6.5 L 兩氣門柴油機螺旋進氣道的開發與優化

摘要：內燃機進氣道是影響缸內流動特性的關鍵，對內燃機的混合氣形成和燃燒過程具有決定性的作用。以某6.5 L 兩氣門柴油機為研究對象，基于數值模擬方法對其螺旋進氣道進行了結構優化，并通過穩態流動試驗驗證優化效果。結果表明：構建的數值模擬方法具有較高的精度和普適性；在不改變空間約束的基礎上，優化后螺旋進氣道的性能得到顯著提升。該結構優化可為提升同類內燃機性能提供技術參考。

關鍵詞：柴油機；進氣道；數值模擬；結構優化

0 前言

國六排放標準全面實施后，我國車輛污染物排放標準更加嚴格，與國五排放標準相比，國六排放標準關于CO、非甲烷烴、氮氧化物、細顆粒物等的排放標準限值降低了40% 左右。在此背景下，以先進燃燒技術、高增壓和小型化強化等為代表的內燃機節能減排技術受到了廣泛關注［1］。油氣混合比決定燃燒質量，影響內燃機性能。進氣道作為內燃機的“咽喉”，其結構直接關系到內燃機進氣充量的大小以及氣流進入缸內后的運動強度，進而影響缸內混合氣的形成和燃燒過程，對于內燃機整機的動力性、經濟性及排放性能至關重要。

傳統的進氣道設計開發是根據經驗進行手工造型，以扣制的方式加工出氣道芯盒后，在穩流試驗臺上進行試驗和反復修改。產品多次迭代后，選出性能理想的氣道，再通過發動機臺架的整機性能測試，驗證和確定進氣道的最終設計［2-3］。這種低效的人工設計方法已經無法滿足內燃機技術高速發展下進氣道的開發需求。目前，進氣道通常采用基于計算機技術的開發方法：首先，利用三維激光掃描儀（三坐標測量機）對原始進氣道進行全方位的掃描測量，獲得云數據［4-5］；其次，對點云進行曲面重構建立進氣道的三維模型；最后，采用數值模擬、穩態試驗和臺架試驗方法對模型進行修改，獲得滿足設計要求的進氣道模型［6］。該方法具備周期短、成本低、風險小等優勢，應用也較為廣泛。傳統和計算機模擬開發進氣道的工作流程如圖1 所示。

內燃機進氣道開發過程中，通常采用穩態流動試驗臺以及相關的評價方法進行測量和計算，得出進氣道性能評價參數，指導進氣道的優化開發。其中，流量系數用以評價進氣道的進氣能力，渦流強度用以評價缸內氣流運動的組織能力。隨著計算機技術的不斷發展，越來越多的學者采用數值模擬的方法代替試驗進行進氣道性能的評價［7-11］，大大降低了時間和經濟成本。通過計算機對流場特性的模擬研究，為進氣道的結構優化提供參考依據。

本文搭建了一種具有較高精度和普適性進氣道穩態數值模擬方法，并針對某柴油機的螺旋進氣道進行了結構優化，以探索未來內燃機進氣道的高效開發。

1 進氣道穩態數值模擬

1. 1 進氣道性能評價

目前，尚無標準統一的進氣道穩流試驗評價方法。國內外應用較為廣泛的進氣道性能評價方法包括Ricardo、FEV、SwRI 和AVL 評價方法［12-15］。本研究所用的TjUEngine-TUST 型氣道穩流試驗臺可以同時實現上述4 種進氣道性能評價方法。為了便于研究工作的開展，本次試驗選取Ricardo評價方法。

1. 2 數值模擬方法構建

本次試驗研究的柴油機為一進一排兩氣門柴油機，進氣道為螺旋式，原始氣道的三維模型如圖2所示。

首先，根據穩流試驗臺的結構構建了螺旋進氣道數值模擬計算域的三維模型。模型由進氣穩壓箱、進氣道、氣門、氣門閥座和模擬氣缸組成。為了模擬穩流試驗臺上的實際工況，采用半球形穩壓箱，同時將缸蓋底平面下1.2D（D 為氣缸直徑）和1.75D 處的平面作為壓力監測平面和渦流監測平面，如圖3 所示。

