小排量增压汽油机进气特性研究

王灵犀，邢 幸

(沈阳理工大学汽车与交通学院，辽宁沈阳110159)

内燃机进气过程中的气体流动非常复杂，很难用试验方法进行研究，故国内外主要采用计算仿真的方法进行研究及进气道设计。FIER软件是奥地利AVL公司推出的一款内燃机专用的热力学仿真分析软件，在行业内具有权威性。大众、宝马、丰田等均使用该软件研发其内燃机产品。本文在借鉴国内外相关研究成果［1-5］的基础上，使用FIER软件对某1.5T汽油机进行进气过程的仿真分析，获取该机进气过程的瞬时流场数据，为其进气道的改进提供仿真依据。

1 三维瞬态进气过程的计算仿真

1.1 基于FIRE的CFD瞬态计算仿真流程

大部分CFD软件对流体运动的数值模拟原理基本相同，它通过有限体积法将流体的控制方程离散到空间各点，再利用迭代方法对离散后各点的控制方程组进行求解，最终得到计算区域内各点的流动特性参数［6］。本文利用FIRE软件进行三维瞬态模拟计算，具体流程如图1所示。

图1 FIRE计算流程

1.2 建立进气道的几何模型

根据厂家提供的图纸，使用Pro/E软件建立进气道的几何模型。利用轨迹线和剖面轮廓线建立气道的表面模型及实体模型，然后建立进气门座圈、进气门、燃烧室的实体模型。经装配和布尔运算后形成进气道几何模型(图2)。

图2 进气道几何模型

1.3 网格划分

1.3.1 生成定网格

将建立好的几何模型以STL格式导入FIRE软件中进行网格划分。定义各种selection，生成对应的面网格和边网格，为保证计算精度，对气道喉口、气门等复杂位置处的网络做细化处理;在Fame Hybrid Assistant模块中输入面网格、边网格和网格控制参数，生成定网格并对定网格质量进行检查，如不合格，需调整控制参数，直到合格为止。生成定网格的目的是为其后的动网格生成提供参数，故要求保证气门体、气门座及燃烧室部位的网格精度。网格以6面体网格为主，少量楔形网格为补充，以便提高计算精度和速度。带气道模型的网格数为35万左右，燃烧室模型的网格数为15万左右。生成的定网格如图3所示。

图3 网格模型

1.3.2 生成动网格

进行发动机气道及缸内流场的瞬态仿真，必须采用动网格技术。利用FIRE软件中的FEP模块，通过输入发动机相关运行参数、网格精度控制参数及气门升程曲线，完成用于瞬态模拟计算的动网格划分。整个进气过程相对曲轴转角为365°至575°，气门升程曲线如图4所示。

图4 气门升程曲线

1.4 边界及初始条件

计算所用边界条件主要是壁面边界，具体设置如表1所示。由于难以通过实验测量部件温度，因此温度设置参考了同类型发动机的数值以及AVL推荐的数值。计算工况为1600r/min(负荷100%)，计算过程中的初始缸内入口质量流量和入口温度由厂家提供。

表1 边界条件

1.5 子模型选择

选择k-zeta-f的四方程湍流模型。该模型的计算精度和稳定性较好［7］，但计算量比双方程模型k-ε大15%左右。开启的计算方程有:动量方程、连续性方程、能量方程和湍流方程。流体计算采用可压性假设。

1.6 计算方法与收敛性

动量方程选用MIMOD Relaxed格式(计算的收敛性好于中心差分格式);连续性方程使用中心差份格式;能量等方程使用迎风格式。计算过程中最小计算步长为0.1°，最大计算步长为1°。松弛因子的选择范围如表2所示，其数值需在试算过程中调整。松弛因子越大，计算速度越快，但计算的收敛性有可能变差。

表2 松弛因子选择范围

2 计算结果分析

2.1 气门升程最大时刻进气特性分析

气门升程最大时刻对应曲轴转角为470°。选取有代表性的截面A、B、C，分别表示通过进、排气门轴线且平行于气缸中心线(Z轴)的平面、垂直于气缸中心线且Z方向坐标值为-6mm的水平平面、垂直于气缸中心线且Z方向坐标值为-56mm的水平平面。在A截面截取速度分布图和迹线分布图，如图5a、5b所示;在B、C截面截取速度矢量分布图，如图5c、5d所示。

