擠流對汽油機燃燒過程影響的數(shù)值模擬研究

黃忠文　秦際宏　藍志寶　葉年業(yè)　穆建華　梁源飛（上汽通用五菱汽車股份有限公司　廣西　柳州　545007）

擠流對汽油機燃燒過程影響的數(shù)值模擬研究

黃忠文秦際宏藍志寶葉年業(yè)穆建華梁源飛
（上汽通用五菱汽車股份有限公司廣西柳州545007）

為研究擠流對進氣道噴射汽油機燃燒過程的影響，應(yīng)用三維CFD軟件AVL-FIRE對具有三種不同頂面形狀活塞的燃燒室的進氣及燃燒過程進行了多維數(shù)值模擬計算。計算研究了擠氣面積和擠氣間隙對缸內(nèi)速度場、濃度場、湍動能場及放熱率、平均有效壓力、燃燒持續(xù)期等缸內(nèi)燃燒特征參數(shù)的影響。CFD分析表明：合理設(shè)計燃燒室活塞頂面形狀，可以在壓縮上止點附近形成較強擠流，促進缸內(nèi)燃燒。擠流對組織缸內(nèi)氣流運動、提高點火時刻火花塞附近湍流強度以及改善發(fā)動機燃燒都有較大作用。

汽油機燃燒室擠流數(shù)值模擬

引言

組織良好的缸內(nèi)氣流運動可以改善燃燒過程，從而改善內(nèi)燃機的動力性、經(jīng)濟性以及降低排放。利用燃燒室結(jié)構(gòu)在壓縮上止點形成強烈擠流并迅速轉(zhuǎn)化為湍動能，是汽油機組織缸內(nèi)氣流運動的重要途徑[1～3]。因此對汽油機燃燒室結(jié)構(gòu)進行改進設(shè)計，合理設(shè)計燃燒室活塞頂面形狀，對改善發(fā)動機性能尤為重要[4，5]。

通過對內(nèi)燃機內(nèi)部氣體流動的多維數(shù)值模擬，不僅可以獲得缸內(nèi)的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及運行參數(shù)對缸內(nèi)流動特性的影響，而且還可以得到其內(nèi)部流場的大量信息，為燃燒室的改進提供可靠的依據(jù)[6]。本文以某三缸進氣道噴射汽油機為研究對象，在保證壓縮比不變的前提下，改變活塞頂面形狀，建立了三個燃燒室模型，應(yīng)用AVL-FIRE軟件對其缸內(nèi)燃燒過程進行了數(shù)值模擬計算，研究了擠氣面積和擠氣間隙對發(fā)動機缸內(nèi)氣流運動和燃燒過程的影響，為汽油機燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)。

1　計算模型及方案

1.1模型建立

本文以某三缸進氣道噴射汽油機為研究對象。為減少計算量，選取一缸建立三維模型，主要由進排氣道、進排氣門、氣門座圈、燃燒室和活塞頂組成。發(fā)動機的基本參數(shù)如表1所示。

表1發(fā)動機基本參數(shù)

圖1　 各計算域模型

1.2初始條件和邊界條件

內(nèi)燃機工作過程的三維瞬態(tài)模擬要求必須準確地給出初始條件和邊界條件。本文定義進、排氣門和活塞為移動壁面，其他為固定壁面。進、排氣道和缸內(nèi)的邊界條件取自GT-Power仿真結(jié)果。初始條件也根據(jù)一維結(jié)果分別對進、排氣道和缸內(nèi)賦值，具體定義見表2。

表2邊界條件

1.3不同燃燒室方案

設(shè)計緊湊的燃燒室，合理組織壓縮上止點附近的氣流運動，對于改善燃燒過程，進而提高發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性及降低排放具有決定性的作用[7～9]。

本文所研究的汽油機燃燒室的缸蓋部分如圖2所示，僅在進排氣側(cè)（即X方向上）有擠氣結(jié)構(gòu)。相對于缸蓋來說，汽油機活塞比較容易拆卸與更換，因此我們選擇改變活塞頂面形狀來改變?nèi)紵医Y(jié)構(gòu)。

圖2　燃燒室缸蓋部分

在保證發(fā)動機壓縮比不變的條件下，改變活塞頂面形狀，設(shè)計了三種不同結(jié)構(gòu)的燃燒室，如圖3所示，燃燒室的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。

