賴晨光，于素娟，閻志剛，莊 嚴(yán)

(重慶理工大學(xué) a.車輛工程學(xué)院; b.汽車零部件及其檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054)

可變渦流進(jìn)氣系統(tǒng)的數(shù)值模擬研究

賴晨光a，b，于素娟a，閻志剛a，莊 嚴(yán)a

(重慶理工大學(xué) a.車輛工程學(xué)院; b.汽車零部件及其檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054)

可變渦流進(jìn)氣系統(tǒng)可以根據(jù)汽車行駛工況和發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速為氣缸提供變化的渦流強(qiáng)度。應(yīng)用ANSYS-Fluent計(jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)某直噴汽油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行瞬態(tài)數(shù)值模擬，分析進(jìn)氣道安裝渦流控制閥片對(duì)氣道和氣缸內(nèi)流場(chǎng)的影響。結(jié)果表明:進(jìn)氣道安裝渦流控制閥片會(huì)對(duì)氣缸內(nèi)的渦流和湍流強(qiáng)度產(chǎn)生一定的影響，低轉(zhuǎn)速下能增大缸內(nèi)渦流，提高氣缸內(nèi)湍流強(qiáng)度，利于油氣混合;高轉(zhuǎn)速下則會(huì)降低缸內(nèi)平均湍流強(qiáng)度，增大進(jìn)氣阻力。

進(jìn)氣系統(tǒng);可變渦流;湍流強(qiáng)度;數(shù)值模擬

氣缸內(nèi)燃燒取決于兩部分:氣體混合和進(jìn)氣渦流強(qiáng)度。進(jìn)氣渦流強(qiáng)度影響油氣混合，直接決定燃燒質(zhì)量［1］。由于目前環(huán)境保護(hù)和節(jié)能減排的要求，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)更注重稀薄燃燒，而適當(dāng)?shù)耐牧鲝?qiáng)度能提高火焰?zhèn)鞑ニ俣群腿紵剩?］?？勺儨u流技術(shù)能夠在不同的負(fù)荷下為汽車提供不同的渦流強(qiáng)度和流量系數(shù)，使得燃燒更加充分［3-4］。

國(guó)內(nèi)外對(duì)可變渦流進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行了一系列的研究:對(duì)于雙進(jìn)氣道，通過在低轉(zhuǎn)速下關(guān)閉一個(gè)氣道可以適當(dāng)改善進(jìn)氣湍流強(qiáng)度和渦流強(qiáng)度，但會(huì)影響進(jìn)氣流量［5］;用直氣道和螺旋氣道組合的方法能為發(fā)動(dòng)機(jī)提供足夠的渦流強(qiáng)度和質(zhì)量流量，但不能根據(jù)汽車行駛工況改變渦流強(qiáng)度和流量系數(shù)［6-7］;采用導(dǎo)氣屏結(jié)構(gòu)進(jìn)氣道［8］和副進(jìn)氣道可變渦流機(jī)構(gòu)［9］，通過調(diào)節(jié)流經(jīng)副進(jìn)氣道的氣流流量可達(dá)到控制進(jìn)氣渦流強(qiáng)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(jìn)氣渦流強(qiáng)度，但汽車實(shí)際行駛的工況復(fù)雜，很難滿足所有負(fù)荷下對(duì)進(jìn)氣渦流的需求。本文采用渦流控制閥，汽車在行駛中根據(jù)負(fù)荷的大小調(diào)整控制閥片開度，從而調(diào)節(jié)氣缸內(nèi)的進(jìn)氣流量和渦流強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒。

1 計(jì)算模型

1.1 模型的建立

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

圖1 進(jìn)氣道三維模型

1.2 網(wǎng)格劃分和邊界設(shè)置

由于計(jì)算模型的表面曲率變化復(fù)雜，同時(shí)考慮對(duì)計(jì)算精度、收斂性和時(shí)間成本的要求，本文采用混合網(wǎng)格的劃分方法。在曲面形狀復(fù)雜的進(jìn)氣道、燃燒室區(qū)域和氣門運(yùn)動(dòng)區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格，活塞和氣缸處采用結(jié)構(gòu)化的六面體網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分見圖2，不同渦流閥片開度的網(wǎng)格劃分見圖3。

