黃忠文　秦際宏　藍(lán)志寶　葉年業(yè)　穆建華　梁源飛（上汽通用五菱汽車股份有限公司　廣西　柳州　545007）

擠流對(duì)汽油機(jī)燃燒過(guò)程影響的數(shù)值模擬研究

黃忠文秦際宏藍(lán)志寶葉年業(yè)穆建華梁源飛
（上汽通用五菱汽車股份有限公司廣西柳州545007）

為研究擠流對(duì)進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)燃燒過(guò)程的影響，應(yīng)用三維CFD軟件AVL-FIRE對(duì)具有三種不同頂面形狀活塞的燃燒室的進(jìn)氣及燃燒過(guò)程進(jìn)行了多維數(shù)值模擬計(jì)算。計(jì)算研究了擠氣面積和擠氣間隙對(duì)缸內(nèi)速度場(chǎng)、濃度場(chǎng)、湍動(dòng)能場(chǎng)及放熱率、平均有效壓力、燃燒持續(xù)期等缸內(nèi)燃燒特征參數(shù)的影響。CFD分析表明：合理設(shè)計(jì)燃燒室活塞頂面形狀，可以在壓縮上止點(diǎn)附近形成較強(qiáng)擠流，促進(jìn)缸內(nèi)燃燒。擠流對(duì)組織缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)、提高點(diǎn)火時(shí)刻火花塞附近湍流強(qiáng)度以及改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒都有較大作用。

汽油機(jī)燃燒室擠流數(shù)值模擬

引言

組織良好的缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)可以改善燃燒過(guò)程，從而改善內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及降低排放。利用燃燒室結(jié)構(gòu)在壓縮上止點(diǎn)形成強(qiáng)烈擠流并迅速轉(zhuǎn)化為湍動(dòng)能，是汽油機(jī)組織缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)的重要途徑[1～3]。因此對(duì)汽油機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，合理設(shè)計(jì)燃燒室活塞頂面形狀，對(duì)改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能尤為重要[4，5]。

通過(guò)對(duì)內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部氣體流動(dòng)的多維數(shù)值模擬，不僅可以獲得缸內(nèi)的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及運(yùn)行參數(shù)對(duì)缸內(nèi)流動(dòng)特性的影響，而且還可以得到其內(nèi)部流場(chǎng)的大量信息，為燃燒室的改進(jìn)提供可靠的依據(jù)[6]。本文以某三缸進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)為研究對(duì)象，在保證壓縮比不變的前提下，改變活塞頂面形狀，建立了三個(gè)燃燒室模型，應(yīng)用AVL-FIRE軟件對(duì)其缸內(nèi)燃燒過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，研究了擠氣面積和擠氣間隙對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)和燃燒過(guò)程的影響，為汽油機(jī)燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

1　計(jì)算模型及方案

1.1模型建立

本文以某三缸進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)為研究對(duì)象。為減少計(jì)算量，選取一缸建立三維模型，主要由進(jìn)排氣道、進(jìn)排氣門、氣門座圈、燃燒室和活塞頂組成。發(fā)動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)如表1所示。

表1發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

圖1　 各計(jì)算域模型

1.2初始條件和邊界條件

內(nèi)燃機(jī)工作過(guò)程的三維瞬態(tài)模擬要求必須準(zhǔn)確地給出初始條件和邊界條件。本文定義進(jìn)、排氣門和活塞為移動(dòng)壁面，其他為固定壁面。進(jìn)、排氣道和缸內(nèi)的邊界條件取自GT-Power仿真結(jié)果。初始條件也根據(jù)一維結(jié)果分別對(duì)進(jìn)、排氣道和缸內(nèi)賦值，具體定義見(jiàn)表2。

表2邊界條件

1.3不同燃燒室方案

設(shè)計(jì)緊湊的燃燒室，合理組織壓縮上止點(diǎn)附近的氣流運(yùn)動(dòng)，對(duì)于改善燃燒過(guò)程，進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及降低排放具有決定性的作用[7～9]。

