Mask對(duì)四氣門(mén)汽油機(jī)滾流影響的三維模擬分析

徐露，胡鵬，羅福強(qiáng)

(1.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241000)

能源消耗的日益增加，使各行業(yè)對(duì)節(jié)能的要求越來(lái)越高。就內(nèi)燃機(jī)而言，為推動(dòng)其高效節(jié)能的發(fā)展，世界各國(guó)均提出了越來(lái)越嚴(yán)苛的燃油經(jīng)濟(jì)性法規(guī)。提高燃油經(jīng)濟(jì)性的有效措施之一是提高內(nèi)燃機(jī)的熱效率[1-3]。對(duì)于汽油機(jī)而言，通過(guò)增壓技術(shù)結(jié)合廢氣再循環(huán)，再提高滾流比結(jié)合米勒循環(huán)的技術(shù)策略使得提高燃油經(jīng)濟(jì)性成為可能[4-8]。

滾流是一種旋轉(zhuǎn)軸垂直于氣缸軸線的缸內(nèi)大尺度空氣運(yùn)動(dòng)形式，在進(jìn)氣過(guò)程中形成，在壓縮行程隨著活塞上行在后期破碎成湍流。滾流是汽油機(jī)缸內(nèi)油氣混合的有利條件，對(duì)于直噴汽油機(jī)，高滾流進(jìn)氣系統(tǒng)利于組織良好的缸內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)，對(duì)提高汽油機(jī)的火焰?zhèn)鞑ニ俾?，降低燃燒循環(huán)變動(dòng)，促進(jìn)高效燃燒有重要作用[9-11]。流量系數(shù)和滾流比總是存在著矛盾，因此，高滾流氣道的設(shè)計(jì)原則是在保證適當(dāng)流量系數(shù)的前提下，盡可能提高滾流比。前人通過(guò)CFD數(shù)值模擬對(duì)進(jìn)氣道的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)已經(jīng)作了較多工作，但是已有的研究多是針對(duì)滾流比較低的進(jìn)氣道噴射(PFI)汽油機(jī)的滾流產(chǎn)生情況的分析和改進(jìn)，而對(duì)用于高效直噴汽油機(jī)所用的高滾流比氣道的研究甚少[12-13]。

氣道結(jié)構(gòu)是影響滾流比的主要因素[14]。因此，本研究采用CFD技術(shù)主要研究了高效直噴增壓汽油機(jī)適用的高滾流比進(jìn)氣道的流通特性，通過(guò)改變進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)參數(shù)，改變滾流比，并借助穩(wěn)態(tài)CFD計(jì)算獲得不同氣門(mén)升程下的流量系數(shù)、滾流比以及平均流量系數(shù)和平均滾流比。著重討論了高滾流氣道上增加不同寬度和不同高度的Mask時(shí)，其對(duì)進(jìn)氣過(guò)程的影響[15]。

1 高滾流氣道設(shè)計(jì)

1.1 高滾流氣道結(jié)構(gòu)主要參數(shù)

研究對(duì)象是一臺(tái)混合動(dòng)力車用高熱效率發(fā)動(dòng)機(jī)，為4氣門(mén)增壓缸內(nèi)直噴汽油機(jī)，其主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

對(duì)于增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，由于進(jìn)氣氣流經(jīng)過(guò)壓縮后進(jìn)入氣缸內(nèi)，流量系數(shù)在一定范圍內(nèi)的降低對(duì)最終進(jìn)氣量的影響并不明顯。因此，在一定程度上優(yōu)先考慮提高滾流比。

