徐露，胡鵬，羅福強

(1.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241000)

能源消耗的日益增加，使各行業(yè)對節(jié)能的要求越來越高。就內(nèi)燃機而言，為推動其高效節(jié)能的發(fā)展，世界各國均提出了越來越嚴(yán)苛的燃油經(jīng)濟性法規(guī)。提高燃油經(jīng)濟性的有效措施之一是提高內(nèi)燃機的熱效率[1-3]。對于汽油機而言，通過增壓技術(shù)結(jié)合廢氣再循環(huán)，再提高滾流比結(jié)合米勒循環(huán)的技術(shù)策略使得提高燃油經(jīng)濟性成為可能[4-8]。

滾流是一種旋轉(zhuǎn)軸垂直于氣缸軸線的缸內(nèi)大尺度空氣運動形式，在進氣過程中形成，在壓縮行程隨著活塞上行在后期破碎成湍流。滾流是汽油機缸內(nèi)油氣混合的有利條件，對于直噴汽油機，高滾流進氣系統(tǒng)利于組織良好的缸內(nèi)空氣運動，對提高汽油機的火焰?zhèn)鞑ニ俾?，降低燃燒循環(huán)變動，促進高效燃燒有重要作用[9-11]。流量系數(shù)和滾流比總是存在著矛盾，因此，高滾流氣道的設(shè)計原則是在保證適當(dāng)流量系數(shù)的前提下，盡可能提高滾流比。前人通過CFD數(shù)值模擬對進氣道的開發(fā)設(shè)計已經(jīng)作了較多工作，但是已有的研究多是針對滾流比較低的進氣道噴射(PFI)汽油機的滾流產(chǎn)生情況的分析和改進，而對用于高效直噴汽油機所用的高滾流比氣道的研究甚少[12-13]。

氣道結(jié)構(gòu)是影響滾流比的主要因素[14]。因此，本研究采用CFD技術(shù)主要研究了高效直噴增壓汽油機適用的高滾流比進氣道的流通特性，通過改變進氣道結(jié)構(gòu)參數(shù)，改變滾流比，并借助穩(wěn)態(tài)CFD計算獲得不同氣門升程下的流量系數(shù)、滾流比以及平均流量系數(shù)和平均滾流比。著重討論了高滾流氣道上增加不同寬度和不同高度的Mask時，其對進氣過程的影響[15]。

1 高滾流氣道設(shè)計

1.1 高滾流氣道結(jié)構(gòu)主要參數(shù)

研究對象是一臺混合動力車用高熱效率發(fā)動機，為4氣門增壓缸內(nèi)直噴汽油機，其主要參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動機參數(shù)

對于增壓發(fā)動機，由于進氣氣流經(jīng)過壓縮后進入氣缸內(nèi)，流量系數(shù)在一定范圍內(nèi)的降低對最終進氣量的影響并不明顯。因此，在一定程度上優(yōu)先考慮提高滾流比。

圖1所示的氣道1為簡化后的仿真計算模型(各圖進氣道均在左側(cè)，由于進行穩(wěn)態(tài)模擬計算，因此不包含完整的燃燒室信息，如活塞等)。該高滾流氣道的主要結(jié)構(gòu)特征：氣道上壁面平直切向，下表面在靠近氣道出口處呈弧形，無氣門座，氣道與燃燒室連接處的角度為45°，整個進氣道呈漸縮型。進氣道下部與燃燒室形成喉口，阻擋氣流從氣門口下側(cè)直接流入氣缸，有利于提高正向滾流強度。平直切向的氣道在流動過程中不易出現(xiàn)氣流內(nèi)部擾動或避免分離現(xiàn)象，流動損失較小。氣道喉口截面上部的氣流分布對滾流影響較大，因此氣道下部設(shè)計為弧形導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，增加了氣道出口截面上側(cè)的流量，有利于提高滾流強度。由于采用了無氣門座結(jié)構(gòu)，因此減小了喉口截面的縱向高度，有利于增強滾流強度。在氣道1的基礎(chǔ)上增加3種不同寬度的Mask，寬度分別為1 mm，0.5 mm和0.2 mm(見表2)。為了佐證Mask對進氣過程的影響，在氣道1的基礎(chǔ)上改變氣門軸線和氣缸中心線夾角與氣門直徑，分別設(shè)計了氣道5和氣道6(見圖1和表2)，氣道5和氣道6分別增加0.5 mm寬度的Mask形成氣道7和氣道8。

圖1 無Mask高滾流氣道結(jié)構(gòu)示意

參數(shù)氣道1氣道2氣道3氣道4氣道5氣道6氣道7氣道8氣門軸線與氣缸中心線夾角/(°)2020202025152515氣門直徑/mm2828282826262626Mask寬度/mm 10.50.2 0.50.5

