本文通过利用CFD软件FIRE对某型GDI汽油机进行了缸内燃烧数值模拟，通过计算得到了缸内以及进排气道的流场分布情况，并对滚流比、壁面油膜及点火后火花塞附近的流动情况行了评估。

近年来，随着石油价格的不断上涨、排放法规的日益严苛及全球变暖的困扰，改善发动机燃油经济性及排放显得格外迫切。开发具有高燃油经济性的发动机成为了当前各大汽车生产商的研究目标。

采用汽油缸内直喷技术（GDI）能够有效地提高发动机的燃油经济性、动力性及改善冷起动时汽车的排放，因而得到了广泛的应用。本文通过CFD软件FIRE对某型GDI汽油机缸内燃烧进行数值模拟，并对其关键参数进行了评估。

计算模型搭建

1. 生成动网格

由于缸内燃烧的模拟是一个瞬态的求解过程，随着活塞和气门的周期性移动，其计算网格也必须随之移动，因此，必须生成动网格。动网格应包括燃烧室、进排气道及活塞顶面等数据，网格划分时还需输入气门运动与活塞运动的信息。表1所示为气门正时的相关数据。

以气门升程曲线为例（见图1），该曲线由热力学仿真计算获得，其最小升程为0.2mm，即气门升程0.2mm时认为气门关闭。

2. 边界条件

本文计算选择的工况点为额定工况，因为此工况下发动机的热负荷最大。计算覆盖一个完整的发动机循环，从排气门关闭开始。具体边界条件如下所述：

（1）初始条件

计算初始化时，认为气缸和排气道EGR率为1，即均为废气，而进气道EGR率为0，即完全是新鲜空气。进气道初始化条件为：压力0.21MPa，温度324℃，湍动能10m2/s2，湍流耗散率2598m2/s3；气缸初始条件为：压力1.21MPa，温度1652℃，湍动能20m2/s2，湍流耗散率7348m2/s3；排气道初始条件为：压力0.296MPa，温度1055℃，湍动能30m2/s2，湍流耗散率13500m2/s3。

为了保证计算的收敛性以及计算在初始阶段的准确性，必须给出壁面的温度值作为初始条件（见表2）。

（2）瞬态边界条件

瞬态边界条件分别设置在计算模型的进出口，即进气道的进口和排气道的出口。该边界条件数据通过一维热力学仿真软件BOOST计算得到（见图2和图3）。

3. 参数设置

本文中设定空气流动为可压缩性粘性湍流流动，湍流模型选择k-epsilon方程，能量方程激活总焓、动量守恒方程和质量守恒方程，为防止计算发散，还需激活二阶压力修正。壁处理和热传递模型分别选择标准壁函数和标准壁模型。差分方程的设置如下：动量方程为MINMOD Relaxed，柔和因子设为0.9；质量守恒方程为中心差分方程，柔和因子设为1；湍流方程、能量方程、标量方程均设为迎风格式。

计算结果分析

1. 缸内流动分析

由于缸内压力的初始条件（1.21MPa）远远大于排气道的压力初始条件，这将导致局部产生高速流场。图4所示为曲轴转角170°时的流场分布。从图中可以看到，最大速度出现在气门座圈附近，可达到900m/s。由于局部高速流场会导致换热系数（HTC）升高，这将有利于减小热负荷。

图5所示为曲轴转角为192°（排气流量最大）时的流场分布。从图中可以看到，排气道中发生了轻微的流动分离（图中标1的部位），最大速度出现在排气法兰面（图中标2的部位），最大速度为600m/s，而整个排气道的平均速度较高，达到420m/s，这将导致较高的换热系数。

在进气行程中，将在缸内产生滚流，滚流比的大小决定着燃烧的质量，因此滚流比是缸内燃烧中的一个关键参数。图6所示为曲轴转角475°（进气门升程最大）时的流场分布。从图中可以看到，在缸内形成了明显的滚流，通过计算得到此时的滚流比为2.2，而滚流比的目标值为2.0～2.2，满足设计要求。

2. 壁面油膜评估

对于GDI发动机来说，油膜主要出现在缸套、进气门及活塞顶部。如果在临近上止点时出现油膜，将导致燃烧的不稳定以及产生碳烟。而随着现在排放法规的越来越严格，碳烟的排放量被政府严格控制，因此如何减少油膜成了各发动机厂商越来越关注的焦点。图7显示了上止点时油膜的分布情况。图8显示了不同时刻粘附在壁面上的油膜质量。

从图7中可以看到，大部分油膜出现在进气侧的活塞凹坑中。从图8可以看到，在曲轴转角为390°时，油膜质量达到最大值，且油膜基本分布在活塞上。在这个工况点之后，油膜质量持续减少，这是由于活塞下移，进入压缩行程，缸内温度升高，油膜被蒸发的缘故。

3. 燃烧模拟分析

图9显示了曲轴转角分别为740°、750°和760°时火花塞附近的湍流速度分布。从图中可以看到，在火花塞附近的湍流速度均在10m/s以下，随着活塞下行，整个缸内的湍流速度均下降。

4. 换热系数（HTC）分析

由于缸内燃烧的分析是瞬态进行的，每个瞬时都会计算出一个HTC值，为了便于评估HTC值，需要将HTC进行时域平均，得到一个平均HTC值。图10为时域平均后的HTC分布。

结论

本文通过利用CFD软件FIRE对GDI汽油机缸内燃烧进行了数值模拟，得到了气流在缸内的流动分布情况，计算出滚流比，对壁面粘附的油膜进行了评估，还分析了火花塞附近的流动情况，并计算出整个计算域的HTC值。

通过对缸内燃烧过程的模拟，可以使设计人员更直观地了解发动机的工作过程，为进一步改善发动机的性能提供了理论依据，在发动机产品设计中具有重要的意义。