圖2 網(wǎng)格劃分

圖3 不同渦流控制閥片開度的網(wǎng)格劃分

采用動(dòng)網(wǎng)格策略實(shí)現(xiàn)氣門和活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，對(duì)運(yùn)動(dòng)幅度較小的氣門采用彈性光順和局部重構(gòu)相結(jié)合的動(dòng)網(wǎng)格策略，運(yùn)動(dòng)幅度較大的活塞則用動(dòng)態(tài)層鋪的動(dòng)網(wǎng)格策略。

采用壓力入口邊界條件，穩(wěn)壓腔入口處設(shè)置為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓［11］。湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理邊界層，用simple算法進(jìn)行求解。

2 數(shù)值結(jié)果分析

2.1 轉(zhuǎn)速對(duì)進(jìn)氣流場(chǎng)的影響

本文考慮了2種曲軸轉(zhuǎn)速:1 200 r/min和2 000 r/min。數(shù)值模擬結(jié)果(圖4、5)表明:隨著曲軸轉(zhuǎn)角增加，氣門處質(zhì)量流率和缸內(nèi)的質(zhì)量流量逐漸增大，并在氣門升程最大時(shí)達(dá)到最大值。在圖4中可以看到:隨著轉(zhuǎn)速增大，活塞和氣門運(yùn)動(dòng)速度增大，單位時(shí)間內(nèi)活塞行程和氣門升程增加，單位時(shí)間內(nèi)流入氣缸內(nèi)的氣體質(zhì)量增加，質(zhì)量流率增大?；钊蜌忾T的運(yùn)動(dòng)規(guī)律不隨轉(zhuǎn)速變化而變化，所以進(jìn)氣終了時(shí)缸內(nèi)氣體質(zhì)量與轉(zhuǎn)速無關(guān)，如圖5所示。

圖4 不同轉(zhuǎn)速進(jìn)氣流量質(zhì)量流率

圖5 不同轉(zhuǎn)速缸內(nèi)氣體質(zhì)量

進(jìn)氣初期，活塞下移、進(jìn)氣門開啟，進(jìn)氣道內(nèi)壓力大于氣缸內(nèi)壓力，空氣經(jīng)進(jìn)氣門流入氣缸內(nèi)，在碰到缸壁后產(chǎn)生方向相反的漩渦。在氣門下方左右側(cè)分別形成2兩個(gè)渦流，如圖6所示。由于進(jìn)氣道在氣缸蓋上特有的安裝位置，氣門右側(cè)氣體沿著進(jìn)氣門切線方向流向缸壁，碰到氣缸壁后氣體方向改變，產(chǎn)生一個(gè)較大的渦流，左側(cè)渦流相對(duì)較小。隨著活塞下移，渦流不斷擴(kuò)大，缸內(nèi)流速不斷增加，湍流強(qiáng)度增大，在氣門最大升程處湍流強(qiáng)度值達(dá)到最大，見圖8。

對(duì)比圖6和圖7曲軸不同轉(zhuǎn)速下的缸內(nèi)流場(chǎng)可以看出:曲軸轉(zhuǎn)速高，活塞下行速度快，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)氣道和氣缸內(nèi)壓力下降的值大;高曲軸轉(zhuǎn)速缸內(nèi)氣體流速比低曲軸轉(zhuǎn)速缸內(nèi)氣體流速高。氣缸內(nèi)的平均流速也高于低曲軸轉(zhuǎn)速下氣缸內(nèi)的平均流速，因此曲軸轉(zhuǎn)速越高，缸內(nèi)湍流強(qiáng)度越大，而且都在氣門最大升程處湍流強(qiáng)度最大，這與文獻(xiàn)［1］中的結(jié)論一致。

