基于三維仿真分析的氣門升程優(yōu)化

關(guān) 昊，伊士旺，趙 錚，孫 科

（1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北 保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071000）

汽油發(fā)動機(jī)缸內(nèi)氣流運(yùn)動主要以滾流的形式存在，較高的滾流比對應(yīng)較高的對流傳熱速率及較高的湍動能強(qiáng)度。對于GDI發(fā)動機(jī)，點(diǎn)火時(shí)刻燃油噴霧通過大尺度的流場運(yùn)輸?shù)交鸹ㄈ浇?，對初期燃油空氣混合作用顯著。研究表明，隨著滾流比的增加滯燃期明顯減小，燃燒速率提高［1－3］。

氣門升程影響發(fā)動機(jī)部分負(fù)荷下缸內(nèi)充量運(yùn)動，影響燃油空氣的混合及燃燒，進(jìn)而影響排放及燃油消耗。在發(fā)動機(jī)詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，凸輪型線的設(shè)計(jì)通過一維性能仿真和多體動力學(xué)仿真進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化分析，最終確定方案；在設(shè)計(jì)過程中包角大小、氣門升程、豐滿度的變化都會對性能產(chǎn)生影響［4］，如何權(quán)衡各參數(shù)之間的重要性是需要重點(diǎn)考慮的。本研究通過采用一種滾流閥裝置實(shí)現(xiàn)了可變滾流技術(shù)。在發(fā)動機(jī)功率較低、轉(zhuǎn)速為1000～5000r／min的工況下，滾流閥開啟，提高缸內(nèi)滾流比，此外，滾流閥的開啟還可以改善冷機(jī)怠速情況，提高發(fā)動機(jī)運(yùn)行性能；在超速時(shí)切斷滾流閥可以防止發(fā)動機(jī)抖動；在其他轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進(jìn)氣滾流閥關(guān)閉，減小進(jìn)氣阻力，從而提高發(fā)動機(jī)功率。

本研究主要通過三維仿真工具進(jìn)行瞬態(tài)進(jìn)氣、壓縮沖程的分析，研究發(fā)動機(jī)部分負(fù)荷下進(jìn)氣升程與缸內(nèi)進(jìn)氣流動之間的關(guān)系，確定最佳方案。

1 模型及邊界條件

1.1 一維模型標(biāo)定

研究對象為渦輪增壓6缸直噴發(fā)動機(jī)，最大扭矩480N·m，標(biāo)定功率達(dá)到245kW。根據(jù)發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)布置建立的一維熱力學(xué)模型見圖1。

關(guān)于摩擦功的設(shè)定，由于計(jì)算指示平均有效壓力（IMEP）時(shí)考慮到了壁面?zhèn)鳠岷捅脷鈸p失因素，摩擦平均有效壓力（FMEP）僅包括以下因素：

1）軸承摩擦損失；

2）活塞、活塞環(huán)與缸套之間的摩擦損失；

3）閥系摩擦損失；

4）驅(qū)動必要附件的損失，包括水泵、油泵以及交流電機(jī)等。

本研究模型中輸入的摩擦功數(shù)據(jù)是參考其他機(jī)型進(jìn)行假設(shè)而來（見圖2）。

進(jìn)排氣道流量系數(shù)是發(fā)動機(jī)循環(huán)仿真的主要輸入數(shù)據(jù)之一，它會影響發(fā)動機(jī)的充氣效率和泵氣損失。流量系數(shù)定義為實(shí)際流量與理論流量之比：

本研究模型中的流量系數(shù)是在穩(wěn)態(tài)氣道試驗(yàn)臺得到的測試結(jié)果（見圖3）。

氣門正時(shí)影響充氣效率，也影響高壓循環(huán)的指示效率以及泵氣損失，因此，它是提高發(fā)動機(jī)性能的一個(gè)重要參數(shù)。此模型的進(jìn)氣系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)裝配了VVT相位控制裝置，進(jìn)排氣的相位調(diào)節(jié)范圍是52°曲軸轉(zhuǎn)角。

對于熱力學(xué)循環(huán)仿真來說，放熱率是一個(gè)必要的輸入條件，可以通過分析相似機(jī)型缸壓得到，也可以使用VIBE功能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或數(shù)據(jù)庫進(jìn)行估計(jì)。放熱率反映燃燒過程，它會影響缸內(nèi)壓力和溫度，因此也會影響到循環(huán)熱效率、最高燃燒壓力和排氣溫度。

充入氣缸內(nèi)的實(shí)際空氣質(zhì)量與進(jìn)入氣缸內(nèi)的燃料質(zhì)量之比為空燃比α。實(shí)際上，即使在同一臺發(fā)動機(jī)的同一個(gè)工作循環(huán)中，α值也會隨時(shí)間和氣缸空間位置的不同而變化，因此其一般用一個(gè)工作循環(huán)中的算術(shù)平均值來表示。此模型中α是參考同類機(jī)型的臺架試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的（見圖4）。

