐角;b.不同時(shí)刻噴霧的貫穿度或不同時(shí)刻噴霧的速度分布;c.不同時(shí)刻噴霧液滴的直徑分布。圖5~圖8分別為噴油1.0、1.25、1.5、1.75ms時(shí)CFD模擬的油束錐角、貫穿度與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比。圖9為CFD模擬的距離噴油中心35mm位置油滴的索特平均直徑(SMD)、平均直徑(AMD)與實(shí)測(cè)結(jié)果的比較?？梢钥闯?仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較接近,可以用此噴霧模型模擬實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)過程。4內(nèi)容器的模擬結(jié)果4.1不同轉(zhuǎn)速時(shí)不同噴油效果的均勻度分析對(duì)于均質(zhì)缸內(nèi)直噴來說,除怠速起車和催化器快速起燃外,其它各轉(zhuǎn)速、負(fù)荷工況下缸內(nèi)混合氣應(yīng)盡可能均勻,這樣可以減少HC排放、減少循環(huán)間扭矩變動(dòng)及提高高轉(zhuǎn)速、全負(fù)荷時(shí)空氣的利用率。另外,燃油濕壁會(huì)大大增加HC排放,應(yīng)盡量避免。本文論述轉(zhuǎn)速為5500r/min、全負(fù)荷及轉(zhuǎn)速為2000r/min、平均有效壓力為0.2MPa時(shí)兩個(gè)工況下缸內(nèi)的噴霧及混合情況。轉(zhuǎn)速為5500r/min時(shí)噴油提前角為燃燒上止點(diǎn)前300°(曲軸轉(zhuǎn)角,下同),噴油結(jié)束時(shí)間為燃燒上止點(diǎn)前189°,持續(xù)期為111°。圖10為噴油開始后10°(對(duì)應(yīng)430°)、噴油開始后60°(對(duì)應(yīng)480°)、噴油結(jié)束后10°(對(duì)應(yīng)540°)及點(diǎn)火時(shí)刻(對(duì)應(yīng)690°)缸內(nèi)空燃比分布及油束液滴的分布情況(沿進(jìn)排氣道中心的切面)。圖11為對(duì)應(yīng)時(shí)刻缸內(nèi)流速分布情況。從圖11中可見,開始噴油時(shí)油束沿噴孔方向向前傳播,但很快就受到缸內(nèi)流場的影響,由于缸內(nèi)的滾流是逆時(shí)針方向,油束前沿便轉(zhuǎn)彎,向下向右流動(dòng),導(dǎo)致點(diǎn)火時(shí)刻活塞表面的燃油濃度較高、而排氣側(cè)氣缸邊緣燃油濃度較低。如果能采取措施進(jìn)一步提高缸內(nèi)空燃比分布的均勻度,將會(huì)改善均質(zhì)直噴汽油機(jī)的性能。圖12為噴入燃油及燃油霧化質(zhì)量隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化情況,可見在高轉(zhuǎn)速時(shí)由于空氣速度較高,加強(qiáng)了空氣和燃油的相互混合,燃油霧化比較快,在點(diǎn)火前所有燃油全都霧化了。圖13為缸內(nèi)油滴SMD隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化情況。轉(zhuǎn)速為2000r/min、平均有效壓力為0.2MPa時(shí)噴油提前角為燃燒上止點(diǎn)前310°,噴油結(jié)束時(shí)間為燃燒上止點(diǎn)前296°,持續(xù)期為14°。轉(zhuǎn)速為2000r/min、平均有效壓力為0.2MPa時(shí)噴油開始后5°(對(duì)應(yīng)415°)、噴油結(jié)束后5°(對(duì)應(yīng)430°)、下止點(diǎn)(對(duì)應(yīng)540°)及點(diǎn)火時(shí)刻(對(duì)應(yīng)685°)缸內(nèi)空燃比的分布及油束液滴的分布情況如圖14所示。圖15為對(duì)應(yīng)時(shí)刻缸內(nèi)流速分布情況。從圖15中可以看出,噴油后油滴沿噴孔方向向前運(yùn)動(dòng),但霧化較少,接近活塞表面時(shí)跟隨空氣沿排氣側(cè)向上運(yùn)動(dòng)。點(diǎn)火時(shí)刻整個(gè)缸內(nèi)的空燃比分布不太均勻,排氣側(cè)燃油濃度高,進(jìn)氣側(cè)燃油濃度低,這將帶來高HC排放及增加循環(huán)間扭矩變動(dòng)等不利影響。圖16為噴入燃油及燃油霧化質(zhì)量隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化情況?？梢钥闯?由于低轉(zhuǎn)速時(shí)缸內(nèi)流速較低,空氣和燃油的相互作用較弱,又由于缸內(nèi)溫度較低,導(dǎo)致油滴霧化較慢。高轉(zhuǎn)速大負(fù)荷時(shí)排氣側(cè)燃油濃度低,低轉(zhuǎn)速部分負(fù)荷時(shí)進(jìn)氣側(cè)燃油濃度低,兩者相比,低轉(zhuǎn)速部分負(fù)荷時(shí)缸內(nèi)的均勻度更差些。為了改善缸內(nèi)的均勻度,下面分析一下缸內(nèi)滾流比的變化情況。圖17和圖18是轉(zhuǎn)速分別為5500r/min和2000r/min時(shí)只有空氣流動(dòng)及用原機(jī)噴油器噴油后缸內(nèi)滾流比的變化。從圖中可以看出,高轉(zhuǎn)速時(shí)噴油加強(qiáng)了缸內(nèi)的滾流,低轉(zhuǎn)速時(shí)噴油削弱了缸內(nèi)的滾流,低轉(zhuǎn)速時(shí)缸內(nèi)的滾流本來就低,噴油后滾流就更低了。高的滾流可以提高上止點(diǎn)附近缸內(nèi)的紊流強(qiáng)度,對(duì)混合和燃燒都有好處。再結(jié)合前面的濃度分布情況,有如下改進(jìn)思路:采用更分散的噴霧錐角