柴油機氣道進氣流動特性及進氣門桿形狀對其影響分析

楊志鋒， 桂佳林， 朱光宇

(福州大學機械工程及自動化學院， 福建 福州 350116 )

柴油機氣道進氣流動特性及進氣門桿形狀對其影響分析

楊志鋒， 桂佳林， 朱光宇

(福州大學機械工程及自動化學院， 福建 福州 350116 )

建立某RD190柴油機螺旋進氣道穩(wěn)態(tài)CFD模擬計算模型, 對其流動特性進行研究， 分析得到了氣道流量系數(shù)和渦流比、 柴油機的外特性結果， 并采用CFD模擬分析了進氣門桿形狀對進氣流動的影響. 研究結果表明： 隨著截面比的增加， 平均流量系數(shù)和平均渦流比均為先增大后減小， 當截面比在0.28～0.30時， 進氣道平均流量系數(shù)相對原方案值變化不大， 而平均渦流比最大增加了9.98%.

柴油機； 螺旋進氣道； 進氣門桿； 渦流比

0 引言

柴油機缸內(nèi)氣體流動品質(zhì)的好壞影響著柴油機性能[1-2]. 而螺旋進氣道結構和內(nèi)部存在的氣門桿結構直接影響進氣過程中進入缸內(nèi)氣體的量、 流速大小、 氣流湍流狀態(tài)以及氣門盤區(qū)域回流狀況等， 這些量又直接影響著缸內(nèi)氣體流動. 因此， 為提高柴油機性能， 研究螺旋進氣道結構和內(nèi)部存在的氣門桿對柴油機進氣流動特性的影響具有重要的意義.

目前， 穩(wěn)流試驗方法和CFD數(shù)值模擬計算方法為研究柴油機進氣流動的兩種主要方法. 由于傳統(tǒng)的試驗方法不能反映氣道和氣缸內(nèi)氣流流動的運動機理， 而CFD數(shù)值模擬計算方法能夠詳細地展現(xiàn)氣道和氣缸內(nèi)氣流的微觀流動狀況， 并能對不同方案快速地進行分析計算與對比， 因此CFD三維數(shù)值模擬在柴油機進氣過程特性研究中的作用越來越重要. 文[3]對柴油機的螺旋進氣道進行了CFD數(shù)值模擬計算， 分析了進氣道內(nèi)部流場的分布. 文[4]采用PIV測試技術顯示和分析了氣門對進氣系統(tǒng)氣流流動的影響. 文[5]測量了進氣道的渦流和阻流， 并運用LDV測量方法研究進氣道結構的流動細節(jié). 綜上知， 當前許多學者主要采用CFD單一地研究氣門或氣道結構對進氣流動性能的影響， 在對于氣道與氣門配合對進氣流動性能的影響研究上還有待深入.

以某RD190柴油機的螺旋進氣道為原型， 通過逆向工程建立了螺旋進氣道、 氣門和氣缸三維流動模擬模型， 并進行了進氣道穩(wěn)態(tài)CFD模擬計算. 將穩(wěn)態(tài)計算得到的流量系數(shù)、 渦流比等參數(shù)輸入到建立的柴油機工作過程一維模型， 求解得到柴油機整機三種外特性值與試驗值吻合良好. 之后， 對進氣門氣門桿截面進行橢圓處理， 設計了6種不同的氣門座與氣門桿截面比方案， 利用進氣道穩(wěn)態(tài)CFD模擬計算研究了進氣門氣門桿形狀對柴油機進氣流動特性的影響.

1 螺旋進氣道三維數(shù)值模擬

1.1 三維仿真模型的建立1.1.1 幾何模型及其網(wǎng)格劃分

圖1 進氣道計算網(wǎng)格Fig.1 The computing grid of Inlet

采用三維激光坐標掃描儀掃描RD190柴油機螺旋進氣道硅膠芯獲取點云數(shù)據(jù)， 將其導入Solidworks中建立了螺旋進氣道三維模型. 為使計算渦流比測點處的氣流穩(wěn)定， 將模擬氣缸長度設定為2.5D(D為缸徑). 同時為確保螺旋進氣道入口氣流的穩(wěn)定性， 在進氣道入口設計了長寬高為120 mm×120 mm×120 mm的正方體穩(wěn)壓腔.