通過校核增壓壓力、VVT角、廢氣旁通閥及進(jìn)排氣溫度壓力邊界控制（管路壓損、排氣背壓、中冷后溫度、渦前溫度等），使功率達(dá)到245kW，扭矩達(dá)到480N·m。功率及扭矩曲線圖見圖5。

從計(jì)算結(jié)果上可以看出，功率、扭矩達(dá)到設(shè)計(jì)要求，一維模型標(biāo)定完成。

1.2 氣道模型標(biāo)定

進(jìn)氣道試驗(yàn)評價(jià)的方法有近10種［5］，目前以Ricardo，AVL和FEV等內(nèi)燃機(jī)研究機(jī)構(gòu)的評價(jià)方法最為常用。本研究采用的是天津大學(xué)根據(jù)Ricardo氣道試驗(yàn)原理制成的試驗(yàn)臺。該氣道試驗(yàn)臺在氣缸和缸蓋之間加裝了一個(gè)90°的旋轉(zhuǎn)彎頭，將汽油機(jī)進(jìn)氣道的滾流轉(zhuǎn)化為渦流，再利用渦流動量計(jì)來測量進(jìn)氣道的渦流比，渦流動量計(jì)的位置在3.5倍的缸徑處。

Ricardo氣道評價(jià)方法［6］是對進(jìn)氣道在穩(wěn)態(tài)狀況下的流量系數(shù)和滾流比進(jìn)行評價(jià)，保持氣道進(jìn)出口有一定壓差，通過調(diào)節(jié)氣門升程得到每個(gè)狀態(tài)下的流量系數(shù)和滾流比，然后計(jì)算得到平均流量系數(shù)和平均滾流比。

流量系數(shù)表征了進(jìn)氣道的流通能力，Ricardo流量系數(shù)公式如下：

式中：Q為試驗(yàn)測得的實(shí)際空氣流量；A為氣門座內(nèi)截面面積，為氣門座內(nèi)徑，n為進(jìn)氣門數(shù)目；V0為理論進(jìn)氣速度，Δp為進(jìn)氣道壓力降，ρ為氣門座處氣體的密度。

滾流是在發(fā)動機(jī)進(jìn)氣過程中形成的一種宏觀大尺度渦流，滾流的旋轉(zhuǎn)軸與氣缸軸線垂直，滾流比的定義見圖6。

Ricardo滾流比計(jì)算公式為

式中：M為渦流計(jì)測得的face面上的角動量；G為流量計(jì)測得的face面上的空氣流量；D為氣缸直徑；Δp為進(jìn)氣道壓力降；ρ1為進(jìn)氣道前空氣密度。

為了評價(jià)在整個(gè)進(jìn)氣過程中氣道的平均阻力與氣缸內(nèi)平均滾流強(qiáng)度，定義了平均流量系數(shù)和平均滾流比，這兩個(gè)參數(shù)反映了氣道在整個(gè)進(jìn)氣過程中的宏觀流動特性。Ricardo進(jìn)氣道評價(jià)方法中假設(shè)進(jìn)氣過程在進(jìn)氣門開啟到關(guān)閉的區(qū)間，則平均流量系數(shù)和平均滾流比為

式中：LD為發(fā)動機(jī)形狀因數(shù)，，n為每缸進(jìn)氣門數(shù)目；α2，α1分別為相應(yīng)于進(jìn)氣門開、關(guān)的曲柄轉(zhuǎn)角。

為了能使計(jì)算值與試驗(yàn)值進(jìn)行對比，CFD計(jì)算模型采用了與氣道試驗(yàn)臺架完全一致的尺寸，在氣道進(jìn)口建立一個(gè)穩(wěn)壓腔用來代替外部的大氣環(huán)境，缸筒長度為4.25倍的缸徑，并在3.5倍缸徑處生成了一個(gè)face面（見圖7），通過求解face面上的角動量進(jìn)而得到進(jìn)氣道的Ricardo滾流比。計(jì)算邊界與試驗(yàn)相同。

在Fire中自動生成計(jì)算網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)100萬左右，針對滾流閥開、關(guān)兩種狀態(tài)，根據(jù)氣門升程分別建立10個(gè)網(wǎng)格模型，采用k－zeta－f湍流模型和Hybrid Wall Treatment壁面函數(shù)，進(jìn)出口都為壓力邊界條件，動量方程的差分格式為MINMOD Relaxed，混合因子為0.5。

計(jì)算得到了不同氣門升程下氣道流量系數(shù)和滾流強(qiáng)度，并與試驗(yàn)值進(jìn)行了對比（見圖8與圖9）。

平均滾流比與平均流量系數(shù)對比見表1。滾流閥的開啟對滾流比的提升有非常明顯的作用，平均滾流比提高26%，但流量系數(shù)也明顯降低，平均流量系數(shù)降低47%。但是，當(dāng)發(fā)動機(jī)運(yùn)行在小負(fù)荷區(qū)域時(shí)滾流閥才會開啟，此時(shí)進(jìn)氣流量是受到標(biāo)定限制的，所以流量系數(shù)的降低不會對性能產(chǎn)生負(fù)面影響。相對于試驗(yàn)值，閥開狀態(tài)下平均滾流比誤差為4.5%，平均流量系數(shù)誤差為6.9%，閥關(guān)狀態(tài)下平均滾流比誤差為19.3%，平均流量系數(shù)誤差為4.6%。由于滾流比的計(jì)算需要得到滾流測量面軸向速度分布，而氣缸內(nèi)的流動是一種復(fù)雜的三維非穩(wěn)態(tài)帶旋轉(zhuǎn)的不規(guī)則流動，目前工程上應(yīng)用湍流模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析無法精確得到速度、壓力等物理量，而得到比較準(zhǔn)確的滾流比需要通過瞬態(tài)計(jì)算得到，所以此氣道模型標(biāo)定只考慮流量系數(shù)即可。

