可變渦流進氣系統的數值模擬研究

賴晨光，于素娟，閻志剛，莊 嚴

(重慶理工大學 a.車輛工程學院; b.汽車零部件及其檢測技術教育部重點實驗室，重慶 400054)

可變渦流進氣系統的數值模擬研究

賴晨光a，b，于素娟a，閻志剛a，莊 嚴a

(重慶理工大學 a.車輛工程學院; b.汽車零部件及其檢測技術教育部重點實驗室，重慶 400054)

可變渦流進氣系統可以根據汽車行駛工況和發動機曲軸轉速為氣缸提供變化的渦流強度。應用ANSYS-Fluent計算流體力學軟件對某直噴汽油機進氣系統進行瞬態數值模擬，分析進氣道安裝渦流控制閥片對氣道和氣缸內流場的影響。結果表明:進氣道安裝渦流控制閥片會對氣缸內的渦流和湍流強度產生一定的影響，低轉速下能增大缸內渦流，提高氣缸內湍流強度，利于油氣混合;高轉速下則會降低缸內平均湍流強度，增大進氣阻力。

進氣系統;可變渦流;湍流強度;數值模擬

氣缸內燃燒取決于兩部分:氣體混合和進氣渦流強度。進氣渦流強度影響油氣混合，直接決定燃燒質量［1］。由于目前環境保護和節能減排的要求，汽車發動機更注重稀薄燃燒，而適當的湍流強度能提高火焰傳播速度和燃燒效率［2］。可變渦流技術能夠在不同的負荷下為汽車提供不同的渦流強度和流量系數，使得燃燒更加充分［3-4］。

國內外對可變渦流進氣系統進行了一系列的研究:對于雙進氣道，通過在低轉速下關閉一個氣道可以適當改善進氣湍流強度和渦流強度，但會影響進氣流量［5］;用直氣道和螺旋氣道組合的方法能為發動機提供足夠的渦流強度和質量流量，但不能根據汽車行駛工況改變渦流強度和流量系數［6-7］;采用導氣屏結構進氣道［8］和副進氣道可變渦流機構［9］，通過調節流經副進氣道的氣流流量可達到控制進氣渦流強度的目的。以上所采用的渦流控制方案能在一定程度上改善進氣渦流強度，但汽車實際行駛的工況復雜，很難滿足所有負荷下對進氣渦流的需求。本文采用渦流控制閥，汽車在行駛中根據負荷的大小調整控制閥片開度，從而調節氣缸內的進氣流量和渦流強度，實現稀薄燃燒。

1 計算模型

1.1 模型的建立

研究對象為某直噴汽油機。通過三維建模軟件CATIA建立可變渦流進氣系統模型，在進氣道入口處加穩壓腔［10］。氣缸直徑為81 mm，氣門和氣缸軸線夾角為22.5°。進氣道三維模型如圖1所示。

圖1 進氣道三維模型

1.2 網格劃分和邊界設置

由于計算模型的表面曲率變化復雜，同時考慮對計算精度、收斂性和時間成本的要求，本文采用混合網格的劃分方法。在曲面形狀復雜的進氣道、燃燒室區域和氣門運動區域采用非結構化的四面體網格，活塞和氣缸處采用結構化的六面體網格。網格劃分見圖2，不同渦流閥片開度的網格劃分見圖3。

圖2 網格劃分

圖3 不同渦流控制閥片開度的網格劃分

采用動網格策略實現氣門和活塞的往復運動，對運動幅度較小的氣門采用彈性光順和局部重構相結合的動網格策略，運動幅度較大的活塞則用動態層鋪的動網格策略。

采用壓力入口邊界條件，穩壓腔入口處設置為1個標準大氣壓［11］。湍流模型選擇標準k-ε，采用標準壁面函數法處理邊界層，用simple算法進行求解。

2 數值結果分析

2.1 轉速對進氣流場的影響

本文考慮了2種曲軸轉速:1 200 r/min和2 000 r/min。數值模擬結果(圖4、5)表明:隨著曲軸轉角增加，氣門處質量流率和缸內的質量流量逐漸增大，并在氣門升程最大時達到最大值。在圖4中可以看到:隨著轉速增大，活塞和氣門運動速度增大，單位時間內活塞行程和氣門升程增加，單位時間內流入氣缸內的氣體質量增加，質量流率增大。活塞和氣門的運動規律不隨轉速變化而變化，所以進氣終了時缸內氣體質量與轉速無關，如圖5所示。