在GAMBIT軟件中對三維模型進行網(wǎng)格劃分. 由于氣道螺旋段、 氣門座以及氣缸頂部區(qū)域氣流流動復雜， 為保證網(wǎng)格質(zhì)量和計算精度， 采用分區(qū)劃分的方法對以上關鍵區(qū)域網(wǎng)格進行了加密劃分， 劃分后網(wǎng)格總數(shù)約為68萬， 如圖1所示.

1.1.2 仿真參數(shù)的設定

模擬計算中， 將空氣假設為可壓縮理想氣體； 湍流計算模型采用標準k-ε模型. 邊界條件主要有進出口邊界和固體壁面， 其中氣道進出口邊界采用壓力邊界， 進口壓力值設為100 kPa， 溫度為293 K； 出口設為靜壓， 進出口采用定壓差法， 取值為3.5 kPa. 模型壁面采用標準壁面函數(shù)， 速度設為絕熱無滑移邊界條件.

1.2 仿真模擬結果

模擬結果采用AVL評價方法對進氣道的流通能力和形成渦流能力進行評價. 其中流量系數(shù)μσ和渦流比SR的求解公式分別如下.

圖2 氣道-氣門-氣缸流線圖Fig.2 The motion pattern of air path and valve and air cylinder

式中:n為假定柴油機轉(zhuǎn)速， 即假定活塞平均速度Cm與模擬氣缸內(nèi)氣流軸向速度ua相等時所對應的柴油機轉(zhuǎn)速， r·min-1；nD為葉片風速儀測得的轉(zhuǎn)速， r·min-1.

將各氣門升程下的螺旋進氣道-氣門-氣缸網(wǎng)格模型導入到Fluent中進行邊界設定及穩(wěn)態(tài)模擬計算， 得到各升程下的流量系數(shù)和渦流比， 如表1所示， 該值將作為RD190柴油機工作過程一維模擬所需的參數(shù)量. 圖2為最大氣門升程下氣道-氣門-氣缸三維流線圖， 由圖可見， 進入氣缸的氣流主要分成兩部分， 大部分為繞氣門中心旋轉(zhuǎn)的螺旋氣流， 另一部分為切向氣流. 兩種氣流在氣門附近匯合， 使得氣門附近氣流流動紊亂， 氣流速度、 壓力以及湍動能變化劇烈， 以致影響氣道流動性能.

表1 各氣門升程的流量系數(shù)和渦流比

2 進氣道穩(wěn)態(tài)CFD模擬計算可靠性驗證

2.1 柴油機工作過程一維模擬模型的建立

根據(jù)RD190柴油機結構建立了工作過程一維Gt-power模型， 如圖3所示. 模型中從入口邊界到出口邊界主要的模塊有空濾器、 進氣管、 氣門、 噴油嘴、 氣缸、 曲軸箱和排氣管等； 而消聲器模塊， 由文獻[6]知消聲器對柴油機動力性能影響甚微， 故模型中將其省去. Gt-power建模是通過定義各模塊結構參數(shù)和性能參數(shù)來求解柴油機整機動力性能[7]， 模型中主要的結構參數(shù)如表2所示， 性能參數(shù)中氣缸燃燒和傳熱模型采用三元韋伯模型， 其經(jīng)驗參數(shù)設定為著火延遲期為3 ms， 燃燒持續(xù)角分別為2°、 35°以及40°； 而計算中所需的氣道各進氣門升程下的流量系數(shù)和渦流比由上述三維穩(wěn)態(tài)模擬計算得到， 其他參數(shù)根據(jù)實驗測定或參考相似機型數(shù)據(jù)進行設定.

圖 3 RD190柴油機工作過程一維模擬模型Fig.3 One-dimensional cycle dynamic model

主要參數(shù)參數(shù)值d氣缸×l行程/mm×mm90×85壓縮比18∶1l連桿/mm132t氣門間隙/mm進氣門0．3，排氣門0．4

注：以單缸下置凸輪四沖程風冷柴油機為研究對象

2.2 RD190柴油機工作過程一維模擬結果

圖4為柴油機工作過程一維模擬外特性模擬值與試驗值的對比圖， 從圖中可以看出， RD190柴油機在轉(zhuǎn)速為800～2 400 r·min-1工況下， 模擬計算測得的有效功率、 有效扭矩以及燃油消耗率與臺架試驗值的相對誤差均小于6%， 模擬值與試驗值吻合良好， 驗證了上述參數(shù)值和進氣道穩(wěn)態(tài)CFD模擬計算的可靠性.

