喷油时刻对直喷汽油机油膜形成的影响

汪杰强 姚博炜 黄勇 黄忠文 刘高领

摘 要：通过对某直喷汽油机不同喷油时刻下缸内油膜形成的模拟分析，并借助光学发动机台架试验获得的缸内气流运动和喷雾过程数据，研究了喷油时刻对直喷汽油机油膜形成的影响。结果显示，随着喷油时刻的提前，从-270°CA到-300°CA，缸内的油膜量逐步增加，再持续提升到-310°CA后，缸内的油膜量几乎不变。并且喷油时刻从-270°CA提前到-300°CA，活塞顶上的油膜量增加，缸壁上的油膜量减少。在缸内气体滚流较强时刻喷油，由于滚流的作用会导致燃油碰壁量的增加，而在缸内气体滚流较强时刻之前喷油，可以有效的减少燃油的碰壁量。

关键词：喷油时刻;油膜;直喷汽油机

1 前言

目前汽油缸内直喷技术发展越来越快，快速提升了汽油发动机的动力性和经济性，但是也面临着诸多的挑战，燃油湿壁问题是主要问题之一。燃油湿壁后，缸壁面上的燃油会随着活塞的运動进入曲轴箱稀释机油，导致机油恶化润滑不良，较多未雾化的燃油会影响汽油机的排放。

因此，本文针对一款1.2L顶置直喷汽油机，通过数值模拟分析，研究喷油时刻对缸内油膜形成的影响，并运用光学发动机对缸内气流和喷雾过程进行分析研究。

2 发动机参数及模型建立

2.1 发动机参数

本文所研究的汽油机为一款1.2L涡轮增压缸内直喷汽油机，喷油器为靠近火花塞居中布置，燃油喷射压力为350bar，发动机的具体参数见表1。

2.2 模型建立及标定

首先通过CONVERGE软件建立燃烧喷雾CFD计算模型，如图1所示。并运用台架测试的试验数据对CONVERGE计算模型进行标定，缸压对比见图2所示。

由图2可知，燃烧之前（0CA），试验缸压和模拟缸压吻合良好，说明参数设置基本正确，进气和喷雾的计算结果可靠。

3 喷油时刻对油膜形成的影响

根据1.2标定好的计算模型，分别计算不同喷油时刻对缸内油膜的影响。

3.1 喷油时刻对油膜量的影响

按照表2的计算工况分别计算4种喷油时刻的燃油喷雾撞壁量和油膜量，计算结果如图3/4所示。

由图3可知，将喷油时刻从-270°CA提前到-300°CA，燃油喷雾的撞壁量明显降低，但是继续提前到-310°CA，燃油喷雾的撞壁量几乎不变，再提高到-320°CA，油膜量增加。这是由于-320°CA更接近上止点，更多的燃油喷射到活塞顶部，导致喷雾撞壁量增加。

由图4可知，当喷油时刻从-270°CA提前到-300°CA后，燃油喷射后缸内形成的油膜量降低;这是由于随着喷油时刻从-270°CA提前到-300°CA，燃油撞壁量减少了;并且燃油提前喷射，增加了喷射到缸内燃油的雾化时间，有利于粘附在缸壁上的油膜蒸发，从而降低了缸内的油膜量。而喷油时刻从-310°CA提前到-320°CA，由于喷雾撞壁量增加，导致最终的油膜量也增加。

3.2 喷油时刻对油膜位置的影响

按照表2的计算工况分别计算4种喷油时刻的缸壁和活塞顶油膜量的分布，计算结果如图5所示。

由图5可知，燃油喷射后油膜主要出现在活塞和缸壁，当喷油时刻由-270°CA逐步从-280°CA、-300°CA提前到-310°CA时，缸壁的油膜质量随着喷油时刻的提前而逐步增加，活塞顶的油膜质量随着喷油时刻的提前而逐步减少。这是由于当喷油时刻越靠近上止点，油雾喷射到活塞顶的油膜量就越多，导致活塞顶油膜量增加; 而喷油时刻越远离上止点，油雾喷射到缸壁上的油膜量就越多，导致缸壁上油膜量增加。

4 光学发动机喷雾研究

光学发动机即通过在气缸或活塞上设计出光学通道，使用光学信号通过探测装置采集和处理缸内喷雾和燃烧数据的发动机。通过光学发动机试验，可以在不破坏缸内工作过程的条件下获得缸内真实的喷雾和燃烧信息。我们通过搭建光学发动机对缸内气体的流动的和缸内喷雾的状态进行分析研究。

4.1 光学发动机及台架搭建

根据本文研究的汽油机燃烧系统的设计参数，我们搭建了单缸的光学发动机模型并建立了光学发动机实物，如图6所示。

图7为光学发动机的试验原理，计算区域为一个透明的玻璃缸套，激光通过玻璃缸套下方的45°镜子反射光源到气缸内，相机通过激光反射到缸内的光源记录缸内的喷雾状态。图8为搭建的光学发动机台架。

4.2 喷雾试验

根据2.3的模拟分析，我们选取喷油时刻-270°CA和-300°CA进行光学发动机喷雾试验，试验工况采用表2中的工况参数。图9为缸内气体的滚流状态，喷雾试验结果如图10/11所示。

由图9可知，在300bTDC时，缸内上部气流速度过小，并且整体速度过小，没有形成有效的强滚流流场;在270bTDC时，缸内左半部分气流流速明显增大，并形成了有效的滚流;在180bTDC时，缸内气流流速减低，滚流依然存在，但是强度下降。

由图10可知，在燃油喷油开始角为-270°CA时，在263bTDC喷油时刻，油束由于滚流的作用开始向右侧发展，在253bTDC喷油时刻，油束已经明显的偏离了喷油方向，并按照图9中270bTDC的气体流动方向向右侧倾斜，直到245bTDC时刻缸壁上存在大量的油膜;

由图11可知，在燃油喷油开始角为-300°CA时，在300bTDC时刻缸内气体流速度较小，没有形成有效的滚流，因此在整个喷油过程中油束基本按着喷油的方向发展，直到275bTDC时刻缸壁上的油膜量非常的少。

5 结论

1.随着喷油时刻的提前，从-270°CA逐步提前到-300°CA，缸内的油膜量逐步增加，再持续提升到-310°CA后，缸内的油膜量几乎不变，再提高到-320°CA，油膜量增加。

2.随着喷油时刻的提前，从-270°CA逐步提前到-310°CA，活塞顶上的油膜量增加，缸壁上的油膜量减少。

3.在缸内气体滚流较强时刻喷油，由于滚流的作用会导致燃油碰壁量的增加;而在缸内气体滚流较强时刻之前喷油，可以有效的减少燃油的碰壁量。

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