1 引言

為了研究不同曲軸轉(zhuǎn)角時刻的混合氣，本次模擬把點火提前角范圍（該發(fā)動機點火提前角范圍是上止點前15°～35°）分為4 個階段，即活塞在點火提前角范圍內(nèi)的4 個不同曲軸轉(zhuǎn)角位置時刻動態(tài)采集混合氣，為了詳細(xì)了解每個時刻的狀態(tài)，也可以將該范圍劃分得密集些，以便得到不同曲軸轉(zhuǎn)角時刻火花塞處混合氣的濃度。本文采用STARCD 公司的三維計算流體力學(xué)（CFD）軟件，對化油器式汽油機進行了三維數(shù)值模擬，研究了在活塞位于壓縮上止點前（此時進、排氣門已經(jīng)關(guān)閉）的某一時刻，動態(tài)采集火花塞處的混合氣，得出采集到的混合氣的流量隨時間的變化關(guān)系，以此來判斷采集需要的混合氣的量所對應(yīng)的時間，并對采集到的混合氣進行了分析，同時分析了濃度、壓力等相關(guān)參數(shù)。模擬結(jié)果對點火時刻的確定將會有一定的指導(dǎo)意義。

2 物理模型

本文所采用的物理模型依據(jù)是摩托車用單缸、化油器式、風(fēng)冷汽油機。為了將混合氣從火花塞處取出，因此對發(fā)動機進行倒托，火花塞處用一個與其尺寸相同的帶有6mm 孔徑的螺栓代替。螺栓上設(shè)有閥門，螺栓外接密封容器，閥門的開啟由伺服電動機控制。當(dāng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得發(fā)動機曲軸某時刻轉(zhuǎn)角信號時，觸發(fā)伺服電動機工作，從而打開閥門，將混合氣從缸內(nèi)取出，根據(jù)需要采集的混合氣的量所對應(yīng)的時間，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)定時觸發(fā)伺服電動機將閥門關(guān)閉。如圖1 所示。

圖1

在模擬計算時，燃燒室構(gòu)成包括活塞頂面、氣缸壁面和缸蓋底面。本研究假定活塞運動到某一位置，此時的進、排氣門已經(jīng)關(guān)閉，缸內(nèi)初始條件已經(jīng)給定。將混合氣從火花塞處采集出來，為了使模擬更接近實際，火花塞處開一個小孔，孔徑為6mm，當(dāng)活塞位于壓縮上止點前某一位置時，由于缸內(nèi)壓力很大，所以在火花塞處外接一個容器，將混合氣存放在該容器內(nèi)部，便于以后對混合氣濃度進行分析。

該發(fā)動機的基本參數(shù)分別是：缸徑D＝56.5mm；沖程S＝49.5mm；壓縮比ε＝9.2。

外接容器的直徑為D1＝36mm，高度為H＝50mm。

燃燒室簡化模型如圖2 所示。

圖2

3 計算模型及基本參數(shù)

Star-CD采用的湍流模型有k-ε雙方程模型和LES模型等。LES和其它模型的求解精度相對較高，但需要花費更多的計算時間，而對于發(fā)動機缸內(nèi)工作過程的模擬，k-ε模型（TURBLENT COMPRESSIBLE HIGH RE K-EPS MODEL）的精度已經(jīng)能夠滿足模擬的要求，因此在本文中采用k-ε雙方程湍流模型來進行求解計算，限于篇幅，本文所采用的方程不在這里一一列出。

由于是動態(tài)采集混合氣，所以采用瞬態(tài)計算方法。

4 計算網(wǎng)格

4.1 曲軸轉(zhuǎn)角φ＝343.9CA 時缸內(nèi)壓力P=16.28×105Pa，溫度T＝637.28K?？偩W(wǎng)格數(shù)目＝366654，節(jié)點數(shù)＝391135，網(wǎng)格單元面數(shù)＝31683。時間步長為5×10-5，此時的計算網(wǎng)格如圖3 所示。

