王秦燕，汪春梅，錢葉劍，張夢圓，遲昊

(合肥工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

對于火花點(diǎn)火發(fā)動機(jī)，由于火花塞靠近進(jìn)氣門，它對進(jìn)氣射流的流動以及缸內(nèi)渦團(tuán)的形成與發(fā)展有著重要的導(dǎo)向作用；同時活塞接近上止點(diǎn)時火花塞附近的氣流特性對火核形成與發(fā)展以及火焰的傳播都有著較大的影響[1-3]。若火花塞處于高速氣流區(qū)，不易形成穩(wěn)定的火焰核心，火焰容易熄滅。另外，若火花塞附近的湍流強(qiáng)度適當(dāng)，可以加強(qiáng)火花塞電極與可燃混合氣分子間的碰撞概率，提高著火階段的燃燒化學(xué)反應(yīng)速度，使熱量和活性中心的累積速度加快，易于形成火焰核心[4-5]。因此，火花塞附近的氣流應(yīng)為低速且有合適的湍流強(qiáng)度。

目前，火花塞結(jié)構(gòu)對缸內(nèi)湍流的影響情況尚不明確，有待進(jìn)一步的研究。而且隨著稀燃技術(shù)[6]的發(fā)展，為促進(jìn)混合氣可靠著火，缸內(nèi)湍流特性研究越來越重要[7-9]。同時隨著均質(zhì)壓燃(HCCI)、活性控制壓燃(RCCI)、預(yù)混壓燃(PCCI)[10-11]等新型壓燃技術(shù)的興起，火花塞的取消如何影響缸內(nèi)湍流狀態(tài)也是研究者關(guān)注的焦點(diǎn)。

為了探究火花塞對缸內(nèi)湍流的影響，本研究運(yùn)用三維仿真軟件建立了汽油缸內(nèi)直噴(GDI)發(fā)動機(jī)冷態(tài)仿真模型，研究分析了原機(jī)火花塞、無火花塞、加深火花塞和加大火花塞等不同結(jié)構(gòu)對缸內(nèi)湍流特性，特別是缸內(nèi)渦流的形成與發(fā)展和湍動能的影響，探明缸內(nèi)湍流流動結(jié)構(gòu)和演化過程的基本規(guī)律。

1 模型的建立及計算邊界條件

1.1 發(fā)動機(jī)參數(shù)

模擬對象為一款排量為 1.5 L 4氣門缸內(nèi)直噴汽油機(jī)，火花塞中央布置，主要參數(shù)見表 1。對發(fā)動機(jī)2 000 r/min冷態(tài)情況下的缸內(nèi)流動狀況進(jìn)行了仿真計算。計算網(wǎng)格見圖1，網(wǎng)格的基本尺寸為1.395 mm。

表1 發(fā)動機(jī)主要參數(shù)

圖1 網(wǎng)格模型

1.2 計算模型的建立和算法

選用三維仿真軟件來研究發(fā)動機(jī)缸內(nèi)流動燃燒過程，各參數(shù)及計算模型[12]見表 2。研究了無火花塞、標(biāo)準(zhǔn)火花塞、加深火花塞(加深3 mm)以及加大火花塞(1.5倍)(見圖2)對缸內(nèi)流場的影響，為了對火花塞附近區(qū)域局部的流場進(jìn)行更詳細(xì)的分析，對發(fā)動機(jī)火花塞附近區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密處理[13]。模擬GDI發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣和壓縮沖程，對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為330°～720°，其中壓縮上止點(diǎn)為720°。

表2 計算模型

圖2 網(wǎng)格劃分

1.3 邊界和初始條件

模擬研究主要涉及冷態(tài)流場，邊界和初始條件采用冷態(tài)條件下的經(jīng)驗(yàn)值(見表3)。該款發(fā)動機(jī)進(jìn)氣門的開啟和關(guān)閉時刻分別為330.5°和 579.3°。

表3 邊界和初始條件

2 計算結(jié)果分析

2.1 模型的驗(yàn)證

圖3示出了模型計算和試驗(yàn)測量的缸內(nèi)壓力對比?？梢钥闯瞿M數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)整體趨勢一致，吻合較好，只有少許局部數(shù)值不同，但誤差在許可范圍以內(nèi)。因而可以認(rèn)為本研究的缸內(nèi)三維計算所選用的模型和計算方法合適，達(dá)到了滿意的計算精度，可以進(jìn)行缸內(nèi)湍流模擬計算研究。