表1 平均滾流比與平均流量系數(shù)對比

1.3 邊界條件

采用可變滾流技術(shù)主要是為了提高低速性能，所以本次計(jì)算工況點(diǎn)選擇為2000r／min，0.2MPa，進(jìn)口給定溫度，流量出口給定壓力，邊界條件從標(biāo)定好的一維模型中讀?。ㄒ妶D10，圖中v0表示滾流閥關(guān)，v1表示滾流閥開）。

網(wǎng)格模型基于AVL－Fire Fame engine＋，進(jìn)行1個(gè)工作循環(huán)720°動網(wǎng)格模型劃分（見圖11）。基于基礎(chǔ)凸輪型線，在包角正時(shí)不變的情況下，通過一維EXCITE－TD優(yōu)化出4套不同氣門升程的型線（主要考慮進(jìn)氣升程），進(jìn)氣升程分別為10mm，9.5mm，9mm，8.5mm（見圖12）。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 滾流比

圖13示出滾流比的計(jì)算結(jié)果。由于重疊期較大，產(chǎn)生明顯回流，導(dǎo)致滾流比有一個(gè)較明顯的提升，但隨著排氣門關(guān)閉，滾流比迅速下降；在進(jìn)氣過程中可變滾流氣道滾流比上升明顯，到440°活塞下止點(diǎn)時(shí)滾流比最大，比滾流閥關(guān)閉提高了29%，而氣道試驗(yàn)臺上該數(shù)據(jù)為35%，二者趨勢吻合。此氣道與其他氣道相比滾流比處于高水平。從圖13可以看出，進(jìn)氣升程的改變對缸內(nèi)進(jìn)氣過程中滾流比有一定的影響，但是相對于滾流閥的影響還是小得多；然而隨著進(jìn)氣終了，滾流比的下降也非常明顯，在壓縮過程中，隨著活塞的上行，滾流比有小幅的回升，在點(diǎn)火時(shí)刻附近達(dá)到較大值。

從圖14可以看出由于燃燒室的結(jié)構(gòu)沒有改變，缸內(nèi)滾流形狀沒有較大變化，進(jìn)氣升程的變化只是對滾流的強(qiáng)弱產(chǎn)生較明顯的影響。

2.2 湍動能

從圖15與圖16上可以看出，由于進(jìn)氣過程中滾流的強(qiáng)弱對紊流的形成產(chǎn)生積極的影響，滾流閥對湍動能的影響也非常明顯。隨著活塞上行，湍動能逐漸增強(qiáng)，在700°左右達(dá)到最高，滾流閥開啟使得此時(shí)刻的湍動能提高明顯；在滾流閥開啟狀態(tài)下，湍動能最高點(diǎn)出現(xiàn)在692°，隨后開始減弱，在點(diǎn)火時(shí)刻附近下降了10%，但相比滾流閥關(guān)閉狀態(tài)還是提升了16%左右，如果能保持住湍流強(qiáng)度，那將更有利于燃燒。

進(jìn)氣升程的改變與滾流閥之間沒有相互影響，無論是滾流閥開啟還是關(guān)閉，進(jìn)氣升程9.5mm都明顯要好于其他升程。

確定進(jìn)氣升程后反帶回Boost模型，驗(yàn)證性能，最終確定方案。

3 結(jié)論

a）可變滾流技術(shù)與氣門升程都會對湍動能產(chǎn)生明顯的影響，但兩者之間沒有相互的影響，在氣門升程優(yōu)化時(shí)不用考慮滾流閥的影響；

b）針對此機(jī)型，大的升程效果較好，在確定氣門升程的情況下后期針對氣門正時(shí)、豐滿度等進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，同時(shí)需要EXCITE－TD計(jì)算防止彈簧并圈，最終確定最佳方案；

c）在同一平臺下運(yùn)用多軟件進(jìn)行協(xié)同仿真分析可以大大提高仿真精度，通過協(xié)同仿真，保證了相互之間數(shù)據(jù)傳遞的準(zhǔn)確性，可以更容易地模擬發(fā)動機(jī)在瞬態(tài)工況下的特性變化；

d）基于仿真軟件的現(xiàn)在汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)可以大大縮短發(fā)動機(jī)開發(fā)周期，滿足發(fā)動機(jī)各個(gè)設(shè)計(jì)階段的要求，并在后期可逐漸作為一種快捷的“試驗(yàn)”驗(yàn)證手段，提高效率。

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