進(jìn)氣門相異升程下缸內(nèi)氣體運動三維數(shù)值模擬

劉伍權(quán)，遲 淼，張士強，吳子堯，耿 帥，劉瑞林

(1.軍事交通學(xué)院軍用車輛系，天津300161;2.蚌埠汽車士官學(xué)校學(xué)員旅，安徽蚌埠233011;3.唐山學(xué)院 機電工程系，河北 唐山063000;4.軍事交通學(xué)院研究管理大隊，天津300161)

缸內(nèi)氣體運動對發(fā)動機混合氣的輸運和燃燒 有著重要影響，改善缸內(nèi)氣體運動對發(fā)動機的經(jīng)濟性、動力性以及排放有重要意義［1］。對于四氣門發(fā)動機，由于其雙進(jìn)氣道采用對稱布置且兩個進(jìn)氣凸輪型線幾乎一致，導(dǎo)致同一凸輪軸轉(zhuǎn)角下兩個進(jìn)氣門的進(jìn)氣量和進(jìn)氣速度相同，缸內(nèi)橫截面方向上氣體運動相互抵消，缸內(nèi)氣體幾乎不存在渦流運動而整體表現(xiàn)為單一縱向的滾流運動，這是造成四氣門發(fā)動機燃燒惡化的一個重要因素。此外，發(fā)動機分層稀薄燃燒、缸內(nèi)直噴等技術(shù)的發(fā)展對發(fā)動機缸內(nèi)氣體運動提出進(jìn)一步要求。為此，國內(nèi)外紛紛展開對缸內(nèi)氣體運動的研究。豐田采用切向氣道或旋轉(zhuǎn)氣道以改善缸內(nèi)氣體運動，但使得進(jìn)氣阻力增加、缸蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜［2］。劉德新等［3］在氣道試驗臺上采用一進(jìn)氣門打開、另一進(jìn)氣門關(guān)閉的方法產(chǎn)生較大渦流，劉瑞林等［4］在進(jìn)氣道內(nèi)設(shè)置閥門產(chǎn)生和控制渦流，但均相當(dāng)于減小進(jìn)氣量來獲得渦流。隨著可變氣門技術(shù)的發(fā)展，許多學(xué)者在可變氣門技術(shù)對缸內(nèi)氣體運動的影響上作了深入研究［5-8］，對改善發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性與排放起到了積極作用，但這些結(jié)構(gòu)不論是兩個氣門升程同時變小還是保持一個氣門升程較小，均降低了進(jìn)氣量，且只針對一個工況進(jìn)行缸內(nèi)氣體運動的優(yōu)化，并不能滿足全部工況。為解決以上問題，項目組提出可變氣門相異升程技術(shù)［9-10］，對四氣門發(fā)動機缸內(nèi)氣體運動進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1 可變氣門相異升程

進(jìn)氣門相異升程［11］指的是在同一凸輪軸轉(zhuǎn)角下，兩個進(jìn)氣門的升程大小不同，但兩個進(jìn)氣門的最大升程相同。

同一凸輪軸轉(zhuǎn)角下，由于兩個進(jìn)氣門的升程不同，導(dǎo)致兩個進(jìn)氣門的進(jìn)氣量和進(jìn)氣速度不同，在缸內(nèi)橫截面方向上氣體運動不能相互抵消，進(jìn)而導(dǎo)致進(jìn)氣過程中缸內(nèi)氣體不僅進(jìn)行滾流運動，而且還進(jìn)行渦流運動，綜合表現(xiàn)為斜軸渦流運動，但發(fā)動機總進(jìn)氣量基本不變。其進(jìn)氣凸輪設(shè)計方案如圖1所示，兩個凸輪錯開一個相異角θ(最大值為8°)以實現(xiàn)同一凸輪軸轉(zhuǎn)角下的升程不同，但兩凸輪的最大升程相同，兩個進(jìn)氣凸輪升程在B點相等，在A、C兩點差值最大。由于兩個進(jìn)氣凸輪之間存在相異角，導(dǎo)致兩個進(jìn)氣門的開啟存在先后順序，即相位提前凸輪對應(yīng)進(jìn)氣門提前開啟，相位滯后凸輪對應(yīng)進(jìn)氣門滯后開啟。

可變氣門相異升程［11］是指相異角可變，通過調(diào)整大小實現(xiàn)兩進(jìn)氣門的升程差值可變。

2 缸內(nèi)氣體運動三維數(shù)值模擬

2.1 幾何建模及網(wǎng)格劃分

本文使用CFD軟件Fluent進(jìn)行三維數(shù)值模擬計算，以某四氣門發(fā)動機為研究對象，其具體結(jié)構(gòu)性能參數(shù)見表1。

