41分层当量比溷合气抑制缸内直喷汽油机爆震的模拟研究.pdfVIP

208 北京，2009年10月 APC联合学术年会论文集 分层当量比混合气抑制缸内直喷汽油机 爆震的模拟研究 白云龙，王 志，王建昕 （清华大学 汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084） 摘 要：本文提出了缸内直喷（GDI）汽油机利用“分层当量比”混合气燃烧方式抑制爆震的思路，利用FIRE 软件建立了 GDI 发动机的计算模型，进行了数值模拟研究，并对模拟结果进行了试验验证，结果表明：燃烧速度和爆震强度都在混合气偏 浓（燃空当量比为1.1）时达到最大值，混合气过浓或者过稀都会减小燃烧速度，降低爆震强度；与均质当量比混合气相比，分 层当量比混合气能够有效抑制爆震，并且爆震强度随着浓区浓度增加和稀区浓度减小而降低；GDI 发动机采用优化后的侧凹坑 活塞通过进气和压缩冲程两次喷射可以形成火花塞中间较浓、周围偏稀的分层当量比混合气，而在进气冲程单次喷射能够形成 均质当量比混合气；GDI 发动机台架试验表明采用两次喷射形成分层当量比混合气能够显著的降低爆震强度。 关键词：缸内直喷；分层当量比；爆震；数值模拟 主要软件：AVL FIRE 模型，对分层当量比混合气抑制爆震的思路进行 1 前言 了模拟解析，并对模拟结果进行了试验验证。 汽油缸内直喷(GDI) 技术是提高汽油机燃油 2 GDI发动机数值模型建立与标定 [1] 经济性的重要手段 。与传统的进气道喷射汽油机 （PFI ）相比，在部分负荷采用分层混合气稀薄燃 2.1 计算网格 烧方式，可以显著降低泵气损失，并且由于缸内喷 雾蒸发吸热，爆震倾向降低，压缩比可提高1~2， 本文试验GDI 发动机的基本参数见表 1。试 从而使得燃油经济性提高约10％～20%[2~4] 。然而， 验发动机的三维模型导出生成的移动网格如图 1 即使采用GDI技术，汽油机的燃烧热效率仍然明显 所示，全局采用六面体网格，近壁区域采用非结 低于柴油机，其主要的原因之一就在于由于爆震限 构化网格贴体，网格尺度为2mm，在进排气门与 制了汽油机压缩比的提高，因此抑制大负荷爆震并 气门座区域进行局部细化，以保证网格质量。在 提高压缩比就成为实现汽油机更高效燃烧的重要 气门重叠时刻带进、排气道时网格数量约为28 万， 手段。 在压缩上止点去掉进、排气道时网格数量约为 8 爆震是由于汽缸中远离火花塞的末端混合气 万。 [5] 自燃引起的 。传统意义上抑制爆震的方法主要有 提高燃料辛烷值、推迟点火时刻、燃用过浓混合气、 表1 试验发动机参数 优化燃烧室结构等，但抗爆效果已达极限。可变几 特征 缸内直喷汽油机 何压缩比是比较理想的方法，但实现机构过于复 气门数 16 气阀 杂。本文提出了用“分层当量比”混合气组织方式 排量 2.0 L 抑制汽油机爆震的思路，分层可以使末端混合气浓 度变稀抑制爆