噴霧碰壁模型及柴油機(jī)冷起動(dòng)的數(shù)值研究.pdf

1、內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)過程的多維數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前汽車發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品先進(jìn)設(shè)計(jì)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(jié)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(xì)節(jié)，其對于先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)開發(fā)的重要性不言而喻?？煽康亩嗑S模擬需要準(zhǔn)確地模擬發(fā)動(dòng)機(jī)工作的各個(gè)物理化學(xué)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(wù)，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(guān)注，內(nèi)燃機(jī)的節(jié)能與環(huán)保成為技術(shù)發(fā)展的新要求，缸內(nèi)直噴技術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。
　　無論是柴油機(jī)還是直噴汽油機(jī)，冷起動(dòng)工況都是有害排放最嚴(yán)重的工況之一。冷起動(dòng)時(shí)由于缸內(nèi)熱環(huán)境差，燃油霧化蒸發(fā)都不好，為了順利起動(dòng)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(zhǔn)確地模擬內(nèi)燃機(jī)中的噴霧碰壁現(xiàn)象并探討它對直噴發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)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(gòu)成了本文研究的核心內(nèi)容。
　　本文首先對內(nèi)燃機(jī)多維模擬中廣泛應(yīng)用的開源程序KIVA-3V Release2的框架進(jìn)行了簡單的介紹，并重點(diǎn)介紹了噴霧模擬的相關(guān)子模型。接著對現(xiàn)在廣泛使用的一些噴霧碰壁模型進(jìn)行了詳細(xì)分析，對比了它們之間的差異和優(yōu)缺點(diǎn)。結(jié)果表明:現(xiàn)有模型開發(fā)較早，建立它們的試驗(yàn)來源多為單個(gè)液滴或液滴串的碰壁試驗(yàn)，與現(xiàn)代高壓共軌直噴發(fā)動(dòng)機(jī)中的實(shí)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(diǎn)，提出了三個(gè)方面的改進(jìn)意見:一是針對CFD軟件中噴霧計(jì)算的特點(diǎn)，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(zhǔn)確地計(jì)算液滴的阻力，而且極大地降低了計(jì)算對網(wǎng)格的依賴性;二是針對高壓噴霧碰壁后運(yùn)動(dòng)形態(tài)的特點(diǎn)，針對碰壁后液滴增加了升力的計(jì)算，從而能再現(xiàn)試驗(yàn)中觀測到的壁面噴霧前端的渦旋;三是針對單個(gè)液滴碰壁和噴霧碰壁的差異，提

5、出了計(jì)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(yàn)結(jié)果對比，新模型能明顯地改進(jìn)預(yù)測效果，預(yù)測的壁面噴霧運(yùn)動(dòng)形態(tài)、貫穿度和厚度等與試驗(yàn)值吻合良好。
　　此外，在噴霧碰壁過程中同時(shí)發(fā)生的還有熱力學(xué)過程，即噴霧和壁面之間的傳熱傳質(zhì)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(dǎo)計(jì)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(xué)試驗(yàn)開發(fā)了一個(gè)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(dòng)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(guān)系式來計(jì)算。模擬結(jié)果表明，新模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好，是現(xiàn)有液膜傳熱模型的有益補(bǔ)充。
　　本文最后將開發(fā)的高壓噴霧碰壁的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)模型應(yīng)用于某款小型直噴柴油機(jī)冷起動(dòng)工況的模擬，并探討了排放物的生成機(jī)理和不同噴油規(guī)律對排放的影響。結(jié)果表明:冷起動(dòng)時(shí)會有大量的壁面油膜產(chǎn)生，這些油膜是HC和CO排放的直