計算所用的幾何模型包括進(jìn)氣道、氣門、燃燒室等(在分析渦流流場所用的幾何模型還包括加長模擬汽缸;在分析滾流流場所用的幾何模型還包括滾流模擬缸套)。研究滾流流場的三維幾何模型中，滾流模擬缸套需要按照不同相異角下最大滾流比截面上的滾流旋轉(zhuǎn)軸線與曲軸軸線的夾角沿汽缸軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度的大小由試驗確定。根據(jù)發(fā)動機參數(shù)建立所需幾何模型如圖2所示。

對建立的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，兩進(jìn)氣道以及燃燒室主要采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，汽缸(滾流模擬缸套)部分主要采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并針對敏感部位(氣門、氣門座等)采用局部網(wǎng)格細(xì)化。渦流分析模型的網(wǎng)格數(shù)約為80萬個，滾流分析模型的網(wǎng)格總數(shù)約為100萬個。網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖2 穩(wěn)態(tài)計算幾何模型

圖3 網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.2 邊界及模型選定

(1)入口邊界。計算模型采用壓力入口邊界，其值采用穩(wěn)流試驗測量值，入口邊界給定的主要參數(shù)為 pinlet=101 325 Pa，Tinlet=300 K。

(2)出口邊界。計算模型采用壓力出口邊界。為保證缸內(nèi)氣體運動為充分發(fā)展的湍流狀態(tài)，保持進(jìn)氣道壓差為Δp=3.5 kPa，特設(shè)定出口邊界的參數(shù)為poutlet=97 825 Pa;其他參數(shù)的設(shè)定與入口邊界相同。

(3)其他邊界條件和流體介質(zhì)的設(shè)定。除入口邊界和出口邊界外，其他邊界條件均設(shè)置為絕熱壁面邊界，由于缸內(nèi)氣體運動速度相對較小，故流體介質(zhì)設(shè)置為不可壓縮理想空氣。

(4)模型的選定。采用應(yīng)用較多的k-ε二方程湍流模型。

(5)算法及收斂原則。計算算法采用SIMPLE算法。殘差收斂精度設(shè)定為10-4，為保證計算質(zhì)量以及殘差收斂，特設(shè)定迭代步數(shù)5 000次，當(dāng)殘差小于設(shè)定的殘差收斂精度時，迭代自動停止。

3 模型有效性分析與驗證

定義無因次流通系數(shù)CF:

式中:n為進(jìn)氣門數(shù);Q為氣體流量，m3/s;A為氣門座內(nèi)截面積，A=πD2/4，D為氣門座內(nèi)徑，m;V0為理論進(jìn)氣速度為進(jìn)氣壓差，Pa，ρ為氣門座處氣體密度，kg/m3。

將發(fā)動機缸蓋部分安裝在氣道試驗臺上進(jìn)行氣道穩(wěn)流試驗，得出相異角為0°時的缸內(nèi)氣體運動，并計算相異角為0°時的缸內(nèi)氣體流通系數(shù)。將CFD計算結(jié)果與氣道穩(wěn)流試驗結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如圖4所示。可見，CFD的流通系數(shù)計算結(jié)果與試驗結(jié)果趨勢一致且吻合較好。小氣門升程時，氣流流通面積小，計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合稍差，但誤差均在5%以內(nèi)。因此，可以認(rèn)為計算模型可靠，該模擬結(jié)果可以作為缸內(nèi)氣體運動的分析依據(jù)。

圖4 計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比

4 缸內(nèi)氣體運動渦流流場

不同相異角下的缸內(nèi)氣體運動渦流流場變化見文獻(xiàn)［12］，在本節(jié)中不再贅述。本節(jié)主要研究進(jìn)氣門相異升程下不同凸輪轉(zhuǎn)角時的缸內(nèi)氣體運動渦流流場變化。

同一相異角下，對比缸內(nèi)同一橫截面上不同凸輪轉(zhuǎn)角時的渦流流場變化。圖5給出了相異角2°時，距離上止點77.5 mm(1倍沖程)橫截面上不同凸輪軸轉(zhuǎn)角下的渦流流場。從圖5可以看出，同一相異角下，隨著凸輪軸轉(zhuǎn)角的增大，渦流流場結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的變化。

