四氣門發(fā)動機進氣門相異升程下缸內(nèi)氣體運動評價

劉伍權(quán)，楊春浩，遲 淼，張士強，吳子堯，劉瑞林

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

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、動力性以及排放有著重要的意義［1］。

關(guān)于發(fā)動機缸內(nèi)氣體運動的研究起步較早［2］，目前，國內(nèi)外較為常用的缸內(nèi)氣體運動評價方法主要有:Ricardo評價方法，主要采用流通系數(shù)CF、無因次渦流(滾流)比NS(T)等參數(shù)評價缸內(nèi)氣體運動，設(shè)定進氣區(qū)間為進氣門開啟時刻到關(guān)閉時刻，符合實際情況，但假設(shè)壓降Δp恒定且氣體不可壓縮，與實際情況不符;AVL評價方法，主要采用流通系數(shù)、渦流(滾流)比等參數(shù)評價缸內(nèi)氣體運動，設(shè)定進氣過程中氣道壓差Δp變化，符合實際情況，但假設(shè)進氣區(qū)間為上止點到下止點且氣體不可壓縮，與實際情況不符;FEV評價方法，主要采用流通系數(shù)、渦流(滾流)比等參數(shù)評價缸內(nèi)氣體運動，認為氣體可壓縮，符合實際情況，但假設(shè)90%最大氣門升程時的缸內(nèi)氣體運動特征參數(shù)為平均特征參數(shù)，與實際情況不符;SwRI評價方法，采用的參數(shù)以及參數(shù)的計算與Ricardo評價方法基本相同，其特點是采用轉(zhuǎn)缸試驗，但該方法假設(shè)進氣區(qū)間為上止點到進氣門關(guān)閉、壓降Δp恒定且氣體不可壓縮，與實際情況不符［3-4］。

許多學者對可變氣門技術(shù)對缸內(nèi)氣體運動的影響進行了深入研究［5-8］，課題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)氣體運動進行調(diào)節(jié)。本文提出一種基于缸內(nèi)氣體三維流場計算宏觀特征參數(shù)的新方法，可通過三維數(shù)值模擬方法計算獲得缸內(nèi)氣體運動宏觀特征參數(shù)。

1 可變氣門相異升程

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

同一凸輪軸轉(zhuǎn)角下，由于兩個進氣門的升程不同，導致兩個進氣門的進氣量和進氣速度不同，在缸內(nèi)橫截面方向上氣體運動不能相互抵消，進而導致進氣過程中缸內(nèi)氣體不僅進行滾流運動，而且還進行渦流運動，綜合表現(xiàn)為斜軸渦流運動，但發(fā)動機總進氣量基本不變。其進氣凸輪設(shè)計方案如圖1所示［11］，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;兩個進氣凸輪升程在B點相等，在A、C兩點差值最大。由于兩個進氣凸輪之間存在相異角，導致兩個進氣門的開啟存在先后順序，即相位提前凸輪對應的進氣門提前開啟，相位滯后凸輪對應的進氣門滯后開啟。

圖1 可變氣門相異升程方案

2 基于缸內(nèi)氣體三維流場的無因次宏觀特征參數(shù)計算

根據(jù)Ricardo評價方法的假設(shè)，缸內(nèi)氣體均為不可壓縮流體，即渦流(滾流、斜軸渦流)為剛性渦流(滾流、斜軸渦流)。則根據(jù)剛體角動量計算公式，加長模擬汽缸(滾流模擬缸套)內(nèi)橫截面(最大滾流比)上的氣流對截面中心的角動量為

式中:J為氣流對截面中心的角動量，kg·m2/s;I為氣流對截面中心的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2;ω為截面上氣體運動角速度，rad/s。

由于本文對缸內(nèi)氣體運動渦流特性與滾流特性的研究均是在圓形截面上進行，所以根據(jù)剛體圓盤對圓心轉(zhuǎn)動慣量的計算公式，氣流對截面中心的轉(zhuǎn)動慣量為

式中:M為橫截面(最大滾流比)上氣流的質(zhì)量，kg;B為汽缸(滾流模擬缸套)直徑，m。

將式(2)代入式(1)得

將剛性渦流(滾流)看作是非常多的質(zhì)元構(gòu)成的質(zhì)點系的旋轉(zhuǎn)運動，則加長模擬汽缸(滾流模擬缸套)內(nèi)橫截面(最大滾流比)上第i個質(zhì)元對截面中心的角動量為

式中:Ji為第i個質(zhì)元對截面中心的角動量，kg·m2/s;ri為第i個質(zhì)元相對截面中心的位移矢量，m;mi為第i個質(zhì)元的質(zhì)量，kg;vi為第i個質(zhì)元的速度，m/s。

