衛(wèi)海橋，龔澤文，韓雪松，潘明章，葉年業(yè)，梁源飛

（1. 天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津　300072；2. 上汽通用五菱汽車股份有限公司，柳州　545000）

進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)對增壓汽油機(jī)燃燒過程影響的數(shù)值模擬

衛(wèi)海橋1，龔澤文1，韓雪松1，潘明章1，葉年業(yè)2，梁源飛2

（1. 天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072；2. 上汽通用五菱汽車股份有限公司，柳州545000）

為提高某三缸增壓進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)的燃燒效率，利用三維CFD軟件AVL-FIRE對原汽油機(jī)進(jìn)氣道在各氣門升程下的進(jìn)氣過程進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算，并對其原汽油機(jī)在1，000，r/min、3，000，r/min和5，000，r/min全負(fù)荷下的燃燒過程進(jìn)行了瞬態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算；基于計(jì)算結(jié)果提出了兩種進(jìn)氣道優(yōu)化設(shè)計(jì)方案.對優(yōu)化前后的缸內(nèi)速度場、湍動能場、溫度場、瞬時(shí)放熱率及燃燒持續(xù)期進(jìn)行了對比研究.研究結(jié)果表明：與原氣道方案相比，優(yōu)化氣道方案的滾流比更大，在缸內(nèi)組織了更強(qiáng)的氣流運(yùn)動，點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)的湍動能更大且分布更為合理，火焰發(fā)展期和快速燃燒期更短.通過優(yōu)化進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)適當(dāng)提高增壓汽油機(jī)的滾流比，可以改善壓縮行程后期缸內(nèi)的氣流運(yùn)動，提高點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)的湍流強(qiáng)度，對提高混合氣的燃燒速度、促進(jìn)缸內(nèi)燃燒十分有利，從而可有效提升汽油機(jī)的燃燒效率.

汽油機(jī)；進(jìn)氣道；滾流；數(shù)值模擬

組織良好的缸內(nèi)氣流運(yùn)動可以改善燃燒過程，從而改善內(nèi)燃機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性以及降低排放.合理設(shè)計(jì)進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)，在進(jìn)氣過程中形成宏觀滾流運(yùn)動并在壓縮行程中轉(zhuǎn)化為微觀湍流運(yùn)動，是汽油機(jī)組織缸內(nèi)氣流運(yùn)動的重要途徑［1］.因此，如何合理組織缸內(nèi)滾流運(yùn)動，即對汽油機(jī)進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對改善發(fā)動機(jī)燃燒尤為重要.

國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對汽油機(jī)進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)、流動特性和評價(jià)指標(biāo)等做了許多工作.Mahmood等［2］進(jìn)行了進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)對多氣門發(fā)動機(jī)缸內(nèi)流場影響的穩(wěn)態(tài)模擬，并探討了進(jìn)氣角度、氣缸停缸、氣道節(jié)流和廢氣再循環(huán)對缸內(nèi)流場的影響規(guī)律.Qi等［3］利用CFD軟件模擬研究了進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)對氣道滾流比及缸內(nèi)流場的影響，并分析了滾流對進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)燃油霧化的影響.裴普成等［4］設(shè)計(jì)了多氣門汽油機(jī)滾流氣道并進(jìn)行了穩(wěn)流氣道試驗(yàn)，結(jié)果表明上大下小的喉口截面形狀的進(jìn)氣道可得到較強(qiáng)的滾流強(qiáng)度.祖炳鋒［5］將氣道穩(wěn)流試驗(yàn)及發(fā)動機(jī)性能試驗(yàn)相結(jié)合，利用Star-CD軟件通過計(jì)算模擬得到了2.2，L和2.4，L 4氣門汽油機(jī)的最優(yōu)方案，從而縮短開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本.

國內(nèi)外學(xué)者結(jié)合使用穩(wěn)態(tài)流場模擬、穩(wěn)流氣道試驗(yàn)和瞬態(tài)模擬，揭示了氣道及缸內(nèi)氣體流動的現(xiàn)象、本質(zhì)及其對燃燒的影響，但直接用于指導(dǎo)發(fā)動機(jī)研發(fā)設(shè)計(jì)的研究較少.本文從工程研發(fā)設(shè)計(jì)的實(shí)際需要出發(fā)，以某3缸增壓進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)為研究對象，為提高其燃燒效率，利用AVL-FIRE軟件對優(yōu)化前后的進(jìn)氣道在各氣門升程下的進(jìn)氣過程進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算，對汽油機(jī)在1，000，r/min、3，000，r/min和5，000，r/min全負(fù)荷下的燃燒過程進(jìn)行了瞬態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算，對比研究了進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)對增壓汽油機(jī)缸內(nèi)氣流運(yùn)動和燃燒過程的影響，為增壓汽油機(jī)進(jìn)氣道的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù).

