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)行了大量實驗和分析：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)噴霧的計算模型。用計算流體力學(xué)(CFD)方法直接模擬噴油器內(nèi)的燃油流動及將噴油器出口的燃油液柱分解為大的液滴計算代價太大,現(xiàn)在比較多的做法是在定容彈或光學(xué)發(fā)動機(jī)內(nèi)測量噴霧的特性,然后用單缸機(jī)驗證發(fā)動機(jī)的性能或用CFD標(biāo)定好模型后再計算缸內(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,首先在噴油器試驗臺上測量了噴油器的噴油規(guī)律,測量時通常要考慮高轉(zhuǎn)速、大負(fù)荷及低轉(zhuǎn)速、小負(fù)荷等幾種工況。圖1為測得的某一工況下的噴油規(guī)律。在定容彈內(nèi)的測量主要有兩部分內(nèi)容:a.不同時刻噴霧油束的形狀;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測量。因為噴油時間較短(低轉(zhuǎn)速只有1ms左右),照相機(jī)的響應(yīng)必須足夠快。另外,對于多孔噴油器來說,為了能夠測量到某一束油的形狀,要用片光源進(jìn)行測量。圖2為測得的某一時刻的兩束油的形狀,圖3為某一時刻的油束粒徑分布,圖4為某一時刻的油束速度分布。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。為了能與噴霧測量的試驗結(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,等計算完成后執(zhí)行此宏文件。b.計算前編好相關(guān)的用戶子程序(posdat.f),并放入STAR-CD的用戶子程序計算目錄中,則計算完成后就會自動把燃油液滴的相關(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。噴油器實際噴出的燃油液滴數(shù)量相當(dāng)巨大,由于計算能力的限制,CFD模擬計算的燃油液滴數(shù)量比實際要少,如果不進(jìn)行相關(guān)的技術(shù)處理,則CFD結(jié)果中會缺少某些與試驗點(diǎn)的對應(yīng)。為了有盡量多的燃油液滴的信息與試驗比較,需要對噴霧油滴的結(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,處理時需要把其它5束油合理移動到第一束油的位置。要準(zhǔn)確模擬噴霧的特性,需要校核如下幾點(diǎn)與試驗一致:a.每束油的噴霧錐角;b.不同時刻噴霧的貫穿度或不同時刻噴霧的速度分布;c.不同時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CFD模擬的油束錐角、貫穿度與實測結(jié)果的對比。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)與實測結(jié)果的比較?？梢钥闯?仿真結(jié)果與實測結(jié)果比較接近,可以用此噴霧模型模擬實際發(fā)動機(jī)的缸內(nèi)過程。4內(nèi)容器的模擬結(jié)果4.1不同轉(zhuǎn)速時不同噴油效果的均勻度分析對于均質(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)間扭矩變動及提高高轉(zhuǎn)速、全負(fù)荷時空氣的利用率。另外,燃油濕壁會大大增加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時兩個工況下缸內(nèi)的噴霧及混合情況。轉(zhuǎn)速為5500r/min時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°(對應(yīng)430°)、噴油開始后60°(對應(yīng)480°)、噴油結(jié)束后10°(對應(yīng)540°)及點(diǎn)火時刻(對應(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為對應(yīng)時刻缸內(nèi)流速分布情況。從圖11中可見,開始噴油時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)的滾流是逆時針方向,油束前沿便轉(zhuǎn)彎,向下向右流動,導(dǎo)致點(diǎn)火時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時噴油提前角為燃燒上止點(diǎn)前310°,噴油結(jié)束時間為燃燒上止點(diǎn)前296°,持續(xù)期為14°。轉(zhuǎn)速為2000r/min、平均有效壓力為0.2MPa時噴油開始后5°(對應(yīng)415°)、噴油結(jié)束后5°(對應(yīng)430°)、下止點(diǎn)(對應(yīng)540°)及點(diǎn)火時刻(對應(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為對應(yīng)時刻缸內(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,但霧化較少,接近活塞表面時跟隨空氣沿排氣側(cè)向上運(yùn)動。點(diǎn)火時刻整個缸內(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。可以看出,由于低轉(zhuǎn)速時缸內(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)荷時排氣側(cè)燃油濃度低,低轉(zhuǎn)速部分負(fù)荷時進(jìn)氣側(cè)燃油濃度低,兩者相比,低轉(zhuǎn)速部分負(fù)荷時缸內(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時只有空氣流動及用原機(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)速時噴油加強(qiáng)了缸內(nèi)的滾流,低轉(zhuǎn)速時噴油削弱了缸內(nèi)的滾流,低轉(zhuǎn)速時缸內(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