孫志強(qiáng)，李巧英，金 陽，段俊法，2

（1．華北水利水電學(xué)院機(jī)械學(xué)院，河南鄭州 450045;2．北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081）

近些年來，由于石油資源的日趨減少，車輛尾氣排放對(duì)大氣污染的愈加嚴(yán)重，加上日益嚴(yán)格的排放法規(guī)，如何在車用內(nèi)燃機(jī)上燃用清潔的替代燃料，已引起廣泛關(guān)注．國(guó)內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)開展了二甲醚應(yīng)用在汽車上的研究，包括二甲醚燃燒、排放和噴霧特性等方面［1－4］．一系列試驗(yàn)研究表明：二甲醚的物化特性非常優(yōu)良，含有很大潛能，二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)具有和直噴柴油機(jī)幾乎相同的熱效率，且運(yùn)轉(zhuǎn)柔和，燃燒噪聲低，幾乎與汽油機(jī)相當(dāng)，催化處理后可實(shí)現(xiàn)超低排放，燃油噴射壓力低．

筆者基于國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的研究成果，運(yùn)用先進(jìn)的流體分析軟件FIRE模擬GW4D20發(fā)動(dòng)機(jī)的二甲醚－空氣預(yù)混特性，以此提出了將二甲醚應(yīng)用在傳統(tǒng)壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)上時(shí)對(duì)進(jìn)氣道的改進(jìn)建議．

1 二甲醚－空氣的預(yù)混

進(jìn)氣道的質(zhì)量指標(biāo)主要有流動(dòng)阻力和渦流強(qiáng)度．氣流的品質(zhì)和氣道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是否合理，直接影響到缸內(nèi)新鮮空氣充量的大小和吸入空氣渦流的強(qiáng)度．進(jìn)氣過程中進(jìn)入氣缸的空氣量和氣體的速度分布及其渦流和湍流狀況等又明顯影響著燃燒過程，影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣成分、燃燒完善程度、廢氣可用能量以及發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)濟(jì)性等．

該模擬研究是在不造成發(fā)動(dòng)機(jī)爆燃的前提下，在GW4D20發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道內(nèi)噴入一定量的二甲醚，并與空氣在進(jìn)氣道內(nèi)進(jìn)行預(yù)混．預(yù)混質(zhì)量的好壞決定了可燃混合氣進(jìn)入各缸的均勻性，進(jìn)而決定二甲醚進(jìn)入氣缸后可燃混合氣的著火時(shí)刻、燃燒能量，以及后續(xù)柴油噴入后的擴(kuò)散燃燒的好壞，進(jìn)而決定發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)．由模擬結(jié)果知，燃料在進(jìn)氣道內(nèi)混合質(zhì)量的好壞決定于進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)，改善它可以改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)性能．三維模擬能夠系統(tǒng)地反映進(jìn)氣氣流狀況和氣體運(yùn)動(dòng)過程及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行三維模擬設(shè)計(jì)．

2 進(jìn)氣道流場(chǎng)模擬

氣道內(nèi)流場(chǎng)的多維數(shù)值模擬技術(shù)是基于流體力學(xué)的基本原理，用一組守恒偏微分方程，描述氣道內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)及其對(duì)缸內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)的影響［5］．利用計(jì)算機(jī)對(duì)這組方程在特定的邊界條件和初始條件下進(jìn)行數(shù)值求解，可以獲得一系列氣道內(nèi)流場(chǎng)的詳盡信息，如氣道內(nèi)的流速、溫度和壓力分布等空間場(chǎng)［6－8］．所用數(shù)學(xué)模型是質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程、k－ε雙方程模型及相關(guān)的理想氣體狀態(tài)方程和熱力學(xué)關(guān)系式［9］，寫出求解微分方程的源程序，就可以由此求解不同類型的流體流動(dòng)問題．對(duì)GW4D20發(fā)動(dòng)機(jī)指定的初始條件為：質(zhì)量流量m=0．038 107 kg/s;溫度T=293．15 K;指定湍動(dòng)能 ε =0．02 m2/s2;湍流長(zhǎng)度尺度lt=0．001 m;出口指定靜壓p=100 000 Pa．采用有限差分法（FDM）進(jìn)行流體的三維離散［10］．

3 進(jìn)氣道內(nèi)流場(chǎng)結(jié)果分析

FIRE中的矢量場(chǎng)很好地描述了GW4D20發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道內(nèi)氣體流場(chǎng)的流線和流型，對(duì)流體運(yùn)動(dòng)情況的研究非常重要．通過數(shù)值模擬計(jì)算，保證收斂性良好的情況下，選定時(shí)間步長(zhǎng)制作流場(chǎng)切片．各速度場(chǎng)如圖1—5所示．

圖1 縱向速度場(chǎng)

由圖1可以看出，在進(jìn)氣總管段混合氣的流速較大并且均勻，具有很高的湍動(dòng)能，可見此段混合氣的均勻性很好．但是在進(jìn)氣道底部流速變化梯度較大，在與進(jìn)氣歧管銜接處有形成滾流的趨勢(shì)，可以對(duì)流體進(jìn)行適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)使?jié)L流增強(qiáng)，有利于氣體的混合．進(jìn)氣歧管進(jìn)口處流速只有原來的1/4，且有死區(qū)（速度為0）出現(xiàn)，使得進(jìn)入進(jìn)氣歧管的氣體密度分布很不均勻，從而混合氣無法形成適當(dāng)?shù)耐牧鳎绊懫溥M(jìn)入缸內(nèi)的燃燒性能，但可通過增強(qiáng)滾流來改善．