圖3 缸壓對比

2.2 缸內(nèi)氣體速度場分析

在進(jìn)氣沖程階段，進(jìn)氣射流對缸內(nèi)湍流場的形成和演變具有決定性的影響。缸內(nèi)流場既有大尺度的宏觀氣體運(yùn)動，又有局部小尺度的強(qiáng)烈湍流脈動。流場特性可以通過特征截面上流場分布狀態(tài)反映出來。速度場的縱向切面是過進(jìn)排氣門中心且過火花塞并與缸蓋底平面垂直的截面。

圖4示出了進(jìn)氣初期360°時氣缸縱向切面缸內(nèi)速度流線圖。從圖4的全局圖可知，在進(jìn)氣上止點(diǎn)360°時，進(jìn)氣門開度已經(jīng)增大到一定程度，氣缸內(nèi)外壓差大，進(jìn)氣射流速度高，最大流速均超過80 m/s。氣流以較大的速度撞擊在氣門桿上，氣流沿氣門四周呈發(fā)散狀進(jìn)入氣缸，部分氣體撞壁后運(yùn)動方向變化，并在氣門背面低壓作用下，在進(jìn)氣門左下側(cè)形成一個明顯的進(jìn)氣渦流。另一部分靠近氣缸中心的氣流在氣門背壓和燃燒室結(jié)構(gòu)的共同作用下，在進(jìn)氣門右下側(cè)形成與左側(cè)氣流對應(yīng)、旋向相反的渦旋。同時速度矢量分離產(chǎn)生切向速度并在燃燒室結(jié)構(gòu)的影響下，在排氣門下方形成渦團(tuán)。由于火花塞在缸內(nèi)所占容積相對較小，4種火花塞下氣流運(yùn)動、渦團(tuán)位置及強(qiáng)度基本保持一致。

圖4的局部速度流線圖顯示，4組數(shù)據(jù)在細(xì)節(jié)上還存在較大差異，特別是進(jìn)氣門右側(cè)的流場。圖4a為標(biāo)準(zhǔn)火花塞情況下的速度流線圖，其進(jìn)氣門右側(cè)射流分離出的切向速度順著原進(jìn)氣氣流的方向橫向穿過火花塞電極與缸內(nèi)原氣流匯合，流速集中且順暢。圖4b為無火花塞情況下的速度流線圖，由于沒有火花塞的導(dǎo)流，進(jìn)氣氣流沿著氣流方向發(fā)散開來，射流速度最大，但流向多次出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，進(jìn)氣門右側(cè)渦團(tuán)發(fā)生畸變，但不明顯。圖4c和4d的加深/加大火花塞均使進(jìn)氣氣流不再側(cè)重橫向發(fā)展，而是沿著火花塞電極處分流形成向下/向右的流動，加深火花塞缸內(nèi)流場火花塞右側(cè)氣流撞擊深坑邊界發(fā)生急轉(zhuǎn)，加大火花塞使氣缸中心進(jìn)氣氣流垂直下行，由于火花塞電極間的間隙大，火花塞右側(cè)與原氣流相切產(chǎn)生多組渦對結(jié)構(gòu)，與前幾組湍流情況明顯不同。由此可見，火花塞對進(jìn)氣初期缸內(nèi)渦團(tuán)的形成有重要作用。

圖4 360°時缸內(nèi)速度流線圖

進(jìn)氣中期，氣門升程接近最大位置時的速度流線見圖5。隨著活塞下行和氣門升程的增大，更多新鮮氣體進(jìn)入缸內(nèi)，與缸內(nèi)氣流混合，原有渦團(tuán)從新鮮氣流獲得能量不斷成長，并產(chǎn)生新渦團(tuán)，大渦團(tuán)分布不再僅限于氣門下方和燃燒室內(nèi)，而是充斥在整個缸體內(nèi)部。圖5a顯示標(biāo)準(zhǔn)火花塞氣缸中心存在一個主要的強(qiáng)渦團(tuán)，圖5b顯示無火花塞氣缸內(nèi)部存在3個稍小的核心渦團(tuán)，圖5c顯示加深火花塞在左右兩側(cè)均有一個強(qiáng)度相當(dāng)?shù)臏u團(tuán)，圖5d顯示加大火花塞缸內(nèi)渦流分布相對均勻，有5～6個相差不大的渦流均勻分布在氣缸內(nèi)。對比4種結(jié)構(gòu)的缸內(nèi)湍流，加大火花塞的缸內(nèi)湍流更有利于燃?xì)獾幕旌?。由圖5局部速度流線圖可知，450°時氣門下行的深度已經(jīng)超過了4組火花塞尺寸，氣流直接由火花塞下側(cè)進(jìn)入缸內(nèi)，此時缸內(nèi)容積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于火花塞體積，火花塞對新鮮充量的影響明顯減弱，但先期形成的渦團(tuán)對后期缸內(nèi)流場的發(fā)展依舊存在著深遠(yuǎn)影響。