1　瞬態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算

1.1模型建立

缸內(nèi)流動和燃燒過程CFD計(jì)算域主要由進(jìn)排氣道、進(jìn)排氣門、氣門座圈、燃燒室和活塞頂面組成.本文選取1缸模型進(jìn)行CFD仿真計(jì)算，定義720°，CA為壓縮上止點(diǎn)，模擬計(jì)算從260°，CA開始，到844°，CA排氣門開啟時(shí)終止.該汽油機(jī)采用閉環(huán)噴油，即在進(jìn)氣門開啟之前完成噴油，其中1，000，r/min下噴油量為24.4，mg，3，000，r/min下噴油量為39.5，mg，5，000，r/min下噴油量為42.0，mg.表1為發(fā)動機(jī)基本參數(shù)，氣門重疊期的計(jì)算域如圖1所示.

表1　發(fā)動機(jī)基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of engine

圖1　CFD仿真計(jì)算域Fig.1 Computation domain of CFD simulation

1.2初始條件和邊界條件

內(nèi)燃機(jī)工作過程的三維瞬態(tài)模擬要求必須準(zhǔn)確地給出初始條件和邊界條件.本文定義進(jìn)、排氣門和活塞頂為移動壁面，其他為固定壁面.入口邊界條件采用質(zhì)量流量邊界條件，出口邊界條件采用壓力邊界條件.溫度邊界條件采用恒溫邊界條件，設(shè)定進(jìn)氣道溫度邊界為330，K，燃燒室溫度邊界為450，K，排氣道溫度邊界為550，K.初始條件根據(jù)一維GT-Power仿真結(jié)果對進(jìn)排氣道和缸內(nèi)賦值.

1.3數(shù)值模型

計(jì)算中采用的湍流模型為四方程模型 k-ζ-f，該模型的計(jì)算精度和穩(wěn)定性均較好，但是計(jì)算量相比雙方程k-ε大15%，左右.噴霧模型采用Mundo Sommerfeld液滴撞壁模型、Dukowicz液滴蒸發(fā)模型和TABLE燃油破碎模型.燃燒模型采用ECFM模型，對于汽油機(jī)而言，該模型物理意義清晰準(zhǔn)確，計(jì)算精度和收斂性較好［6］.計(jì)算采用默認(rèn)的松弛因子，對動量方程采用MINMOD Relaxed差分格式，對連續(xù)方程采用Central Differencing差分格式，能量等方程采用Upwind差分格式，為了更好地判斷計(jì)算的斂散性，對計(jì)算殘差進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控.

1.4模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所選模型的準(zhǔn)確性，對原發(fā)動機(jī)在3，000，r/min全負(fù)荷工況下進(jìn)行了臺架試驗(yàn)，表2為試驗(yàn)條件.圖2為該汽油機(jī)驗(yàn)證工況下缸壓的試驗(yàn)值和模擬值對比結(jié)果.由圖2可以看出，在點(diǎn)火時(shí)刻前試驗(yàn)值和模擬值幾乎完全吻合，點(diǎn)火后二者變化趨勢仍比較接近，壓力峰值及其對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角對應(yīng)較好，說明模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，所選模型和計(jì)算方法合理.

表2　試驗(yàn)條件Tab.2 Test conditions

圖2　3000r/min缸壓試驗(yàn)值和模擬值對比Fig.2 Comparison of calculated and measured incylinder pressure at 3，000，r/min

2　進(jìn)氣道優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1進(jìn)氣道優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

汽油機(jī)缸內(nèi)氣體的流動和燃燒在很大程度上依賴于進(jìn)氣道設(shè)計(jì)的優(yōu)劣.通過合理設(shè)計(jì)進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)（包括進(jìn)氣道內(nèi)角、外角、仰角及喉口截面形狀等），組織適當(dāng)?shù)臐L流運(yùn)動，有利于提高點(diǎn)火之后缸內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，?yōu)化汽油機(jī)工作過程.