螺旋進氣道最終的體網格模型如圖4 所示。其中，體網格采用多面體網格，進氣穩壓箱處是尺寸為4.4 mm×4.4 mm 的粗網格，模擬氣缸處是尺寸為2.2 mm×2.2 mm 的中等網格，螺旋進氣道主體處是尺寸為1.1 mm×1.1 mm 的細網格。邊界層網格有20 層，其中邊界層第1 層網格高度為0.01 mm，最終體網格的網格總數約為300 萬。

螺旋進氣道數值模擬采用壓力基的穩態計算模式。k-ω 雙方程湍流模型及其默認的增強壁面處理模擬氣道中的氣流旋轉現象。模型中流體工質選擇空氣，邊界條件中定義入口為總壓入口，數值為大氣壓（101 325 Pa）；出口為靜壓出口，并保證氣道進出口壓差與試驗值相同，這里選擇為3 500 Pa；其余壁面均為無滑移絕熱壁面，并且所有的邊界溫度均設定為293 K。求解算法則選用耦合算法，相比于分離式求解器，耦合式求解器對高速可壓流體的計算更有優勢。針對擴散項的梯度插值方法選擇精度較高的格林-高斯基于節點法，壓力插值方法選擇二階格式，密度、動量、湍動能、耗散率和能量的插值方法均選用二階迎風格式。松弛因子采用默認值。計算前模型基于出口邊界進行初始化設置，采用默認初始值。計算過程中對模型進出口的質量流率、壓力監測面的靜壓及渦流監測面的扭矩進行監測，時間尺度系數為5，最大迭代步數為500，并設置殘差收斂標準為10-4。

1. 3 數值模擬方法驗證

在氣道穩流試驗臺上對螺旋進氣道開展了穩態流動試驗。圖5 為天津大學TjUEngine-TUST型氣道穩流試驗臺的結構簡圖。該氣道穩流試驗臺測量流量系數的相對誤差為±0.5%，測量渦流強度的相對誤差為±1%。

螺旋進氣道流量系數和渦流強度在試驗和數值模擬中的對比結果如圖6 所示。由圖6 可知，氣道流量系數的數值模擬方法與穩流試驗結果一致性良好，最大相對誤差為2.05%。雖然渦流強度的偏差依舊大于流量系數，但是在中高氣門升程下最大相對誤差小于11.52%，證明本研究數值模擬方法具有可信性。

為驗證20 層邊界層配合增強壁面處理的雙層壁面模型對渦流的預測精度，增加了標準壁面模型進行對比分析。標準壁面模型包含2 層邊界層，壁面處理采用標準壁面函數，結果如圖7 所示。

由圖7 可知，雙層壁面模型和標準壁面模型的預測相對誤差均在3% 以內，但雙層壁面模型對渦流強度的預測能力明顯高于標準壁面模型。

為驗證數值模型策略的普適性，又選取了2 款柴油機（柴油機a 和柴油機b）的螺旋進氣道進行了CFD 數值模擬和芯盒穩流試驗。3 個柴油機模型的螺旋進氣道涵蓋了不同氣道結構、組合形式、氣門布置方式、氣門數和缸徑等設計參數。3 個柴油機進氣道模型的模擬策略基本相同，但考慮到缸徑的不同，采用了不同的網格尺寸。另外2 款柴油機螺旋式進氣道的模擬結果如圖8 所示。

由圖8 可知，氣道穩流數值模擬的流量系數最大相對誤差為3.11%。中高氣門升程下渦流強度偏大，但最大相對誤差控制在16.11%。這表明本研究數值模擬策略擁有良好的普適性和推廣性，氣道性能的預測精度相比國內同類研究有顯著的提高。針對不同機型螺旋進氣道，其流量系數的預測相對誤差小于3.5%，中高氣門升程下的渦流強度預測相對誤差小于17%。