圖6示出了壓縮沖程中缸內(nèi)速度流線圖。隨著氣門升程的減小，進(jìn)氣強(qiáng)度減弱，活塞下行，缸內(nèi)容積不斷增大，大尺寸渦團(tuán)不斷拉伸、破碎，演變?yōu)槎鄠€小尺寸渦團(tuán)，缸內(nèi)流速降低到15 m/s。當(dāng)活塞運(yùn)行到下止點(diǎn)附近，大、小渦團(tuán)相繼破裂，數(shù)量明顯減少。從圖6可以看出，各圖在氣缸左下以及右上部位有兩個主渦流，其他地方散布一些小尺寸渦團(tuán)。在壓縮沖程，由于活塞的壓縮以及湍流的耗散，缸內(nèi)渦團(tuán)相繼破碎耗散，說明此階段內(nèi)流場整體運(yùn)動有所削弱。當(dāng)氣門關(guān)閉后氣缸內(nèi)存在統(tǒng)一的流場，流動方向與進(jìn)氣過程中產(chǎn)生的滾流方向一致，為順時針方向?；钊\(yùn)動加速了氣缸內(nèi)左側(cè)往上的氣流運(yùn)動，抵消了氣缸內(nèi)右側(cè)部分向下的氣流運(yùn)動。流場越來越趨于均勻化，渦團(tuán)強(qiáng)度也越來越小，渦團(tuán)不斷破裂、消失。在壓縮沖程中后期，隨著活塞向上運(yùn)動，氣缸內(nèi)氣體被壓縮到燃燒室內(nèi)，形成擠流，原有的垂直渦流繼續(xù)保持并有向上運(yùn)動的趨勢。該區(qū)域內(nèi)流場脈動也逐漸加強(qiáng)，產(chǎn)生了新的大尺度渦團(tuán)，并隨原有的渦團(tuán)集中于燃燒室內(nèi)部?？梢钥闯?，在壓縮沖程前期和中期，由于氣缸容積較大，火花塞所占容積相對更小，渦團(tuán)分散在缸內(nèi)不同區(qū)域，離火花塞位置較遠(yuǎn)。

圖6 壓縮沖程缸內(nèi)速度流線圖

因此，從進(jìn)氣沖程后期到圧縮沖程初期，火花塞對缸內(nèi)流場無明顯影響。但是，到了壓縮沖程末期，缸內(nèi)容積減小，火花塞的影響會增加，后文會有詳細(xì)論述，此處不再贅述。

2.3 缸內(nèi)湍流強(qiáng)度分析

圖7示出缸內(nèi)氣體的平均湍動能隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線。4種方案的湍動能變化趨勢趨于一致，可以看出，火花塞對缸內(nèi)湍動能的影響主要體現(xiàn)在進(jìn)氣初期，隨著進(jìn)氣門的關(guān)閉，火花塞對湍動能的影響不再明顯，這與前文對速度場分析結(jié)果一致。