圖3　燃燒室?guī)缀涡螤睿╕方向）

本文定義360°CA為壓縮上止點，計算轉(zhuǎn)速為5500r/min。模擬計算從255°CA開始，計算到860°CA時停止。

為節(jié)省計算時間，將計算域分為如圖1所示的四個部分：從計算開始到進氣門開啟這一階段所采用的模型稱為IntakePort；從進氣門開啟到排氣門關(guān)閉這一階段所采用的模型稱為Ports-Chamber；從排氣門關(guān)閉到進氣門關(guān)閉這一階段所采用的模型稱為IntakePort-Chamber；從進氣門關(guān)閉到計算終點這一階段所采用的模型稱為Chamber。

本文在Piston A的基礎(chǔ)上，改變活塞頂面部分關(guān)鍵尺寸得到其它兩個燃燒室Piston B和Piston C：在Piston A的基礎(chǔ)上，保持擠流口角度不變，增大擠氣面積，減小擠氣間隙，同時為保證壓縮比不變，將活塞頂面往下拉伸以增大燃燒室深度，得到帶“凹穴”的Piston B；在Piston A的基礎(chǔ)上，保持擠氣面積不變，減小擠氣間隙和擠流口角度，得到Piston C。

表3　三種燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.4數(shù)值模型

計算中采用的數(shù)學(xué)模型如表4所示。其中，湍流模型采用四方程模型k-ζ-f，該模型的計算精度和穩(wěn)定性均較好，但是計算量相比雙方程k-ε要大15%左右[10]。主要控制方程為：

湍流長度尺度：

c）TDC圖4　各燃燒室缸內(nèi)速度場分布對比（Y方向）

式中：ρ為密度；k為湍動能；Pk為湍動能生成項；ε為湍動能耗散率；μ為動力黏性系數(shù)；μt為渦黏性系數(shù)；ζ為速度尺度比率；f為橢圓松弛函數(shù)；v為運動黏性系數(shù)；其他均為模型常數(shù)。

表4計算采用的數(shù)學(xué)模型

噴霧模型采用KHRT燃油破碎模型、Dukowicz液滴蒸發(fā)模型和Walljet2液滴撞壁模型。燃燒模型采用Extended Coherent Flame Model（ECFM）模型，對于汽油機而言，該模型物理意義清晰準確，計算精度和收斂性較好。計算采用默認的松弛因子，對動量方程采用MINMOD Relaxed差分格式，對連續(xù)方程采用CentralDifferencing差分格式，能量等方程采用Upwind差分格式，為了更好地判斷計算的斂散性，對計算殘差進行實時監(jiān)控。

2　計算結(jié)果與分析

2.1缸內(nèi)流場對比分析

汽油機缸內(nèi)的氣流運動對油氣混合、火焰?zhèn)鞑ザ加泻艽蟮挠绊慬11]。由于擠流的產(chǎn)生是在壓縮行程末期，因此選取700°CA～720°CA進行對比分析，如圖4所示。

可以看出，Piston A進氣過程中產(chǎn)生的氣流運動受到活塞頂擠氣面產(chǎn)生的擠氣流動影響相對較小，上止點附近缸內(nèi)湍流速度比較均勻，擠流效果不明顯。Piston B在壓縮行程中進排氣兩側(cè)形成了較強的斜向上壓縮擠流，與進氣過程形成的滾流相互影響，在燃燒室內(nèi)中間區(qū)域形成較強的旋流運動，點火時刻火花塞位置附近氣流運動較強。Piston C由于減小了擠氣間隙和擠流口角度，氣缸蓋附近和活塞頂面附近的缸內(nèi)氣體流動得到增強，并在火花塞位置附近形成了較強的氣流運動，活塞運動到壓縮上止點時火花塞位置附近氣流速度降低而進排氣兩側(cè)氣流運動明顯加強。

2.2缸內(nèi)湍動能場對比分析

發(fā)動機缸內(nèi)火焰?zhèn)鞑ナ芨變?nèi)湍流運動的影響，點火時刻前缸內(nèi)的湍流強度對于火核形成和火焰的傳播將起到很大的作用。在壓縮行程的前期，活塞頂面形狀對缸內(nèi)流場的影響并不明顯，所以本文重點分析在壓縮過程后期缸內(nèi)湍動能的分布變化。由于火花塞點火時刻是在700°CA，所以火花塞點火前后即695°CA～705°CA時缸內(nèi)的湍動能分布尤其重要，如圖5所示。

可以看出，火花塞點火時刻前后Piston C缸內(nèi)湍動能最大，Piston B由于燃燒室深度較大導(dǎo)致其缸內(nèi)湍動能相對Piston C略低一些，但點火時刻缸內(nèi)湍動能較大區(qū)域更靠近火花塞位置附近，Piston A缸內(nèi)湍動能最低且偏離火花塞位置附近。