因為質(zhì)點系對某一點的角動量等于各個質(zhì)元對該點角動量的矢量和，所以加長模擬汽缸(滾流模擬缸套)內(nèi)橫截面(最大滾流比)上氣體運動對截面中心的角動量等于各質(zhì)元對截面中心角動量的矢量和，即

式中N為質(zhì)元總數(shù)。

由式(3)—(5)聯(lián)立得

將截面上氣流的質(zhì)量均布到各個質(zhì)元上，即

根據(jù)Ricardo評價方法，缸內(nèi)氣體運動無因次渦流(滾流)比的計算公式為

式中:ωR為風速儀葉片旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s;B為汽缸直徑，m;Vqd為理論進氣速度，m/s。

由于氣體運動被認為作剛性運動，則氣體運動的角速度等于風速儀葉片的旋轉(zhuǎn)角速度，即

由式(8)—(10)聯(lián)立得缸內(nèi)氣體運動無因次渦流(滾流)比的計算式為

式中:NS(T)為無因次渦流(滾流)比;ri為第i個質(zhì)元距離截面中心的距離，m;vi為第i個質(zhì)元的速度，m/s;α為第i個質(zhì)元相對截面中心的位移矢量與速度矢量的夾角，(°);N為質(zhì)元總數(shù);B為汽缸(滾流模擬缸套)直徑，m;Δp為進氣壓差，Pa;ρ為氣體密度，kg/m3。

根據(jù)式(11)，在流場截面上選取多個質(zhì)元點，通過讀取各個質(zhì)元的坐標和速度，便能夠計算出缸內(nèi)氣體運動的無因次渦流(滾流)比，質(zhì)元取的越多，計算結(jié)果越精確。

相比于以往的定性分析評價，本計算方法更加精確，可用于初步預測發(fā)動機缸內(nèi)氣體運動宏觀特性，對改善發(fā)動機產(chǎn)品設(shè)計、縮短發(fā)動機設(shè)計周期和降低產(chǎn)品風險具有較好的應用前景。

3 無因次渦流比計算與分析

根據(jù)式(11)，基于進氣門相異升程下缸內(nèi)氣體渦流流場，計算出不同相異角下、不同凸輪軸轉(zhuǎn)角時缸內(nèi)氣體運動的無因次渦流比，分析進氣門相異升程對發(fā)動機缸內(nèi)氣體運動無因次渦流比的影響。

圖2為不同相異角下的缸內(nèi)氣體運動無因次渦流比NS隨凸輪軸轉(zhuǎn)角φc的變化曲線。

圖2 無因次渦流比隨凸輪軸轉(zhuǎn)角變化

可以看出，當相異角為0°時，缸內(nèi)氣體運動無因次渦流比幾乎為0，這說明當不存在相異角時，缸內(nèi)氣體幾乎不存在大尺度的渦流運動;當相異角不為0°時，同一相異角下，隨著凸輪軸轉(zhuǎn)角的增大，缸內(nèi)氣體運動無因次渦流比發(fā)生明顯變化，表現(xiàn)在:

(1)在進氣開始到凸輪軸轉(zhuǎn)角60°CaA附近區(qū)間內(nèi)，缸內(nèi)氣體運動無因次渦流比隨著凸輪軸轉(zhuǎn)角的增大而增大。這是因為在此區(qū)間內(nèi)，由于相異角的存在，相位提前凸輪的升程大于相位滯后凸輪的升程，造成兩進氣門的升程不同，導致兩進氣門進氣不平衡而出現(xiàn)明顯渦流運動，隨著凸輪軸轉(zhuǎn)角的增大，兩氣門升程差逐漸增大，導致兩進氣門進氣越發(fā)不平衡，進而導致渦流逐漸增強，無因次渦流比逐漸增大。

(2)當凸輪軸轉(zhuǎn)角為60°CaA附近時，缸內(nèi)氣體運動無因次渦流比達到極大值。這是因為當凸輪軸轉(zhuǎn)角在60°CaA附近時，相位提前凸輪和相位滯后凸輪對應的兩進氣門升程差達到極大值，兩進氣門進氣不平衡程度最大，因此缸內(nèi)氣體渦流運動最強，無因次渦流比達到極大值。

(3)凸輪軸轉(zhuǎn)角在60°CaA附近至90°CaA區(qū)間內(nèi)，隨著凸輪軸轉(zhuǎn)角的增大，缸內(nèi)氣體運動無因次渦流比又逐漸減小。這是因為在此區(qū)間內(nèi)，隨著凸輪軸轉(zhuǎn)角的增大，同一相異角下相位提前凸輪和相位滯后凸輪對應的兩進氣門升程差減小，從而導致兩進氣門進氣不平衡程度減小，渦流運動逐漸減弱，無因次渦流比逐漸減小。

