王曉蘭，姚煒，張應(yīng)兵

（安徽江淮汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，安徽合肥230022）

基于缸內(nèi)流動(dòng)CFD分析的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞設(shè)計(jì)選型

王曉蘭，姚煒，張應(yīng)兵

（安徽江淮汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，安徽合肥230022）

活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)最重要的零部件之一，一款良好匹配的活塞能組織更好的缸內(nèi)氣體流動(dòng)，從而提升發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性并降低排放。介紹一起發(fā)動(dòng)機(jī)活塞設(shè)計(jì)選型的實(shí)例，在正向設(shè)計(jì)過(guò)程中利用CFD手段分析不同活塞帶來(lái)的缸內(nèi)流動(dòng)變化，并根據(jù)流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行活塞的選型匹配。

缸內(nèi)流動(dòng)；CFD分析；活塞選型

0 概述

活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)最重要的零部件之一，活塞與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配直接影響整機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放［1－2］。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程師常常會(huì)設(shè)計(jì)多套活塞方案，如何選擇最優(yōu)的方案是一個(gè)非常有難度的問(wèn)題。

缸內(nèi)流動(dòng)的CFD技術(shù)能夠清晰地展示不同活塞方案對(duì)氣流的影響，能夠?yàn)榛钊O(shè)計(jì)選型提供許多重要且直觀的信息［3］。文中介紹了在江淮汽車(chē)的某款發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中如何利用缸內(nèi)流動(dòng)CFD分析實(shí)現(xiàn)活塞的選型過(guò)程。

1 活塞方案介紹

工程師設(shè)計(jì)了3套活塞方案A、B、C，圖1和圖2分別顯示了各方案的區(qū)別。

相對(duì)方案A，方案B和C都降低了活塞頂部進(jìn)氣側(cè)的凹坑，另外方案B將ω燃燒室的圓周凹槽進(jìn)行了擴(kuò)大，C方案則降低了ω燃燒室中央的凸臺(tái)。

2 缸內(nèi)流動(dòng)CFD仿真

CFD分析之前對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了熱力學(xué)計(jì)算，結(jié)果顯示發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到了目標(biāo)功率，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的CFD計(jì)算能夠較好地反映氣道以及燃燒室內(nèi)氣體流動(dòng)狀況。

模擬選取的工況點(diǎn)為額定點(diǎn)，這是發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷最大的工況點(diǎn)。模擬以排氣門(mén)開(kāi)為起點(diǎn)，由于缺少?lài)娮斓南嚓P(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算不包含噴霧燃燒過(guò)程，分析內(nèi)容主要包含氣道內(nèi)的流動(dòng)、缸內(nèi)渦流的形成，模擬結(jié)束于壓縮沖程上止點(diǎn) （720°）。

2.1 氣門(mén)正時(shí)及升程

計(jì)算從110°曲軸轉(zhuǎn)角持續(xù)到720°，其中720°作為點(diǎn)火TDC，而360°是換氣TDC。表1顯示了CFD計(jì)算中的相關(guān)氣門(mén)正時(shí)。

表1 CFD計(jì)算氣門(mén)正時(shí)

圖3顯示了計(jì)算中采用的氣門(mén)升程曲線(xiàn)。該曲線(xiàn)來(lái)自于熱力學(xué)計(jì)算，且考慮了氣門(mén)間隙。曲線(xiàn)中的最小氣門(mén)升程被定義為0.2 mm，并對(duì)應(yīng)于表1的氣門(mén)正時(shí)。

2.2 邊界條件

初始時(shí)刻氣缸和排氣道內(nèi)的殘余廢氣被設(shè)定為1.0（即100%），而進(jìn)氣道內(nèi)的EGR率被設(shè)定為0。在計(jì)算的初始時(shí)刻，氣缸和氣道內(nèi)的壓力、溫度分布被認(rèn)為是均勻的。表2顯示了CFD模擬中設(shè)定的壁面溫度。

表2 CFD模擬中的壁面溫度 ℃

進(jìn)氣口和排氣口的壓力、流量和溫度隨時(shí)間的變化而變化，排氣口使用靜壓邊界而進(jìn)氣口使用流量邊界，這些邊界條件來(lái)自于1D的熱力學(xué)計(jì)算，如圖4、圖5所示。

3 CFD結(jié)果分析

3.1 計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證CFD的計(jì)算結(jié)果，作者將方案A的CFD缸壓曲線(xiàn)與熱力學(xué)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，如圖6所示［4］。曲線(xiàn)的最大誤差出現(xiàn)在壓縮上止點(diǎn)附近，達(dá)到了11.8%。主要是因?yàn)闊崃W(xué)模型中上止點(diǎn)前將會(huì)在氣缸內(nèi)噴入一定量的燃油，氣缸內(nèi)的物質(zhì)量增大，因此壓力較CFD計(jì)算略大。

