孙振鹏 袁文华 张爱国

摘要：以157FMI发动机为原型，针对其进气道喷射形式尝试根据双火花塞位置结构实施缸内直喷技术，并对缸内喷油器喷嘴伸出量的确定问题开展研究，对比了不同喷嘴伸出量参数对缸内燃烧性能的影响。结果表明：循环喷油量10mg、转速3600r/min及当量比为1的工况下，喷油器安装角度设定为55°时，喷嘴伸出量为X=3.5mm时，其对应的压力升高率为0.419MPa/°CA，超出了一般压力升高率为0.2～0.4MPa/°CA的范围，会导致发动机工作粗暴。当X=3.8mm时，发动机缸内压力、温度和放热量峰值相比X=3mm时低，累积放热量是由燃料燃烧的完全程度决定的，相比之下X=3mm时发动机缸内混合气燃烧的最充分。研究结果为157FMI发动机缸内直喷技术的应用提供了理论指导和参考。

关键词：缸内直喷;燃烧性能;喷嘴伸出量

0  引言

缸内直喷汽油机因其充气效率高、压缩比大、动态响应快、系统优化潜力大等优点得到广泛的应用。为了满足发动机实现直喷、分层燃烧的各种需求，需要对燃烧室结构、喷油器喷嘴位置和方向、火花塞位置等进行合理设置，在实现缸内直喷技术的应用上，喷油器喷嘴位置和喷雾方向的研究至关重要[1-3]。直喷发动机合理的喷嘴位置一方面保证了在点火时刻火花塞附近形成易于着火的混合气，使混合气尽量集中在燃烧室附近;另一方面，合理的喷嘴位置保证了燃油尽量少的与缸壁或活塞顶面相撞，避免了积炭和未燃HC的排放过高稀释[4-5]。为此，江苏大学的朱建飞[6]通过试验进行了比较，在标定工况时，油嘴伸出量为 3.2 mm时烟度和燃油消耗率都相对较低;在最大转矩点工况时，适当增大油嘴伸出量会使烟度和燃油消耗率减小，但是 NOx的排放会随之增大。韩丹，王谦[7]利用Fire数值模拟软件研究了柴油喷孔和天然气喷孔的相对距离、相对夹角和相对交角这3个参数对柴油引燃天然气缸内直喷发动机燃烧的影响。结果表明：相对距离越小，温度场分布越均匀，发动机缸内平均压力越高;两喷孔相对夹角的增大，缸内的平均压力和平均温度越低，两喷孔相对夹角较大时，天然气燃烧始点略有推迟，存在严重的燃料不完全燃烧现象。中国重型汽车集团有限公司[8]应用STAR-CD建立了喷嘴-气缸的三维模型，模拟了不同喷嘴布置方案下缸内燃气分布情况，结果显示采用喷嘴竖直布置会造成燃气分布不均，发动机性能恶化，采用喷嘴倾斜布置可以使缸内燃气分布均匀，实现稀薄分层燃烧。从现有研究表明，关于喷嘴位置对发动机缸内燃烧过程有着重要的影响，喷嘴伸出量的大小直接影响到气缸内燃油与空气的混合，过大或过小都会对发动机的性能产生不利的影响，因此，接下来对157FMI发动机喷油器喷嘴伸出量在实施缸内直喷技改的情况下进行探索。

本文在157FMI发动机实施双火花塞结构布置可行性的基础上[9]，尝试性的对157FMI发动机实施缸内直喷技术，针对不同喷嘴伸出量展开对发动机燃烧过程的研究，为缸内直喷系统更替进气管道喷射系统以及优化燃烧室结构奠定技改经验和理论参考基础。

1  计算模型的建立

1.1 几何模型的建立及网格的划分

本文以157FMI发动机为研究对象对其进行仿真模拟研究，表1为所选157FMI发动机机型的基本参数：

保持原模型结构不变，仅对发动机缸盖做出改动以满足直喷式发动机的要求，将喷油器安装在发动機缸盖上相对气缸轴面原火花塞的对称位置（如图a），且喷油器轴线与气缸轴线的夹角为55°时进行仿真模拟（如图c），实际发动机工作过程中，进排气道对缸内混合气的形成和燃烧过程都有重要的影响，但本文主要考虑压缩行程后期燃油直喷后缸内燃烧过程，不考虑进气与排气过程，整个过程类似一个封闭的系统，所以，在进排气门都关闭的压缩和做功行程中将进排气道去掉，进排气系统所引起的缸内气体流动由CFD软件初始条件通过设置一定的涡流比来呈现，这样可以大大缩短计算时间，提高模拟计算的速度[10]。最后在确定模拟模型结构参数的基础上，将几何模型以stl的格式导入到软件中，生成线网格，本文把活塞位于上止点时的网格定义为360°CA，缸内计算主要涉及发动机的压缩和做功两个冲程，计算的开始时刻为进气门关闭时刻580°CA（40°CA ABDC），计算终了时刻为排气门开启时刻860°CA（40°CA BBDC）。网格的最大尺寸为1.25×10-6m，网格最小尺寸为 6.25×10-7m，最终生成网格质量良好的157FMI汽油发动机燃烧室体网格如图1（b）。

