李海鷹 于波 葉劍

摘要：在柴油機(jī)進(jìn)氣歧管前安裝蝶形渦流調(diào)節(jié)閥，通過(guò)調(diào)整直氣道側(cè)的有效流通面積改變缸內(nèi)渦流強(qiáng)度。在穩(wěn)流吹風(fēng)試驗(yàn)平臺(tái)，研究渦流調(diào)節(jié)閥角度對(duì)進(jìn)氣道流量因數(shù)和渦流比的影響，并結(jié)合粒子圖像測(cè)速（particle image velocimetry，PIV）分析缸內(nèi)渦流的形成過(guò)程。采用計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）評(píng)估渦流調(diào)節(jié)閥角度對(duì)缸內(nèi)混合氣體形成過(guò)程的影響，計(jì)算結(jié)果可復(fù)現(xiàn)三維 PIV測(cè)量的缸內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和相似的渦心位置。隨著進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉，渦流比從0.57提高到2.05，油氣在周向的相互作用增強(qiáng)，從而加速預(yù)混燃燒階段的放熱速度，促使燃燒重心提前、燃燒持續(xù)期縮短。在相同進(jìn)氣流量條件下，強(qiáng)渦流運(yùn)動(dòng)也促使累積放熱量增加。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);燃燒;調(diào)節(jié)閥;渦流比;粒子圖像測(cè)速

中圖分類號(hào)：TK421

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1006-0871（2019）02-0019-08

0?引?言

為提高柴油機(jī)綜合性能，中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所自主開(kāi)發(fā)一款小型高強(qiáng)化柴油機(jī)。在這款小型高強(qiáng)化柴油機(jī)的研發(fā)過(guò)程中，有針對(duì)性地開(kāi)展一系列相關(guān)設(shè)計(jì)和研究工作。[1-5]

在采用高增壓技術(shù)的小型化柴油機(jī)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，進(jìn)氣系統(tǒng)亟待改善低速扭矩不足和高速空氣不夠的現(xiàn)狀。為解決這一問(wèn)題，專家們采取一系列措施。MIGAUD等[6]設(shè)計(jì)長(zhǎng)度可變進(jìn)氣管，借助進(jìn)氣管自身的壓力波動(dòng)提高低速端扭矩、改善汽車發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)速度、降低CO2排放。德國(guó)的ADOLPH等[7]設(shè)計(jì)氣門(mén)座結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)低氣門(mén)升程下的渦流強(qiáng)度。英國(guó)布魯內(nèi)爾大學(xué)的LI等[8]遮擋部分進(jìn)氣閥流通面積，提高汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的滾流比。

本文在雙氣道的直氣道側(cè)安裝渦流調(diào)節(jié)閥，實(shí)現(xiàn)渦流可調(diào)的設(shè)計(jì)理念。借助CONVERGE平臺(tái)，研究渦流調(diào)節(jié)閥角度對(duì)缸內(nèi)混合氣體形成和燃燒過(guò)程的影響。

1?穩(wěn)流吹風(fēng)試驗(yàn)

穩(wěn)流吹風(fēng)試驗(yàn)平臺(tái)布置示意見(jiàn)圖1。旁通閥保證進(jìn)氣壓差為5 kPa，空氣流量通過(guò)熱膜流量計(jì)測(cè)量，渦流轉(zhuǎn)速通過(guò)葉片風(fēng)速儀測(cè)量。

雙氣道包括直氣道和螺旋氣道。渦流調(diào)節(jié)閥安裝在直氣道一側(cè)，旋轉(zhuǎn)渦流調(diào)節(jié)閥的角度可改變進(jìn)氣道的渦流比，渦流調(diào)節(jié)閥示意見(jiàn)圖2。穩(wěn)流吹風(fēng)試驗(yàn)得到進(jìn)氣道流量因數(shù)和渦流比與渦流調(diào)節(jié)閥角度的關(guān)系，見(jiàn)圖3。當(dāng)渦流調(diào)節(jié)閥角度從0°增大到±30°時(shí)，渦流比基本維持在1左右。當(dāng)渦流調(diào)節(jié)閥角度進(jìn)一步增加，渦流比呈現(xiàn)近似線性的增長(zhǎng)趨勢(shì)，當(dāng)渦流調(diào)節(jié)閥角度為±90°時(shí)，渦流比最大，達(dá)到3以上。

