螺旋/切向氣道相異氣門穩(wěn)流試驗(yàn)與燃燒分析*

張 韋，王應(yīng)肖，彭益源，陳朝輝，蔣倩昱

(1.昆明理工大學(xué)，云南省內(nèi)燃機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650500； 2.云內(nèi)動(dòng)力股份有限公司，昆明 650224)

前言

發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)對燃燒室內(nèi)混合氣的輸運(yùn)和燃燒有重要影響，對改善發(fā)動(dòng)機(jī)油耗[1]、動(dòng)力性[2]和排放特性[3]有重要意義。 對于四氣門、雙進(jìn)氣道的發(fā)動(dòng)機(jī)而言，通常采用雙進(jìn)氣門的對稱布置，利用同一根軸驅(qū)動(dòng)兩個(gè)型線完全一致的進(jìn)氣凸輪，控制氣門運(yùn)動(dòng)[4]。 而對稱雙氣門會(huì)使在相同凸輪軸轉(zhuǎn)角[5]條件下，兩進(jìn)氣門的進(jìn)氣量和進(jìn)氣速度幾乎相同，造成進(jìn)氣流在缸內(nèi)相互劇烈碰撞，氣體的運(yùn)動(dòng)能量相互抵消[6]，從而導(dǎo)致渦流運(yùn)動(dòng)被大幅度削弱，最終影響空氣與燃料混合。 隨著可變氣門技術(shù)的發(fā)展[7]，各國學(xué)者對于利用該技術(shù)改善發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性與排放特性，進(jìn)行了深入研究[8-10]。 相異氣門是在同一凸輪軸轉(zhuǎn)角下，兩個(gè)進(jìn)氣凸輪的升程不同，使得氣門運(yùn)動(dòng)過程中的兩個(gè)進(jìn)氣門開度不同[11]，可對四氣門發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到使渦流比和流量系數(shù)提升的目的。

本文中以配備螺旋/切向雙氣道的D19 共軌柴油機(jī)為研究對象，搭建氣道穩(wěn)流試驗(yàn)臺(tái)，以AVL 定壓差測試方法，進(jìn)行相異氣門穩(wěn)流試驗(yàn)。 穩(wěn)流試驗(yàn)過程中，在氣缸內(nèi)布置用于獲取缸內(nèi)渦流的葉片計(jì)數(shù)器，葉輪布置在距缸蓋1.75 倍氣缸直徑位置，進(jìn)行渦流比的測量；通過層流流量計(jì)對實(shí)際進(jìn)氣流量的測量，并與發(fā)動(dòng)機(jī)的理論進(jìn)氣量進(jìn)行對比，獲取流量系數(shù)；利用渦流比和流量系數(shù)，評價(jià)相異氣門的流動(dòng)性能。 同時(shí)，基于CFD 仿真，分析穿過螺旋/切向氣道相異氣門缸內(nèi)的流場和燃燒特性。 本研究可為螺旋/切向氣道相異氣門的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 相異氣門的氣道穩(wěn)流試驗(yàn)

1.1 相異氣門氣道穩(wěn)流試驗(yàn)臺(tái)的搭建

以D19 型4 氣門、螺旋/切向雙進(jìn)氣道發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對象，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)性能參數(shù)見表1。 氣道穩(wěn)流試驗(yàn)所用氣缸長度為2.5 倍氣缸直徑，葉輪布置在距缸蓋1.75 倍氣缸直徑的位置。 根據(jù)AVL 氣道評價(jià)法[12]，搭建氣道穩(wěn)流試驗(yàn)臺(tái)，如圖1 所示。 將D19 氣道芯盒模型導(dǎo)入3D 打印機(jī)，打印氣道芯盒，通過壓差法進(jìn)行氣道穩(wěn)流試驗(yàn)。

表1 D19 柴油機(jī)主要參數(shù)

穩(wěn)流測試過程中，控制羅茨風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)進(jìn)氣量，使氣道的進(jìn)氣口與穩(wěn)壓箱入口壓差為2.5 kPa，在此條件下可保證缸內(nèi)的氣體流動(dòng)狀態(tài)為充分發(fā)展的湍流，氣門升程L與氣門座內(nèi)徑R之比為0.1 時(shí)的雷諾數(shù)Re大于 6.0×104，此時(shí)氣道-缸內(nèi)形成穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。

