CFD 模拟技术，被动预燃室汽油发动机的燃烧效率提升策略是什么？
文/观文史说
编辑/观文史说
现代内燃机技术中，被动预燃室汽油发动机因其卓越的燃烧效率和环保性能备受关注，基于计算流体力学（CFD）的燃烧过程表征方法为深入探究该引擎的工作机制提供了有力工具。
CFD技术能够模拟复杂的流体动力学、热传导和化学反应过程，从而揭示预燃室与主燃烧室之间的相互作用，研究燃油喷雾、点火、火焰传播等细微细节，通过该方法，可以准确预测燃烧效率、温度分布和污染物生成，为优化引擎设计、提升燃油效率以及降低排放水平提供指导。
01
发动机规格
校准数值模型的实验测试是在自然吸气（NA）汽油四冲程SI单缸金属发动机上进行的。
最初的SI 发动机配备了四气门顶棚，并配有中央安装的火花塞，燃油通过PFI系统进入气缸，喷射压力为 3 bar，位于进气歧管中，以确保混合物的均匀性，由于预燃室容积增大了余隙容积 (V C )，TJI 配置中的压缩比从传统 SI 发动机中的 11.5 降至 10.5。
通过穿过火花塞轴线的横截面显示了燃烧系统的几何特征，其中活塞位于上止点。
预燃室经过适当设计，适合安装在原始火花塞座内，其体积为 2.2 cm 3，相当于间隙体积的 7.2%，与最常见的文献值 (2.0%−3.5%) 相比，该值要高得多 ，这会导致压缩比显著降低，以至于可以部分减轻 TJI 操作的有益效果。
尽管如此，由于该工作的目的是定义用于表征 TJI 燃烧并描述控制点火过程的现象的数值方法，而不是系统性能的最大化，因此 CR 的大幅降低被认为超出了范围。
位于 PC 上方的附加元件包含喷油器和火花塞外壳，使得可以在主动（当前工作中未使用）和被动模式下操作TJI 系统，需要大的长径比来保证喷油器和火花塞壳体有足够的空间，避免对气缸盖和进气口进行任何修改。
值得指出的是，加上被动操作模式以及总喷嘴面积与PC体积之间的小比率（A喷嘴/V PC），通常范围在0.025 cm 和0.045 cm 之间，严重阻碍了预燃室扫气和填充过程以及火花塞附近混合物点火和燃烧的合适条件的发展，从而为PC几何优化留下了足够的空间。
在 2000、3000 和 4000 rpm 的化学计量和稀燃条件下对全开油门 (WOT) 曲线进行了实验，而由于稀释条件下发动机高转速时的燃烧不稳定，仅在 5000 rpm 下测试了化学计量条件。
为了获得统计上具有代表性的样本，记录了每个测试工作点的 400 个连续工作周期的压力轨迹， AFR是通过安装在发动机排气管中的 lambda 传感器测量的，分析是在3000 rpm下的两个工作点进行的，而在本工作中，数值分析是在化学计量比下在4000 rpm下的两个工作点进行的。
02
模拟
在该研究中，模拟是在商业软件中进行的，使用了专有的切割单元笛卡尔网格生成方法，该方法在运行时生成网格，基础网格尺寸设置为2毫米，并通过一系列局部网格细化，将PC孔内的最小单元尺寸达到0.125毫米。
自适应网格细化（AMR）算法仅在具有高速度和大温度梯度特征的区域（如火焰前缘）采用，以提高网格细化水平，而不会过度减慢均匀细化网格的模拟，这种方法导致压缩冲程期间计算域中的单元总数为700,000个，在燃烧阶段结束时为300万个。
为验证数值模型，首先通过一维模型评估了随时间变化的压力和温度曲线，该模型根据GT-SUITE中的实验数据进行了验证，并用作流入和流出边界条件，使用相同的1D-CFD模型来定义进入计算域的气体的化学成分。
PFI系统喷射的燃油被假设为完全汽化，并与进气口的空气完美混合，湍流建模对于准确预测整个发动机循环期间的湍流演化至关重要，因为它影响着PC流型以及MC射流穿透和点火过程。
使用雷诺平均纳维-斯托克斯方法结合重正化群（RNG）湍流模型，这一模型在内燃机应用中得到广泛应用，能够考虑与内燃机燃烧相关的关键物理现象，如压缩性和快速应变效应。
在燃烧模拟方面，使用了SAGE详细的化学求解器，它基于充分搅拌反应器（WSR）假设，尽管可能存在SAGE燃烧模型的限制，因为它没有考虑湍流和化学之间的相互作用，但之所以选择它，是因为它允许在整个燃烧过程中跟踪化学物质，并评估所需的化学物质。
此外，考虑到TJI燃烧涵盖了广泛的燃烧区域，从点火过程中的低Da值（小达西数）到火焰传播燃烧过程中的高Da值，似乎没有适用于所有燃烧阶段的独特燃烧模型。