2 進氣道結構優化

2. 1 優化潛力

本研究擬對兩氣門柴油機的螺旋進氣道進行優化開發，以提高氣道的進氣流通能力。然而，進氣流通能力的提升受進氣氣流運動能力的制約，即提高進氣道的流量系數一般都需要犧牲一部分的進氣渦流。因此，本文采用氣道性能系數Cp評價氣道性能，從而避免開發過程中進氣道整體性能的下降，其計算式為［15］：xx式中：Cp為閥門內實際氣體速度與理想氣體速度之比；Cf為流量系數；D 為氣缸直徑，單位m；L 為氣門升程，單位m；NR 為湍流比；B 為氣門座圈內徑，單位m；n 為進氣門數量。

在各氣門性能參數不變的情況下，當每個氣門升程的渦流強度均降低100% 時，最高氣門升程的流量系數可提高16.48%，最大理論平均流量系數提升幅度為8.22%。

2. 2 優化過程

圖9 中框選區域為螺旋進氣道的敏感區。該位置流通面積過小會導致進氣阻力增大，氣道的流量系數降低，但有助于進氣旋流的組織，能有效地提高進氣道的渦流強度。因此，本研究技術路線是通過擴大氣道的最小流通截面來增加氣道的流量系數。由圖9 可知，進氣道凸臺高度為37 mm（距離缸蓋底面），排氣道凸臺高度為45 mm，因此可以通過提高凸臺的高度來擴大氣道的最小流通截面。

優化前后的進氣道結構對比如圖10 所示，其中模型的深色部分為原進氣道，淺色部分為優化后的進氣道，紅圈部分為結構主要修改區域。由圖10可知，優化方案在保證水套與氣道的壁厚和氣門導管不變的基礎上，提高了缸蓋內殘余空間的利用率，且優化后氣道凸臺整體上升了5 mm，增大了氣道的最小流通截面。

優化前后進氣道性能的數值模擬結果如圖11所示。由圖11 可知，優化后進氣道流量系數較原進氣道提高了1.43%～8.00%；渦流強度較原進氣道降低了8.60%～28.86%；優化后氣道性能系數較原氣道提高了0.97%～4.91%。

2. 3 結果驗證

為驗證優化后螺旋進氣道的實用性，需要對優化后的螺旋進氣道進行芯盒試驗驗證。基于優化后螺旋進氣道的三維模型進行芯盒的數控加工，加工完成后將氣道芯盒固定于氣道穩流試驗臺上開展穩流試驗，試驗結果如圖12 所示。

由圖12 可知，優化后進氣道流量系數高于原進氣道，提高率為0.35%～8.34%；渦流強度低于原進氣道，降低率為11.26%～29.03%；平均流量系數提高了5%，渦流比降低了20.8%；且優化后氣道性能系數始終高于原氣道，最大提高了4.28%。

3 結論

本文采用數值模擬方法對某兩氣門柴油機螺旋進氣道開展了相關優化研究，并得出以下結論：

（1） 所構建的進氣道穩態數值模擬方法中，雙層壁面模型和標準壁面模型對氣道流量系數的預測精度相當，但前者對渦流強度的預測能力顯著優于后者。數值模擬方法擁有較高的精度和普適性。針對不同機型螺旋進氣道，流量系數預測相對誤差小于3.5%，中高氣門升程下的渦流強度預測相對誤差小于17%。

（2） 在保證水套與氣道的壁厚和氣門導管不變的基礎上，提高了缸蓋內殘余空間的利用率，將凸臺高度提高5 mm，增大氣道的最小流通截面，進而實現增大氣道流量系數的目的。進行芯盒試驗驗證，結果表明：優化后的進氣道在保證整體性能的基礎上，提高了進氣流通能力。優化后進氣道流量系數提高了0.35%～8.34%，渦流強度降低了11.26%～29.03%，性能系數提高了0～4.28%，平均流量系數提高了5%，渦流比降低了20.8%。

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