從圖7可以看出，在進(jìn)氣沖程前期，缸內(nèi)平均湍動能較小，火花塞的影響小，4條湍動能曲線重合。隨著氣門升程的增加，進(jìn)氣強(qiáng)度不斷加大，缸內(nèi)氣體質(zhì)量以及流場速度顯著增大，強(qiáng)烈的氣體剪切運(yùn)動使得渦黏系數(shù)增大，大尺度渦團(tuán)不斷拉伸、破裂，形成大量的小渦團(tuán)，能量也從大尺度向小尺度方向傳遞，缸內(nèi)湍動能增加，火花塞對湍動能的影響逐漸顯現(xiàn)出來，湍動能曲線開始分離。在進(jìn)氣門剛開啟的一段時間內(nèi)，氣缸處于高真空度狀態(tài)，進(jìn)氣以極高的速度進(jìn)入缸內(nèi)，與缸內(nèi)氣體發(fā)生強(qiáng)剪切作用，湍動能曲線出現(xiàn)第一個峰值，此處曲軸轉(zhuǎn)角為370°。由圖7中的A區(qū)域可知，4種火花塞下的湍動能曲線都達(dá)到了峰值，其中標(biāo)準(zhǔn)火花塞發(fā)動機(jī)的缸內(nèi)平均湍動能最大值為45 m2/s2，無火花塞和加深火花塞湍動能都為42.81 m2/s2，加大火花塞的湍動能最低，為39.86 m2/s2。這說明火花塞對進(jìn)氣階段缸內(nèi)流動有很大影響。原因從圖4的速度流線圖可以看出，在氣缸中心位置，無火花塞結(jié)構(gòu)下射流發(fā)散，標(biāo)準(zhǔn)火花塞下射流相對集中，湍動能更大一些；加深火花塞由于在進(jìn)口處被阻擋，被迫改變流動方向，多數(shù)氣流流向下側(cè)，少數(shù)穿過火花塞電極；加大火花塞由于氣流與火花塞撞擊面積增大，火花塞左側(cè)湍動能大，穿過火花塞后湍動能明顯減小。

圖7 缸內(nèi)平均湍動能

隨著氣門升程的增加，進(jìn)氣射流速度降低，活塞運(yùn)動速度減小，高頻速度波動迅速衰減，進(jìn)氣剪切現(xiàn)象減弱，平均湍動能減小。但是，隨著進(jìn)氣量的增加，缸內(nèi)流場總體強(qiáng)度上升，平均湍動能再次上升，并在氣門升程達(dá)到最大時(460°)再次出現(xiàn)峰值，但比首次峰值小了很多(見圖7B區(qū)域)。可以看出，標(biāo)準(zhǔn)火花塞缸內(nèi)平均湍動能最大，加大火花塞缸內(nèi)平均湍動能次之，無火花塞與加深火花塞差別不大。加大火花塞下缸內(nèi)平均湍動能增加的原因是隨著氣門升程的增大，加大火花塞造成的阻擋作用減少，同時隨著前期生成渦團(tuán)的流動與發(fā)展，加大火花塞缸內(nèi)渦團(tuán)更多、更均勻，整體湍動能隨之增加。

在進(jìn)氣沖程后期，雖然缸內(nèi)工作氣體質(zhì)量仍在增加，但是由于進(jìn)氣強(qiáng)度的減弱，流場速度下降明顯，湍動能曲線呈現(xiàn)下降趨勢，直至活塞到達(dá)下止點(diǎn)時刻。

壓縮沖程前期，進(jìn)氣階段形成的強(qiáng)剪切運(yùn)動被削弱，工質(zhì)黏性系數(shù)減小，渦破裂現(xiàn)象減弱。由于不同尺度間的能量傳遞縮小以及小尺度渦團(tuán)能量的不斷耗散，使得湍動能繼續(xù)減小。壓縮后期，湍流脈動增強(qiáng)，湍流黏性系數(shù)增加，能量不斷地向小尺度方向進(jìn)行傳遞，使得湍動能不斷增加的同時耗散也在不斷增強(qiáng)。隨著活塞運(yùn)動速度的降低，加之摩擦作用，湍動能不斷衰減直至活塞到達(dá)上止點(diǎn)時刻?；钊浇咏现裹c(diǎn)，湍動能也越弱，因此，在壓縮后期4條曲線又接近重合。

圖8示出了火花塞附近的湍動能。相對發(fā)動機(jī)氣缸容積而言，火花塞在缸內(nèi)所占容積很小，雖然火花塞對缸內(nèi)平均湍動能的影響不大，但是對局部湍動能的影響還是很大的。由于缸內(nèi)流動的復(fù)雜性，很難理清造成各湍動能曲線波動的具體原因，但也不難發(fā)現(xiàn)火花塞附近湍動能的變化趨勢與缸內(nèi)平均湍動能變化趨勢一致，波動的產(chǎn)生和進(jìn)氣射流的存在密切相關(guān)，進(jìn)氣初期火花塞附近湍動能明顯高于缸內(nèi)平均湍動能。壓縮沖程之后，隨著氣缸容積的不斷縮小，火花塞附近湍動能與缸內(nèi)平均湍動能值越來越接近。