(a) 扭矩特性對比 (b) 功率特性對比 (c) 燃油消耗率對比圖 4 外特性仿真結果與試驗結果對比Fig.4 The comparison of the external characteristic simulation results and the test results

3 氣門桿形狀對進氣流動的影響

3.1 氣門桿形狀方案設計

在進氣系統(tǒng)設計中， 氣門桿的設計需要考慮的因素較多， 如要盡可能小的影響進氣流動， 保證配氣系統(tǒng)動力學穩(wěn)定性以及可加工性， 所以氣門桿的優(yōu)化空間有限. 由于螺旋氣道中氣體通過氣門桿是圓柱繞流問題， 為減小繞流對螺旋進氣道流通性能的影響， 以及研究氣門桿對氣流的導流作用， 本文對進氣門桿在螺旋進氣道部分進行橢圓處理. 為方便研究， 將處理方案用氣門桿截面比表示， 即進氣門桿截面同氣門桿座截面面積之比， 其計算公式為：

式中:κ為氣門桿截面比；Sg為橢圓進氣門桿截面面積， mm2；Sz為氣門桿座截面面積， mm2.

根據(jù)RD190柴油機實際結構， 設計了6個氣門桿截面比方案， 如表3所示. 對各氣門升程下螺旋進氣道模型進行數(shù)值模擬計算.

3.2 流通性能評價

為更好地評價氣門桿形狀對缸內(nèi)氣體流動的影響， 引入了平均流量系數(shù)(μσ)m和平均渦流比(SR)m兩個評價量， 二者的計算公式[8]如下：

式中:α為曲軸轉(zhuǎn)角， rad；C(α)是曲軸轉(zhuǎn)角為α時的活塞瞬時速度， m·s-1；Cm為活塞平均速度， m·s-1； 活塞瞬時速度C(α)與活塞平均速度Cm的比值計算公式如下：

式中:λ為連桿比， mm.

利用Matlab對試驗測得的凸輪升程數(shù)據(jù)進行N次諧波擬合， 求解得到氣門升程曲線. 采用多項式曲線擬合， 將各氣門升程下的流量系數(shù)轉(zhuǎn)化成隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的流量系數(shù)函數(shù)， 其中擬合平方誤差為1.2%. 將流量系數(shù)函數(shù)代入式(4)， 通過復合辛普森積分計算得到各方案的平均流量系數(shù). 平均渦流比的計算采用三次樣條函數(shù)擬合求得渦流比函數(shù)， 再將渦流比函數(shù)代入式(5)中積分求得.

3.3 仿真計算結果分析

各方案的計算結果如表3所示， 方案平均流量系數(shù)以及平均渦流比的變化趨勢如圖5所示. 從圖5可以看出， 截面比在0.22～0.30時， 隨著截面比的增加， 平均流量系數(shù)不斷增大， 而所有平均流量系數(shù)值都低于原方案值； 截面比在0.30～0.34時， 隨著截面比的增加， 平均流量系數(shù)先急劇增大后減小， 此截面比范圍內(nèi)的平均流量系數(shù)值都大于原方案值. 當截面比為0.317時， 平均流量系數(shù)值最大， 其相對原方案值提高了2.81%.

表 3 進氣門桿截面比對缸內(nèi)流動特性的影響

注：vX表示氣門最大升程下截面X平均速度

(a) 平均流量系數(shù)變化趨勢 (b) 平均渦流比變化趨勢圖5 平均流量系數(shù)與平均渦流比變化趨勢Fig.5 The variation tendency of average flow coefficient and average swirl ratio

平均渦流比隨截面比的變化趨勢相對平均流量系數(shù)有所不同， 當截面比在0.22～0.30時， 平均渦流比隨截面比的增加不斷增大， 當截面比為0.299時， 達到最大值0.861 4， 其相對原方案值提高了9.98%； 而在0.30～0.34時， 平均渦流比隨截面比的增加急劇減小， 最后達到最小值0.329 8. 所以， 合理選擇進氣門桿同氣門桿座截面比， 可以保證進氣道平均流量系數(shù)變化不大的情況下， 提高缸內(nèi)的平均渦流比. 截面比在0.28～0.30時， 平均流量系數(shù)降低不到1%， 而平均渦流比可提高4.42%～9.98%， 此時處于最佳區(qū)域. 分析認為， 氣門桿同氣門座截面比的變化， 直接影響螺旋氣流與切向氣流的分配比例， 導致氣門桿后氣流的回流渦發(fā)生變化， 影響進氣道的流動特性.