2?粒子圖像測(cè)速測(cè)試及穩(wěn)態(tài)缸內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算

對(duì)穩(wěn)流吹風(fēng)試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行可視化改造，對(duì)可調(diào)渦流進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行粒子圖像測(cè)速（particle image velocimetry，PIV）測(cè)試。PIV試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖4。采用LaVison波長(zhǎng)為532 nm的Nd∶YAG 激光器，每一脈沖的能量為400 mJ。示蹤粒子選用DEHS，粒徑大小為0.1～1.0 μm。

計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）仿真計(jì)算選用RNG k-ε模型。PIV獲得的流場(chǎng)為100個(gè)循環(huán)的平均值流場(chǎng)。限于文章篇幅，以渦流調(diào)節(jié)閥角度為90°時(shí)，氣門(mén)升程分別為6和10 mm時(shí)距離缸蓋1.00D和1.75D（D為缸徑截面直徑的平面流場(chǎng)）為例，對(duì)比PIV測(cè)試與CFD計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)圖5。從流場(chǎng)結(jié)構(gòu)來(lái)看，二者渦流運(yùn)動(dòng)相似，當(dāng)氣門(mén)升程從6 mm增加到10 mm時(shí)，PIV測(cè)試結(jié)果可以看出渦團(tuán)中心呈現(xiàn)向心運(yùn)動(dòng)，CFD計(jì)算也復(fù)現(xiàn)這一特征;從渦流強(qiáng)度來(lái)看，二者的渦流比大小相近，最大差值僅為0.3，在可接受范圍內(nèi)。

3?缸內(nèi)計(jì)算設(shè)置及模型標(biāo)定

所研究的柴油機(jī)為水冷、四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，采用共軌系統(tǒng)，排量為1 L，壓縮比為13，軌壓為180 MPa。

缸內(nèi)三維仿真基于CONVERGE平臺(tái)，包括進(jìn)排氣道在內(nèi)，柴油機(jī)仿真實(shí)體模型和計(jì)算網(wǎng)格見(jiàn)圖6。計(jì)算網(wǎng)格采用局部加密和速度、溫度自適應(yīng)加密的方式，具體仿真采用的子模型見(jiàn)表1。

CFD缸內(nèi)壓力標(biāo)定結(jié)果見(jiàn)圖7。由此可知：CFD缸內(nèi)壓力計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致，壓縮沖程的相對(duì)誤差低于2%，最高燃燒壓力的相對(duì)誤差低于0.5%。

4?缸內(nèi)換氣和混合氣體形成過(guò)程仿真

設(shè)計(jì)的計(jì)算方案見(jiàn)表2。

當(dāng)渦流調(diào)節(jié)閥角度較大時(shí)，進(jìn)氣道流量因數(shù)會(huì)顯著降低，因此設(shè)計(jì)2組計(jì)算方案對(duì)比分析。第一組為方案1～4，對(duì)比相同進(jìn)氣壓力條件下渦流調(diào)節(jié)閥角度的影響;第二組為方案5和6與方案3和4，對(duì)比相似進(jìn)氣流量條件下渦流調(diào)節(jié)閥角度的影響。

4.1?相同進(jìn)氣壓力條件對(duì)比

相同進(jìn)氣壓力條件下渦流比隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系見(jiàn)圖8。

隨著渦流調(diào)節(jié)閥角度變?。撮_(kāi)度變大），最大渦流比對(duì)應(yīng)的相位提前，如方案4最大渦流比對(duì)應(yīng)的相位為曲軸轉(zhuǎn)角490°，與方案1和方案2最大渦流比對(duì)應(yīng)的下止點(diǎn)相比，曲軸轉(zhuǎn)角相差60°。4種方案最大渦流比分別為2.17、1.54、0.83和0.67。當(dāng)進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)，渦流比分別為2.05、1.39、0.76和0.57?？梢钥闯?，隨著渦流調(diào)節(jié)閥角度變小，當(dāng)進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)，渦流比降低的百分比增大。

為深入分析缸內(nèi)渦流運(yùn)動(dòng)的空間發(fā)展，對(duì)比方案1～?4在曲軸轉(zhuǎn)角420°和540°時(shí)的速度場(chǎng)，見(jiàn)圖9。從總體流場(chǎng)結(jié)構(gòu)來(lái)看，進(jìn)氣射流與缸內(nèi)壁面作用形成Jet-Wall流動(dòng)，進(jìn)氣射流也相互干涉形成Jet-Jet流動(dòng)。在進(jìn)氣初期，由于此時(shí)進(jìn)氣氣門(mén)升程較小，橫

