火花塞對汽油機缸內(nèi)湍流的影響

王秦燕，汪春梅，錢葉劍，張夢圓，遲昊

(合肥工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

對于火花點火發(fā)動機，由于火花塞靠近進氣門，它對進氣射流的流動以及缸內(nèi)渦團的形成與發(fā)展有著重要的導(dǎo)向作用；同時活塞接近上止點時火花塞附近的氣流特性對火核形成與發(fā)展以及火焰的傳播都有著較大的影響[1-3]。若火花塞處于高速氣流區(qū)，不易形成穩(wěn)定的火焰核心，火焰容易熄滅。另外，若火花塞附近的湍流強度適當(dāng)，可以加強火花塞電極與可燃混合氣分子間的碰撞概率，提高著火階段的燃燒化學(xué)反應(yīng)速度，使熱量和活性中心的累積速度加快，易于形成火焰核心[4-5]。因此，火花塞附近的氣流應(yīng)為低速且有合適的湍流強度。

目前，火花塞結(jié)構(gòu)對缸內(nèi)湍流的影響情況尚不明確，有待進一步的研究。而且隨著稀燃技術(shù)[6]的發(fā)展，為促進混合氣可靠著火，缸內(nèi)湍流特性研究越來越重要[7-9]。同時隨著均質(zhì)壓燃(HCCI)、活性控制壓燃(RCCI)、預(yù)混壓燃(PCCI)[10-11]等新型壓燃技術(shù)的興起，火花塞的取消如何影響缸內(nèi)湍流狀態(tài)也是研究者關(guān)注的焦點。

為了探究火花塞對缸內(nèi)湍流的影響，本研究運用三維仿真軟件建立了汽油缸內(nèi)直噴(GDI)發(fā)動機冷態(tài)仿真模型，研究分析了原機火花塞、無火花塞、加深火花塞和加大火花塞等不同結(jié)構(gòu)對缸內(nèi)湍流特性，特別是缸內(nèi)渦流的形成與發(fā)展和湍動能的影響，探明缸內(nèi)湍流流動結(jié)構(gòu)和演化過程的基本規(guī)律。

1 模型的建立及計算邊界條件

1.1 發(fā)動機參數(shù)

模擬對象為一款排量為 1.5 L 4氣門缸內(nèi)直噴汽油機，火花塞中央布置，主要參數(shù)見表 1。對發(fā)動機2 000 r/min冷態(tài)情況下的缸內(nèi)流動狀況進行了仿真計算。計算網(wǎng)格見圖1，網(wǎng)格的基本尺寸為1.395 mm。

表1 發(fā)動機主要參數(shù)

圖1 網(wǎng)格模型

1.2 計算模型的建立和算法

選用三維仿真軟件來研究發(fā)動機缸內(nèi)流動燃燒過程，各參數(shù)及計算模型[12]見表 2。研究了無火花塞、標(biāo)準(zhǔn)火花塞、加深火花塞(加深3 mm)以及加大火花塞(1.5倍)(見圖2)對缸內(nèi)流場的影響，為了對火花塞附近區(qū)域局部的流場進行更詳細的分析，對發(fā)動機火花塞附近區(qū)域網(wǎng)格進行了局部加密處理[13]。模擬GDI發(fā)動機的進氣和壓縮沖程，對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為330°～720°，其中壓縮上止點為720°。

表2 計算模型

圖2 網(wǎng)格劃分

1.3 邊界和初始條件

模擬研究主要涉及冷態(tài)流場，邊界和初始條件采用冷態(tài)條件下的經(jīng)驗值(見表3)。該款發(fā)動機進氣門的開啟和關(guān)閉時刻分別為330.5°和 579.3°。

表3 邊界和初始條件

2 計算結(jié)果分析

2.1 模型的驗證

圖3示出了模型計算和試驗測量的缸內(nèi)壓力對比?？梢钥闯瞿M數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)整體趨勢一致，吻合較好，只有少許局部數(shù)值不同，但誤差在許可范圍以內(nèi)。因而可以認為本研究的缸內(nèi)三維計算所選用的模型和計算方法合適，達到了滿意的計算精度，可以進行缸內(nèi)湍流模擬計算研究。