(4)當凸輪軸轉(zhuǎn)角為90°CaA時，缸內(nèi)氣體運動無因次渦流比達到極小值，其值大小與相異角為0°時凸輪軸轉(zhuǎn)角90°CaA下的無因次渦流比大小相當(幾乎為0)。這是因為當凸輪軸轉(zhuǎn)角為90°CaA時，無論相異角為何值，兩個進氣門的升程均相等，造成同一時刻兩進氣門進氣量及進氣速度均相同，缸內(nèi)不存在大尺度的渦流運動。

(5)當凸輪軸轉(zhuǎn)角在90°CaA至120°CaA附近區(qū)間內(nèi)，隨著凸輪軸轉(zhuǎn)角的增大，缸內(nèi)氣體運動無因次渦流比逐漸增大。這是因為相異角的存在使得相位提前凸輪對應的進氣門升程比相位滯后凸輪對應的進氣門升程小，兩進氣門進氣不平衡，隨著凸輪軸轉(zhuǎn)角的增大，兩氣門升程差逐漸增大，導致兩進氣門進氣越發(fā)不平衡，進而導致渦流運動逐漸增強，無因次渦流比逐漸增大。

(6)當凸輪軸轉(zhuǎn)角為120°CaA附近時，缸內(nèi)氣體運動無因次渦流比再次達到極大值。這是因為相位提前凸輪和相位滯后凸輪對應的兩進氣門升程差在凸輪軸轉(zhuǎn)角為120°CaA附近時再次達到極大值，兩進氣門進氣不平衡程度最大，因此缸內(nèi)氣體渦流運動再次達到最強，無因次渦流比曲線又出現(xiàn)另一峰值。

(7)凸輪軸轉(zhuǎn)角在120°CaA附近至進氣結(jié)束區(qū)間內(nèi)，隨著凸輪軸轉(zhuǎn)角的增大，缸內(nèi)氣體運動無因次渦流比又逐漸減小。這是因為在此區(qū)間內(nèi)，隨著凸輪軸轉(zhuǎn)角的增大，同一相異角下相位提前凸輪和相位滯后凸輪對應的兩進氣門升程差逐漸減小，從而導致兩進氣門進氣不平衡程度逐漸減小，渦流運動逐漸減弱，無因次渦流比逐漸減小。

由圖2還可以看出，不論相異角為何值，凸輪軸轉(zhuǎn)角為90°CaA時的缸內(nèi)氣體運動無因次渦流比均幾乎為0。在其他凸輪軸轉(zhuǎn)角下，隨著相異角的增大，缸內(nèi)氣體運動無因次渦流比均逐漸增大。這是因為在其他凸輪軸轉(zhuǎn)角下，隨著相異角的增大，同一凸輪軸轉(zhuǎn)角下的兩進氣門升程差逐漸增大，導致兩進氣門進氣越發(fā)不平衡，進而導致渦流逐漸增強，無因次渦流比逐漸增大。

此外，當存在相異角時，在進氣過程的中間階段兩進氣門開度的大小關(guān)系發(fā)生了轉(zhuǎn)換。從進氣開始到凸輪軸轉(zhuǎn)角為90°CaA范圍內(nèi)，相位提前凸輪對應的進氣門升程大于相位滯后凸輪對應的進氣門升程;當凸輪軸轉(zhuǎn)角為90°CaA時，相位提前凸輪對應的進氣門升程和相位滯后凸輪對應的進氣門升程相等;從凸輪軸轉(zhuǎn)角為90°CaA到進氣結(jié)束范圍內(nèi)，相位提前凸輪對應的進氣門升程小于相位滯后凸輪對應的進氣門升程。因此，從進氣開始到凸輪軸轉(zhuǎn)角為90°CaA范圍內(nèi)產(chǎn)生的渦流運動與從凸輪軸轉(zhuǎn)角為90°CaA到進氣結(jié)束范圍內(nèi)產(chǎn)生的渦流運動方向相反，即在進氣過程的中間階段，缸內(nèi)氣體渦流運動方向發(fā)生變向，這勢必會導致發(fā)動機實際進氣過程中缸內(nèi)氣體湍流運動的增強。

4 無因次滾流比計算與分析

根據(jù)式(11)，基于進氣門相異升程下缸內(nèi)氣體滾流流場，計算出不同相異角下、不同凸輪軸轉(zhuǎn)角時缸內(nèi)氣體運動的最大滾流比截面上的無因次滾流比，分析進氣門相異升程對發(fā)動機缸內(nèi)氣體運動無因次滾流比的影響。

