CONVERGE论文｜某增压发动机主动预燃烧室CFD仿真分析研究

摘要

本文应用CONVERGE软件对某增压汽油发动机的主动预燃烧室进行仿真分析研究，建立主动预燃烧室发动机CFD仿真分析模型，研究不同预燃烧室结构参数（喷孔直径/角度/个数）、不同进气道（高低滚流比）、预燃烧室内不同喷油策略等对主/预燃烧室内的流动、油气混合、火焰发展及传播过程的影响规律，深入探究及可视化高热效率燃烧技术特性。

关键词

增压发动机主动预燃烧室缸内燃烧高低滚流比进气道、喷油策略

作者：庄林毅李春芳邹婷崔天宇张静

来自：北京汽车研究总院

1.前言

近年来，传统内燃机不断受到油耗法规、排放法规和新能源发展的挑战。目前，主流量产汽油机的有效热效率为38~41%，未来，45%乃至更高的有效热效率成为内燃机的发展方向。为了达到这一目标，需要从汽油机能量分配的角度，即摩擦、泵气、传热、燃烧和排气这几个途径来提升热效率。主动预燃室能够实现快速而稳定的燃烧，配合米勒循环、EGR和稀燃等技术，可以显著地降低泵气、传热和燃烧的损失，近年来在汽油机上的研究和应用逐渐广泛，被认为是未来汽油机最有希望的技术路线之一。

采用CONVERGE软件，针对最佳热效率点，建立主动预燃烧室增压发动机CFD仿真分析模型，研究不同预燃烧室结构参数（喷孔直径/角度/个数）、不同进气道及喷油策略对主/预燃烧室内的流动、油气混合、火焰发展及传播过程的影响规律。

2.计算模型与模型标定

2.1建立模型

应用CONVERGE软件建立预燃烧室增压发动机缸内燃烧计算模型，发动机排量为1.499L，压缩比为13，主燃烧室采用PFI喷射，实现λ大于2的稀燃，预燃烧室内采用直喷，实现λ等于1附近的燃烧。仿真模型中主燃烧室采用均匀混合气进入，只考虑预燃烧室内的喷油过程。单缸仿真模型如图1所示，对预燃烧室喷孔、火花塞、喷油位置等处进行局部的网格加密。

图1 CONVERGE燃烧计算模型

2.2 模型标定

根据相关试验结果标定GT模型，从GT模型中提取BTE点（最佳热效率点）的边界放入CONVERGE软件中，基于预燃烧室孔径1.1mm、孔数6个、涡流角度60°标定调试CONVERGE仿真模型，最终缸压标定结果如图2所示。预燃烧室内喷油量（λ值）对主/预燃烧室内缸压影响较大，喷油量增加，预燃烧室及主燃烧室内缸压增大，最终BTE点预燃烧室内699°CA点火，λ值标定为1.23时，CONVERGE仿真缸压结果与试验、GT的一致。

图2 CONVERGE缸压标定结果

3.预燃烧室结构参数仿真分析

3.1预燃烧室不同孔径仿真分析结果

保持预燃烧室其他结构参数一致，只改变预燃烧室喷孔直径，本文研究喷孔直径0.9mm、1.1mm、1.3mm、1.5mm对缸内流动及燃烧的影响。流动结果如图3所示。不同孔径对主燃烧室的流动基本无影响；不同孔径对预燃烧室内X/Y方向的流动影响不大；孔径越小，预燃烧室内Z方向的涡流越大。不同孔径对主燃烧室内流动过程的湍动能基本无影响。孔径越小，预燃烧室内点火时刻湍动能越大，越有利于火焰初期传播。

图3 不同孔径滚流比与湍动能

孔径越小，预燃烧室内点火时刻λ值越小（见图4所示），油气混合偏浓，有利于点火及火焰初期传播。

图4 预燃烧室内λ值分布

预燃烧室孔径越大，主燃烧室内燃烧越快，缸内燃烧压力及温度越大。预燃烧室孔径越小，预燃烧室内燃烧越快，第一个峰值燃烧压力越大，燃烧温度越高；预燃烧室孔径越小，预燃烧室内第二个燃烧峰值越小。

图5 不同孔径缸内燃烧压力及燃烧过程

3.2预燃烧室不同孔数仿真分析结果

保持预燃烧室其他结构参数一致，只改变预燃烧室喷孔个数，本文研究喷孔个数5、6、7、8对缸内流动及燃烧的影响。流动结果如图6所示。不同孔数对主燃烧室的流动影响不大；对预燃烧室内X/Y方向的流动影响不大；孔数越少，预燃烧室内Z方向的涡流越大。不同孔数对主燃烧室内流动过程的湍动能基本无影响。燃烧过程中，孔数6的湍动能峰值最大，孔数8的次之；孔数越少，预燃烧室内点火时刻湍动能越大，越有利于火焰初期传播。