孫利魏，蘇鐵熊，許俊峰，王強(qiáng)，徐春龍，尤國棟

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原030051;2.中國北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，山西 大同037036)

進(jìn)氣增壓壓力的增加與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，使高升功率柴油機(jī)的工作范圍已經(jīng)超出了傳統(tǒng)進(jìn)氣系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)范圍，因此必須采用仿真分析方法，搭建“數(shù)值仿真試驗(yàn)臺(tái)”，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣系統(tǒng)的“預(yù)測設(shè)計(jì)”。

由于進(jìn)氣道的流動(dòng)特性，采用一維模型進(jìn)行計(jì)算的比較多，如Onorati 等［1］、Claywell 等［2］、徐斌等［3］，而且采用一維模型也能獲得比較滿意的數(shù)值結(jié)果，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，三維仿真技術(shù)逐漸在內(nèi)燃機(jī)行業(yè)獲得應(yīng)用，劉伯棠等［4］對柴油機(jī)進(jìn)氣道進(jìn)行了全三維流動(dòng)計(jì)算，研究了進(jìn)氣道型線對流動(dòng)的影響。王樵等［5］采用三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)技術(shù)預(yù)測了進(jìn)氣門流量系數(shù)，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)作對比，分析誤差產(chǎn)生原因。Andras 等［6］將CFD 技術(shù)運(yùn)用于進(jìn)氣門的設(shè)計(jì)，取得了較滿意的結(jié)果。Wang 等［7］則采用瞬態(tài)數(shù)值模擬技術(shù)對四沖程摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過程進(jìn)行了模擬。

上述研究主要針對于中低升功率的柴油機(jī)，而目前關(guān)于高升功率柴油機(jī)進(jìn)氣過程的研究還比較少，本文針對高升功率柴油機(jī)的進(jìn)氣過程，基于一維非定常流動(dòng)分析軟件AVL BOOST 與三維CFD 流動(dòng)分析軟件AVL FIRE 建立仿真分析平臺(tái)，然后通過高壓穩(wěn)態(tài)三維分析，得到高壓差下氣道流通特性;再以高壓差下氣道的流通特性為邊界條件對進(jìn)氣道進(jìn)行一維非定常流動(dòng)分析;最后通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)裝置

高壓差進(jìn)氣系統(tǒng)單缸機(jī)氣道穩(wěn)流試驗(yàn)臺(tái)原理圖如圖1所示。由質(zhì)量流量計(jì)測量進(jìn)氣氣體質(zhì)量流量;排氣系統(tǒng)通過一個(gè)錐形閥模擬裝置來調(diào)節(jié)控制排氣背壓;整個(gè)進(jìn)排氣系統(tǒng)要求可測、可控。圖2為所建立的高升功率單缸機(jī)試驗(yàn)臺(tái)。

圖1 氣道穩(wěn)流試驗(yàn)臺(tái)原理圖Fig.1 Steady flow test benth for intake port

圖2 高升功率單缸機(jī)試驗(yàn)裝置Fig.2 Test equipment of single cylinder engine with high specific power

由于機(jī)械結(jié)構(gòu)限制，目前單缸發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速最高到3 600 r/min，可以實(shí)現(xiàn)功率68 kW，轉(zhuǎn)速超過3 600 r/min后，可以通過模型來分析。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 一維非定常仿真模型

控制方程為變截面、考慮管壁摩擦與傳熱的一維非定常流動(dòng)的基本方程組［8］。在柴油機(jī)的進(jìn)氣門處，由于通流面積變化劇烈，流動(dòng)損失大，采用一維非定常流動(dòng)模擬該處流動(dòng)時(shí)，一般引入流通系數(shù)對該處的流量方程做修正，即

式中:μ 為流通系數(shù)，由穩(wěn)流試驗(yàn)確定;Av為氣門喉口處的瞬時(shí)流通截面積;p2與ρ2分別為空氣在流經(jīng)氣門喉口前的壓力與密度;pv為氣門喉口處的壓力;κ 為比熱比(定壓比熱容與定容比熱容的比值)。采用氣門升程作為參變量來描繪流通系數(shù)。

基于有限體積法離散一維非定常模型方程，差分格式為時(shí)間與空間二階精度的Lax-Wendroff 格式。

一般認(rèn)為流通系數(shù)與壓差無關(guān)，但在高功率密度柴油機(jī)中，進(jìn)氣壓差大幅提高(最高達(dá)100 kPa)，故需要研究壓差對流通系數(shù)的影響。本文采用高壓差氣道穩(wěn)態(tài)分析對氣門邊界的流通系數(shù)進(jìn)行研究。