圖1所示的氣道1為簡(jiǎn)化后的仿真計(jì)算模型(各圖進(jìn)氣道均在左側(cè)，由于進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算，因此不包含完整的燃燒室信息，如活塞等)。該高滾流氣道的主要結(jié)構(gòu)特征：氣道上壁面平直切向，下表面在靠近氣道出口處呈弧形，無(wú)氣門(mén)座，氣道與燃燒室連接處的角度為45°，整個(gè)進(jìn)氣道呈漸縮型。進(jìn)氣道下部與燃燒室形成喉口，阻擋氣流從氣門(mén)口下側(cè)直接流入氣缸，有利于提高正向滾流強(qiáng)度。平直切向的氣道在流動(dòng)過(guò)程中不易出現(xiàn)氣流內(nèi)部擾動(dòng)或避免分離現(xiàn)象，流動(dòng)損失較小。氣道喉口截面上部的氣流分布對(duì)滾流影響較大，因此氣道下部設(shè)計(jì)為弧形導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，增加了氣道出口截面上側(cè)的流量，有利于提高滾流強(qiáng)度。由于采用了無(wú)氣門(mén)座結(jié)構(gòu)，因此減小了喉口截面的縱向高度，有利于增強(qiáng)滾流強(qiáng)度。在氣道1的基礎(chǔ)上增加3種不同寬度的Mask，寬度分別為1 mm，0.5 mm和0.2 mm(見(jiàn)表2)。為了佐證Mask對(duì)進(jìn)氣過(guò)程的影響，在氣道1的基礎(chǔ)上改變氣門(mén)軸線和氣缸中心線夾角與氣門(mén)直徑，分別設(shè)計(jì)了氣道5和氣道6(見(jiàn)圖1和表2)，氣道5和氣道6分別增加0.5 mm寬度的Mask形成氣道7和氣道8。

圖1 無(wú)Mask高滾流氣道結(jié)構(gòu)示意

參數(shù)氣道1氣道2氣道3氣道4氣道5氣道6氣道7氣道8氣門(mén)軸線與氣缸中心線夾角/(°)2020202025152515氣門(mén)直徑/mm2828282826262626Mask寬度/mm 10.50.2 0.50.5

1.2 Mask結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

Mask為在進(jìn)氣道出口下側(cè)氣門(mén)密封帶的位置下方，環(huán)繞氣門(mén)軸線的半圓環(huán)形180°的氣流阻擋結(jié)構(gòu)。Mask寬度定義為Mask壁面與進(jìn)氣門(mén)頭部圓環(huán)端面的距離。Mask結(jié)構(gòu)及其寬度示意見(jiàn)圖2。

圖2 Mask結(jié)構(gòu)及其寬度示意

2 計(jì)算模型及邊界條件

2.1 網(wǎng)格劃分

本研究利用AVL-FIRE軟件分別對(duì)上述氣道模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)CFD計(jì)算。首先對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分：在Hypermesh中劃分模型面網(wǎng)格，確保面網(wǎng)格質(zhì)量；再將面網(wǎng)格導(dǎo)入AVL-FIRE中劃分體網(wǎng)格；采用FAH自動(dòng)劃分體網(wǎng)格策略，對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化以提高計(jì)算精度。氣門(mén)升程從1 mm開(kāi)始，以1 mm為步長(zhǎng)逐漸增大到8 mm，建立8個(gè)網(wǎng)格模型，計(jì)算8個(gè)穩(wěn)態(tài)結(jié)果。根據(jù)FIRE進(jìn)氣道穩(wěn)態(tài)模擬教程，體網(wǎng)格最大尺寸設(shè)置為2 mm，最小尺寸為0.5 mm，細(xì)化區(qū)域采用0.25 mm。

模擬計(jì)算中，在常壓下進(jìn)出口邊界條件采用2.5 kPa定壓差，與試驗(yàn)保持一致。采用K-zeta-f湍流模型和Hybrid Wall Treatment壁面函數(shù)。滾流計(jì)算面為模擬缸套距上止點(diǎn)0.5D處橫截面。

2.2 模型驗(yàn)證

將數(shù)值模擬得到的氣道1的流量系數(shù)和滾流比值與穩(wěn)流試驗(yàn)臺(tái)測(cè)得的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 穩(wěn)流試驗(yàn)值與模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由圖可見(jiàn)，穩(wěn)流試驗(yàn)臺(tái)得到的進(jìn)氣參數(shù)與模擬計(jì)算的結(jié)果變化趨勢(shì)一致，大部分升程下二者吻合良好，差異較大的部分氣門(mén)升程下誤差均保持在7%以內(nèi)。由此可知所選模型及計(jì)算方法合理。

3 模擬計(jì)算結(jié)果分析

3.1 Mask寬度對(duì)進(jìn)氣參數(shù)的影響

圖4示出氣道1～8的平均滾流比和和平均流量系數(shù)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，增加Mask后，平均滾流比增大，平均流量系數(shù)減小。

圖4 不同評(píng)價(jià)方法下的平均滾流比和平均流量系數(shù)