圖1 可視化氣道穩(wěn)流試驗(yàn)臺(tái)

1.2 相異氣門氣道穩(wěn)流試驗(yàn)方案

為評價(jià)相異氣門與相同氣門的進(jìn)氣流動(dòng)特性，需分別選取螺旋、切向氣道氣門升程為 8、10 和12 mm 的6 個(gè)組合，采用 AVL 氣道評價(jià)法，進(jìn)氣壓差為2.5 kPa，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的流量系數(shù)和渦流比的對比測試，本文中為描述方便，將螺旋氣道氣門升程12 mm、切向氣道氣門升程12 mm，簡稱為“螺切12/12”。 以此類推穩(wěn)流測試方案的不同氣門升程組合分別為螺切8/8、螺切12/12、螺切8/12、螺切12/8、螺切8/10 和螺切10/8。

圖2 為相異氣門升程示意圖，通過圖1(b)的氣門調(diào)節(jié)裝置來調(diào)節(jié)螺旋/切向氣道進(jìn)氣門開度，使其達(dá)到所需的氣門升程。

圖2 相異氣門升程

1.3 相異氣門流動(dòng)特性分析

通常評價(jià)進(jìn)氣道性能的指標(biāo)有無量綱的流量系數(shù)μσ和渦流比SR兩個(gè)參數(shù)。

流量系數(shù)μσ為

式中:Q為試驗(yàn)中測得的空氣質(zhì)量流量，kg/s；ρ為空氣密度，kg/m3；A為氣門座圈內(nèi)截面面積，m2；v0為氣門出口氣流速度，m/s。

渦流比SR為

式中:nD為葉片風(fēng)速儀轉(zhuǎn)速，r/min；nE為發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬轉(zhuǎn)速，r/min；Vh為氣缸工作容積，m3。

圖3 為相同氣門升程條件下，流量系數(shù)和渦流比隨氣門升程的變化情況。 由圖可見，隨氣門開度增大，進(jìn)氣流速加快，進(jìn)氣流量隨之增加，此時(shí)流量系數(shù)和渦流比均會(huì)不斷增加。 螺切12/12 在流量系數(shù)和渦流比方面，兩者均高于螺切4/4 ～螺切11/11。 因此，在相同氣門升程條件下，想要得到更大的進(jìn)氣流量系數(shù)和渦流比，只需在氣門不與活塞發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉的前提下，盡量增大氣門開度即可實(shí)現(xiàn)。

圖3 相同氣門升程流量系數(shù)與渦流比

圖4 為不同氣門升程條件下的流量系數(shù)和渦流比。 對比6 組不同氣門開度可以發(fā)現(xiàn)，螺切8/8 由于兩個(gè)氣門開度最小，并且開度相同，因此其流量系數(shù)和渦流比均處于最低狀態(tài)。 與相同氣門條件下的流量系數(shù)和渦流比最大的螺切12/12 相比，在相異氣門升程條件下，螺切8/12 的流量系數(shù)有所下降，但渦流比略有提升；而螺切12/8 的流量系數(shù)和渦流比則全面得到提升。 從相同氣門的試驗(yàn)數(shù)據(jù)上來看，在低氣門開度條件下，受氣門節(jié)流的影響，不論是渦流比還是流量系數(shù)都難以提升，而高氣門開度超過10 mm后，則受相同氣門氣流運(yùn)動(dòng)能量相互抵消的影響，導(dǎo)致渦流比和流量系數(shù)提升緩慢。 而對比相異氣門的數(shù)據(jù)可知，螺切8/10、螺切10/8 也無法在渦流比和流量系數(shù)兩個(gè)方面達(dá)到螺切12/12 的水平。 因此，相異氣門策略須圍繞氣門最大開度進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用恰當(dāng)比例的相異氣門，可顯著增強(qiáng)渦流比，對進(jìn)氣量也有促進(jìn)作用。 這是因?yàn)樵谙喈悮忾T升程條件下，兩進(jìn)氣門的進(jìn)氣量和進(jìn)氣速度不相同，在兩氣門進(jìn)氣能夠相互協(xié)同的條件下，氣體的運(yùn)動(dòng)能量并不相互抵消，可使缸內(nèi)氣體流速上升，缸內(nèi)旋轉(zhuǎn)角動(dòng)量增加，達(dá)到使流量系數(shù)和渦流比提升的目的。