圖5 相異角2°時距離上止點77.5 mm截面渦流流場

由圖5(a)可以看出，當(dāng)凸輪軸轉(zhuǎn)角小于90°CaA時，缸內(nèi)橫截面上渦流流場為具有一個明顯渦心的順時針大尺度渦流，方向一致性較好，且凸輪軸轉(zhuǎn)角為60°CaA時的橫截面渦流強度最強。這是因為相異角的存在使得兩進(jìn)氣門進(jìn)氣不平衡，缸內(nèi)橫截面方向上氣體運動不能相互抵消，導(dǎo)致缸內(nèi)出現(xiàn)渦流運動。在進(jìn)氣開始到凸輪軸轉(zhuǎn)角為90°CaA區(qū)間內(nèi)，同一相異角下的升程差隨著凸輪軸轉(zhuǎn)角的增大先逐漸增大后又逐漸減小，在凸輪軸轉(zhuǎn)角為60°CaA附近升程差達(dá)到最大值，進(jìn)氣不平衡程度最大，進(jìn)而導(dǎo)致凸輪軸轉(zhuǎn)角為60°CaA附近的缸內(nèi)氣體運動渦流強度最強。

由圖5(b)可以看出，當(dāng)凸輪軸轉(zhuǎn)角為90°CaA時，缸內(nèi)橫截面上渦流流場整體表現(xiàn)為具有多個渦心的小尺度渦流，方向一致性較差。這是因為當(dāng)凸輪軸轉(zhuǎn)角為90°CaA時，不論相異角為何值，相位提前凸輪和相位滯后凸輪對應(yīng)的進(jìn)氣門升程均相等，兩進(jìn)氣門不存在升程差，導(dǎo)致缸內(nèi)橫截面方向上氣體運動相互抵消，缸內(nèi)不存在大尺度渦流運動。

由圖5(c)可以看出，隨著凸輪軸轉(zhuǎn)角的繼續(xù)增大，缸內(nèi)橫截面上渦流流場又恢復(fù)為具有一個明顯渦心的大尺度渦流流場，方向一致性較好。但相比圖5(a)，缸內(nèi)氣體運動旋轉(zhuǎn)方向相反。這主要是因為在進(jìn)氣開始到凸輪軸轉(zhuǎn)角為90°CaA區(qū)間內(nèi)，相位滯后凸輪對應(yīng)的進(jìn)氣門升程小于相位提前凸輪對應(yīng)的進(jìn)氣門升程，而在凸輪軸轉(zhuǎn)角為90°CaA到進(jìn)氣結(jié)束區(qū)間內(nèi)，相位滯后凸輪對應(yīng)的進(jìn)氣門升程大于相位提前凸輪對應(yīng)的進(jìn)氣門升程。因此，兩進(jìn)氣門的開度大小關(guān)系在凸輪軸轉(zhuǎn)角為90°CaA時發(fā)生轉(zhuǎn)變，進(jìn)而導(dǎo)致缸內(nèi)氣體渦流運動發(fā)生變向。

5 缸內(nèi)氣體運動滾流流場

5.1 不同相異角缸內(nèi)氣體運動滾流流場

同一凸輪軸轉(zhuǎn)角下，對比不同相異角所導(dǎo)致的缸內(nèi)氣體運動滾流流場變化。圖6給出不同相異角下凸輪軸轉(zhuǎn)角60°CaA時距離汽缸中心2.5倍汽缸直徑的各最大滾流比截面滾流流場。

可以看出，不論相異角θ為何值，各個最大滾流比截面上始終保持具有一個明顯渦心的大尺度滾流運動，且渦心位置一直處于汽缸中心附近。此外，同一凸輪軸轉(zhuǎn)角下，在各個相異角對應(yīng)的最大滾流比截面上，隨著相異角從0°至8°的逐漸增大，滾流運動強度稍有增強。這是因為，相異角的存在使得相位提前凸輪與相位滯后凸輪對應(yīng)的兩進(jìn)氣門開度不同，與相異角為0°時的進(jìn)氣相比，相當(dāng)于在流通系數(shù)基本不變的情況下對進(jìn)氣進(jìn)行部分的節(jié)流，造成進(jìn)氣流速增加，缸內(nèi)縱截面上氣體運動速度增大，滾流運動增強，相異角越大，節(jié)流作用越明顯，滾流運動越強。但是，由于相異角最大值為8°，節(jié)流作用有限，因此缸內(nèi)氣體滾流運動稍有增強。

圖6 凸輪軸轉(zhuǎn)角60°CaA距離汽缸中心2.5倍汽缸直徑最大滾流比截面滾流流場

5.2 不同凸輪轉(zhuǎn)角下缸內(nèi)氣體運動滾流流場

同一相異角下，對比不同凸輪軸轉(zhuǎn)角時最大滾流比截面上的滾流流場變化。圖7給出了相異角θ為6°時距離汽缸中心2.5倍汽缸直徑處不同凸輪軸轉(zhuǎn)角下最大滾流比截面上的滾流流場。