圖3 缸壓對比

2.2 缸內(nèi)氣體速度場分析

在進氣沖程階段，進氣射流對缸內(nèi)湍流場的形成和演變具有決定性的影響。缸內(nèi)流場既有大尺度的宏觀氣體運動，又有局部小尺度的強烈湍流脈動。流場特性可以通過特征截面上流場分布狀態(tài)反映出來。速度場的縱向切面是過進排氣門中心且過火花塞并與缸蓋底平面垂直的截面。

圖4示出了進氣初期360°時氣缸縱向切面缸內(nèi)速度流線圖。從圖4的全局圖可知，在進氣上止點360°時，進氣門開度已經(jīng)增大到一定程度，氣缸內(nèi)外壓差大，進氣射流速度高，最大流速均超過80 m/s。氣流以較大的速度撞擊在氣門桿上，氣流沿氣門四周呈發(fā)散狀進入氣缸，部分氣體撞壁后運動方向變化，并在氣門背面低壓作用下，在進氣門左下側(cè)形成一個明顯的進氣渦流。另一部分靠近氣缸中心的氣流在氣門背壓和燃燒室結(jié)構(gòu)的共同作用下，在進氣門右下側(cè)形成與左側(cè)氣流對應(yīng)、旋向相反的渦旋。同時速度矢量分離產(chǎn)生切向速度并在燃燒室結(jié)構(gòu)的影響下，在排氣門下方形成渦團。由于火花塞在缸內(nèi)所占容積相對較小，4種火花塞下氣流運動、渦團位置及強度基本保持一致。

圖4的局部速度流線圖顯示，4組數(shù)據(jù)在細節(jié)上還存在較大差異，特別是進氣門右側(cè)的流場。圖4a為標(biāo)準(zhǔn)火花塞情況下的速度流線圖，其進氣門右側(cè)射流分離出的切向速度順著原進氣氣流的方向橫向穿過火花塞電極與缸內(nèi)原氣流匯合，流速集中且順暢。圖4b為無火花塞情況下的速度流線圖，由于沒有火花塞的導(dǎo)流，進氣氣流沿著氣流方向發(fā)散開來，射流速度最大，但流向多次出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，進氣門右側(cè)渦團發(fā)生畸變，但不明顯。圖4c和4d的加深/加大火花塞均使進氣氣流不再側(cè)重橫向發(fā)展，而是沿著火花塞電極處分流形成向下/向右的流動，加深火花塞缸內(nèi)流場火花塞右側(cè)氣流撞擊深坑邊界發(fā)生急轉(zhuǎn)，加大火花塞使氣缸中心進氣氣流垂直下行，由于火花塞電極間的間隙大，火花塞右側(cè)與原氣流相切產(chǎn)生多組渦對結(jié)構(gòu)，與前幾組湍流情況明顯不同。由此可見，火花塞對進氣初期缸內(nèi)渦團的形成有重要作用。

圖4 360°時缸內(nèi)速度流線圖

進氣中期，氣門升程接近最大位置時的速度流線見圖5。隨著活塞下行和氣門升程的增大，更多新鮮氣體進入缸內(nèi)，與缸內(nèi)氣流混合，原有渦團從新鮮氣流獲得能量不斷成長，并產(chǎn)生新渦團，大渦團分布不再僅限于氣門下方和燃燒室內(nèi)，而是充斥在整個缸體內(nèi)部。圖5a顯示標(biāo)準(zhǔn)火花塞氣缸中心存在一個主要的強渦團，圖5b顯示無火花塞氣缸內(nèi)部存在3個稍小的核心渦團，圖5c顯示加深火花塞在左右兩側(cè)均有一個強度相當(dāng)?shù)臏u團，圖5d顯示加大火花塞缸內(nèi)渦流分布相對均勻，有5～6個相差不大的渦流均勻分布在氣缸內(nèi)。對比4種結(jié)構(gòu)的缸內(nèi)湍流，加大火花塞的缸內(nèi)湍流更有利于燃氣的混合。由圖5局部速度流線圖可知，450°時氣門下行的深度已經(jīng)超過了4組火花塞尺寸，氣流直接由火花塞下側(cè)進入缸內(nèi)，此時缸內(nèi)容積遠遠大于火花塞體積，火花塞對新鮮充量的影響明顯減弱，但先期形成的渦團對后期缸內(nèi)流場的發(fā)展依舊存在著深遠影響。