對原進(jìn)氣道在各氣門升程下的進(jìn)氣過程進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算，對原汽油機(jī)在1000r/min3，000r/min和5000r/min全負(fù)荷下的燃燒過程進(jìn)行了瞬態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)存在以下問題：①原機(jī)進(jìn)氣道滾流比偏低，導(dǎo)致缸內(nèi)氣流運(yùn)動不強(qiáng)；②點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)湍動能偏低，且湍動能較大區(qū)域偏離火花塞位置附近；③混合氣燃燒速度較慢，燃燒持續(xù)期偏長.

針對原發(fā)動機(jī)燃燒過程存在的問題，對其進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).對于增壓汽油機(jī)，壓氣機(jī)吸氣可以保證足夠的進(jìn)氣量，因此可以通過改變進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)，犧牲部分流量系數(shù)來提高進(jìn)氣道滾流比，從而提高缸內(nèi)滾流強(qiáng)度［7-8］.筆者提出的進(jìn)氣道優(yōu)化方案，如圖3所示：IP_1氣道方案為原機(jī)進(jìn)氣道；IP_2氣道方案在IP_1氣道方案的基礎(chǔ)上改變進(jìn)氣道拐角區(qū)域，減小進(jìn)氣道喉口處截面積，從而增大了進(jìn)氣道漸縮幅度；IP_3氣道方案在IP_1氣道方案基礎(chǔ)上改變進(jìn)氣道角度，在不改動進(jìn)氣口的前提下，以進(jìn)氣口中心線為基準(zhǔn)，將進(jìn)氣道向上旋轉(zhuǎn)2°，同時(shí)提高進(jìn)氣門座高度.

2.2各氣道方案流量系數(shù)與滾流比對比

利用UG建立進(jìn)氣道優(yōu)化模型后，對優(yōu)化前后的進(jìn)氣道進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，得到各氣門升程下的流量系數(shù)和滾流比對比，如圖4所示.

圖3　進(jìn)氣道優(yōu)化方案Fig.3 Intake port optimization proposals

圖4　流量系數(shù)和滾流比對比Fig.4 Comparison of flow coefficient and tumble ratio

可以看出，IP_1氣道流量系數(shù)最大，滾流比最??；IP_2氣道流量系數(shù)最小，滾流比最大；IP_3氣道流量系數(shù)稍大于IP_2氣道，滾流比則稍小于IP_2氣道.IP_2氣道和IP_3氣道均達(dá)到了降低部分流量系數(shù)來提高進(jìn)氣道滾流比的目的.

3　計(jì)算結(jié)果與分析

3.1缸內(nèi)速度場對比分析

汽油機(jī)缸內(nèi)滾流運(yùn)動產(chǎn)生于進(jìn)氣過程，在壓縮行程后期，由于其運(yùn)動與燃燒室形狀不相適應(yīng)而產(chǎn)生極大的變形，整個(gè)結(jié)構(gòu)破碎變成紊流，從而形成異常強(qiáng)烈的紊流運(yùn)動，大大加快了火焰?zhèn)鞑ニ俣龋纳屏似蜋C(jī)性能［9］.選取3，000，r/min下各氣道方案點(diǎn)火之后缸內(nèi)速度場進(jìn)行對比分析，如圖5所示.

可以看出，IP_1氣道方案缸內(nèi)的氣流運(yùn)動受到活塞運(yùn)動的壓縮作用相對較小，點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)氣體流速較低，活塞運(yùn)動到壓縮上止點(diǎn)時(shí)缸內(nèi)湍流速度比較均勻，擠流運(yùn)動不明顯.IP_2氣道方案點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)氣體流速最高，燃燒室中間區(qū)域形成了很強(qiáng)的氣流運(yùn)動，活塞運(yùn)動到壓縮上止點(diǎn)時(shí)進(jìn)排氣兩側(cè)擠流運(yùn)動較為明顯.IP_3氣道方案點(diǎn)火時(shí)刻進(jìn)排氣兩側(cè)形成了較強(qiáng)的斜向上壓縮擠流，與缸內(nèi)的滾流相互影響，在燃燒室中間區(qū)域形成了較強(qiáng)的旋流運(yùn)動，氣缸蓋附近和活塞頂面附近的缸內(nèi)氣流運(yùn)動較強(qiáng)，活塞運(yùn)動到壓縮上止點(diǎn)時(shí)進(jìn)排氣兩側(cè)擠流運(yùn)動較為明顯.