圖3

圖4 流場分布云圖 圖5 壓力分布云圖

圖6 溫度分布云圖 圖7 混合氣流量分布云圖

分析 由流場分布圖可見，在閥門打開的0.001s 范圍內(nèi)，氣缸內(nèi)部處于等壓狀態(tài).氣流流經(jīng)火花塞時，壓力急劇降低，容器的初始狀態(tài)是常溫常壓，壓力差值達到8 個大氣壓左右，氣流以超聲速流出，而氣流流過的截面較小，進入較大的空間從而形成擴散的流動，這種擴散流動的流體微團產(chǎn)生強烈的無規(guī)則的脈動，從而形成紊流射流。從截面圖可以看出這種射流形成軸對稱射流，也就是圓射流?；旌蠚鈴幕鸹ㄈ琢鞒鲂纬梢粋€具有很大速度梯度的區(qū)域，射流邊界層沿著流動方向不斷向兩邊擴展，外邊界向外擴展，帶動更多的氣體介質(zhì)進入邊界層。內(nèi)邊界向中心擴展，使速度等于初始值的區(qū)域逐漸減小，這樣沿著流動方向射流邊界層越來越寬，造成負(fù)壓。由于射流邊界層不斷發(fā)展而繼續(xù)抽吸周圍介質(zhì)的流體質(zhì)量，火花塞軸心速度連續(xù)下降，射流擴展，厚度不斷增長，從而形成整個的紊流射流。從溫度分布圖上可以看出，火花塞處的溫度較高，在接近容器口時，溫度下降很快，達到302K。沿著氣流方向，由于有負(fù)壓，此處的氣體密度相對較低，所以溫度也比較低，大約在120K 左右。從壓力圖上可以看出，混合氣以超聲速流出，碰到容器壁面時，氣流受到急劇壓縮而產(chǎn)生激波現(xiàn)象。

混合氣流過火花塞截面的流量矢量圖為：

圖8

4.2 曲軸轉(zhuǎn)角φ＝329.41CA 時缸內(nèi)壓力P=10×105Pa，溫度T＝553K?？偩W(wǎng)格數(shù)目＝376282，節(jié)點數(shù)＝38564，網(wǎng)格單元面數(shù)＝32235。

4.3 曲軸轉(zhuǎn)角φ＝336.62CA 時缸內(nèi)壓力P=13×105Pa，溫度T＝599K。總網(wǎng)格數(shù)目＝368020，節(jié)點數(shù)＝385135，網(wǎng)格單元面數(shù)＝31841。

4.4 曲軸轉(zhuǎn)角φ＝326CA 時缸內(nèi)壓力P=8.12Pa，溫度T＝528K?？偩W(wǎng)格數(shù)目＝404314，節(jié)點數(shù)＝2864059，網(wǎng)格單元面數(shù)＝34103。

上述4 個不同曲軸轉(zhuǎn)角時刻所對應(yīng)的混合氣流過截面（圖8）的流量Q（kg/s）隨時間T(s)的變化關(guān)系為（圖9）：

圖9

5 結(jié)論

通過數(shù)值模擬，可以得到如下結(jié)論：

(1) 在模擬的4 種工作狀況下，得出混合氣流量隨時間的變化關(guān)系。

(2) 根據(jù)壓力和流場圖可以得出，在采集時間極短的情況下，采集到的混合氣是由火花塞附近流出的，這樣就為混合氣濃度的分析提供了可靠的依據(jù)。

(3) 從流量圖9 可以看出，在T＝0.2×10-3s 時刻前，由于火花塞處孔徑小，混合氣的流量開始逐漸增大，該時刻后，流量急劇增加，這是由于氣缸和容器內(nèi)部的壓力差造成的。

(4) 根據(jù)上圖的對比可以看出，當(dāng)φ＝326CA 時刻，由于缸內(nèi)壓力較低，所以此時的流量較其它曲軸轉(zhuǎn)角時刻低，而在φ＝343.9CA 時刻，氣缸內(nèi)部壓力達到15 個大氣壓，溫度高，所以該時刻的氣流量大。

(5) 在開始采集混合氣的時間持續(xù)到0.36ms 時，混合氣流量達到最大，在此之后，流量趨于平穩(wěn)，這是由于缸內(nèi)的氣體流量不斷的增加使得氣缸內(nèi)和容器內(nèi)的壓力差趨于平緩造成的。

(6) 由于檢測混合氣濃度的方法很多，例如，質(zhì)譜分析儀、排煙分析儀，根據(jù)其檢測靈敏度，采集適量的混合氣。

(7) 在采集時間很短的情況下，同時要保證采集出的混合氣是來自火花塞附近，所以采集的混合氣量不會很多，因此有可能達不到分析儀器的檢測范圍，此時可以在相同曲軸轉(zhuǎn)角位置時刻多次進行混合氣的采集，取其平均值。也可以進行多次三維數(shù)值模擬計算，對容器的幾何進行優(yōu)化設(shè)計，使采集到的混合氣濃度不會過濃或過稀。

(8) 由于采集時間相對較短，所以伺服電機的動作靈敏度要求高。

(9) 經(jīng)過以上分析，可以得出本次動態(tài)采集火花塞處混合氣的數(shù)值模擬結(jié)果與理論情況相吻合，對接下來的實驗將會給予指導(dǎo)。

（轉(zhuǎn)載）