圖4 不同氣門升程流量系數(shù)與渦流比

2 相異氣門的CFD 模擬及缸內(nèi)流場分析

2.1 氣道-氣缸CFD 模型的驗(yàn)證

CFD 數(shù)值模擬的工況選為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 200 r/min、100%負(fù)荷。 該工況的單缸循環(huán)供油量為44.2 mg，進(jìn)氣門開啟持續(xù)期為 374°～128°CA BTDC，氣門升程 0 ～12 mm。 氣道-氣缸 CFD 模型如圖5 所示。

圖5 氣道-氣缸CFD 網(wǎng)格模型

缸內(nèi)壓力和放熱率的試驗(yàn)值與模擬值對比如圖6 所示。 由圖可見，模擬計(jì)算值與試驗(yàn)測量值曲線的重合度較好。 因此，本文所構(gòu)建的柴油機(jī)CFD 模型計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確，能夠滿足仿真需求。

圖6 缸內(nèi)壓力與放熱率

2.2 相異氣門的缸內(nèi)流場分析

圖7 為相異氣門升程曲線，可分別實(shí)現(xiàn)螺旋/切向氣道的最大氣門升程在8、12 mm 的調(diào)整。 利用8和12 mm 氣門升程曲線，組合為“螺切8/8”、“螺切8/12”、“螺切 12/8”和“螺切 12/12”4 個(gè)相同和相異氣門升程組合。

圖8 為相異氣門條件下，缸內(nèi)渦流比與湍動(dòng)能的變化曲線。 由圖8(a)可知，缸內(nèi)渦流比第1 個(gè)峰值出現(xiàn)在247°CA BTDC 時(shí)刻，該峰值是由進(jìn)氣運(yùn)動(dòng)所形成，在0°CA TDC 達(dá)到第2 個(gè)峰值，該峰值是活塞上行將氣體壓入燃燒室凹坑，氣體旋轉(zhuǎn)半徑減小，渦流強(qiáng)度增加所形成的。 相異氣門螺切12/8 的渦流比最大，其與螺切8/12 的渦流比都比螺切12/12大，而螺切8/8 最小。 由圖8(b)可知，缸內(nèi)湍動(dòng)能在247°CA BTDC 時(shí)刻達(dá)到最大值，這是由于進(jìn)氣氣流穿過氣門導(dǎo)致湍動(dòng)能的大幅增加，在上止點(diǎn)附近，受活塞運(yùn)動(dòng)的影響湍動(dòng)能會(huì)達(dá)到第2 個(gè)較小的峰值。 湍動(dòng)能呈現(xiàn)螺切12/8＞螺切12/12＞螺切8/12＞螺切8/8 的現(xiàn)象。

圖9 為相異氣門條件下缸內(nèi)進(jìn)氣量。 缸內(nèi)進(jìn)氣量峰值出現(xiàn)在 178°CA BTDC 時(shí)刻，在 128°CA BTDC時(shí)刻，進(jìn)氣門關(guān)閉，進(jìn)氣量不再變化。 進(jìn)氣量大小表現(xiàn)為:螺切12/8＞螺切12/12＞螺切8/12＞螺切8/8。

圖9 進(jìn)氣量

為更加直觀地分析相異氣門的缸內(nèi)流場變化過程，選取進(jìn)氣行程中螺旋/切向氣道相異氣門最大開度時(shí)刻251°CA BTDC 進(jìn)行對比分析。