圖6示出了壓縮沖程中缸內(nèi)速度流線圖。隨著氣門升程的減小，進氣強度減弱，活塞下行，缸內(nèi)容積不斷增大，大尺寸渦團不斷拉伸、破碎，演變?yōu)槎鄠€小尺寸渦團，缸內(nèi)流速降低到15 m/s。當(dāng)活塞運行到下止點附近，大、小渦團相繼破裂，數(shù)量明顯減少。從圖6可以看出，各圖在氣缸左下以及右上部位有兩個主渦流，其他地方散布一些小尺寸渦團。在壓縮沖程，由于活塞的壓縮以及湍流的耗散，缸內(nèi)渦團相繼破碎耗散，說明此階段內(nèi)流場整體運動有所削弱。當(dāng)氣門關(guān)閉后氣缸內(nèi)存在統(tǒng)一的流場，流動方向與進氣過程中產(chǎn)生的滾流方向一致，為順時針方向?；钊\動加速了氣缸內(nèi)左側(cè)往上的氣流運動，抵消了氣缸內(nèi)右側(cè)部分向下的氣流運動。流場越來越趨于均勻化，渦團強度也越來越小，渦團不斷破裂、消失。在壓縮沖程中后期，隨著活塞向上運動，氣缸內(nèi)氣體被壓縮到燃燒室內(nèi)，形成擠流，原有的垂直渦流繼續(xù)保持并有向上運動的趨勢。該區(qū)域內(nèi)流場脈動也逐漸加強，產(chǎn)生了新的大尺度渦團，并隨原有的渦團集中于燃燒室內(nèi)部。可以看出，在壓縮沖程前期和中期，由于氣缸容積較大，火花塞所占容積相對更小，渦團分散在缸內(nèi)不同區(qū)域，離火花塞位置較遠。

圖6 壓縮沖程缸內(nèi)速度流線圖

因此，從進氣沖程后期到圧縮沖程初期，火花塞對缸內(nèi)流場無明顯影響。但是，到了壓縮沖程末期，缸內(nèi)容積減小，火花塞的影響會增加，后文會有詳細論述，此處不再贅述。

2.3 缸內(nèi)湍流強度分析

圖7示出缸內(nèi)氣體的平均湍動能隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線。4種方案的湍動能變化趨勢趨于一致，可以看出，火花塞對缸內(nèi)湍動能的影響主要體現(xiàn)在進氣初期，隨著進氣門的關(guān)閉，火花塞對湍動能的影響不再明顯，這與前文對速度場分析結(jié)果一致。

從圖7可以看出，在進氣沖程前期，缸內(nèi)平均湍動能較小，火花塞的影響小，4條湍動能曲線重合。隨著氣門升程的增加，進氣強度不斷加大，缸內(nèi)氣體質(zhì)量以及流場速度顯著增大，強烈的氣體剪切運動使得渦黏系數(shù)增大，大尺度渦團不斷拉伸、破裂，形成大量的小渦團，能量也從大尺度向小尺度方向傳遞，缸內(nèi)湍動能增加，火花塞對湍動能的影響逐漸顯現(xiàn)出來，湍動能曲線開始分離。在進氣門剛開啟的一段時間內(nèi)，氣缸處于高真空度狀態(tài)，進氣以極高的速度進入缸內(nèi)，與缸內(nèi)氣體發(fā)生強剪切作用，湍動能曲線出現(xiàn)第一個峰值，此處曲軸轉(zhuǎn)角為370°。由圖7中的A區(qū)域可知，4種火花塞下的湍動能曲線都達到了峰值，其中標(biāo)準(zhǔn)火花塞發(fā)動機的缸內(nèi)平均湍動能最大值為45 m2/s2，無火花塞和加深火花塞湍動能都為42.81 m2/s2，加大火花塞的湍動能最低，為39.86 m2/s2。這說明火花塞對進氣階段缸內(nèi)流動有很大影響。原因從圖4的速度流線圖可以看出，在氣缸中心位置，無火花塞結(jié)構(gòu)下射流發(fā)散，標(biāo)準(zhǔn)火花塞下射流相對集中，湍動能更大一些；加深火花塞由于在進口處被阻擋，被迫改變流動方向，多數(shù)氣流流向下側(cè)，少數(shù)穿過火花塞電極；加大火花塞由于氣流與火花塞撞擊面積增大，火花塞左側(cè)湍動能大，穿過火花塞后湍動能明顯減小。

