缸內直噴汽油機進氣道流動特性的數值模擬

摘 要：以一款缸內直噴汽油機的進氣道為研究對象，應用計算流體力學軟件converge建立了三維穩態流動計算模型；針對不同的網格模型和進氣道壓差計算邊界條件，分別仿真分析了進氣道的性能。研究結果表明，三維穩態模型計算得出的進氣道滾流比、流量系數和試驗結果吻合較好；而增加網格單元數量和改變進氣道壓差邊界條件對進氣道性能計算沒有明顯影響。

關鍵詞：缸內直噴汽油機；進氣道；三維模型；仿真分析

前言

缸內直噴汽油機的進氣過程是非常復雜的三維流動，合理的氣體流動組織對充氣效率的提升、滾流比的增加、流量系數的增大至關重要。滾流比和流量系數是評價進氣道的兩個關鍵參數。氣體流經進氣道所產生的滾流比對決定著發動機燃燒速度的提升能力，而燃燒速度的提升能夠有效提高發動機的熱效率[1，2]。對缸內直噴汽油機進氣道的滾流比和流量系數等性能參數進行研究具有重要意義[3，4]。

文章采用計算流體力學軟件converge對一款缸內直噴汽油機的進氣道性能進行了仿真計算研，研究了不同氣門升程下進氣道滾流比和流量系數的變化趨勢，對不同網格單元數量和不同壓差計算邊界條件的計算結果進行了對比分析。

1 進氣道滾流比和流量系數計算方法

進氣道滾流比和流量系數是評價氣道性能的兩個基本參數，二者之間存在矛盾的折中關系。缸內直噴汽油機進氣道設計需要保持一定流量系數的同時，盡可能提高滾流比。進氣道滾流比和流量系數的計算方法如式（1）和式（2）所示。

2 進氣道三維仿真結果

2.1 converge模型建立

converge軟件專門應用于與發動機相關的多維流動模擬，主要包括發動機氣道分析、缸內流動計算與燃燒過程計算等。文章所建立的converge進氣道計算模型（圖1和圖2）的邊界輸入條件為：進口壓力100000kpa；出口壓力97500kpa；初始壓力98000kpa；溫度293.15K；湍流長度0.001m；初始湍動能1m2/s2。

2.2 仿真結果與試驗結果對比分析

發動機在進氣行程中，活塞下行，氣門逐步打開，缸內形成負壓，氣流在氣道的引導下形成有規律的流動，產生的滾流比可以保持到壓縮行程末期破碎，為點火時刻火焰的傳播提供充足的湍動能。采用所建立的進氣道三維穩態仿真模型，計算了不同氣門升程下（hv=1.00mm～9.50mm）的進氣道性能。氣缸軸線速度與平均速度的比值分布以及各個氣門升程下的滾流比和流量系數如圖3所示。

圖4和圖5給出了進氣道滾流比和流量系數計算結果與試驗結果的對比。從圖3可以看出，所計算的滾流比趨勢與試驗結果相吻合較好，氣門升程大于3mm時，計算結果與試驗結果吻合更好，這主要是由于氣門升程小于3mm時，流動不穩定性的增加導致計算模型出現偏差。而圖4的流量系數計算結果和試驗吻合較好，基本沒有偏差。

同時，應用公式（1）和式（2）計算出了計算和試驗的平均滾流比和平均流量系數，結果如表1所示。表1的結果表明，平均滾流比計算值與試驗值誤差為4.1%，而流量系數則為2.1%，這說明所建立的三維穩態計算模型能夠較為精確的計算進氣道的滾流比與流量系數。

3 計算邊界條件對仿真結果的影響

在氣道試驗臺上，測量氣道滾流比時，采用的壓差（△p）為2kpa，但在仿真計算中，過小的壓差會導致流動不穩定，計算收斂性變差，因此研究了不同壓差邊界條件對滾流比計算結果的影響。同時，對不同的基本網格尺寸（basegrid）、自適應加密（AMR）、區域加密（Embedding）和邊界層加密（Gridscal）指數對計算結果的影響進行了研究，結果如圖6所示。

從圖6可以看出，壓差邊界條件為2.7kpa、2.3kpa和2.5kpa時，氣道的滾流比、軸向速度與平均速度比值分布沒有明顯變化；而且改變網格數量和加密指數，滾流比計算結果基本一致。這表明，壓差在一定范圍內變化不會影響滾流比，同時網格數量達到一定要求時，增加網格單元數，基本不影響計算結果。綜合考慮計算時間和計算資源，選用壓差2.5kpa、基本網格尺寸0.008mm、自適應加密（AMR）、區域加密（Embedding）和邊界層加密（Gridscal）指數均為1的計算邊界條件比較合理。

4 結論

（1）converge軟件建立的三維穩態計算模型能夠較為精確的模擬進氣道性能，平均滾流比計算值與試驗值誤差為4.1%，而平均流量系數則為2.1%。

（2）進氣道計算壓差、網格單元數等邊界輸入條件對模型計算精度沒有明顯影響。

（3）采用進氣道壓差邊界條件為2.5kpa，網格基本尺寸為

0.008mm，自適應、區域加密和邊界層加密指數均為1的網格參數能夠在保證計算精度的同時，節省計算時間和計算資源。

參考文獻

[1]蔣德明.高等車用內燃機原理[M].西安：西安交通大學出版社，2006.

[2]楊嘉林.車用汽油機發動機燃燒系統的開發[M].北京：機械工業出版社，2009.

[3]張小矛，高衛民，辛軍，等.進氣道對缸內直噴增壓汽油機性能的影響[J].內燃機工程，2006，29（4）：300-306.

[4]張小矛，信曦，楊洋，等.進氣道和燃燒室形狀對汽油機燃燒特性影響的預測[J].上海汽車，2016，8：40-45.