截面出現(xiàn)出多個(gè)微渦團(tuán)，而此時(shí)方案4的渦流比很小（見(jiàn)圖8），缸內(nèi)呈現(xiàn)出近似上下對(duì)稱的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。方案3直氣道與螺旋氣道的進(jìn)氣射流呈現(xiàn)出勢(shì)均力敵的態(tài)勢(shì)，Jet-Jet流動(dòng)垂直向下。隨著活塞下行，方案1和方案2中Jet-Wall流動(dòng)逐漸衰減，螺旋氣道側(cè)的Jet-Wall流動(dòng)逐漸演化，直到曲軸轉(zhuǎn)角540°時(shí)，方案1缸內(nèi)下方出現(xiàn)單一左向剪切流動(dòng)，方案2的缸內(nèi)下方也呈現(xiàn)出相似的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)，方案1和方案4中心截面速度場(chǎng)對(duì)比見(jiàn)圖10。方案1在中心形成明顯的順時(shí)針渦團(tuán)，而方案4未形成穩(wěn)定的渦流運(yùn)動(dòng)。

方案1和方案4噴油過(guò)程距缸蓋底面10 mm橫截面的速度場(chǎng)和當(dāng)量比分布情況對(duì)比分別見(jiàn)圖11和12。在方案1中，噴霧前端氣流受缸內(nèi)周圍氣流的卷吸，出現(xiàn)明顯的偏移，而方案4未發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象。從圖12可以看到，伴隨渦流比的降低，相鄰油束的間距變大，油氣相互作用降低。

方案1～4缸內(nèi)壓力曲線對(duì)比見(jiàn)圖13。由此可知，渦流比增大對(duì)缸內(nèi)壓力影響非常顯著。隨著渦流比增大，進(jìn)氣量減少，壓縮階段壓力下降。方案1～4的最高燃燒壓力分別為166×105、187×105、204×105和205×105 Pa。方案1～4瞬時(shí)放熱率和累積放熱率曲線分別見(jiàn)圖14和15，燃燒特征參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表3。伴隨著渦流比提高，缸內(nèi)壓力下降，從表3來(lái)看，著火滯燃期從曲軸轉(zhuǎn)角2.6°增加到曲軸轉(zhuǎn)角6.6°。對(duì)于不同的進(jìn)氣渦流狀態(tài)，燃燒均分為預(yù)混燃燒和擴(kuò)散燃燒2個(gè)階段。隨著渦流比的增大，預(yù)混燃燒階段的放熱得到促進(jìn)，方案1的燃燒重心明顯提前。由于過(guò)量空氣因數(shù)低（見(jiàn)表2），方案1的累積放熱量明顯比其他方案降低，燃燒持續(xù)期（曲軸轉(zhuǎn)角為90°～5°）比其他方案縮短約7°。總之，在相同進(jìn)氣壓力條件下，渦流比提高會(huì)導(dǎo)致最高燃燒壓力下降、燃燒重心提前和燃燒持續(xù)期縮短。

4.2?相同進(jìn)氣流量條件對(duì)比

渦流比隨曲軸轉(zhuǎn)角變化關(guān)系見(jiàn)圖16。與相同進(jìn)氣壓力方案組相比，在相同進(jìn)氣流量下渦流比呈現(xiàn)相似的發(fā)展趨勢(shì)。方案5、方案6、方案3和方案4的最大渦流比分別為2.18、1.55、0.83和0.67，進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)的渦流比分別為2.07、1.39、0.76和0.57。方案5和方案1橫截面速度場(chǎng)對(duì)比見(jiàn)圖17。與相同進(jìn)氣壓力方案組相比，盡管個(gè)別方案進(jìn)氣壓力有所增加，但渦流強(qiáng)度基本保持不變，渦心位置也較接近。方案5和方案1噴油過(guò)程的橫截面當(dāng)量比分布見(jiàn)圖18。由于進(jìn)氣壓力提高，噴油初期（方案5）的液相貫穿距比方案1長(zhǎng)。