1.2 初始条件及边界条件

建立数学模型以后，为求出具体流动问题的解，还必须有特定的定解条件，即初始条件和边界条件。如表2所示。

1.3 模型的选择

本文计算湍流模型选用K-？灼-f四方程湍流模型[11];湍流扩散模型选用Enable模型[12];碰壁模型选用walljet1模型[13];选用Dukowicz蒸发模型可看作传质和传热过程是几乎相似的过程，表示液滴温度发生变化时所需热量和与液滴蒸发时所需热量之和等于传递给油滴的热量[14];选用KHRT破碎模型[15];选用ECFM燃烧模型，该模型适用于仿真汽油机中的均匀和非均匀预混的燃烧过程模型的优势就是对化学反应尺度和湍流尺度进行耦合处理[16]。

2  喷油器喷嘴伸出量对燃烧过程的影响

喷油器喷嘴伸出量指的是伸出气缸盖的长度或者伸入燃烧室的长度，对于偏置的喷油器来说，喷嘴伸出量直接影响喷孔在燃烧室中的分布以及燃油与进入缸内空气的混合状况，从而会对燃烧过程产生很大的影响。在发动机的循环喷油量10mg、转速3600r/min、当量比为1的计算工况下，喷油器安装角为55°，喷油时刻为75°CA BTDC，喷油持续期为5°CA。为了保证直喷下发动机缸内顺利点火，最终选取喷油器喷嘴伸出量分别为3mm、3.5 mm、3.8mm的情况下分析对缸内压力、温度、燃烧放热率等的影响。

2.1 喷油器喷嘴伸出量对燃烧特性的影响

从图2（a）缸内压力、温度曲线分析可知，喷嘴伸出量为3mm、3.5mm、3.8mm对应的压力峰值分别为4.93MPa、5.05MPa、4.74MPa和温度峰值分别为2320k、2384.72k、2274.42k，X=3.5mm时压力、温度峰值最高，对发动机的动力性和经济性有益，但其对应的压力升高率为0.419MPa/°C，超出了一般压力升高率为0.2～0.4MPa/°CA的范围，发动机工作粗暴，缸内温度峰值最高，有爆燃倾向，当X=3.8mm时，发动机缸内压力和温度峰值相比3mm低，发动机动力性能稍差一些;X=3mm和X=3.8mm时分别对应的缸压峰值相位为13°CA BTDC、14°CA BTDC，关于汽油机的压力峰值相位一般要求出现在上止点后的12～15°CA，如果峰值压力出现的过早说明缸内混合气早燃，这样活塞还在压缩阶段，会造成压缩过程负功增多;缸压峰值过晚的话会使发动机缸内等容度下降，循环热效率下降，散热损失增加。

从图2（d）瞬时放热率峰值出现时刻随喷嘴伸出量的增大而靠前，由于放热率峰值越高越有利于降低发动机的散热损失而增加热效率，因此X=3mm时散热损失较少。

图2（e）中累积放热量是由燃料燃烧的完全程度决定的。缸内适宜燃烧的混合气分布越好，燃烧越充分，致使累积放热量的峰值越高。累积放热量峰值变化和燃烧性能缸压曲线等变化趋势一致，X=3mm时发动机的累积放热量最高，说明此时发动机缸内混合气燃烧越充分。

2.2 喷油器喷嘴伸出量对缸内温度场的影响

由图3可以看出，火花塞点火后，火核出现在火花塞位置附近，混合气的燃烧使得火核的温度逐渐升高，随着缸内燃烧的进行，缸内的高温区域以火核为中心逐渐向四周扩散传播，温度明显高于周围区域，活塞运行到上止点时缸内高温区主要集中在燃烧室顶部靠近火花塞的附近，随着燃烧过程的进行，高温区域逐渐转移到燃烧室左侧，从纵向来看，同一曲轴转角下不同的喷嘴伸出量对应的缸内火焰传播速度快慢和高温区域面积大小有所不同，当x=3mm时对应发动机活塞运行到5°CA ATDC和15°CA ATDC时，缸内高温区域面积都明显大于其它两组且缸内温度场的均匀分布程度最好，说明在此喷嘴伸出量下有利于缸内混合气的快速燃烧。

3  结论

本章在技改157FMI发动机模型基础上，将其发动机进气道喷射原型尝试性地实施缸内直喷技术，仿真分析研究了不同喷嘴伸出量对发动机缸内燃烧过程的影响规律。主要得到以下结论：

①喷油器安装角度为55°时，喷喷嘴伸出量为3mm、3.5mm、3.8mm对应的压力峰值分别为4.93MPa、5.05 MPa、4.74MPa和温度峰值分别为2320k、2384.72k、2274.42k，X=3.5mm时压力、温度峰值最高，但其对应的压力升高率为0.419MPa/°C，超出了一般压力升高率为0.2～0.4MPa/°CA的范围，发动机工作粗暴。累积放热量是由燃料完全燃烧的完全程度决定的，相比于X=3.8mm时，X=3mm时发动机的累积放热量高，说明此时发动机缸内混合气燃烧充分;②当x=3mm对应发动机活塞运行到5°CA ATDC和15°CA ATDC时，缸内高温区域面积都明显大于其它两组且缸内温度场达到的均匀分布程度也最好。

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基金項目：邵阳学院研究生科研创新项目（CX2018SY022）;湖南省自然科学基金项目（2018JJ5034）。

作者简介：孙振鹏（1992-），男，河南濮阳人，在读研究生，从事发动机燃烧方向的研究;袁文华（通讯作者），男，教授，博士，硕士生导师，从事内燃机燃烧技术的研究。