圖7 缸內(nèi)平均湍動能

隨著氣門升程的增加，進氣射流速度降低，活塞運動速度減小，高頻速度波動迅速衰減，進氣剪切現(xiàn)象減弱，平均湍動能減小。但是，隨著進氣量的增加，缸內(nèi)流場總體強度上升，平均湍動能再次上升，并在氣門升程達到最大時(460°)再次出現(xiàn)峰值，但比首次峰值小了很多(見圖7B區(qū)域)。可以看出，標(biāo)準(zhǔn)火花塞缸內(nèi)平均湍動能最大，加大火花塞缸內(nèi)平均湍動能次之，無火花塞與加深火花塞差別不大。加大火花塞下缸內(nèi)平均湍動能增加的原因是隨著氣門升程的增大，加大火花塞造成的阻擋作用減少，同時隨著前期生成渦團的流動與發(fā)展，加大火花塞缸內(nèi)渦團更多、更均勻，整體湍動能隨之增加。

在進氣沖程后期，雖然缸內(nèi)工作氣體質(zhì)量仍在增加，但是由于進氣強度的減弱，流場速度下降明顯，湍動能曲線呈現(xiàn)下降趨勢，直至活塞到達下止點時刻。

壓縮沖程前期，進氣階段形成的強剪切運動被削弱，工質(zhì)黏性系數(shù)減小，渦破裂現(xiàn)象減弱。由于不同尺度間的能量傳遞縮小以及小尺度渦團能量的不斷耗散，使得湍動能繼續(xù)減小。壓縮后期，湍流脈動增強，湍流黏性系數(shù)增加，能量不斷地向小尺度方向進行傳遞，使得湍動能不斷增加的同時耗散也在不斷增強。隨著活塞運動速度的降低，加之摩擦作用，湍動能不斷衰減直至活塞到達上止點時刻?；钊浇咏现裹c，湍動能也越弱，因此，在壓縮后期4條曲線又接近重合。

圖8示出了火花塞附近的湍動能。相對發(fā)動機氣缸容積而言，火花塞在缸內(nèi)所占容積很小，雖然火花塞對缸內(nèi)平均湍動能的影響不大，但是對局部湍動能的影響還是很大的。由于缸內(nèi)流動的復(fù)雜性，很難理清造成各湍動能曲線波動的具體原因，但也不難發(fā)現(xiàn)火花塞附近湍動能的變化趨勢與缸內(nèi)平均湍動能變化趨勢一致，波動的產(chǎn)生和進氣射流的存在密切相關(guān)，進氣初期火花塞附近湍動能明顯高于缸內(nèi)平均湍動能。壓縮沖程之后，隨著氣缸容積的不斷縮小，火花塞附近湍動能與缸內(nèi)平均湍動能值越來越接近。

圖8 火花塞附近湍動能

從圖9的700°和720°湍動能云圖可以看出，由于擠流和缸壁摩擦的影響，缸內(nèi)氣體的流動湍動能分布不均勻，氣缸邊緣的湍動能弱，氣缸中部附近的擠流區(qū)域湍動能強。這種湍動能分布特性對于中心點火發(fā)動機有利，因為強烈的缸內(nèi)湍流運動可增大點火初期火焰的傳播速度。其中標(biāo)準(zhǔn)火花塞缸內(nèi)湍動能最大且分布最均勻，無火花塞條件下缸內(nèi)湍動能大的區(qū)域最少，平均湍動能最小，與圖7的缸內(nèi)平均湍動能曲線結(jié)果一致。

圖9 缸內(nèi)平均湍動能云圖

2.4 點火時刻火花塞附近流場分析

圖10示出700°點火時刻火花塞附近速度矢量和湍動能。由速度矢量圖可知，在點火時刻加大火花塞附近的流速最大，原機流速略低一些，加深火花塞和無火花塞流速相似。由于接近上止點，火花塞體積的影響已經(jīng)不能忽視，在不燃燒的情況下，火花塞作為一個障礙物，必然導(dǎo)致缸內(nèi)流速方向和流場分布發(fā)生變化。因此，無火花塞情況下速度流場呈現(xiàn)單向流趨勢，其他3組則發(fā)生了流動方向的變動。標(biāo)準(zhǔn)火花塞附近左側(cè)速度矢量為順時針流，右側(cè)為逆時針流，兩股氣流在點火電極處相遇；加深、加大火花塞附近速度流均呈現(xiàn)順時針流，加大火花塞電極右側(cè)出現(xiàn)了一個明顯的渦團。