圖4 不同轉速進氣流量質量流率

圖5 不同轉速缸內氣體質量

進氣初期，活塞下移、進氣門開啟，進氣道內壓力大于氣缸內壓力，空氣經進氣門流入氣缸內，在碰到缸壁后產生方向相反的漩渦。在氣門下方左右側分別形成2兩個渦流，如圖6所示。由于進氣道在氣缸蓋上特有的安裝位置，氣門右側氣體沿著進氣門切線方向流向缸壁，碰到氣缸壁后氣體方向改變，產生一個較大的渦流，左側渦流相對較小。隨著活塞下移，渦流不斷擴大，缸內流速不斷增加，湍流強度增大，在氣門最大升程處湍流強度值達到最大，見圖8。

對比圖6和圖7曲軸不同轉速下的缸內流場可以看出:曲軸轉速高，活塞下行速度快，單位時間內進氣道和氣缸內壓力下降的值大;高曲軸轉速缸內氣體流速比低曲軸轉速缸內氣體流速高。氣缸內的平均流速也高于低曲軸轉速下氣缸內的平均流速，因此曲軸轉速越高，缸內湍流強度越大，而且都在氣門最大升程處湍流強度最大，這與文獻［1］中的結論一致。

圖6 1 200 r/min下不同曲軸轉角缸內流

圖7 2 000 r/min下不同曲軸轉角缸內速度流場

圖8 不同轉速下缸內湍流強度

2.2 擋板開度對進氣流場的影響

本文主要考慮了兩側進氣道均不加裝擋板，以及一側進氣道加裝擋板，并且擋板開度在30°、60°、90°下進氣道和氣缸內的流場情況。由于采用的是壓力邊界條件，加裝擋板會使進出口處壓力差發生變化，擋板開度越大，進氣入口和活塞表面的壓差越大，補償了擋板開度對進入氣缸內質量流量的影響，因此氣缸內的質量流量和擋板開度無關。在圖9中，渦流閥擋板開度為30°，氣體經過擋板時產生壓降，流速增加。在氣門剛開啟時，由于擋板進氣阻力的影響，無擋板進氣道缸內的速度和湍流強度大于有擋板進氣道缸內的速度和湍流強度。隨著氣門升程增加，在有擋板進氣道內已經形成了一定的進氣慣性。由于擋板和氣門共同的節流作用，30°擋板開度進氣道在進氣門的左右兩側形成了2個大小一致的渦流，與圖6中1 200 r/min曲軸轉速缸內流場相比，缸內的湍流強度增加(圖9)。因此，在1 200 r/min曲軸轉速下，曲軸轉角在380°～430°時，無擋板進氣道缸內湍流強度大于30°時擋板進氣道缸內湍流強度;在曲軸轉角為430°～540°時，30°擋板進氣道缸內湍流強度大于無擋板進氣道缸內湍流強度。在整個進氣行程中，無渦流控制閥擋板進氣道缸內的平均湍流強度為23.7 m2/s2;30°渦流控制閥開度擋板進氣道缸內的平均湍流強度為24.4 m2/s2。因此，加裝30°渦流控制閥片后使缸內的湍流強度增加了3%(圖10)。這更有利于油氣混合，提高燃燒質量。

圖9 在擋板開度為30°和1 200 r/min曲軸轉速下缸內速度流場

圖10 在1 200 r/min曲軸轉速下不同進氣道缸內平均湍流強度

如圖11所示，在曲軸轉速為2 000 r/min，曲軸轉角在380°～410°時，無擋板進氣道缸內湍流強度小于有擋板進氣道缸內湍流強度;曲軸轉角在410°～540°時，無擋板進氣道缸內湍流強度大于有擋板進氣道缸內湍流強度。在整個進氣行程中，不加裝渦流控制擋板，氣缸內的平均湍流強度為66.8 m2/s2，擋板開度為30°時，缸內的平均湍流強度為65.8 m2/s2。由此可見:加裝渦流控制閥片反而使缸內的湍流強度降低，同時使進氣道流通截面減少，增大了進氣阻力。因此，當汽車在不同路況行駛時，發動機在低轉速運行時可以適當開啟渦流控制閥擋板，能在一定程度上增加氣缸內的渦流強度，增強燃料和空氣的混合程度，提高燃燒效率;但在高轉速運行時，應盡量關閉渦流控制閥擋板，減少進氣阻力。