圖8 火花塞附近湍動能

從圖9的700°和720°湍動能云圖可以看出，由于擠流和缸壁摩擦的影響，缸內(nèi)氣體的流動湍動能分布不均勻，氣缸邊緣的湍動能弱，氣缸中部附近的擠流區(qū)域湍動能強(qiáng)。這種湍動能分布特性對于中心點(diǎn)火發(fā)動機(jī)有利，因?yàn)閺?qiáng)烈的缸內(nèi)湍流運(yùn)動可增大點(diǎn)火初期火焰的傳播速度。其中標(biāo)準(zhǔn)火花塞缸內(nèi)湍動能最大且分布最均勻，無火花塞條件下缸內(nèi)湍動能大的區(qū)域最少，平均湍動能最小，與圖7的缸內(nèi)平均湍動能曲線結(jié)果一致。

圖9 缸內(nèi)平均湍動能云圖

2.4 點(diǎn)火時刻火花塞附近流場分析

圖10示出700°點(diǎn)火時刻火花塞附近速度矢量和湍動能。由速度矢量圖可知，在點(diǎn)火時刻加大火花塞附近的流速最大，原機(jī)流速略低一些，加深火花塞和無火花塞流速相似。由于接近上止點(diǎn)，火花塞體積的影響已經(jīng)不能忽視，在不燃燒的情況下，火花塞作為一個障礙物，必然導(dǎo)致缸內(nèi)流速方向和流場分布發(fā)生變化。因此，無火花塞情況下速度流場呈現(xiàn)單向流趨勢，其他3組則發(fā)生了流動方向的變動。標(biāo)準(zhǔn)火花塞附近左側(cè)速度矢量為順時針流，右側(cè)為逆時針流，兩股氣流在點(diǎn)火電極處相遇；加深、加大火花塞附近速度流均呈現(xiàn)順時針流，加大火花塞電極右側(cè)出現(xiàn)了一個明顯的渦團(tuán)。

由圖10的湍動能云圖可知，點(diǎn)火位置附近，加大火花塞的湍動能最大，加深火花塞次之，無火花塞湍動能最小。缸內(nèi)湍動能的分布非常有層次，活塞中心湍動能大，越靠近氣缸壁，湍動能越小。由于加深、加大火花塞均促使火花塞靠近氣缸中心，二者火花塞附近的湍動能明顯增大。結(jié)合圖8的全局湍動能圖可知，這種變化不僅影響了局部湍動能的分布，還影響到全局湍動能的變化。

圖10 點(diǎn)火時刻火花塞附近速度與湍動能分布

3 結(jié)論

a) 對于缸內(nèi)速度流場，在進(jìn)氣階段，火花塞位于進(jìn)氣射流的方向上，對氣流有阻礙與導(dǎo)向作用，影響缸內(nèi)渦團(tuán)的形成和發(fā)展;隨著氣門升程的縮小及氣缸容積的增大，火花塞對渦流形成的影響明顯減弱；進(jìn)氣門關(guān)閉至壓縮中期，火花塞對缸內(nèi)流場幾乎沒有影響；壓縮末期，不同火花塞作為障礙物，會造成點(diǎn)火時刻火花塞附近流場分布的不同;

b) 對于缸內(nèi)湍動能分布，湍動能的大小與缸內(nèi)流場的分布密切相關(guān),越靠近壁面湍動能越小，缸內(nèi)有渦團(tuán)的位置湍動能會大一些;在進(jìn)氣過程中，火花塞對湍動能的影響最大，火花塞附近的湍動能波動也最劇烈，進(jìn)氣沖程后期影響變小;4種火花塞結(jié)構(gòu)的缸內(nèi)平均湍動能很接近，但是局部細(xì)節(jié)存在區(qū)別;

c) 不同火花塞結(jié)構(gòu)對缸內(nèi)流場的影響較大,其中，標(biāo)準(zhǔn)火花塞結(jié)構(gòu)下，火花塞附近速度較小，湍動能最大，流場分布情況有利于火焰的快速傳播。

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