就整條曲線(xiàn)來(lái)看，CFD計(jì)算的結(jié)果與熱力學(xué)計(jì)算一致性良好，因此可以認(rèn)為CFD的計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可信。

3.2 缸內(nèi)瞬態(tài)渦流對(duì)比

由于柴油機(jī)螺旋氣道的導(dǎo)流作用，氣缸內(nèi)將會(huì)產(chǎn)生明顯的渦流。用渦流的旋轉(zhuǎn)角速度來(lái)評(píng)價(jià)缸內(nèi)渦流，而其旋轉(zhuǎn)的中心軸線(xiàn)是氣缸的中軸線(xiàn)，將其除以曲軸的旋轉(zhuǎn)角速度以得到一個(gè)量綱為一的渦流比。圖7顯示了整個(gè)計(jì)算中瞬態(tài)渦流比的變化曲線(xiàn)。

B、C兩方案的渦流比較為接近，壓縮終止的最大渦流比達(dá)到了1.45左右；而A方案的渦流比最小，進(jìn)氣及壓縮過(guò)程的渦流比較B、C方案低了0.2?？紤]到方案B和C的渦流比得到了同步提高，認(rèn)為活塞頂部進(jìn)氣側(cè)凹槽的修改是影響渦流的主要原因［5］。

圖8—10分別是各方案壓縮上止點(diǎn)時(shí)半行程位置垂直氣缸中軸線(xiàn)的速度場(chǎng)切片。可以看出：較A方案，B、C兩方案修改1部位，流速明顯提高，這也說(shuō)明了修改1帶來(lái)了缸內(nèi)流速的增加，從而導(dǎo)致渦流比提高。

3.3 活塞凹坑內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)對(duì)比

對(duì)于ω燃燒室的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，ω凹坑內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)對(duì)油氣混合影響極大，是設(shè)計(jì)過(guò)程中重點(diǎn)的關(guān)注對(duì)象。

圖11—13是壓縮上止點(diǎn)時(shí)刻沿氣門(mén)中間線(xiàn)方向的速度場(chǎng)切片。3個(gè)方案在ω凹坑中部流速均較低，且在靠近進(jìn)排氣門(mén)的凹坑內(nèi)均形成了明顯的漩渦，這種漩渦有利于燃油的蒸發(fā)混合。而在離進(jìn)排氣門(mén)較遠(yuǎn)的凹坑內(nèi)，方案A在凹坑底部形成了明顯的滯止區(qū)，方案B和C凹坑內(nèi)的流場(chǎng)較為均勻且渦流明顯，因此該部位B和C方案的油氣混合效果較好。

圖14—16則是壓縮上止點(diǎn)時(shí)刻沿氣門(mén)連線(xiàn)方向的速度場(chǎng)切片。方案A在兩個(gè)凹坑內(nèi)均形成了渦流，而方案B和C只在靠近排氣門(mén)的凹坑內(nèi)形成渦流。但由于方案B、C在各凹坑的流速明顯大于方案A，因此B和C實(shí)際的油氣混合效果可能仍較A理想。

4 總結(jié)

根據(jù)缸內(nèi)流動(dòng)CFD分析的結(jié)果，方案A被設(shè)計(jì)人員排除，方案B和C的樣件被用于發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)。通過(guò)綜合比較，方案B被用于最終的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品。

文中通過(guò)CFD分析對(duì)比了3款活塞對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)流動(dòng)的影響，根據(jù)流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了活塞初步選型，有效減少了實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)的工作量。這個(gè)事例表明CFD手段能夠有效支持發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的正向設(shè)計(jì)選型。

【1】周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

【2】楊連聲.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)［M］.北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1981.

【3】王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

【4】許漢軍，宋金甌，姚春德，等.對(duì)置二沖程柴油機(jī)缸內(nèi)流動(dòng)形式對(duì)混合氣形成及燃燒的模擬研究［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2009（5）：395－400.

【5】郭鵬，段雪濤，賀滔，等.基于CFD技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)缸墊水孔正向開(kāi)發(fā)［J］.低溫與超導(dǎo)，2014（7）：64－67.

Selection of Engine Piston Based on In?cylinder Flow CFD Analysis

WANG Xiaolan，YAOWei，ZHANG Yingbing
（Technique Center，Anhui Jianghuai Automobile Co.，Ltd.，Hefei Anhui 230022，China）

Piston is an important part of engine combustion system.A well suited piston can lead a good in?cylinder air flow，then the power of engine increases，the fuel consumption rate and exhaust emission decrease.An example of selection of engine piston was introduced. CFD technique was used to determine the difference of in?cylinder air flow for several pistons，the bestpiston was chosen based on CFD results.

In?cylinder flow；CFD analysis；Piston selection

2015－03－31

王曉蘭 （1982—），女，碩士研究生，工程師，主要從事汽車(chē)產(chǎn)品設(shè)計(jì)及項(xiàng)目管理。E?mail：26217043＠qq.com。