圖11 在1 200 r/min曲軸轉速下不同進氣道缸內平均湍流強度

3 結論

1)采用壓力入口邊界。發動機曲軸轉速越大，進氣質量流率越大，進氣質量流率和氣門升程成正比，即在氣門最大升程時質量流率最大。氣缸內進氣質量隨轉角增大而增大，但與曲軸轉速無關。

2)在進氣行程中，隨著氣門升程增加，氣缸內氣體流速和湍流強度均增大，并在氣門最大升程時達到最大值。曲軸轉速越高，氣缸內氣體平均流速和缸內平均湍流強度就越大。

3)當發動機在低轉速下運行時，可以在進氣道安裝渦流控制閥片，通過調整渦流閥片角度提高進氣行程中缸內的平均湍流強度，使油氣混合更充分。

4)當發動機在高轉速下運行時，安裝渦流控制閥片會降低缸內平均湍流強度，因此應盡量減小閥片開度以減小進氣阻力。

［1］朱成.基于CFD的四沖程缸內直噴發動機直噴燃燒系統優化設計［D］.南京:南京航空航天大學，2012.

［2］焦運景.稀燃天然氣發動機燃燒過程研究和燃燒系統開發［D］.天津:天津大學，2009.

［3］李向榮，董元坤，李麗婷.柴油機進氣渦流調節形式及閥板尺寸對進氣特性的影響［J］.柴油機，2006，28 (3):18-20.

［4］尹叢勃，張振東.可變渦流對直噴汽油機進氣流動和油氣混合特性影響數值模擬［J］.汽車工程，2013，35 (8):677-682.

［5］Jun-ichi Kawashima，Hiroshi Ogawa，Yoshiyuki Tsuru. Research on aVariable Swirl Intake Port forHigh-Speed 4-valve DI Diesel Engine［J］.SAE Paper，1998，26:80.

［6］WUNSCHE P.4氣門高速直噴式柴油機的設計方法［J］.國外內燃機，1996，42(2):18-24.

［7］王春輝，雷基林.4氣門直噴柴油機進氣流動和缸內流場的研究［J］.汽車工程，2014，36(1):36-42.

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［11］王莉，范宇，劉德新，等.柴油機可變渦流進氣流動的數值模擬研究［J］.車用發動機，2012(5):32-37.

(責任編輯劉 舸)

Numerical Simulation Research on Variable Swirl Intake System

LAI Chen-guanga，b，YU Su-juana，YAN Zhi-ganga，ZHUANG Yana
(a.College of Vehicle Engineering;b.The Key Laboratory of Automobile Parts& Detection Technique，Ministry of Education，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China)

Variable swirl intake system can provide suitable vortex intensity for the engine according to the working conditions of the car and the crankshaft speed of the engine.This paper analyzed the influence of the swirl control valve on the flow field in the cylinder through transient numerical simulation on a direct injection gasoline engine by using computational fluid dynamics software ANSYS-Fluent.The data shows that swirl control valve in the air intake system will affect both the vortex and the turbulence intensity in the cylinder.It will increase the eddy current and the turbulence intensity at low crankshaft speed，which is advantageous to the mixture of oil and gas.On the other hand，the swirl control valve will reduce the average turbulence intensity in the cylinder when it is on the high crankshaft speed，and this will increase the air intake resistance.

air intake system;variable eddy current;turbulence intensity;numerical simulation

U464.171

A

1674-8425(2015)11-0023-05

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2015.11.005

2015-06-28

國家自然科學基金資助項目(51305477)

賴晨光(1978—)，男，博士，教授，主要從事汽車與高速列車空氣動力學研究;于素娟(1989—)，女，碩士研究生，主要從事汽車空氣動力學研究。

賴晨光，于素娟，閻志剛，等.可變渦流進氣系統的數值模擬研究［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2015 (11):23-27.

format:LAI Chen-guang，YU Su-juan，YAN Zhi-gang，et al.Numerical Simulation Research on Variable Swirl Intake System［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2015(11):23-27.