3.2缸內(nèi)湍動能場對比分析

發(fā)動機(jī)缸內(nèi)火焰?zhèn)鞑ナ芨變?nèi)湍流運(yùn)動的影響，點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)的湍流強(qiáng)度和湍動能的分布對于火焰的傳播起到很大的作用［10］.選取3，000，r/min下各氣道方案點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)湍動能分布進(jìn)行對比分析，如圖6所示.可以看出，IP_1氣道方案點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)湍流強(qiáng)度較低，且火花塞位置附近湍動能偏低，不利于點(diǎn)火之后火焰的迅速傳播.IP_2氣道方案點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)湍流強(qiáng)度較高，湍動能較大區(qū)域靠近氣缸蓋附近，稍微偏離燃燒室中間區(qū)域.IP_3氣道方案點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)湍流強(qiáng)度較高，湍動能較大區(qū)域位于燃燒室中間區(qū)域.

3.3缸內(nèi)溫度場對比分析

圖7為3，000，r/min下各氣道方案點(diǎn)火之后缸內(nèi)溫度場分布對比結(jié)果.可以看出，活塞運(yùn)動到壓縮上止點(diǎn)時(shí)IP_1氣道方案缸內(nèi)火焰偏向排氣側(cè)傳播，已燃區(qū)所占體積最小，上止點(diǎn)后10°，CA時(shí)排氣側(cè)基本燃燒完全而進(jìn)氣側(cè)仍有較大未燃區(qū)域，上止點(diǎn)后20°，CA時(shí)缸內(nèi)仍沒有燃燒完全，這種現(xiàn)象一方面與其缸內(nèi)湍動能較低且湍動能較大區(qū)域偏離火花塞位置附近有關(guān)，另一方面也與其缸內(nèi)氣體流速較低有關(guān).IP_2氣道方案點(diǎn)火之后火焰?zhèn)鞑パ杆?，火花塞與氣缸蓋之間最先開始燃燒然后火焰面向活塞頂面發(fā)展，由于缸內(nèi)流場的影響，火焰向進(jìn)氣側(cè)發(fā)展速度較大.IP_3氣道方案點(diǎn)火之后火焰?zhèn)鞑パ杆?，燃燒室中間區(qū)域最先開始燃燒然后火焰面向四周發(fā)展，缸內(nèi)燃燒分布較為平均，上止點(diǎn)后20，°CA時(shí)已燃燒完全.

圖5　點(diǎn)火之后缸內(nèi)速度場對比Fig.5 Comparison of velocity field in cylinder after ignition

圖6　點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)湍動能分布對比Fig.6 Comparison of turbulent kinetic energy field in cylinder at ignition timing

圖7　點(diǎn)火之后缸內(nèi)溫度場對比Fig.7 Comparison of temperature field in cylinder after ignition

3.4瞬時(shí)放熱率對比分析

圖8為3，000，r/min下各氣道方案瞬時(shí)放熱率對比結(jié)果.可以看出：IP_1氣道方案燃燒速度最慢，IP_2氣道方案和IP_3氣道方案的放熱率明顯高于IP_1氣道方案，燃燒速度更快；IP_2氣道方案和IP_3氣道方案放熱率曲線變化趨勢基本相同，但I(xiàn)P_3氣道方案燃燒速度更快，瞬時(shí)放熱率峰值更高.

圖8　瞬時(shí)放熱率對比Fig.8 Comparison of the instantaneous heat release rate

3.5燃燒持續(xù)期對比分析

汽油機(jī)燃燒過程按照已燃質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以分為火焰發(fā)展期和快速燃燒期.對比分析1，000，r/min、3，000，r/min和5，000，r/min下各氣道方案的火焰發(fā)展期和快速燃燒期，如圖9所示.

由圖9可以看出：在各工況下，IP_1氣道方案火焰發(fā)展期和快速燃燒期最長，IP_2氣道方案和IP_3氣道方案火焰發(fā)展期和快速燃燒期明顯縮短，說明通過優(yōu)化進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)提高增壓汽油機(jī)滾流比，可以改善壓縮行程后期缸內(nèi)氣流運(yùn)動，提高點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)湍流強(qiáng)度，從而提高混合氣的燃燒速度，促進(jìn)缸內(nèi)燃燒.