图5 最大气门升程时刻速度流场

由图5a可知，最大速度发生在气门喉口处，最大气流速度约为50.5m/s。由于设计结构原因，在气门杆头部和楔形燃烧室排气门部位存在滞流区域。在气门杆与气门头交接处气流的流动速度有所下降，这是因为流经此处的气流与气门头部上表面发生碰撞，产生能量损失，消耗了气体的动能，且改变了气流原来的流动方向。由图5b可看出，在气门喉口位置和气门下方速度分布非常不均匀。气门喉口位置速度较高，气门下方速度较低。气流途经气道进入气缸后，沿排气门侧燃烧室壁面和缸壁向下的一部分进气气流在碰到缸壁之后产生角度偏转流，在缸内形成强涡旋;而直接沿进气门杆经燃烧室下方喉口位置进入气缸的进气气流碰到气缸壁之后气流发生偏转，在缸内形成弱涡漩;在强涡漩和弱涡漩相互作用下，最终形成一强一弱漩涡的滚流运动。可见，喉口截面形状是决定气流在气门口周围分布的重要因素。由图5c可知，气流在垂直气缸轴线的平面上偏向进气门侧的部位存在正反方向的两个漩涡，而随着气流的流动，在接近活塞顶部位时，漩涡变弱，最终被拉升扩散后接近消失，如图5d所示。

2.2 不同气门升程下进气特性分析

在进气过程中，随着气门开度的变化，进气流场分布状态也发生变化。为研究进气流场的变化规律，对不同气门升程下的进气特性进行分析。提取曲轴转角为 380°、410°、470°、560°四种进气状态，分别对应的气门升程为1.7mm、4.8mm、7.5mm、1.6mm。选取经过进、排气门轴线且平行于气缸中心线(Z轴)的平面为典型截面并截取不同气门升程下的迹线分布图(图6)进行分析。

图6 不同气门升程下速度迹线图

(1)随着气门升程的增加，进气道的平均进气速度也在增加;随着气门升程的减小，进气平均速度也减小，如表3所示。

表3 进气道平均进气速度随气门升程变化表

(2)气门喉口位置的最大进气速度随气门升程的逐渐变大而变小，随着气门升程的减小而增加，如表4所示。可见，进气过程中进气速度的大小只与气门开度大小有关，而与曲轴转角位置关系不大。

表4 气门喉口位置平均进气速度随气门升程变化表

(3)随着气门升程的变大，缸内气流出现滚流运动，且滚流半径逐渐减小，运动逐渐均匀，这对混合气的形成较为有利。

3 结论

本文对汽油机的进气过程进行了数值模拟计算。通过模拟结果获得了进气过程中气道、气门和气缸内气体的速度流场，得到如下结论:

1)气门升程最大时刻的最大进气速度发生在气门喉口处，最大气流速度约为50.5m/s;由于设计结构原因，在气门杆头部和楔形燃烧室排气门部位存在滞流区域，且在气门杆与气门头交接处气流的流动速度较小。

2)随着气门升程的逐渐变大，进气道的平均进气速度也在逐渐变大;而气门喉口位置的最大进气速度却随着气门升程的逐渐变大而变小。

3)初始进气时，进气道内的气体在压差作用下进入气缸，流速较快，流量较小，在气门附近形成若干涡旋，缸内未形成较大的流动;随着气门升程的变大，进气道内流动顺畅，活塞下行，缸内气流出现滚流运动，且半径逐渐减小，运动趋向均匀。

鉴于现有技术对内燃机进气流道三维流场的瞬态测量仍无法实现，故本文仿真结果对该机型的研发具有指导意义。

［1］李云清，成传松，刘宾，等.改善495汽油机燃烧性能的分析研究［J］.内燃机工程，2010，31(3):52-56.

［2］李言.汽油机进气道流动数值模拟研究［D］.吉林:吉林大学，2007.

［3］邓帮林.基于CFD的495QME汽油机进气系统改进设计［D］.长沙:湖南大学，2007.

［4］徐玉梁.车用四气门汽油机气道及缸内气体流动状态的研究［D］.天津:天津大学，2004.

［5］Lauvergne R，Hallot J.Investigation of the Effect of Double Ignition on the Combustion Processes in a 2-valves Gasoline Engine Through 3D Simulation［C］.SAE，2003.

［6］陈巍，杜发荣，吴健，等.内燃机进气道流场的CFD计算［J］.河南科技大学学报，2005，26(6):22-25.

［7］Hanjalic K，Popovac M，Hadziabdic M.A robust nearwall elliptic relaxation eddy viscosity turbulence model for CFD［J］.International Journal of Heat and Fluid Flow，2004，25(6):1047-1051.