相同進(jìn)氣流量條件下的缸內(nèi)壓力和缸內(nèi)溫度對(duì)比分別見(jiàn)圖19和20。各方案的最高燃燒壓力相差不大，但是強(qiáng)渦流運(yùn)動(dòng)會(huì)增加傳熱損失，致使方案5的壓縮沖程缸內(nèi)壓力和溫度降低。相同進(jìn)氣流量條件下的燃燒特征參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表4，瞬時(shí)放熱率和累積放熱率對(duì)比分別見(jiàn)圖21和22。從放熱規(guī)律看，在進(jìn)氣流量一定的條件下，雖然受缸內(nèi)溫度降低的影響，強(qiáng)渦流使著火滯燃期略有增加，但總體來(lái)說(shuō)渦流同時(shí)促進(jìn)預(yù)混和擴(kuò)散燃燒階段的放熱速率，促進(jìn)燃燒重心提前、燃燒持續(xù)期縮短，并最終促使方案5累積放熱量提高。

5?結(jié)束語(yǔ)

借助CONVERGE平臺(tái)，對(duì)可調(diào)渦流燃燒系統(tǒng)換氣、油氣混合和燃燒過(guò)程進(jìn)行仿真，標(biāo)定模型在流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、缸壓曲線等方面與試驗(yàn)數(shù)據(jù)一致性較好。

在進(jìn)氣道安裝渦流調(diào)節(jié)閥，可以實(shí)現(xiàn)渦流比為3的強(qiáng)渦流流場(chǎng)。渦流促進(jìn)油氣的周向混合，強(qiáng)渦流加速預(yù)混燃燒階段的放熱，使燃燒重心提前，燃燒持續(xù)期縮短。強(qiáng)渦流運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致缸內(nèi)傳熱損失增加，在相同進(jìn)氣流量下著火滯燃期延長(zhǎng)。

針對(duì)可調(diào)渦流燃燒系統(tǒng)的全工況燃燒性能進(jìn)行分析，可進(jìn)一步改善高渦流比進(jìn)氣道的流通性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]?LI Y F， CAI Z Z， LI Y Z， et al. Increasing a diesel engine power output by combustion system optimization[C]// Proceedings of 2013 SAE/KSAE International Powertrains， Fuels and Lubricants Meeting. Seoul：SAE International， 2013. DOI：10.4271/2013-01-2530.

[2]?LI Y F. A new estimation of swirl ratio from steady flow rig testing[C]// Proceedings of SAE 2014 International Powertrain， Fuels & Lubricants Meeting. Birmingham：SAE International， 2014. DOI：10.4271/2014-01-2587.

[3]?WEN M， LI Y F， TAN L H， et al. Numerical simulation analysis into effects of piston bowl geometry on combustion process for a high power density diesel engine[C]// Proceedings of JSAE/SAE 2015 International Powertrains， Fuels & Lubricants Meeting. Kyoto：SAE International， 2015. DOI：10.4271/2015-01-1855.

[4]?WANG K， LI H Y， LI Y F， et al. Effect of depth of valve avoiding pit on combustion process for a heavy duty diesel engine[C]// Proceedings of WCX 17：SAE World Congress Experience. Detroit：SAE International， 2017. DOI：10.4271/2017-01-0725.

[5]?LI H Y， WANG K， WANG L， et al. Effect of geometric structure of cylinder head on combustion process in a diesel engine[C]// Proceedings of WCX 17：SAE World Congress Experience. Detroit：SAE International， 2017. DOI：10.4271/2017-01-0692.

[6]?MIGAUD J， RAIMBAULT V， CHALET D， et al. Variable charge air duct for low-end torque enhancement and high speed performance[J]. MTZ Worldwide， 2015， 76（1）：20-25. DOI：10.1007/s38313-014-1006-y.

[7]?ADOLPH D， REZAEI R， PISCHINGER S， et al. Gas exchange optimization and impact on emission reduction for HSDI diesel engines[C]// Proceedings of SAE 2009 World Congress & Exhibition. Detroit：SAE International， 2009. DOI：10.4271/2009-01-0653.

[8]?LI Y F， ZHAO H， LEACH B， et al. Optimisation of in-cylinder flow for fuel stratification in a three-valve twin-spark-plug SI engine[C]// Proceedings of SAE 2003 World Congress & Exhibition. Detroit：SAE International， 2003. DOI：10.4271/2003-01-0635.

（編輯?武曉英）