本文所研究的汽油機(jī)燃燒室的缸蓋部分如圖2所示，僅在進(jìn)排氣側(cè)（即X方向上）有擠氣結(jié)構(gòu)。相對(duì)于缸蓋來(lái)說(shuō)，汽油機(jī)活塞比較容易拆卸與更換，因此我們選擇改變活塞頂面形狀來(lái)改變?nèi)紵医Y(jié)構(gòu)。

圖2　燃燒室缸蓋部分

在保證發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比不變的條件下，改變活塞頂面形狀，設(shè)計(jì)了三種不同結(jié)構(gòu)的燃燒室，如圖3所示，燃燒室的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。

圖3　燃燒室?guī)缀涡螤睿╕方向）

本文定義360°CA為壓縮上止點(diǎn)，計(jì)算轉(zhuǎn)速為5500r/min。模擬計(jì)算從255°CA開(kāi)始，計(jì)算到860°CA時(shí)停止。

為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，將計(jì)算域分為如圖1所示的四個(gè)部分：從計(jì)算開(kāi)始到進(jìn)氣門開(kāi)啟這一階段所采用的模型稱為IntakePort；從進(jìn)氣門開(kāi)啟到排氣門關(guān)閉這一階段所采用的模型稱為Ports-Chamber；從排氣門關(guān)閉到進(jìn)氣門關(guān)閉這一階段所采用的模型稱為IntakePort-Chamber；從進(jìn)氣門關(guān)閉到計(jì)算終點(diǎn)這一階段所采用的模型稱為Chamber。

本文在Piston A的基礎(chǔ)上，改變活塞頂面部分關(guān)鍵尺寸得到其它兩個(gè)燃燒室Piston B和Piston C：在Piston A的基礎(chǔ)上，保持?jǐn)D流口角度不變，增大擠氣面積，減小擠氣間隙，同時(shí)為保證壓縮比不變，將活塞頂面往下拉伸以增大燃燒室深度，得到帶“凹穴”的Piston B；在Piston A的基礎(chǔ)上，保持?jǐn)D氣面積不變，減小擠氣間隙和擠流口角度，得到Piston C。

表3　三種燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.4數(shù)值模型

計(jì)算中采用的數(shù)學(xué)模型如表4所示。其中，湍流模型采用四方程模型k-ζ-f，該模型的計(jì)算精度和穩(wěn)定性均較好，但是計(jì)算量相比雙方程k-ε要大15%左右[10]。主要控制方程為：

湍流長(zhǎng)度尺度：

c）TDC圖4　各燃燒室缸內(nèi)速度場(chǎng)分布對(duì)比（Y方向）

式中：ρ為密度；k為湍動(dòng)能；Pk為湍動(dòng)能生成項(xiàng)；ε為湍動(dòng)能耗散率；μ為動(dòng)力黏性系數(shù)；μt為渦黏性系數(shù)；ζ為速度尺度比率；f為橢圓松弛函數(shù)；v為運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)；其他均為模型常數(shù)。

表4計(jì)算采用的數(shù)學(xué)模型

噴霧模型采用KHRT燃油破碎模型、Dukowicz液滴蒸發(fā)模型和Walljet2液滴撞壁模型。燃燒模型采用Extended Coherent Flame Model（ECFM）模型，對(duì)于汽油機(jī)而言，該模型物理意義清晰準(zhǔn)確，計(jì)算精度和收斂性較好。計(jì)算采用默認(rèn)的松弛因子，對(duì)動(dòng)量方程采用MINMOD Relaxed差分格式，對(duì)連續(xù)方程采用CentralDifferencing差分格式，能量等方程采用Upwind差分格式，為了更好地判斷計(jì)算的斂散性，對(duì)計(jì)算殘差進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2　計(jì)算結(jié)果與分析

