噴霧碰壁模型及柴油機冷起動的數(shù)值研究.pdf

1、內燃機缸內過程的多維數(shù)值模擬技術已經(jīng)成為當前汽車發(fā)動機產(chǎn)品先進設計與開發(fā)的重要手段。與一維模擬相比，多維模擬包含流場的空間信息，通過這些結果可以洞察燃油的噴射、混合氣的制備、燃燒的過程以及排放物生成的更多細節(jié)，其對于先進發(fā)動機技術開發(fā)的重要性不言而喻?？煽康亩嗑S模擬需要準確地模擬發(fā)動機工作的各個物理化學過程，比如燃油的噴射、霧化和蒸發(fā)，因此需要建立不同的數(shù)值模型來完成這些任務，燃油的噴霧碰壁模型就是其中之一。近年來，隨著石油資源的日益枯

2、竭以及全世界對環(huán)保問題的更加關注，內燃機的節(jié)能與環(huán)保成為技術發(fā)展的新要求，缸內直噴技術得到了越來越廣泛的應用。
　　無論是柴油機還是直噴汽油機，冷起動工況都是有害排放最嚴重的工況之一。冷起動時由于缸內熱環(huán)境差，燃油霧化蒸發(fā)都不好，為了順利起動需要增加噴油，因此會有大量噴霧油滴碰壁形成壁面油膜，這是其排放惡劣的主要原因之一。為了準確地模擬內燃機中的噴霧碰壁現(xiàn)象并探討它對直噴發(fā)動機冷起動工況下排放的影響，需要開發(fā)更加精確的噴霧碰壁模型

3、，這就就構成了本文研究的核心內容。
　　本文首先對內燃機多維模擬中廣泛應用的開源程序KIVA-3V Release2的框架進行了簡單的介紹，并重點介紹了噴霧模擬的相關子模型。接著對現(xiàn)在廣泛使用的一些噴霧碰壁模型進行了詳細分析，對比了它們之間的差異和優(yōu)缺點。結果表明:現(xiàn)有模型開發(fā)較早，建立它們的試驗來源多為單個液滴或液滴串的碰壁試驗，與現(xiàn)代高壓共軌直噴發(fā)動機中的實際現(xiàn)象有較大出入，因此在某些工況下這些模型對高壓噴霧碰壁的模擬效果并不

4、能令人滿意，需要開發(fā)新的數(shù)值模型。
　　根據(jù)上面的分析提供的思路和方向，本文根據(jù)高壓噴霧碰壁的特點，提出了三個方面的改進意見:一是針對CFD軟件中噴霧計算的特點，提出了壁面射流子模型來修正碰壁液滴的氣液相對速度，從而能更加準確地計算液滴的阻力，而且極大地降低了計算對網(wǎng)格的依賴性;二是針對高壓噴霧碰壁后運動形態(tài)的特點，針對碰壁后液滴增加了升力的計算，從而能再現(xiàn)試驗中觀測到的壁面噴霧前端的渦旋;三是針對單個液滴碰壁和噴霧碰壁的差異，提

5、出了計算高壓噴霧碰壁后粘附油膜比例的公式。通過與柴油噴霧試驗結果對比，新模型能明顯地改進預測效果，預測的壁面噴霧運動形態(tài)、貫穿度和厚度等與試驗值吻合良好。
　　此外，在噴霧碰壁過程中同時發(fā)生的還有熱力學過程，即噴霧和壁面之間的傳熱傳質過程，這一過程雖然短暫，但也十分重要。在現(xiàn)有的數(shù)值模型中，液膜和壁面之間的傳熱基本都是按照熱傳導計算的，沒有考慮噴霧碰壁過程對傳熱的巨大影響。為此，本文基于柴油噴霧碰壁的傳熱學試驗開發(fā)了一個新的子模型

6、來考慮這一過程。新模型考慮了不同噴霧碰壁情況下，碰壁液滴的動能對傳熱的影響，而對于氣相和液膜之間的熱交換則采用了氣體射流碰壁下的傳熱關系式來計算。模擬結果表明，新模型與試驗數(shù)據(jù)吻合良好，是現(xiàn)有液膜傳熱模型的有益補充。
　　本文最后將開發(fā)的高壓噴霧碰壁的動力學和熱力學模型應用于某款小型直噴柴油機冷起動工況的模擬，并探討了排放物的生成機理和不同噴油規(guī)律對排放的影響。結果表明:冷起動時會有大量的壁面油膜產(chǎn)生，這些油膜是HC和CO排放的直