可以看出，不論凸輪軸轉(zhuǎn)角為何值，最大滾流比截面上滾流流場均為具有一個明顯渦心的大尺度滾流流場。這是因為該發(fā)動機采用屋頂形燃燒室，具有產(chǎn)生較強滾流的能力。

從圖7(a)至(c)可以看出，在進(jìn)氣開始至凸輪軸轉(zhuǎn)角為90°CaA區(qū)間內(nèi)，距離汽缸中心2.5倍汽缸直徑處的最大滾流比截面上滾流強度隨著凸輪軸轉(zhuǎn)角的增大而逐漸增強。這是因為在此區(qū)間，隨著凸輪軸轉(zhuǎn)角的增大，兩進(jìn)氣門升程逐漸增大，氣門開度增大，進(jìn)氣流量增大，缸內(nèi)縱截面上的氣體運動逐漸增強，導(dǎo)致滾流運動逐漸增強。

圖7 相異角6°距離汽缸中心2.5倍汽缸直徑最大滾流比截面滾流流場

從圖7(c)可以看出，滾流強度在凸輪軸轉(zhuǎn)角為90°CaA附近達(dá)到最強。這是因為在凸輪軸轉(zhuǎn)角為90°CaA附近，進(jìn)氣流量達(dá)到最大值，缸內(nèi)縱截面上的氣體運動最強，缸內(nèi)氣體滾流運動最強。

從圖7(c)至(d)可以看出，在凸輪軸轉(zhuǎn)角從90°CaA到進(jìn)氣結(jié)束區(qū)間內(nèi)，最大滾流比截面上的滾流強度隨著凸輪軸轉(zhuǎn)角的增大而逐漸減弱。這是因為在此區(qū)間，隨著凸輪軸轉(zhuǎn)角的增大，氣門開度又逐漸減小，對缸內(nèi)進(jìn)氣阻礙作用增強，進(jìn)氣流量減小，缸內(nèi)縱截面上的氣流運動逐漸減弱，導(dǎo)致滾流運動逐漸減弱。

6 結(jié)論

(1)當(dāng)存在相異角時，在缸內(nèi)距離上止點1倍沖程橫截面上，凸輪軸轉(zhuǎn)角為90°CaA時的缸內(nèi)氣體運動渦流流場整體表現(xiàn)為具有多個明顯渦心的小尺度渦流，方向一致性較差，說明此時缸內(nèi)幾乎不存在大尺度的渦流運動;其他凸輪軸轉(zhuǎn)角時的缸內(nèi)氣體運動渦流流場均出現(xiàn)一個具有明顯渦心的大尺度渦流流場，且方向一致性較好，說明進(jìn)氣門相異升程可明顯增強缸內(nèi)氣體渦流運動。

(2)進(jìn)氣開始到凸輪軸轉(zhuǎn)角為90°CaA區(qū)間內(nèi)的缸內(nèi)氣體渦流運動旋轉(zhuǎn)方向與凸輪軸轉(zhuǎn)角為90°CaA到進(jìn)氣結(jié)束區(qū)間內(nèi)的缸內(nèi)氣體渦流運動旋轉(zhuǎn)方向相反。這說明在進(jìn)氣過程的中間階段缸內(nèi)氣體渦流運動發(fā)生變向，這勢必會導(dǎo)致發(fā)動機實際進(jìn)氣過程中缸內(nèi)氣體湍流運動的增強。

(3)同一凸輪軸轉(zhuǎn)角下，當(dāng)不存在相異角時，在距汽缸中心2.5倍汽缸直徑處的最大滾流比截面上便出現(xiàn)具有一個明顯渦心的大尺度滾流流場，說明該發(fā)動機具有產(chǎn)生較強滾流的能力;當(dāng)存在相異角時，隨著相異角增大，最大滾流比截面上的氣流速度隨著相異角的增大稍有增強，說明進(jìn)氣門相異升程對滾流運動具有小幅度的增強作用。

(4)同一相異角下，不論凸輪軸轉(zhuǎn)角為何值，在距離汽缸中心2.5倍汽缸直徑處的最大滾流比截面上均出現(xiàn)具有一個明顯渦心的大尺度滾流流場;在進(jìn)氣開始至凸輪軸轉(zhuǎn)角為90°CaA區(qū)間內(nèi)，缸內(nèi)氣體運動滾流強度隨著凸輪軸轉(zhuǎn)角的增大逐漸增強，且在凸輪軸轉(zhuǎn)角為90°CaA附近達(dá)到最強;在凸輪軸轉(zhuǎn)角為90°CaA到進(jìn)氣結(jié)束區(qū)間內(nèi)，缸內(nèi)氣體運動滾流強度隨著凸輪軸轉(zhuǎn)角的增大逐漸減弱。

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