2.1缸內(nèi)流場(chǎng)對(duì)比分析

汽油機(jī)缸內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)對(duì)油氣混合、火焰?zhèn)鞑ザ加泻艽蟮挠绊慬11]。由于擠流的產(chǎn)生是在壓縮行程末期，因此選取700°CA～720°CA進(jìn)行對(duì)比分析，如圖4所示。

可以看出，Piston A進(jìn)氣過(guò)程中產(chǎn)生的氣流運(yùn)動(dòng)受到活塞頂擠氣面產(chǎn)生的擠氣流動(dòng)影響相對(duì)較小，上止點(diǎn)附近缸內(nèi)湍流速度比較均勻，擠流效果不明顯。Piston B在壓縮行程中進(jìn)排氣兩側(cè)形成了較強(qiáng)的斜向上壓縮擠流，與進(jìn)氣過(guò)程形成的滾流相互影響，在燃燒室內(nèi)中間區(qū)域形成較強(qiáng)的旋流運(yùn)動(dòng)，點(diǎn)火時(shí)刻火花塞位置附近氣流運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)。Piston C由于減小了擠氣間隙和擠流口角度，氣缸蓋附近和活塞頂面附近的缸內(nèi)氣體流動(dòng)得到增強(qiáng)，并在火花塞位置附近形成了較強(qiáng)的氣流運(yùn)動(dòng)，活塞運(yùn)動(dòng)到壓縮上止點(diǎn)時(shí)火花塞位置附近氣流速度降低而進(jìn)排氣兩側(cè)氣流運(yùn)動(dòng)明顯加強(qiáng)。

2.2缸內(nèi)湍動(dòng)能場(chǎng)對(duì)比分析

發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)火焰?zhèn)鞑ナ芨變?nèi)湍流運(yùn)動(dòng)的影響，點(diǎn)火時(shí)刻前缸內(nèi)的湍流強(qiáng)度對(duì)于火核形成和火焰的傳播將起到很大的作用。在壓縮行程的前期，活塞頂面形狀對(duì)缸內(nèi)流場(chǎng)的影響并不明顯，所以本文重點(diǎn)分析在壓縮過(guò)程后期缸內(nèi)湍動(dòng)能的分布變化。由于火花塞點(diǎn)火時(shí)刻是在700°CA，所以火花塞點(diǎn)火前后即695°CA～705°CA時(shí)缸內(nèi)的湍動(dòng)能分布尤其重要，如圖5所示。

可以看出，火花塞點(diǎn)火時(shí)刻前后Piston C缸內(nèi)湍動(dòng)能最大，Piston B由于燃燒室深度較大導(dǎo)致其缸內(nèi)湍動(dòng)能相對(duì)Piston C略低一些，但點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)湍動(dòng)能較大區(qū)域更靠近火花塞位置附近，Piston A缸內(nèi)湍動(dòng)能最低且偏離火花塞位置附近。

圖5　點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)湍動(dòng)能分布對(duì)比

2.3燃燒特征參數(shù)對(duì)比分析

首先比較各燃燒室方案的瞬時(shí)放熱率曲線和缸壓曲線，如圖6所示。

通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于Piston A，Piston B和Piston C的放熱率峰值和最大缸內(nèi)爆發(fā)壓力都有所提高，對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角也都有所提前，說(shuō)明增強(qiáng)缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)有利于點(diǎn)火之后火焰的迅速傳播，從而改善燃燒過(guò)程。從上圖還可以看出，Piston C的放熱率峰值和最大缸內(nèi)爆發(fā)壓力所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角與Piston B非常接近，但其值均高于Piston B，聯(lián)系圖4和圖5進(jìn)行分析，可知在缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)基本相同的條件下，提高缸內(nèi)湍流強(qiáng)度可以明顯提高放熱率峰值和最大缸內(nèi)爆發(fā)壓力，從而提高汽油機(jī)的動(dòng)力性。