1.2 Mask結(jié)構(gòu)設(shè)計

Mask為在進氣道出口下側(cè)氣門密封帶的位置下方，環(huán)繞氣門軸線的半圓環(huán)形180°的氣流阻擋結(jié)構(gòu)。Mask寬度定義為Mask壁面與進氣門頭部圓環(huán)端面的距離。Mask結(jié)構(gòu)及其寬度示意見圖2。

圖2 Mask結(jié)構(gòu)及其寬度示意

2 計算模型及邊界條件

2.1 網(wǎng)格劃分

本研究利用AVL-FIRE軟件分別對上述氣道模型進行穩(wěn)態(tài)CFD計算。首先對模型進行網(wǎng)格劃分：在Hypermesh中劃分模型面網(wǎng)格，確保面網(wǎng)格質(zhì)量；再將面網(wǎng)格導(dǎo)入AVL-FIRE中劃分體網(wǎng)格；采用FAH自動劃分體網(wǎng)格策略，對關(guān)鍵部位進行網(wǎng)格細化以提高計算精度。氣門升程從1 mm開始，以1 mm為步長逐漸增大到8 mm，建立8個網(wǎng)格模型，計算8個穩(wěn)態(tài)結(jié)果。根據(jù)FIRE進氣道穩(wěn)態(tài)模擬教程，體網(wǎng)格最大尺寸設(shè)置為2 mm，最小尺寸為0.5 mm，細化區(qū)域采用0.25 mm。

模擬計算中，在常壓下進出口邊界條件采用2.5 kPa定壓差，與試驗保持一致。采用K-zeta-f湍流模型和Hybrid Wall Treatment壁面函數(shù)。滾流計算面為模擬缸套距上止點0.5D處橫截面。

2.2 模型驗證

將數(shù)值模擬得到的氣道1的流量系數(shù)和滾流比值與穩(wěn)流試驗臺測得的數(shù)值進行對比，結(jié)果見圖3。

圖3 穩(wěn)流試驗值與模擬計算結(jié)果對比

由圖可見，穩(wěn)流試驗臺得到的進氣參數(shù)與模擬計算的結(jié)果變化趨勢一致，大部分升程下二者吻合良好，差異較大的部分氣門升程下誤差均保持在7%以內(nèi)。由此可知所選模型及計算方法合理。

3 模擬計算結(jié)果分析

3.1 Mask寬度對進氣參數(shù)的影響

圖4示出氣道1～8的平均滾流比和和平均流量系數(shù)。對比發(fā)現(xiàn)，增加Mask后，平均滾流比增大，平均流量系數(shù)減小。

圖4 不同評價方法下的平均滾流比和平均流量系數(shù)

無Mask氣道與Mask氣道的滾流比隨氣門升程增加的變化趨勢不同(見圖5)。Mask氣道在低氣門升程下的滾流比數(shù)值較大，且Mask寬度越小，數(shù)值越大。而在大氣門升程時，無Mask氣道的滾流比普遍大于Mask氣道，且Mask寬度越小，大氣門升程下的滾流強度越小。分析原因，小氣門升程時，Mask使氣流在進氣道出口下側(cè)的流動受阻，氣流大多由出口上側(cè)流出，以一定的傾斜角射入缸內(nèi)，易形成大尺度滾流。隨著Mask寬度的減小，上述效果越來越明顯。大氣門升程時，由于氣體流通面積顯著增大，Mask對氣流的阻擋效果相對減小。

圖5 Mask寬度對氣道進氣參數(shù)的影響

流量系數(shù)與滾流比的關(guān)系為此消彼長。無Mask氣道在低氣門升程下的流量系數(shù)較大，而Mask氣道在大氣門升程下流量系數(shù)較大。

3.2 Mask高度對進氣參數(shù)的影響

由于Mask在氣道出口下側(cè)起阻擋氣流作用，因此Mask的高度改變會影響阻擋效果。圖6示出了當(dāng)Mask高度從1 mm到5 mm變化時，滾流比和流量系數(shù)的變化規(guī)律(Mask寬度取0.5 mm)。當(dāng)氣門升程小于Mask高度時，滾流強度較大；當(dāng)氣門升程增大到超過Mask高度時，滾流強度減小到極小值，此后再隨著氣門升程增加而增大。各氣道的滾流比在1～5 mm氣門升程下差異較大。Mask高度越大，同一氣門升程下的滾流比越大，對于Mask高度超過3 mm的氣道，最大值能達到甚至超過最大氣門升程下的滾流強度。

流量系數(shù)在中小氣門升程(2～5 mm)下變化較為明顯。Mask起阻擋作用時同樣有節(jié)流作用，流量系數(shù)相對減小。6 mm升程后由于氣門升程超過Mask高度，節(jié)流效果不明顯，流量系數(shù)差異很小。Mask高度由1 mm增大至5 mm后，AVL平均滾流比增大6.4%，平均流量系數(shù)下降了11.4%。