圖6 1 200 r/min下不同曲軸轉(zhuǎn)角缸內(nèi)流

圖7 2 000 r/min下不同曲軸轉(zhuǎn)角缸內(nèi)速度流場(chǎng)

圖8 不同轉(zhuǎn)速下缸內(nèi)湍流強(qiáng)度

2.2 擋板開度對(duì)進(jìn)氣流場(chǎng)的影響

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

圖9 在擋板開度為30°和1 200 r/min曲軸轉(zhuǎn)速下缸內(nèi)速度流場(chǎng)

圖10 在1 200 r/min曲軸轉(zhuǎn)速下不同進(jìn)氣道缸內(nèi)平均湍流強(qiáng)度

如圖11所示，在曲軸轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，曲軸轉(zhuǎn)角在380°～410°時(shí)，無擋板進(jìn)氣道缸內(nèi)湍流強(qiáng)度小于有擋板進(jìn)氣道缸內(nèi)湍流強(qiáng)度;曲軸轉(zhuǎn)角在410°～540°時(shí)，無擋板進(jìn)氣道缸內(nèi)湍流強(qiáng)度大于有擋板進(jìn)氣道缸內(nèi)湍流強(qiáng)度。在整個(gè)進(jìn)氣行程中，不加裝渦流控制擋板，氣缸內(nèi)的平均湍流強(qiáng)度為66.8 m2/s2，擋板開度為30°時(shí)，缸內(nèi)的平均湍流強(qiáng)度為65.8 m2/s2。由此可見:加裝渦流控制閥片反而使缸內(nèi)的湍流強(qiáng)度降低，同時(shí)使進(jìn)氣道流通截面減少，增大了進(jìn)氣阻力。因此，當(dāng)汽車在不同路況行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)可以適當(dāng)開啟渦流控制閥擋板，能在一定程度上增加氣缸內(nèi)的渦流強(qiáng)度，增強(qiáng)燃料和空氣的混合程度，提高燃燒效率;但在高轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，應(yīng)盡量關(guān)閉渦流控制閥擋板，減少進(jìn)氣阻力。

圖11 在1 200 r/min曲軸轉(zhuǎn)速下不同進(jìn)氣道缸內(nèi)平均湍流強(qiáng)度

3 結(jié)論

1)采用壓力入口邊界。發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速越大，進(jìn)氣質(zhì)量流率越大，進(jìn)氣質(zhì)量流率和氣門升程成正比，即在氣門最大升程時(shí)質(zhì)量流率最大。氣缸內(nèi)進(jìn)氣質(zhì)量隨轉(zhuǎn)角增大而增大，但與曲軸轉(zhuǎn)速無關(guān)。

2)在進(jìn)氣行程中，隨著氣門升程增加，氣缸內(nèi)氣體流速和湍流強(qiáng)度均增大，并在氣門最大升程時(shí)達(dá)到最大值。曲軸轉(zhuǎn)速越高，氣缸內(nèi)氣體平均流速和缸內(nèi)平均湍流強(qiáng)度就越大。

3)當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，可以在進(jìn)氣道安裝渦流控制閥片，通過調(diào)整渦流閥片角度提高進(jìn)氣行程中缸內(nèi)的平均湍流強(qiáng)度，使油氣混合更充分。

4)當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，安裝渦流控制閥片會(huì)降低缸內(nèi)平均湍流強(qiáng)度，因此應(yīng)盡量減小閥片開度以減小進(jìn)氣阻力。

［1］朱成.基于CFD的四沖程缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)直噴燃燒系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)［D］.南京:南京航空航天大學(xué)，2012.

［2］焦運(yùn)景.稀燃天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程研究和燃燒系統(tǒng)開發(fā)［D］.天津:天津大學(xué)，2009.

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(責(zé)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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)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(dòng)力學(xué)研究;于素娟(1989—)，女，碩士研究生，主要從事汽車空氣動(dòng)力學(xué)研究。

賴晨光，于素娟，閻志剛，等.可變渦流進(jìn)氣系統(tǒng)的數(shù)值模擬研究［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)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.