先进点火系统CFD模拟

传统的火花点火系统在应对新的性能需求上面临很多问题，比如稀薄工况下需要更长的持续时间以获得更高的能量；起动工况下需要更小的间隙尺寸以及火核稳定性和电极腐蚀等问题。为此，许多汽车制造商都致力于研究一些更先进的点火概念，比如博格华纳和辉门多次合作研发比传统火花点火具备更大稀薄容量的点火方式，马自达的Sky-Active对火花辅助压燃概念充满兴趣。还有很多有前景的技术正处于研究阶段，随着对相关技术的模拟和理解程度加深，汽车行业未来必会从中受益。

除了对传统火花点火技术的进一步研究，非常规的点火系统也在逐渐被采用，对这些新点火系统也提出了CFD仿真的需求和考验。比如激光点火就是当下被采用的点火模式之一，但相关的验证数据非常缺乏；又如对于低温等离子点火还缺乏描述其物理现象的模型。

下面我们介绍一些CONVERGE对于传统火花点火模拟的最新应用以及非传统点火系统研究中的尝试。

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火花点火模拟

美国Argonne国家实验室针对火花点火系统开发了详细能量累积模型，考虑准确的火花能量释放、线型能量源、火花结构的共轭传热以及火花周围的详细化学反应。该模型可准确描述火花间隙的热能并预测失火和成功点火之间的转捩。

火花间隙的流动对点火的影响不容忽视。Agonne通过CONVERGE UDF开发了一种欧拉和拉格朗日耦合的方法（LESI）可更准确的预测点火或失火以及再燃的过程。

当大量能量短时间内瞬时释放时，能量累积会扰动流场，从而极易引起压缩或激波。通常我们对火花击穿绝缘空气的能量释放时间设置为0.5CA，即40-60微秒，事实上这个过程应该是纳秒量级的。只有当把这一过程持续期设置为1微妙（Short BD）才会引发对火花间隙流动的扰动，从而大大影响点火源项的运动。

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低温等离子（LTP）点火模拟

火花放电由于气体被击穿形成了平衡等离子体，从而形成相对均匀的高温等离子体通道。局部热点负责点燃油气混合物。而非平衡等离子体点火系统旨在以体积方式将能量输送到气体中，且不会发生气体击穿。燃料空气混合物的点燃是通过激发态物质（自由基，电子等）在低温下诱发的。产生非平衡等离子体可以通过纳秒级脉冲放电（NPD），如TPS公司研发的点火系统，也可通过高频电晕放电产生，如博格华纳的EcoFlash系统。

非平衡等离子体模拟的困难主要来自于时间尺度，通常一个发动机曲轴转角的时间尺度在10e-6秒量级，而非平衡等离子放电的时间尺度在10e-9秒量级。

CONVERGE的源项方法依然是用户在模拟中常用的手段。点火源项结合和热能量和激发组分（如氧原子等）。基于短期能量沉积，将等离子体和流动/燃烧时间尺度分离。通过仿真研究电晕点火可以反映出氧原子等激发组分的存在，相对低温（保持在3000K以下）等离子条件下对火核生长和初始燃烧阶段能起到明显的加速效应。

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预燃室点火

高温射流点火概念最早由Mahle公司用于轻型汽油机上，随着大型天然气发动机高效稀薄燃烧概念的兴起，越来越多的机构投入到高温射流点火研究上来。这种先进的点火方式与其说是一个点火问题，不如说它更多是一个燃烧问题。预燃室结构以及内部流动的影响变得非常重要。不过预燃室内的点火过程对早期燃烧有影响，依然需要准确模拟。

近年来CONVERGE用户在预燃室燃烧仿真方面逐渐形成了成熟的研究方案并在预燃室设计方面积累了丰富的经验。

通过以上的介绍我们看到提升发动机效率和性能，拓展稀薄稳定燃烧极限需要新型的点火系统，新系统的开发和研究中CFD仿真是可靠的手段，CONVERGE不仅对传统火花点火的点火、失火和复燃过程模拟提供了更加先进和准确的模拟方法，而且也成为新型点火概念研究的重要工具。

来源：艾迪捷信息科技（上海）有限公司