采用足够细化的网格可以很好地解析流场，从而减少对湍流化学相互作用模型以捕获湍流增强扩散的需求，所选择的燃烧模型需要定义燃料替代物并选择燃烧机理，甲苯参考燃料（TRF）被用于复制实验测试所使用的汽油的研究法辛烷值（RON）和机动法辛烷值（MON）。
采用包含165个物种和839个反应的燃烧机理来模拟燃烧过程，点火过程通过l-塑造能量形状来模拟，包括击穿、电弧和辉光阶段，在火花塞电极之间放置了两个相同的球形源，其等效能量为20 mJ，但持续时间比为1比10，这些模拟设置为研究提供了实质性的模拟基础。
03
湍流化学分析
在预混合燃烧过程中，化学反应与湍流流场之间发生复杂的相互作用，导致火焰前锋呈波纹状，从而增加火焰表面积，促进更快的燃烧速度。
在传统的SI发动机中，湍流流场是通过进气过程中产生的高剪切流而产生的，在压缩冲程期间通过有序的缸内运动模式转化为湍流动能，从而在发动机内部产生湍流。
然而，在PC燃烧系统中，进气过程中产生的湍动动能（TKE）仅代表了主燃烧室内总体湍流的一小部分，即较低的能量部分。
燃烧过程中主燃烧室的湍流强度最高，主要由PC内部的湍流射流产生，与传统的SI发动机相比，湍流流场在PC系统中高度不均匀，射流边界处具有大的空间梯度，并且表现出较快的时间演化。
火花塞附近的速度场湍流波动是扫气过程中由于喷嘴节流效应引起的高速射流与环境流的相互作用的结果。
湍流和化学量之间的相互作用在决定燃烧特性方面起着关键作用，尤其对于TJI应用，包括PC装料的点火、PC中火焰传播的速度、MC混合物点火机制以及燃烧速率。
因此，在接下来的计算中，从火花点火时刻到燃烧达到90%质量分数的时刻（MFB90），对表1中列示的两个工作点进行了数值模拟，并在报告中详细记录了火焰前缘经过的湍流状态。
需要注意的是，任何湍流时间尺度都大于化学时间尺度，此外，与最小涡流相关的湍流长度尺度（柯尔莫哥洛夫尺度）大于火焰厚度，因此，湍流波动不会显著干扰火焰结构。
层流火焰前缘和湍流流场之间存在着运动学相互作用，导致火焰前缘出现波纹状，随着湍流强度的增加（由参数表示），最小的涡流能够穿透并改变火焰结构。
火焰前缘变得更加厚实且波纹状，当湍流强度较高（参数）时，运动学交互作用变得更为显著，在这种情况下，积分涡流反转时间比层流燃烧时间短。
当湍流强度非常高，以至于柯尔莫哥洛夫涡流可以穿透内层，这将破坏化学氧化反应，从而使火焰熄灭，这些结果揭示了湍流和化学之间的复杂相互作用对于燃烧过程的影响。
04
预燃室湍流燃烧状态
在分析中的第一步，研究人员需要识别从火花点火时刻到燃烧质量分数达到90%的时间段内火焰前缘的位置。
用于燃烧模拟的SAGE详细化学动力学求解器无法自动跟踪火焰前缘的位置，而基于小火焰假设的燃烧模型可以实现这一点。
由于甲醛（CH2O）是未燃烧气体中低温预焰反应的自由基代表，研究人员选择使用甲醛来跟踪火焰前缘的位置，这是因为甲醛在冷火焰中以高浓度存在，但在达到热火焰前缘时会被完全消耗。
通过观察甲醛的浓度变化，可以准确地识别火焰前缘的位置，在主燃烧室内固定位置，研究人员评估了温度、甲醛和OH的质量分数变化情况。
温度和OH浓度的迅速增加表明火焰前缘已通过，在此之前，预燃反应的进展可以通过甲醛浓度的增加来判断。
当温度低于850 K时，未燃烧气体中甲醛的增加速率相对较慢，随着温度升高，甲醛浓度快速增加，然后被前进的火焰前缘消耗并消失。
CH2O斜率的急剧上升对应于O的质量分数，这可以确定温度上限为950 K，研究人员使用这个确定的温度范围来标记将会被火焰前缘消耗的未燃烧气体的部分。
在方法的第二阶段，研究人员评估了层流火焰速度和层流火焰厚度，考虑到在完全均匀混合物中传播的平面火焰，他们在单一维度上进行了计算。
研究人员报告了一个广泛的测试矩阵，旨在涵盖主燃烧室和预燃室燃烧过程中火焰所遇到的压力、温度、残余浓度和当量比的各种情况，这些步骤有助于评估火焰的传播特性并了解燃烧过程的关键参数。
在燃烧过程中，化学和湍流尺度之间的相互作用至关重要，稀化的混合物导致湍流与化学反应的比例增加将湍流燃烧状态推向碎裂的反应区域，从而显著降低了PC中的火焰传播速度。
在内燃机燃烧的演化过程中，湍流与化学的相互作用分析捕捉到的微小差异很好地反映了类似的MC燃烧持续时间。
这种分析已被证明是评估不同操作条件下混合物着火极限的宝贵工具，通过理解这些化学和湍流之间的相互作用，能够更好地解释和预测燃烧过程的发展和特性。
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