圖2 上表面速度場(chǎng)

圖2為進(jìn)氣道上表面速度場(chǎng)，可以看出進(jìn)氣總管下端出現(xiàn)速度接近為零的大片區(qū)域，即死區(qū)．說明此處并無流體流過或流體流動(dòng)緩慢，會(huì)造成混合氣的局部濃度變大，極大地影響了混合氣的均勻性．因此，在進(jìn)氣管的設(shè)計(jì)中可以考慮將其適當(dāng)削減．

圖3 下表面速度場(chǎng)

由圖3可以看出，在進(jìn)氣道的底部，特別是進(jìn)氣總管下側(cè)兩邊對(duì)稱區(qū)域有速度較大區(qū)域，可能是由進(jìn)氣道的大片死區(qū)引起，一方面進(jìn)氣道底部受到較大的壓力，使得對(duì)進(jìn)氣道本身的機(jī)構(gòu)強(qiáng)度要求增大;另外，也使得進(jìn)氣阻力增大，能量損耗較多，不利于后期進(jìn)入氣缸內(nèi)形成渦流，進(jìn)而影響燃燒．因此，有必要對(duì)進(jìn)氣道內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，以便使其能量損耗降到最低，有利于氣體的預(yù)混合．

圖4 俯視速度場(chǎng)

由圖4可以看出，混合氣在未進(jìn)入進(jìn)氣歧管之前比較均勻，進(jìn)入進(jìn)氣歧管后，出現(xiàn)了兩端進(jìn)氣歧管速度均勻且流速較大，可見混合氣在這兩個(gè)進(jìn)氣歧管中混合較均勻．但是中間2個(gè)進(jìn)氣歧管出現(xiàn)了較大的速度差，且整體流速較低，混合氣的均勻性較差，并且湍動(dòng)能較?。f明進(jìn)入4個(gè)氣缸的混合氣濃度有差異，各缸的均勻性差，應(yīng)該考慮對(duì)氣體的流動(dòng)進(jìn)行適當(dāng)引導(dǎo)．

圖5 流量增加20%的上表面速度場(chǎng)

圖5為流量增加20%的上表面速度場(chǎng)切片，與圖2上表面速度場(chǎng)相比，速度接近為0的區(qū)域減小，可見當(dāng)車輛處于較大負(fù)荷時(shí)，有利于對(duì)進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)自身不足的彌補(bǔ)，有利于混合氣的均勻混合．因此，可以考慮進(jìn)氣前端加上增壓裝置．

4 結(jié)語

1）二甲醚與空氣混合氣在進(jìn)氣道內(nèi)流動(dòng)的過程中，特別是在總進(jìn)氣道的下端出現(xiàn)了較多的死區(qū)（流速為0），會(huì)使得進(jìn)氣道內(nèi)混合氣局部濃度過大，混合氣均勻性變差，需要對(duì)進(jìn)氣道的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，減少死區(qū)的數(shù)量．

2）當(dāng)混合氣進(jìn)入4個(gè)進(jìn)氣歧管時(shí)，兩端進(jìn)氣歧管的混合氣比中間兩進(jìn)氣歧管混合氣均勻性好，導(dǎo)致進(jìn)入4個(gè)氣缸的混合氣濃度有差異，各缸的均勻性差，有必要對(duì)進(jìn)氣歧管的位置進(jìn)行調(diào)整．同時(shí)對(duì)流體的流動(dòng)進(jìn)行引導(dǎo)，可以在流體流入進(jìn)氣歧管前使其形成滾流加速混合氣的混合．

3）當(dāng)進(jìn)氣道內(nèi)的氣體質(zhì)量流量增加，會(huì)改善混合氣的均勻性．所以如果在進(jìn)氣前端加上增壓裝置可以減少死區(qū)數(shù)量，將有利于混合氣的預(yù)混．

［1］ Fieisch T，McCarthy，Basu A，et al．A new clean diesel technology：demonstration of ULEV emissions on an avistar diesel engine fueled with dimethyl ether［C］．SAE Paper 950061，1995．

［2］ Ofner H，Gill D W，Krotscheck C．Dimethyl ether as fuel for CI engines—a new technology and its environmental potential［C］．SAE Paper 981158，1998．

［3］廖水容，邵毅明，束海波．二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程的數(shù)值模擬［J］．華僑大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，31（2）：136 －140．

［4］張煜盛，常漢寶，張亞珺．柴油機(jī)高效清潔燃料二甲基醚（DME）的研究及其發(fā)展［J］．內(nèi)燃機(jī)工程，2001，22（1）：17－22．

［5］陳漢平．計(jì)算流體力學(xué)［M］．北京：水利電力出版社，1995：165－168．

［6］徐敬照．基于CFD的小型汽油機(jī)的改進(jìn)研究［D］．天津：天津大學(xué)，2010．

［7］鄧幫林．基于CFD的495QME汽油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)［D］．湖南：湖南大學(xué)，2007．

［8］常思勤．發(fā)動(dòng)機(jī)氣道現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法及其應(yīng)用的研究［D］．湖北：華中理工大學(xué)，1999．

［9］王福軍．計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析—CFD軟件原理與應(yīng)用［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2004：114－128．

［10］吳子牛．計(jì)算流體力學(xué)基本原理［M］．北京：科學(xué)出版社，2001：130－137．