2.2 高壓進(jìn)氣道三維穩(wěn)態(tài)數(shù)值仿真模型

不考慮體積力和外部熱源條件下，三維非定常可壓Navier-Stokes 方程為

式中:守恒型變量Q=［ρ ρu ρv ρw ρe］T，向量E，F(xiàn)，G 為通量，具體形式見文獻(xiàn)［7］，基于有限體積法離散控制方程，差分格式為軟件的高分辨率格式，湍流模型采用廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)k-ε 雙方程湍流模型，采用SIMPLE 算法求解離散后的代數(shù)方程組，在計(jì)算中，采用欠松弛技術(shù)使迭代穩(wěn)定進(jìn)行。邊界條件給定方法為:進(jìn)口給定總溫、總壓以及速度分量、入口湍流度與湍動(dòng)能耗散率，出口給定流量，固體壁面則滿足無滑移條件。

對升功率PL、功率P、壓力p、溫度T、流量、轉(zhuǎn)速n 等參數(shù)做了無量綱化處理，選定特征長度L、參考壓力pref、參考溫度Tref、參考?xì)怏w常數(shù)Rref、則通過下式計(jì)算特征速度acr與特征密度ρcr

κ=1.4，PL、P、p、T、、n 歸一化過程如下:

圖3 高壓進(jìn)氣道的網(wǎng)格劃分Fig.3 Computational meshes for high-pressure intake port

網(wǎng)格劃分軟件為AVL FIRE 的FAME 模塊。結(jié)合高升功率柴油機(jī)進(jìn)氣道的形狀特點(diǎn)，以及迭代時(shí)間與收斂性的要求，采用混合型網(wǎng)格離散計(jì)算區(qū)域，在流動(dòng)的絕大部分區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格離散，在局部區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。生成的計(jì)算網(wǎng)格數(shù)約70 萬，其中在固壁面附近進(jìn)行了加密。

3 壓差效應(yīng)的流通系數(shù)修正

利用一維換氣分析模型，比較分析進(jìn)氣道在現(xiàn)有升功率0.037(轉(zhuǎn)速0.57)和高升功率0.084(轉(zhuǎn)速1.08)條件下的工作狀況(如未注明，各參數(shù)值均為無量綱值)。

對進(jìn)氣過程中進(jìn)氣道壓差的比較如圖4所示。從圖中可以看出，對于現(xiàn)有機(jī)型，進(jìn)氣過程中的進(jìn)氣壓差較低，最高進(jìn)氣壓差0.059，從上止點(diǎn)到下止點(diǎn)的進(jìn)氣行程平均壓差為0.04.而對于高升功率柴油機(jī)，進(jìn)氣過程中的進(jìn)氣壓差較高，最高進(jìn)氣壓差0.37，提高527%，從上止點(diǎn)到下止點(diǎn)的進(jìn)氣行程平均進(jìn)氣壓差0.22，提高456%.從而可以得出:提高升功率后，進(jìn)氣壓差提高達(dá)5 倍。有必要研究高壓差下進(jìn)氣道的流動(dòng)。

從進(jìn)氣門提前開啟到進(jìn)氣門延遲關(guān)閉的整個(gè)進(jìn)氣流動(dòng)過程中，進(jìn)氣壓差呈兩邊低，中間高的形態(tài)，也就是對于小氣門升程下，進(jìn)氣壓差低，在大氣門升程下，進(jìn)氣壓差高。

圖4 不同升功率下進(jìn)氣壓差的比較Fig.4 Intake pressure drops of the original and high-specific-power diesels

利用高壓進(jìn)氣道穩(wěn)流模擬分析模型，對高壓差下的氣道進(jìn)行了分析研究，在保持進(jìn)口壓力為1 的條件下，提高進(jìn)氣壓差，0.025 進(jìn)氣壓差和0.25 進(jìn)氣壓差下的流場速度變化如圖5所示。從圖中可以看出，在最小截面處，流線相似，流速有了很大的提高。

圖5 提高進(jìn)氣壓差后流場的變化Fig.5 Flow fields in the intake ports with different pressure drop

不同進(jìn)氣壓差下氣道的流通系數(shù)變化如圖6所

圖6 提高進(jìn)氣壓差后流通系數(shù)的變化Fig.6 Flow coefficients at different intake pressure drop