圖6 Mask高度對氣道進氣參數(shù)的影響

3.3 不同Mask寬度下的氣道速度云圖

無Mask和Mask寬度0.5 mm的高滾流氣道結(jié)構(gòu)在氣門升程2 mm的速度云圖見圖7。Mask氣道在0.5D處橫截面的速度分布符合典型的高滾流速度分布規(guī)律[8]，高速氣流主要分布在燃燒室右側(cè)頂面，說明氣流主要從靠近排氣側(cè)方向傾斜射入氣缸，沿排氣側(cè)壁面向下運動，又因為進氣門下方空氣量少，壓力較小，所以氣流繞著缸內(nèi)向上運動，進而形成滾流。觀察無Mask氣道與Mask氣道在氣道出口處的氣流分布，對比出口下方圓形標(biāo)記處流場發(fā)現(xiàn)，無Mask氣道在此處流通面積較大，有相當(dāng)一部分氣流以較大流速流經(jīng)此處，不利于形成正向大規(guī)模滾流。而Mask氣道在此處由于Mask的存在，流動面積減小，阻擋了高速氣流，只有小部分氣流低速流過，利于在另一側(cè)形成大規(guī)模強滾流運動。

改變Mask寬度對小氣門升程時的進氣參數(shù)影響較大。氣道1～4在1～3 mm升程時，過氣缸中心線處截面的速度云圖見圖8。無Mask氣道與有Mask氣道的氣流速度分布有明顯區(qū)別。無Mask氣道在低氣門升程下的高速氣流主要分布在氣門下方和燃燒室上部，有Mask氣道在進氣道出口下側(cè)高速氣流分布較少，明顯可見高速氣流分布在燃燒室右上部，即傾斜流入缸內(nèi)。而Mask寬度不同時，高速氣流的分布也不同。Mask寬度越小，在缸內(nèi)越早形成傾斜、集中的高速氣流，通過出口下側(cè)的高速氣流越少。這是由于Mask寬度越小，對出口下側(cè)氣流的阻擋作用越強，對大滾流的形成越有利。隨著氣門升程的增大，不同寬度的Mask氣道的滾流強度變化規(guī)律并不完全相同，可見Mask結(jié)構(gòu)對低氣門升程下的滾流強度有重要影響。

圖7 氣門升程2 mm時兩種氣道(有、無Mask)的速度云圖

圖8 氣道1～4在1～3 mm氣門升程下過氣缸中心線處截面的速度云圖

3.4 不同Mask高度下的氣道速度云圖

Mask結(jié)構(gòu)參數(shù)變化給進氣過程帶來的影響直觀上主要體現(xiàn)在小氣門升程，以Mask高度變化(1 mm，3 mm和5 mm)為例，圖9示出了氣門升程由1 mm到4 mm變化時，不同Mask高度的氣道在過氣缸中心線處截面的速度云圖。在1～2 mm氣門升程下，所有高度的Mask氣道均能在缸內(nèi)形成靠近排氣側(cè)的傾斜射流。隨著氣門升程增大、超過Mask的高度后，不同高度Mask氣道的高速氣流的分布就發(fā)生了明顯的變化，如Mask高度在1 mm和3 mm時，當(dāng)氣門升程分別增大到2 mm和4 mm后，氣流不再形成明顯的傾斜射流，而是更均勻地分布在整個燃燒室上方。觀察Mask高度為5 mm的氣道，在1～4 mm氣門升程下，缸內(nèi)高速氣流均是沿著燃燒室右側(cè)頂面斜向下分布，是形成大規(guī)模滾流的有利條件。由此可驗證Mask對于氣門升程大于自身高度后的進氣過程中不再有高滾流比優(yōu)勢。由氣道速度云圖可以看出，Mask在進氣過程中，對氣流運動方式和缸內(nèi)氣流運動有著重要的影響。

圖9 不同Mask高度的氣道速度云圖(過氣缸中心線處截面)

4 結(jié)論

a) 各氣道AVL平均滾流比可高達3.0～3.5，主要和氣道結(jié)構(gòu)有關(guān)，Mask氣道比無Mask氣道高；平均流量系數(shù)在0.25～0.30之間，Mask氣道比無Mask氣道低；

b) 氣流阻擋結(jié)構(gòu)Mask對小氣門升程下的進氣參數(shù)影響較大；小氣門升程時，Mask氣道滾流強度明顯大于無Mask氣道；大氣門升程時，Mask氣道滾流比略小于無Mask氣道；

c) 同一氣道結(jié)構(gòu)上Mask寬度和高度改變時，對滾流強度影響不同；Mask寬度越小，AVL 平均滾流比越大，平均流量系數(shù)越小，小氣門升程下的滾流強度越大，中大氣門升程時，滾流強度較小；Mask高度越大，AVL平均滾流比越大，平均流量系數(shù)越小，小氣門升程下滾流比越大，但大氣門升程下略有減小。