圖10 為 251°CA BTDC 時(shí)刻缸內(nèi)速度場。 螺切8/8 由于兩個(gè)氣門開度最小，受氣門節(jié)流的影響，進(jìn)氣流量和流速均有所降低，并且由于氣門開度相同，使穿過螺旋氣道和切向氣道的兩股氣流在缸內(nèi)形成對峙，大大削弱了渦流比。 螺切12/12 由于兩個(gè)氣門開度相同、并達(dá)到最大，螺旋氣道的氣流會(huì)過度侵入切向氣道的氣流在缸內(nèi)的流場，造成嚴(yán)重的進(jìn)氣干涉，螺旋氣道的氣流與切向氣道氣流的相互碰撞，同樣導(dǎo)致進(jìn)氣能量的損失，這將限制渦流比和流量系數(shù)的提升。 由于采用相異氣門控制，螺旋、切向氣道兩進(jìn)氣門的進(jìn)氣量和進(jìn)氣速度不相同，螺切8/12通過兩進(jìn)氣道氣流在缸內(nèi)形成相互交錯(cuò)的流動(dòng)，可使氣流在穿過氣道后，在缸內(nèi)流經(jīng)不同的通道，從而避免雙氣道間氣流的嚴(yán)重干涉，達(dá)到提升渦流比的目的。 螺切12/8 雖然通過相異氣門避免了氣道間氣流的嚴(yán)重干涉，但是依然形成了氣道間氣流的對峙，使得螺旋氣道與切向氣道間氣流相互擠壓，限制了流量系數(shù)的進(jìn)一步提升。

圖10 251°CA BTDC 時(shí)刻缸內(nèi)速度場

3 燃燒與排放分析

為準(zhǔn)確分析相異氣門燃燒與排放的變化過程，采用三維Converge 仿真軟件進(jìn)行數(shù)值模擬研究。 SAGE模型為相異氣門的燃燒模型，該模型為燃燒模擬中使用的詳細(xì)化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型，能詳細(xì)描述整個(gè)化學(xué)反應(yīng)。 排放模型是燃燒模型的一個(gè)組成部分，能夠預(yù)測廢氣中各組分的濃度，本研究擬采用的排放模型為NOx模型與碳煙兩步經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?Hiroysau)。

3.1 燃燒分析

圖11 為缸內(nèi)壓力曲線。 由圖可知，在供油量和供油規(guī)律不變的條件下，缸內(nèi)的壓力主要受進(jìn)氣量的影響，進(jìn)氣量的增加，不論是在上止點(diǎn)的壓縮壓力，還是燃燒后的最大爆發(fā)壓力都將增加。 缸內(nèi)壓力呈現(xiàn):螺切12/8＞螺切12/12＞螺切8/12＞螺切8/8。 圖12 為累積放熱量曲線。 累積放熱量大小為:螺切12/8＞螺切 12/12＞螺切 8/12＞螺切 8/8。 與相同氣門條件下螺切12/12 的放熱量相比，螺切12/8的進(jìn)氣量更多，可使大部分燃油與空氣進(jìn)行更充分的混合，且其渦流比更大，因此油氣混合也更加均勻，燃燒更充分，從而導(dǎo)致放熱量的增加。 而螺切8/8 的進(jìn)氣量和渦流比最少，因此其燃燒不充分，放熱量也最低。

圖11 缸內(nèi)壓力

圖12 累積放熱量

3.2 排放分析

圖13 為 NOx生成特性。 由圖13(a)可見，NOx生成量大小排序?yàn)?螺切12/8＞螺切12/12＞螺切8/12＞螺切8/8。 NOx的生成條件主要由燃燒溫度、氧含量和高溫持續(xù)時(shí)間三者決定。 與相同氣門螺切12/12 的 NOx生成量相比，螺切12/8 的進(jìn)氣量較多，氧含量也隨之增加，燃燒更充分，放熱量增加，從而導(dǎo)致缸內(nèi)溫度升高，因此NOx的生成量最多。 螺切8/8 的進(jìn)氣量最少，渦流比最弱，放熱量最低，因此缸內(nèi)溫度低與氧含量減少共同抑制了NOx生成。由圖13(b)可見，與相同氣門條件下螺切12/12 的NOx終值相比，螺切8/8、螺切 8/12、螺切 12/8 的終值分別減少4.8% 、減少2.0%、增加3.0%。