圖6為各截面比缸內(nèi)氣流流線圖. 由圖可見， 當截面比在0.22～0.30時， 在橢圓形氣門桿的導流下， 氣流經(jīng)螺旋段進入氣缸形成的螺旋氣流增加， 切向氣流減小， 在氣門后螺旋氣流與切向氣流交匯形成的回流渦減小， 氣流阻塞降低， 氣流速度增大， 渦流比和流量系數(shù)得到了提高； 當截面比在0.30～0.34時， 氣門桿截面增加， 使得氣道有效截面縮小過多， 大部分氣流直接經(jīng)氣門流入氣缸， 形成切向氣流， 碰撞氣缸壁后的切向氣流同螺旋氣流交匯， 在氣門后形成的回流渦增強， 氣流紊流加劇， 湍動能損失增加， 氣流流速減小， 渦流比降低.

圖6 各方案氣流流線圖Fig.6 The air motion pattern of each scheme

圖7 各方案X截面的平均速度 Fig.7 Average speed of X cross section of each scheme

氣門最大升程下， 過氣門和氣缸中心取截面X， 求得各截面比方案在截面上的平均速度， 其值如表3所示， 變化趨勢如圖7所示. 由圖7可知， 當截面比在0.22～0.30時， 隨著截面比的增加，X截面上的平均速度呈遞增趨勢， 在截面比為0.299時， 達到最大； 當截面比在0.03～0.34時，X截面的平均速度不斷減?。?上述變化趨勢應證了圖5分析.

4 結論

1) 采用穩(wěn)態(tài)CFD模擬研究了柴油機螺旋進氣道流動特性， 并用柴油機整機一維動力性能模擬結果同試驗值的對比， 驗證了穩(wěn)態(tài)CFD模擬方法的可靠性. 三維CFD模擬求解一維動力性能模擬所需的進排氣道流量系數(shù)和渦流比； 一維模擬求解三維模擬的邊界條件和柴油機動力性能參數(shù)， 同試驗值比較驗證CFD模擬的準確性.

2) 通過研究進氣門氣門桿橢圓處理對進氣道流動特性的影響表明： 隨著氣門桿截面同氣門桿座截面比的增加， 平均流量系數(shù)和平均渦流比的變化趨勢都為先增大后減小， 截面比在0.28～0.30時， 進氣道平均流量系數(shù)變化不大， 而平均渦流比增加明顯.

3) 進氣門氣門桿橢圓處理， 其截面比的變化直接影響氣門的導流作用， 導致螺旋氣流與切向氣流的分配比例變化， 以致改變氣缸內(nèi)氣流的均勻性以及氣門桿后的回流狀態(tài)， 進而影響柴油機燃燒過程.

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(責任編輯： 林曉)

Research on inlet flow characteristics in diesel engine and the impact of the shape of the intake valve stem on the inlet flow characteristics

YANG Zhifeng, GUI Jialin, ZHU Guangyu

(College of Mechanical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou, Fujian 350116, China )

The stead-state CFD simulations model of a RD190 diesel engine in helical inlet ports was established and the flow characteristics were studied. The swirl ratio of cylinder, the flow coefficient of intake ports and the engine performance were calculated. Meanwhile, The influence of the shape of the intake valve stem on inlet flow characteristics in diesel engine was analyzed with the three-dimensional CFD simulation platform. The results indicate that the average flow coefficient and average swirl ratio increase first and then decrease with section ratio increasing. The average flow coefficient change a little in relative to the value of the original program with the section ratio in range of 0.28 to 0.3, and the maximum increase of the average swirl ratio is 9.98%.

diesel engine; helical intake port; intake valve stem; swirl ratio

10.7631/issn.1000-2243.2015.04.0500

1000-2243(2015)04-0500-06

2014-06-09

朱光宇(1970-)， 教授， 主要從事優(yōu)化設計，智能制造等研究， zhugy@fzu.edu.cn

福州市科技計劃項目(2012-G-131)； 福建省教育廳科技項目(JK2013006)

TK424.44

A