無(wú)Mask氣道與Mask氣道的滾流比隨氣門(mén)升程增加的變化趨勢(shì)不同(見(jiàn)圖5)。Mask氣道在低氣門(mén)升程下的滾流比數(shù)值較大，且Mask寬度越小，數(shù)值越大。而在大氣門(mén)升程時(shí)，無(wú)Mask氣道的滾流比普遍大于Mask氣道，且Mask寬度越小，大氣門(mén)升程下的滾流強(qiáng)度越小。分析原因，小氣門(mén)升程時(shí)，Mask使氣流在進(jìn)氣道出口下側(cè)的流動(dòng)受阻，氣流大多由出口上側(cè)流出，以一定的傾斜角射入缸內(nèi)，易形成大尺度滾流。隨著Mask寬度的減小，上述效果越來(lái)越明顯。大氣門(mén)升程時(shí)，由于氣體流通面積顯著增大，Mask對(duì)氣流的阻擋效果相對(duì)減小。

圖5 Mask寬度對(duì)氣道進(jìn)氣參數(shù)的影響

流量系數(shù)與滾流比的關(guān)系為此消彼長(zhǎng)。無(wú)Mask氣道在低氣門(mén)升程下的流量系數(shù)較大，而Mask氣道在大氣門(mén)升程下流量系數(shù)較大。

3.2 Mask高度對(duì)進(jìn)氣參數(shù)的影響

由于Mask在氣道出口下側(cè)起阻擋氣流作用，因此Mask的高度改變會(huì)影響阻擋效果。圖6示出了當(dāng)Mask高度從1 mm到5 mm變化時(shí)，滾流比和流量系數(shù)的變化規(guī)律(Mask寬度取0.5 mm)。當(dāng)氣門(mén)升程小于Mask高度時(shí)，滾流強(qiáng)度較大；當(dāng)氣門(mén)升程增大到超過(guò)Mask高度時(shí)，滾流強(qiáng)度減小到極小值，此后再隨著氣門(mén)升程增加而增大。各氣道的滾流比在1～5 mm氣門(mén)升程下差異較大。Mask高度越大，同一氣門(mén)升程下的滾流比越大，對(duì)于Mask高度超過(guò)3 mm的氣道，最大值能達(dá)到甚至超過(guò)最大氣門(mén)升程下的滾流強(qiáng)度。

流量系數(shù)在中小氣門(mén)升程(2～5 mm)下變化較為明顯。Mask起阻擋作用時(shí)同樣有節(jié)流作用，流量系數(shù)相對(duì)減小。6 mm升程后由于氣門(mén)升程超過(guò)Mask高度，節(jié)流效果不明顯，流量系數(shù)差異很小。Mask高度由1 mm增大至5 mm后，AVL平均滾流比增大6.4%，平均流量系數(shù)下降了11.4%。

圖6 Mask高度對(duì)氣道進(jìn)氣參數(shù)的影響

3.3 不同Mask寬度下的氣道速度云圖

無(wú)Mask和Mask寬度0.5 mm的高滾流氣道結(jié)構(gòu)在氣門(mén)升程2 mm的速度云圖見(jiàn)圖7。Mask氣道在0.5D處橫截面的速度分布符合典型的高滾流速度分布規(guī)律[8]，高速氣流主要分布在燃燒室右側(cè)頂面，說(shuō)明氣流主要從靠近排氣側(cè)方向傾斜射入氣缸，沿排氣側(cè)壁面向下運(yùn)動(dòng)，又因?yàn)檫M(jìn)氣門(mén)下方空氣量少，壓力較小，所以氣流繞著缸內(nèi)向上運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而形成滾流。觀察無(wú)Mask氣道與Mask氣道在氣道出口處的氣流分布，對(duì)比出口下方圓形標(biāo)記處流場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，無(wú)Mask氣道在此處流通面積較大，有相當(dāng)一部分氣流以較大流速流經(jīng)此處，不利于形成正向大規(guī)模滾流。而Mask氣道在此處由于Mask的存在，流動(dòng)面積減小，阻擋了高速氣流，只有小部分氣流低速流過(guò)，利于在另一側(cè)形成大規(guī)模強(qiáng)滾流運(yùn)動(dòng)。