圖13 NOx 生成特性

圖14 為Soot 生成特性。 由圖14(a)可見，Soot生成量大小排序?yàn)?螺切8/8＞螺旋8/12＞螺切12/12＞螺切12/8。 Soot 的生成量大小順序與 NOx的生成量大小順序正好相反，顯示柴油機(jī)在這兩者的排放上出現(xiàn)此消彼長現(xiàn)象(trade off)。 由于Soot 的生成主要受高溫和缺氧的影響，在缸內(nèi)只要不出現(xiàn)失火或低溫燃燒的條件下，進(jìn)氣量越低，則氧濃度越低，也就意味著Soot 的排放會(huì)越高。 與相同氣門螺切12/12 的Soot 生成量相比，螺切8/8 的缸內(nèi)進(jìn)氣量較少，并且其渦流比最小，從而導(dǎo)致油氣混合不充分，同時(shí)伴隨缺氧的狀況，燃燒不充分，生成的Soot最多；而螺切12/8 的進(jìn)氣量和渦流比最大，可保證大部分燃油與空氣的充分混合與燃燒，因此其Soot的生成量最少。 由圖14(b)可見，與相同氣門條件下螺切12/12 的 Soot 終值相比，螺切 8/8、螺切 8/12、螺切 12/8 的 Soot 終值分別增加 23.2%、增加9.6%、減少8.0%。

圖14 Soot 生成特性

圖15 為 CO 生成特性。 由圖15(a)可見，CO生成量大小順序?yàn)?螺切8/8＞螺切8/12＞螺切12/12＞螺切12/8。 CO 的生成量大小順序與Soot 的順序一致，主要是兩者都是受缺氧影響而生成的產(chǎn)物。 由圖15(b)可見，與相同氣門條件下螺切12/12 的 CO 終值相比，螺切 8/8、螺切 8/12、螺切 12/8 的 CO 終值分別增加 13.8%、增加 7.4%、減少10.6%。

通過對燃燒和排放過程分析可知，相異氣門可對發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使流量系數(shù)和渦流比得到全面提升，進(jìn)氣量的增加可使大部分燃油與空氣進(jìn)行更充分的混合，渦流比的提升使油氣混合更加均勻，燃燒更充分，使缸內(nèi)放熱量增加，污染物的排放降低，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)高效清潔燃燒。

圖15 CO 生成特性

4 結(jié)論

(1)基于AVL 評價(jià)法的氣道穩(wěn)流試驗(yàn)結(jié)果顯示，低氣門開度條件下，過小的氣門開度會(huì)顯著影響進(jìn)氣流量，難以發(fā)揮相異氣門優(yōu)勢，相異氣門策略須圍繞氣門最大開度進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用恰當(dāng)比例的相異氣門可明顯增強(qiáng)渦流比，對進(jìn)氣量也有促進(jìn)作用。

(2)在相同低氣門條件下，受兩進(jìn)氣門開度較小的影響，穿過螺旋氣道和切向氣道的氣流在缸內(nèi)形成對峙，使渦流比與流量系數(shù)均難以提升；而隨氣門開度增大，螺旋氣道的氣流會(huì)過度侵入切向氣道氣流在缸內(nèi)的流場，形成嚴(yán)重進(jìn)氣干涉，導(dǎo)致進(jìn)氣能量損失，限制了渦流比和流量系數(shù)的提升。

(3)恰當(dāng)?shù)南喈悮忾T，可使雙進(jìn)氣道氣流充分利用氣缸內(nèi)空間，在缸內(nèi)形成相互交錯(cuò)的流動(dòng)，避免雙氣道間氣流的嚴(yán)重干涉，降低氣體運(yùn)動(dòng)能量損失，達(dá)到提升渦流比與流量系數(shù)的目的。

(4)在螺旋氣道氣門開度最大、切向氣道開度為最大氣門升程2/3 時(shí)，與相同氣門最大氣門升程相比，由于進(jìn)氣量和進(jìn)氣渦流比的增加，使油氣混合更加均勻，燃燒更充分，缸內(nèi)放熱量增加，發(fā)動(dòng)機(jī)排放的Soot 和CO 大幅減少，NOx略有增加。