圖3為不同相異角下缸內(nèi)氣體運動無因次滾流比NT隨凸輪軸轉(zhuǎn)角φc的變化曲線(由于數(shù)據(jù)較為密集，圖中只給出了相異角為 0°、4°、8°時的無因次滾流比)。

圖3 無因次滾流比隨凸輪軸轉(zhuǎn)角變化

可以看出:

(1)不論相異角為何值，隨著凸輪軸轉(zhuǎn)角的增大，缸內(nèi)氣體運動無因次滾流比均先逐漸增大后又逐漸減小。這是因為在進氣開始到凸輪軸轉(zhuǎn)角為90°CaA區(qū)間內(nèi)，凸輪驅(qū)動搖臂頂開氣門，隨著凸輪軸轉(zhuǎn)角的增大，氣門開度逐漸增大，進氣流量Q增大，缸內(nèi)縱截面上氣流運動增強，無因次滾流比逐漸增大;當凸輪軸轉(zhuǎn)角位于90°CaA附近時，缸內(nèi)氣體流量達到最大值，缸內(nèi)縱截面上氣流運動最強，無因次滾流比達到最大值;而后隨著凸輪軸轉(zhuǎn)角的增大，氣門開度又逐漸減小，缸內(nèi)進氣阻礙作用增強，進氣流量Q減小，缸內(nèi)縱截面上氣流運動減弱，無因次滾流比逐漸減小。

(2)凸輪軸轉(zhuǎn)角為90°CaA附近時，隨著相異角的增大，缸內(nèi)氣體運動無因次滾流比稍有減小。這是因為相異角的存在使得凸輪軸轉(zhuǎn)角為90°CaA時的兩進氣門升程相等且均小于相異角為0°時的進氣門升程，且相異角越大，兩進氣門升程越小，對進氣的阻礙作用越強，進氣流量Q越小，導致無因次滾流比越小。

(3)在其他凸輪軸轉(zhuǎn)角下，隨著相異角的增大，缸內(nèi)氣體運動無因次滾流比稍有增大。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的兩進氣門開度不同，與相異角為0°時的進氣階段相比，相當于在流通能力變化不大的情況下對進氣部分節(jié)流，造成進氣流速增加，缸內(nèi)縱截面上氣體運動速度增大，無因次滾流比增大［12］。相異角越大，節(jié)流作用越明顯，無因次滾流比越大。但是，相異角最大值為8°，節(jié)流作用有限，對氣體流速的增強幅度較小。因此，除凸輪軸轉(zhuǎn)角為90°CaA外，同一凸輪軸轉(zhuǎn)角下，隨著相異角的增大，缸內(nèi)氣體運動無因次滾流比稍有增大。

5 結(jié)論

(1)依據(jù)角動量的基本原理，提出了一種基于缸內(nèi)氣體三維流場計算缸內(nèi)氣體運動宏觀特征參數(shù)的新方法，利用此方法可以初步預測進氣門相異升程發(fā)動機缸內(nèi)氣體運動的宏觀特性。

(2)進氣門相異升程對缸內(nèi)氣體渦流運動影響明顯。相異角為0°時，缸內(nèi)氣體運動無因次渦流比幾乎為0。當相異角不為0°時，同一凸輪軸轉(zhuǎn)角下的缸內(nèi)氣體運動無因次渦流比明顯增大，且均在凸輪軸轉(zhuǎn)角為60°CaA附近和120°CaA附近兩處出現(xiàn)峰值;隨著相異角的增大，凸輪軸轉(zhuǎn)角為90°CaA時的無因次渦流比均幾乎為0，其他凸輪軸轉(zhuǎn)角下無因次渦流比逐漸增大。

(3)進氣門相異升程下，發(fā)動機缸內(nèi)氣體渦流運動方向在進氣過程中間階段發(fā)生變向，導致發(fā)動機實際進氣過程中湍流運動增強。

(4)進氣門相異升程下的缸內(nèi)氣體滾流運動稍有增強。整個進氣過程中，任意相異角下的缸內(nèi)氣體運動無因次滾流比均隨著凸輪軸轉(zhuǎn)角的增大先逐漸增大后又逐漸減小，且無因次滾流比在凸輪軸轉(zhuǎn)角為90°CaA時達到峰值;隨著相異角的增大，凸輪軸轉(zhuǎn)角為90°CaA時的無因次滾流比稍有減小，其他凸輪軸轉(zhuǎn)角下的無因次滾流比稍有增大，但變化幅度均較小。

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