改變Mask寬度對(duì)小氣門(mén)升程時(shí)的進(jìn)氣參數(shù)影響較大。氣道1～4在1～3 mm升程時(shí)，過(guò)氣缸中心線處截面的速度云圖見(jiàn)圖8。無(wú)Mask氣道與有Mask氣道的氣流速度分布有明顯區(qū)別。無(wú)Mask氣道在低氣門(mén)升程下的高速氣流主要分布在氣門(mén)下方和燃燒室上部，有Mask氣道在進(jìn)氣道出口下側(cè)高速氣流分布較少，明顯可見(jiàn)高速氣流分布在燃燒室右上部，即傾斜流入缸內(nèi)。而Mask寬度不同時(shí)，高速氣流的分布也不同。Mask寬度越小，在缸內(nèi)越早形成傾斜、集中的高速氣流，通過(guò)出口下側(cè)的高速氣流越少。這是由于Mask寬度越小，對(duì)出口下側(cè)氣流的阻擋作用越強(qiáng)，對(duì)大滾流的形成越有利。隨著氣門(mén)升程的增大，不同寬度的Mask氣道的滾流強(qiáng)度變化規(guī)律并不完全相同，可見(jiàn)Mask結(jié)構(gòu)對(duì)低氣門(mén)升程下的滾流強(qiáng)度有重要影響。

圖7 氣門(mén)升程2 mm時(shí)兩種氣道(有、無(wú)Mask)的速度云圖

圖8 氣道1～4在1～3 mm氣門(mén)升程下過(guò)氣缸中心線處截面的速度云圖

3.4 不同Mask高度下的氣道速度云圖

Mask結(jié)構(gòu)參數(shù)變化給進(jìn)氣過(guò)程帶來(lái)的影響直觀上主要體現(xiàn)在小氣門(mén)升程，以Mask高度變化(1 mm，3 mm和5 mm)為例，圖9示出了氣門(mén)升程由1 mm到4 mm變化時(shí)，不同Mask高度的氣道在過(guò)氣缸中心線處截面的速度云圖。在1～2 mm氣門(mén)升程下，所有高度的Mask氣道均能在缸內(nèi)形成靠近排氣側(cè)的傾斜射流。隨著氣門(mén)升程增大、超過(guò)Mask的高度后，不同高度Mask氣道的高速氣流的分布就發(fā)生了明顯的變化，如Mask高度在1 mm和3 mm時(shí)，當(dāng)氣門(mén)升程分別增大到2 mm和4 mm后，氣流不再形成明顯的傾斜射流，而是更均勻地分布在整個(gè)燃燒室上方。觀察Mask高度為5 mm的氣道，在1～4 mm氣門(mén)升程下，缸內(nèi)高速氣流均是沿著燃燒室右側(cè)頂面斜向下分布，是形成大規(guī)模滾流的有利條件。由此可驗(yàn)證Mask對(duì)于氣門(mén)升程大于自身高度后的進(jìn)氣過(guò)程中不再有高滾流比優(yōu)勢(shì)。由氣道速度云圖可以看出，Mask在進(jìn)氣過(guò)程中，對(duì)氣流運(yùn)動(dòng)方式和缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)有著重要的影響。

圖9 不同Mask高度的氣道速度云圖(過(guò)氣缸中心線處截面)

4 結(jié)論

a) 各氣道AVL平均滾流比可高達(dá)3.0～3.5，主要和氣道結(jié)構(gòu)有關(guān)，Mask氣道比無(wú)Mask氣道高；平均流量系數(shù)在0.25～0.30之間，Mask氣道比無(wú)Mask氣道低；

b) 氣流阻擋結(jié)構(gòu)Mask對(duì)小氣門(mén)升程下的進(jìn)氣參數(shù)影響較大；小氣門(mén)升程時(shí)，Mask氣道滾流強(qiáng)度明顯大于無(wú)Mask氣道；大氣門(mén)升程時(shí)，Mask氣道滾流比略小于無(wú)Mask氣道；

c) 同一氣道結(jié)構(gòu)上Mask寬度和高度改變時(shí)，對(duì)滾流強(qiáng)度影響不同；Mask寬度越小，AVL 平均滾流比越大，平均流量系數(shù)越小，小氣門(mén)升程下的滾流強(qiáng)度越大，中大氣門(mén)升程時(shí)，滾流強(qiáng)度較小；Mask高度越大，AVL平均滾流比越大，平均流量系數(shù)越小，小氣門(mén)升程下滾流比越大，但大氣門(mén)升程下略有減小。