燃燒過(guò)程可以按照已燃質(zhì)量分?jǐn)?shù)分為火焰發(fā)展期和快速燃燒期。比較各燃燒室方案的火焰發(fā)展期和快速燃燒期，如圖7所示。

從上圖可以看出，Piston A擠流效果不明顯，缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)不強(qiáng)，點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)湍動(dòng)能最低且偏離火花塞位置附近，導(dǎo)致最終其火焰發(fā)展期和快速燃燒期最長(zhǎng)，燃燒速度最慢。Piston B和Piston C擠流效果較好，壓縮行程末期缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)，點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)湍動(dòng)能較大且較大區(qū)域更靠近火花塞位置附近，最終燃燒速度與Piston A相比均明顯加快。對(duì)比Piston B和Piston C還可以看出，Piston B雖然點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)湍動(dòng)能較大區(qū)域更靠近火花塞位置附近，但由于燃燒室深度較大導(dǎo)致其缸內(nèi)平均湍動(dòng)能相對(duì)Piston C略低一些，最終Piston B火焰發(fā)展期較長(zhǎng)而快速燃燒期基本相同。

a）瞬時(shí)放熱率對(duì)比

圖6　瞬時(shí)放熱率曲線與缸壓曲線對(duì)比

圖7　火焰發(fā)展期和快速燃燒期對(duì)比

3　結(jié)論

本文采用三維CFD軟件AVL-FIRE，通過(guò)改變活塞頂面形狀，研究了擠流對(duì)汽油機(jī)缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)及燃燒過(guò)程的影響，得出以下結(jié)論：

1）燃燒室結(jié)構(gòu)對(duì)組織缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)影響較大。Piston A進(jìn)氣過(guò)程中產(chǎn)生的氣流運(yùn)動(dòng)受到活塞頂擠氣面產(chǎn)生的擠氣流動(dòng)影響相對(duì)較小，擠流效果不明顯，Piston B和Piston C在缸內(nèi)組織了較強(qiáng)的氣流運(yùn)動(dòng)，擠流效果相對(duì)較好。

2）由缸內(nèi)燃燒特征參數(shù)對(duì)比分析可知，Piston B 和Piston C的放熱率峰值和最大缸內(nèi)爆發(fā)壓力相對(duì)于Piston A都有所提高，對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角也都有所提前，說(shuō)明增強(qiáng)缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)有利于點(diǎn)火之后火焰的迅速傳播，從而改善燃燒過(guò)程。

3）對(duì)比分析Piston B和Piston C可知，在缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)基本相同的條件下，縮小燃燒室深度可以提高缸內(nèi)湍流強(qiáng)度，提高放熱率峰值和最大缸內(nèi)爆發(fā)壓力，從而提高汽油機(jī)的動(dòng)力性。

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Numerical Analysison the Effectof Squish Flow on the Combustion Processof a Gasoline Engine

Huang Zhongwen，Qin Jihong，Lan Zhibao，Ye Nianye，Mu Jianhua，Liang Yuanfei （SAIC-GM-Wuling Automobile Company Limited，Liuzhou，Guangxi，545000，China）

In order to study the effectof squish flow on combustion characteristic in a PFIgasoline engine，the combustion processes of three combustion chambers with different piston crowns are numerically studied using the three-dimensional CFD software AVL-FIRE.The effects of squish area and squish clearance on flow velocity field,concentration field，turbulent kinetic energy field and combustion characteristic parameterssuch asheat release rate，mean pressure and combustion duration are researched. Results indicate that for the combustion chamberwith reasonable designed piston crown,the squish flow is formed in the vicinity of TDC,which is helpful to the enhancementof combustion.Squish flow has a great influence on organizing the airmotion in cylinder，increasing the turbulence intensity around the spark plugatignition timing and improving the combustion process.

Gasoline engine，Combustion chamber，Squish flow，Numericalsimulation

TK412

A

2095-8234（2015）01-0031-05

黃忠文（1968-），男，本科，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)總體技術(shù)。

（2014-05-22）