由圖10的湍動能云圖可知，點火位置附近，加大火花塞的湍動能最大，加深火花塞次之，無火花塞湍動能最小。缸內(nèi)湍動能的分布非常有層次，活塞中心湍動能大，越靠近氣缸壁，湍動能越小。由于加深、加大火花塞均促使火花塞靠近氣缸中心，二者火花塞附近的湍動能明顯增大。結(jié)合圖8的全局湍動能圖可知，這種變化不僅影響了局部湍動能的分布，還影響到全局湍動能的變化。

圖10 點火時刻火花塞附近速度與湍動能分布

3 結(jié)論

a) 對于缸內(nèi)速度流場，在進氣階段，火花塞位于進氣射流的方向上，對氣流有阻礙與導(dǎo)向作用，影響缸內(nèi)渦團的形成和發(fā)展;隨著氣門升程的縮小及氣缸容積的增大，火花塞對渦流形成的影響明顯減弱；進氣門關(guān)閉至壓縮中期，火花塞對缸內(nèi)流場幾乎沒有影響；壓縮末期，不同火花塞作為障礙物，會造成點火時刻火花塞附近流場分布的不同;

b) 對于缸內(nèi)湍動能分布，湍動能的大小與缸內(nèi)流場的分布密切相關(guān),越靠近壁面湍動能越小，缸內(nèi)有渦團的位置湍動能會大一些;在進氣過程中，火花塞對湍動能的影響最大，火花塞附近的湍動能波動也最劇烈，進氣沖程后期影響變小;4種火花塞結(jié)構(gòu)的缸內(nèi)平均湍動能很接近，但是局部細節(jié)存在區(qū)別;

c) 不同火花塞結(jié)構(gòu)對缸內(nèi)流場的影響較大,其中，標(biāo)準(zhǔn)火花塞結(jié)構(gòu)下，火花塞附近速度較小，湍動能最大，流場分布情況有利于火焰的快速傳播。

參考文獻：

[1] 謝楓.火花塞對缸內(nèi)汽油直噴增壓發(fā)動機油氣混合影響研究[J].內(nèi)燃機,2014(5):1-5.

[2] Johansson B.Influence of the velocity near the spark plug on early flame development[C].SAE Paper 930481，1993.

[3] Witze P O.The effect of spark location on combustion in a variable-swirl engine[C].SAE Paper 820044，1982.

[4] 王賀武,黃彪.火花點火發(fā)動機火花塞附近紊流運動規(guī)律的研究[J].西安公路交通大學(xué)學(xué)報,1998(1):62-66.

[5] 陳淑萍,蔣德明.點燃式發(fā)動機火花塞附近湍流運動規(guī)律的研究[J].車用發(fā)動機,1993(4):6-12.

[6] 高淑彥.汽油機稀薄燃燒與缸內(nèi)直噴技術(shù)[J].民營科技,2016(8):36.

[7] 秦文瑾.內(nèi)燃機缸內(nèi)湍流特性及其循環(huán)變動的大渦模擬與本征正交分解研究[D].大連：大連理工大學(xué),2014.

[8] 馮明志,許振忠,李玉峰,等.四氣門火花點火式發(fā)動機缸內(nèi)的空氣運動[J].天津大學(xué)學(xué)報,2000(3):355-359.

[9] Burluka A,Hussin E.Effects of large-scale turbulence on cyclic variability in spark ignition engine[J].Experimental Thermal and Fluid Science,2012,43：13-22.

[10] Kokjohn S L,Hanson R M,Splitter D A,et al.Fuel reactivity controlled compression ignition (RCCI):a pathway to controlled high-efficiency clean combustion[J].International Journal of Engine Research,2011,12(3):209-226.

[11] Yao M,Zheng Z,Liu H.Progress and recent trends in homogeneous charge compression ignition(HCCI) engines[J].Progress in Energy and Combustion Science,2009,35(5):398-437.

[12] 劉晶.內(nèi)燃機缸內(nèi)湍流流動的數(shù)值模擬[D].大連：大連理工大學(xué),2007.

[13] 許健.低熱值氣體燃料發(fā)動機燃燒過程及火焰穩(wěn)定性研究[D].北京：北京交通大學(xué),2014.