圖5　點火時刻缸內(nèi)湍動能分布對比

2.3燃燒特征參數(shù)對比分析

首先比較各燃燒室方案的瞬時放熱率曲線和缸壓曲線，如圖6所示。

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，相對于Piston A，Piston B和Piston C的放熱率峰值和最大缸內(nèi)爆發(fā)壓力都有所提高，對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角也都有所提前，說明增強缸內(nèi)氣流運動有利于點火之后火焰的迅速傳播，從而改善燃燒過程。從上圖還可以看出，Piston C的放熱率峰值和最大缸內(nèi)爆發(fā)壓力所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角與Piston B非常接近，但其值均高于Piston B，聯(lián)系圖4和圖5進行分析，可知在缸內(nèi)氣流運動基本相同的條件下，提高缸內(nèi)湍流強度可以明顯提高放熱率峰值和最大缸內(nèi)爆發(fā)壓力，從而提高汽油機的動力性。

燃燒過程可以按照已燃質(zhì)量分數(shù)分為火焰發(fā)展期和快速燃燒期。比較各燃燒室方案的火焰發(fā)展期和快速燃燒期，如圖7所示。

從上圖可以看出，Piston A擠流效果不明顯，缸內(nèi)氣流運動不強，點火時刻缸內(nèi)湍動能最低且偏離火花塞位置附近，導(dǎo)致最終其火焰發(fā)展期和快速燃燒期最長，燃燒速度最慢。Piston B和Piston C擠流效果較好，壓縮行程末期缸內(nèi)氣流運動較強，點火時刻缸內(nèi)湍動能較大且較大區(qū)域更靠近火花塞位置附近，最終燃燒速度與Piston A相比均明顯加快。對比Piston B和Piston C還可以看出，Piston B雖然點火時刻缸內(nèi)湍動能較大區(qū)域更靠近火花塞位置附近，但由于燃燒室深度較大導(dǎo)致其缸內(nèi)平均湍動能相對Piston C略低一些，最終Piston B火焰發(fā)展期較長而快速燃燒期基本相同。

a）瞬時放熱率對比

圖6　瞬時放熱率曲線與缸壓曲線對比

圖7　火焰發(fā)展期和快速燃燒期對比

3　結(jié)論

本文采用三維CFD軟件AVL-FIRE，通過改變活塞頂面形狀，研究了擠流對汽油機缸內(nèi)氣流運動及燃燒過程的影響，得出以下結(jié)論：

1）燃燒室結(jié)構(gòu)對組織缸內(nèi)氣流運動影響較大。Piston A進氣過程中產(chǎn)生的氣流運動受到活塞頂擠氣面產(chǎn)生的擠氣流動影響相對較小，擠流效果不明顯，Piston B和Piston C在缸內(nèi)組織了較強的氣流運動，擠流效果相對較好。

2）由缸內(nèi)燃燒特征參數(shù)對比分析可知，Piston B 和Piston C的放熱率峰值和最大缸內(nèi)爆發(fā)壓力相對于Piston A都有所提高，對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角也都有所提前，說明增強缸內(nèi)氣流運動有利于點火之后火焰的迅速傳播，從而改善燃燒過程。

3）對比分析Piston B和Piston C可知，在缸內(nèi)氣流運動基本相同的條件下，縮小燃燒室深度可以提高缸內(nèi)湍流強度，提高放熱率峰值和最大缸內(nèi)爆發(fā)壓力，從而提高汽油機的動力性。

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Numerical Analysison the Effectof Squish Flow on the Combustion Processof a Gasoline Engine

Huang Zhongwen，Qin Jihong，Lan Zhibao，Ye Nianye，Mu Jianhua，Liang Yuanfei （SAIC-GM-Wuling Automobile Company Limited，Liuzhou，Guangxi，545000，China）

In order to study the effectof squish flow on combustion characteristic in a PFIgasoline engine，the combustion processes of three combustion chambers with different piston crowns are numerically studied using the three-dimensional CFD software AVL-FIRE.The effects of squish area and squish clearance on flow velocity field,concentration field，turbulent kinetic energy field and combustion characteristic parameterssuch asheat release rate，mean pressure and combustion duration are researched. Results indicate that for the combustion chamberwith reasonable designed piston crown,the squish flow is formed in the vicinity of TDC,which is helpful to the enhancementof combustion.Squish flow has a great influence on organizing the airmotion in cylinder，increasing the turbulence intensity around the spark plugatignition timing and improving the combustion process.

Gasoline engine，Combustion chamber，Squish flow，Numericalsimulation

TK412

A

2095-8234（2015）01-0031-05

黃忠文（1968-），男，本科，高級工程師，主要研究方向為發(fā)動機總體技術(shù)。

（2014-05-22）