汽油机缸内燃烧的好坏直接影响其动力学、经济性、排放和NVH等性能。随着国家排放法规逐步升级及油耗要求日益严格，越来越多的汽车厂采用汽油机缸内直喷技术。在缸内直喷汽油机的燃烧开发过程中，需要考虑燃烧室与进排气系统的匹配设计、喷油器的选型及布置、VVT等。在开发过程中，采用CAE分析可以有效地缩短开发周期，降低开发成本等。

本文对某GDI汽油机进气喷雾燃烧模拟，首先对燃油喷雾和缸内压力温度进行标定，对标定好的模型进行计算，分析得到了缸内进气过程、喷雾的发展、壁面油膜的形成及点火的预测等，并对燃烧室及进排气系统结构提出了优化措施。

计算模型

1.三维数模及网格划分

图1  分析数模

本次计算的数模见图1。包括进/排气道、进/排气门、燃烧室头部（含火花塞）、缸套和活塞头部。计算工况采用全速全负荷点。

计算一个完整的工作循环，从排气门打开开始计算。计算从152˚ CA持续到872˚ CA，CFD计算中的相关气门正时如下：当排气门开（EVO），角度为152˚ CA；当排气门关（EVC），角度为356˚ CA；当进气门开（IVO），角度为363˚ CA；当进气门关（IVC），角度为582˚ CA。计算中采用的气门升程曲线。该曲线来自于AVL的热力学计算，且考虑了气门间隙。

2.边界条件

计算的工况点需要选择缸盖和排气道热负荷最高的工况，本次计算工况为额定转速4 850 r/min。

初始时刻汽缸和排气道内的残余废气被设定为1.0（即100%），而进气道内的EGR率被设定为0。在计算的初始时刻，汽缸和气道内的压力、温度分布被认为是均匀的。CFD模拟中的各部位壁面温度如下：进气道90 ℃、进气阀400 ℃、燃烧室顶部310 ℃、缸套180 ℃、活塞320 ℃、排气阀740 ℃。本次计算进口边界条件采用质量流量和温度，出口边界条件采用压力和温度。边界条件来源于一维性能计算。

3.模型设置

湍流模型采用 k-ζ-f 湍流模型，近壁面采用复合壁面函数进行处理；控制方程采用有限体积法进行离散；连续方程采用中心差分格式，动量方程采用揉和因子为 0.5 的 MINMOD  Relaxed 格式，湍流方程和能量方程采用迎风差分格式。

喷雾模型中，破碎模型采用WAVE模型，蒸发模型采用Dukowicz模型，壁面油膜模型采用Bai Gosman/Expert模型。燃烧模型采用ECFM模型，这是由标准CFM模型和MCFM模型扩展得到，同喷雾模型结合使用可以模拟GDI汽油机的缸内喷雾燃烧。

模型验证

1.喷雾模型及标定 

图2 贯穿距曲线对比

喷雾对汽油机缸内混合器形成和燃烧过程都有十分显著的影响。缸内计算首先要进行喷雾标定。燃油种类采用正庚烷，燃油喷射压力为100 bar（1 bar=105 Pa），环境压力为1 bar，气体温度为30℃。通过调整喷雾模型参数和蒸发模型参数，得到的模拟贯穿距与试验贯穿距曲线对比见图2。采用此喷雾模型，喷雾计算结果和试验结果吻合度高。