與IP_3氣道方案相比，IP_2氣道方案滾流比更大，缸內(nèi)氣流速度更快，而在1，000，r/min和3，000，r/min下的燃燒持續(xù)期卻更長，燃燒速度有所降低，說明對增壓汽油機(jī)而言，即使能夠保證足夠的進(jìn)氣量，也不是滾流比越大燃燒速度就越快，還需要考慮氣流運(yùn)動對缸內(nèi)湍動能分布的影響，通過組織適當(dāng)?shù)臍饬鬟\(yùn)動使壓縮行程后期缸內(nèi)湍動能較大區(qū)域位于燃燒室中心，能有效提高火焰?zhèn)鞑ニ俣?、縮短燃燒持續(xù)期.

圖9　火焰發(fā)展期和快速燃燒期對比Fig.9 Comparison of flame developing period with rapid burning period

4　結(jié) 論

（1） 進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)對組織缸內(nèi)氣流運(yùn)動影響較大.IP_1氣道方案缸內(nèi)的氣流運(yùn)動受到活塞運(yùn)動的壓縮作用相對較小，缸內(nèi)氣體流速較低；IP_2氣道方案和IP_3氣道方案均在缸內(nèi)組織了較強(qiáng)的氣流運(yùn)動，上止點(diǎn)附近進(jìn)排氣兩側(cè)擠流運(yùn)動較為明顯.

（2） 對比分析各氣道方案點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)湍動能分布可知：IP_1氣道方案點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)湍流強(qiáng)度較低，且火花塞位置附近湍動能偏低；IP_2氣道方案和IP_3氣道方案點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)湍流強(qiáng)度較高，湍動能較大區(qū)域位于燃燒室中間區(qū)域更有利于點(diǎn)火之后火焰向四周迅速傳播.

（3） 對比分析各氣道方案點(diǎn)火之后缸內(nèi)溫度場分布、瞬時(shí)放熱率及燃燒持續(xù)期可知：與IP_1氣道方案相比，IP_2氣道方案和IP_3氣道方案燃燒速度更快，燃燒持續(xù)期更短，說明提高增壓汽油機(jī)滾流比，增強(qiáng)缸內(nèi)氣流運(yùn)動，有利于點(diǎn)火之后火焰的迅速傳播，從而改善燃燒過程.

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（責(zé)任編輯：金順愛，王曉燕）

Numerical Simulation on the Effect of Intake Port Structure on the Combustion Process of a Turbocharged Gasoline Engine

Wei Haiqiao1，Gong Zewen1，Han Xuesong1，Pan Mingzhang1，Ye Nianye2，Liang Yuanfei2
（1. State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. SAIC-GM-Wuling Automobile Company Limited，Liuzhou 545000，China）

In order to improve the combustion efficiency of a three cylinder turbocharged port fuel injection gasoline engine，a three-dimensional CFD software AVL-FIRE was used to conduct the steady numerical simulation on the original intake port of the original engine under all valve lifts and transient numerical simulation on the combustion process at 1，000，r/min，3，000，r/min and 5，000，r/min under full load，and two intake port optimization proposals were presented. The influence of the intake port structure on the combustion characteristic parameters such as velocity field，turbulent kinetic energy field，temperature field，heat release rate and combustion duration were comparatively studied. Results show that compared with the original intake port，the optimized intake port shows the greater tumble ratio and has organized stronger airflow in cylinder，the turbulent kinetic energy at ignition timing is greater and its distribution is more reasonable，and the flame development period and rapid combustion period are shorter. It is indicated that improving the tumble ratio through the optimization of the intake port structure can enhance the air motion in cylinder near TDC，and improve the turbulence intensity at ignition timing，which is helpful to speed up the combustion and promote the combustion efficiency effectively.

gasoline engine；intake port；tumble；numerical simulation

TK412

A

0493-2137（2015）12-1077-06

10.11784/tdxbz201408020

2014-08-07；

2014-11-07.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51176138）.

衛(wèi)海橋（1974—），男，博士，教授，whq@tju.edu.cn.

龔澤文，gzw90218@tju.edu.cn.

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2014-11-14. 網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/doi/10.11784/tdxbz201408020.html.