如圖7所示，在發(fā)動(dòng)機(jī)上氣門升程大的位置，氣道壓差也較大，在氣門升程小的位置，氣道壓差也較小，在現(xiàn)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，根據(jù)不同氣門升程下流通系數(shù)的三維計(jì)算結(jié)果，對高壓差下的氣道流通系數(shù)引入修正如圖8所示。氣道流通系數(shù)修正后，對進(jìn)氣質(zhì)量流量的影響如圖9所示。從圖中可以看出，由于大升程下氣道流通系數(shù)降低，從而使得大升程下的氣道流量減小。

4 高壓差進(jìn)氣道試驗(yàn)

在修正模型基礎(chǔ)上，對配氣凸輪型線進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，然后在轉(zhuǎn)速0.72～0.93 不同的測試點(diǎn)下測量改進(jìn)前后發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量、溫度、壓力，測試點(diǎn)參數(shù)如表1所示?？梢钥闯鲈诟倪M(jìn)設(shè)計(jì)后，發(fā)動(dòng)機(jī)功率、進(jìn)氣壓力與進(jìn)氣溫度等特征參數(shù)變化很小。示。在各氣門升程下，隨著進(jìn)氣壓差提高，氣道流通系數(shù)下降，與0.025 時(shí)的數(shù)值相比，在0.075 以內(nèi)流通系數(shù)下降小于2%，而壓差增大到0.25 時(shí)流通系數(shù)下降10%左右。因此，對于現(xiàn)有升功率的柴油機(jī)，由于進(jìn)氣壓差在0.075 之內(nèi)，流通系數(shù)變化在2%以內(nèi)，在工程應(yīng)用精度內(nèi)，可以認(rèn)為流通系數(shù)不隨進(jìn)氣壓差變化。而對于高升功率柴油機(jī)，由進(jìn)氣壓差引起的氣道流通系數(shù)變化達(dá)到10%，不可以忽略。

圖7 進(jìn)氣壓差與相應(yīng)的氣門升程Fig.7 Intake pressure drop-valve stroke curves

圖8 高進(jìn)氣壓差下氣道流通系數(shù)的修正Fig.8 Modification of flow coefficient at high intake pressure drop

圖9 氣道流通系數(shù)修正后對進(jìn)氣質(zhì)量流量的影響Fig.9 Effect of intake flow coefficient modification on intake flow rate

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)氣道前后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Experiment data of original and improved diesels

單缸機(jī)測試結(jié)果與分析模型給氣比對比如圖10所示，誤差最大5.6%.其中給氣比定義為一個(gè)工作循環(huán)中供給氣缸的新鮮充量，與相應(yīng)于活塞在進(jìn)氣管增壓壓力和溫度下所掃過的新鮮充量之比。

式中:m1為一個(gè)工作循環(huán)中供給氣缸的新鮮充量;msh為在進(jìn)氣管狀態(tài)下充滿氣缸工作容積的空氣質(zhì)量。因此預(yù)測值與試驗(yàn)值比較一致。從轉(zhuǎn)速0.93延伸到1.10，轉(zhuǎn)速提高18%，因此，預(yù)測結(jié)果具有一定可信度。依據(jù)模型分析，在轉(zhuǎn)速1.10 時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)給氣比1.02.

圖10 高升功率單缸機(jī)進(jìn)氣道給氣比的試驗(yàn)及預(yù)測Fig.10 Numerical and experimental delivery ratio of single cylinder engine with high specific power

圖11為充量系數(shù)的分析結(jié)果。該參數(shù)是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)性能和進(jìn)氣過程完善程度的重要指標(biāo)，定義為每缸每循環(huán)實(shí)際吸入氣缸的新鮮空氣質(zhì)量與進(jìn)氣狀態(tài)下理論計(jì)算充滿氣缸工作容積的空氣質(zhì)量比值。由圖可見在0.72～0.93 范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了充量系數(shù)大于0.95.隨著轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提高，充量系數(shù)下降，到1.10 時(shí)充量系數(shù)仍可以達(dá)到0.92.

圖11 高升功率單缸機(jī)進(jìn)氣充量系數(shù)Fig.11 Volumetric efficiency of ingle cylinder engine with high specific power

5 結(jié)論

1)對小氣門升程下，進(jìn)氣壓差低，在大氣門升程下，進(jìn)氣壓差高。

2)在高增壓進(jìn)氣條件下，隨進(jìn)氣壓差的提高，進(jìn)氣道流通系數(shù)降低，流通系數(shù)最大可降低10%，此時(shí)的一維非定常流動(dòng)模型必須進(jìn)行修正。

3)利用修正后的模型設(shè)計(jì)適合高升功率柴油機(jī)的進(jìn)氣道，經(jīng)數(shù)值模擬計(jì)算，高壓差條件下進(jìn)氣充量系數(shù)達(dá)到0.92.

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