高強化柴油機進氣流動特性研究

張鑫華，許俊峰，魏福祥，王宏達，杜關心

(中北大學 能源動力工程學院，山西 太原 030051)

0 引言

進氣過程是內燃機運轉過程中的一個重要階段，它為內燃機燃燒過程提供新鮮空氣[1]。進氣的優劣是決定動力輸出、燃油經濟性以及排放性能好壞的關鍵因素之一[2-3]。受不同進氣道和氣門復雜結構的影響，氣門附近的流動特性十分復雜。因此，對氣門附近的流動特性進行研究具有重要意義。近年來，相關學者對優化進氣口的流動特性愈加重視，對評估高增壓條件下的柴油機進氣流動特性有了進一步的研究[4]，且有大量研究分析了不同組合氣道形式的柴油機進氣流動特性[5-8]，并取得了一定的成果。

仿真可以更好地預測、分析和評估模型，對所研究目標更具有針對性。本文運用converge軟件，對切向和螺旋組合氣道的某高強化柴油機進行三維瞬態數值模擬研究，通過分析其進氣流動特性，為進一步優化進氣口流動特性奠定基礎。

1 模型構建與標定

以某真實單缸柴油機為基礎，通過Pro/E構建柴油機幾何模型，并運用converge軟件搭建仿真計算模型，如圖1所示。

圖1 單缸柴油機仿真模型

柴油機主要參數如表1所示，仿真值與試驗值對比如表2所示。因數據偏差較小，考慮到實際存在不可控的誤差，基本可認定該模型構建的準確性。

表1 發動機技術參數

表2 仿真值與試驗值對比

2 進氣流動特性研究

圖2為進排氣門升程曲線，進氣門開啟時刻為-33°CA，最大升程的中間時刻為102°CA，關閉時刻為238°CA。

圖2 進排氣門升程曲線

建立柱坐標系以及進氣門間隙環帶區域速度場，如圖3所示。圖3(a)、圖3(b)中柱坐標系原點位于氣門中心線與氣缸頂交界處，η軸沿氣門桿向上，r軸沿氣門半徑方向，θ為氣門周向。圖3(b)中T表示切向氣道，H為螺旋氣道。圖3(c)中環帶半徑與氣門底面半徑相同，高度隨不同曲軸轉角時刻的氣門升程而變化。

圖3 氣門間隙處速度環帶提取示意圖

2.1 氣門環帶流場分析

圖4選取進氣門最大升程時刻(102°CA)以及前后各50°CA 3個不同時刻，將氣門間隙環帶速度云圖沿θ方向展開顯示。由圖4可知52°CA和102°CA時高速區域較多，且切向氣道出現在θ為100°～270°之間；螺旋氣道出現在θ為200°～260°之間，呈現不均勻分布狀況；152°CA時由于氣門逐漸關閉，基本沒有高速區域，分布較為均勻。由此3個典型時刻可以看出在整個進氣過程中，環帶上方即氣門閥座區域速度明顯較小，形成低速區域。

圖4 3個典型時刻下氣門間隙處總速度云圖

圖5、圖6將氣門間隙處速度分布量化處理，選取了5個曲軸轉角時刻的氣門間隙總速度沿θ的分布規律。該速度是將在每個切向位置對η方向上所有位置處的總速度進行平均得到的[9]。圖中顯示2°CA時氣門打開初期間隙處進氣整體流速雖然不大，但由于氣道與缸內的較大壓差，在局部形成高速區域;隨著活塞下行，氣門開度逐漸變大，在52°CA時整體速度增大；在氣門開度最大時刻，即102°CA時高速區域顯著；隨著氣門的逐漸關閉，在152°CA時整體速度明顯下降，但速度分布仍然較均勻；當氣門即將關閉，即202°CA時，由于缸內壓力接近于進氣壓力，較小的壓差導致進氣速度急劇下降，且分布較均勻。對比發現螺旋氣道出口處速度分布規律與切向氣道相似，但數值略低。

圖5 切向氣道氣門間隙處總速度分布規律

圖7、圖8顯示了氣門開度最大，即102°CA時，氣門間隙環帶的3個速度分量沿氣門圓周的分布規律，其中，3個速度分量分別為徑向速度Vrη、軸向速度Vηη和切向速度Vθη。其中螺旋氣道出口處的3個速度大小較接近，這歸因于氣道的幾何結構；徑向速度略高于其余兩個方向速度，且與螺旋氣道相比，切向氣道中的徑向速度要高，這是由于氣體通過切向氣道時，會直接沖入缸內導致徑向速度明顯升高；而螺旋氣道中的切向速度較高，這是由于氣體通過螺旋氣道時，沿著環繞氣門桿的路徑回旋流入缸內，有了繞氣門軸線的角動量，使得切向速度有所提高。

圖7 切向氣道氣門間隙處速度分量分布規律

圖8 螺旋氣道氣門間隙處速度分量分布規律

2.2 缸內流場參數分析

對流場宏觀特征參數進行分析[10]，圖9顯示了缸內氣體質量m、渦流比Sr和湍動能TKE隨曲軸轉角的變化規律。

在圖9中可以看出3個參數在進氣過程快速上升，Sr在120°CA附近達到峰值，TKE在130°CA附近達到峰值。隨著曲軸轉角增大以及進氣門開度的減小，Sr緩慢減小，TKE迅速減小，在200°CA附近m達到峰值，隨后的回流程度將超越進氣程度，當進氣門徹底關閉并進入壓縮中后期時，m保持穩定，Sr和TKE繼續減小，此時充氣效率為84.13%。

圖9 缸內氣體質量和湍動能隨曲軸轉角變化規律

圖10為截面示意圖，圖11顯示了102°CA時不同截面下缸內氣體速度V和湍動能TKE云圖。在圖11(a)和圖11(c)中，兩進氣門周圍速度場向外擴散，沖入缸內中心的氣流高速區域較多，導致缸內中心以及左側區域湍流強烈，且氣門閥座處小部分區域的湍動能高于其周圍，說明氣體流出兩進氣道時相撞，且相互作用較明顯。如圖11(b)和圖11(d)所示，可明顯看到多個渦團的產生，此時缸內氣體的渦流比相對較高，切向氣道附近明顯比螺旋氣道氣流速度高；氣門間隙附近出現小的渦團從而產生回流，且在兩氣門間氣體相撞后回流現象顯著，靠近切向氣道下方近壁處的湍動能較為強烈，氣體流速較高。

圖10 截面示意圖

圖11 102°CA時缸內兩截面速度和湍動能云圖

綜上，高強化柴油機在進氣過程中的回流現象是不可避免的，其使得進氣道出口氣門間隙處的速度分布不均。

3 結語

本文利用converge軟件，以某高強化柴油機為研究對象，對進氣門附近氣體流動問題展開了三維瞬態數值模擬研究，并進行試驗標定，研究了氣門間隙處氣體流動特性，詳細分析了不同曲軸轉角下氣門間隙圓周速度分布規律以及缸內流場特征參數。結論如下：

1)氣流通過切向氣道的速度整體略高于通過螺旋氣道的速度，螺旋氣道出口氣流由于繞桿產生角動量而提升了速度分量中切向速度的數值，導致其3個速度分量較切向氣道更接近。

2)由于在進氣過程中，氣門間隙處會產生小的渦團，且會產生較高的渦流比，所以進氣過程中會發生回流。

3)無論是切向氣道還是螺旋氣道，回流發生的區域較小，但不可忽略。