凹坑活塞设计对直喷汽油机缸内油气混合及分布影响的仿真研究.pdfVIP

凹坑活塞设计对直喷汽油机缸内油气混合及分布 影响的仿真研究 王新颜，谢辉，李之华，陈韬，赵华 （天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室, 天津市，300072 ） 摘要：汽油机SI-CAI 混合燃烧能够实现SI 模式与CAI 模式的平滑过渡，因而得到了广泛关注。采用缸内直喷方式在火 花塞附近形成局部当量燃油混合气能够提升混合燃烧的稳定性，进一步减小模式切换过程中的燃烧震荡现象。为有效调 控缸内的燃油混合气分布，本研究基于HCCI 原理性样机的平顶活塞设计开发了四款凹坑活塞。采用三维仿真手段，研 究了不同喷油量条件下，凹坑活塞设计方案对进气过程、燃油喷雾混合过程及燃油分布的影响规律。结果表明，凹坑活 塞设计对进气过程影响较小，喷雾雾束与凹坑活塞接触面越大，越有利于燃油蒸发。对比缸内燃空比分布发现，较大的 凹坑引导面斜度和底面曲率将有利于将燃油更加集中的分布于火花塞附近。对比缸内湍动能分布发现，凹坑活塞引导面 的位置越靠近排气侧，越有利于增加火花塞附近的高湍动能分布区域，进而提升火花点火的稳定性。通过综合对比缸内 燃油蒸发率、燃空比分布、湍动能分布，本研究中所设计的Case3 凹坑活塞性能最优，具有提升混合燃烧稳定性的潜力。 关键词：缸内直喷汽油机；凹坑活塞；燃油分层；数值仿真。 1. 前言 性；而在燃烧室周围区域形成稀释混合气，这能 汽油机 SI-CAI 混合燃烧方式[1,2]采用前期火花 够进一步控制后期多点自燃的燃烧速率，减小爆 点火引发的火焰传播过程，能够显著提升缸内的温度及压 震现象的发生。为实现对缸内燃油混合气混合及 力，进而引发后期的CAI 燃烧。与可控自燃（CAI ）方式 分布的有效控制，本研究采用凹坑活塞对直喷燃 相比，采用这种结合 SI 和CAI 燃烧的双模式混合燃烧方 油油束进行壁面引导。为达到较好的燃油分布效 式能够有效避免小负荷失火现象和大负荷爆震，并能够实 果，研究中共设计了四个凹坑活塞方案，采用三 现SI 燃烧模式与CAI 燃烧模式的平滑过渡[3-5] 。 维流体力学仿真（CFD ）手段对各方案的进气、 最近的研究表明，这种双燃烧模式的混合燃烧方式存 喷雾及混合过程进行模拟及分析，明确凹坑活塞 在显著的燃烧震荡现象[2,6] 。本课题组的实验研究发现[7]， 设计对缸内燃油混合及分布的影响规律，并确定 当发动机运行在混合燃烧模式下，即使IMEP 的循环变动 最终将用于SI-CAI 混合燃烧控制的最优活塞设计 （COV）不是很高，燃烧模式仍然存在明显的震荡现象， 方案。 不同循环间 SI 和CAI 阶段的放热比例及燃烧模式切换时 2. 凹坑活塞设计方案 刻变化显著。 本研究中的凹坑活塞方案基于课题组已有 为提升SI-CAI 混合燃烧的稳定性，采用缸内 HCCI 汽油机原机[1] 的平顶活塞 （Case0 ）进行设 直喷方式能够在火花塞附近形成较易着火的燃油 计，表 1 为该发动机的基本参数，图 1 为原机燃 分布，进而形成稳定的火焰传播过程和后期自燃。 烧室和气道几何体。 Middleton 等人[8] 的研究表明，燃空比对混合燃烧 前期火焰发展过程影响显著。Persson 等人[9] 的研 表1 HCCI 汽油机原机基本参数 究发现，火花塞附近区域的燃油浓度越低，越不 缸径/冲程 86 mm 利于混合燃烧前期火焰的发展，燃烧稳定性越差。 排量 0.5 L Benajes 等人[10] 的研究结果表明，通过增加缸内