2.缸内压力和温度验证

图3 缸内压力和缸内温度对比

图3为缸内压力和缸内温度的CFD计算结果和BOOST结果对比。从图中可以看出，CFD计算结果和BOOST结果十分接近，可以认为参数标定很好。

计算结果及分析

1.进气流动

图4 进气流动的四个阶段

如图4所示，进气过程分为四个阶段：

阶段1，双侧进气。从气门两侧进气，两边射流形成方向不同的滚流，外侧进气区有明显低速高湍动能区域。

阶段2，单侧进气。外侧进气通道，被低速高滚流区域阻塞，使得大部分空气从内侧进气，缸内开始趋向形成统一的顺时针方向的滚流。 

阶段3，喷雾流场促进滚流发展。喷雾流场在一定程度上起到了引导促进缸内滚流发展的作用，470˚ CA时缸内滚流中心受喷雾场的影响处于进气道侧。

阶段4，压缩过程滚流。压缩过程中气流保持以滚流形式组织。

图5 滚流比曲线

图5为滚流比曲线图，最大滚流比在3.3左右。缸内滚流会影响进气及压缩过程中燃油和空气的混合程度，同时也影响缸内湍动能及点火过程。因为进气门关闭后，缸内滚流可以保持的很好，所以通常将进气门关闭时刻的滚流大小作为主要参考值，本文中进气门在582˚ CA关闭，此时滚流比为2.05，达到设计要求。

2.喷雾发展

图6   喷雾流动（392˚CA～460˚CA）

从图中6可以看出，燃油刚开始喷射时，燃油沿直线喷入缸内，在440˚ CA时刻，喷雾粒子碰到活塞顶部。随着活塞向下运动，燃油粒子在气流运动的引导下向下沿顺时针方向发生偏转，燃油粒子进入到缸内的更多地方。

由于碰壁及滚流带动液滴，在活塞凹坑靠近缸壁的地方形成油膜，混合还不均匀。接近下止点，活塞速度减小，因此喷雾受到偏转作用减小，液滴能够进入缸内更远的距离。
下止点，滚流中心向右偏移，促进燃油进入未混合区域。燃油喷射结束，滚流中心继续向右侧移动，虽然能够促进油气 混合，但也使得部分未蒸发液滴在活塞左侧和右侧顶部聚集。

3.壁面油膜

图7 油膜质量变化曲线

图8 不同曲轴转角下缸内的油膜质量分布

图7为在活塞和缸套表面的油膜质量随曲轴转角的变化值。在390˚ CA开始燃油喷射后，从395˚ CA开始有油膜沉积，随着喷雾的进行，油膜质量不断增加，在喷雾粒子碰壁的同时，碰壁的燃油在高温下同时也在蒸发。在495˚ CA时刻，油膜质量有一个明显的下降，这是因为此时滚流中心在中心位置，燃油粒子碰壁少，同时由于蒸发作用，壁面的油膜质量逐渐减少。500˚ CA以后，随着滚流中心的右移，喷雾粒子碰壁逐渐增多，蒸发的油膜质量少于碰壁新生成的油膜质量，所以油膜质量逐渐增多。600˚ CA以后，缸内温度升高，蒸发速度增加，碰壁蒸发的油膜质量大于碰壁新生成的油膜质量，所以油膜质量逐渐减小。图8分别为不同曲轴转角下缸内的油膜质量分布。

4.点火预测

图9 火花塞截面速度分布

汽油机点火与火花塞能量和点火时刻的局部流动密切相关。为了保证点火，火花塞必须具有一定的气流速度和湍动能。火花塞附近的速度场同时会影响火核刚形成时的拉伸强度，进而对火焰发展及传播产生大的影响。火花塞位置过大的流速会导致火焰向各个方向传播速度不同，因此需要降低点火时刻火花塞附近的混合气的流动速度。从图9可以看出，该火花塞附近的混合气速度在5m/s附近，可以获得较好的燃烧稳定性。

总结

本文对某GDI汽油机建立缸内动网格，进行了汽油机一个工作循环的模拟分析。可以得出以下结论：1.通过喷雾标定和缸内压力、温度的标定，该模型可以对缸内喷雾燃烧过程进行很好的分析；2.缸内形成的滚流满足设计要求；3.通过缸内喷雾过程，可以看出燃油在缸套和活塞顶部的局部区域形成油膜，需要通过优化进气道结构和活塞顶部形状来减少壁面油膜生成；4.火花塞附近混合气流速合理，燃烧稳定性较好。