張鑫華，許俊峰，魏福祥，王宏達，杜關(guān)心

(中北大學(xué) 能源動力工程學(xué)院，山西 太原 030051)

0 引言

進氣過程是內(nèi)燃機運轉(zhuǎn)過程中的一個重要階段，它為內(nèi)燃機燃燒過程提供新鮮空氣[1]。進氣的優(yōu)劣是決定動力輸出、燃油經(jīng)濟性以及排放性能好壞的關(guān)鍵因素之一[2-3]。受不同進氣道和氣門復(fù)雜結(jié)構(gòu)的影響，氣門附近的流動特性十分復(fù)雜。因此，對氣門附近的流動特性進行研究具有重要意義。近年來，相關(guān)學(xué)者對優(yōu)化進氣口的流動特性愈加重視，對評估高增壓條件下的柴油機進氣流動特性有了進一步的研究[4]，且有大量研究分析了不同組合氣道形式的柴油機進氣流動特性[5-8]，并取得了一定的成果。

仿真可以更好地預(yù)測、分析和評估模型，對所研究目標更具有針對性。本文運用converge軟件，對切向和螺旋組合氣道的某高強化柴油機進行三維瞬態(tài)數(shù)值模擬研究，通過分析其進氣流動特性，為進一步優(yōu)化進氣口流動特性奠定基礎(chǔ)。

1 模型構(gòu)建與標定

以某真實單缸柴油機為基礎(chǔ)，通過Pro/E構(gòu)建柴油機幾何模型，并運用converge軟件搭建仿真計算模型，如圖1所示。

圖1 單缸柴油機仿真模型

柴油機主要參數(shù)如表1所示，仿真值與試驗值對比如表2所示。因數(shù)據(jù)偏差較小，考慮到實際存在不可控的誤差，基本可認定該模型構(gòu)建的準確性。

表1 發(fā)動機技術(shù)參數(shù)

表2 仿真值與試驗值對比

2 進氣流動特性研究

圖2為進排氣門升程曲線，進氣門開啟時刻為-33°CA，最大升程的中間時刻為102°CA，關(guān)閉時刻為238°CA。

圖2 進排氣門升程曲線

建立柱坐標系以及進氣門間隙環(huán)帶區(qū)域速度場，如圖3所示。圖3(a)、圖3(b)中柱坐標系原點位于氣門中心線與氣缸頂交界處，η軸沿氣門桿向上，r軸沿氣門半徑方向，θ為氣門周向。圖3(b)中T表示切向氣道，H為螺旋氣道。圖3(c)中環(huán)帶半徑與氣門底面半徑相同，高度隨不同曲軸轉(zhuǎn)角時刻的氣門升程而變化。

圖3 氣門間隙處速度環(huán)帶提取示意圖

2.1 氣門環(huán)帶流場分析

圖4選取進氣門最大升程時刻(102°CA)以及前后各50°CA 3個不同時刻，將氣門間隙環(huán)帶速度云圖沿θ方向展開顯示。由圖4可知52°CA和102°CA時高速區(qū)域較多，且切向氣道出現(xiàn)在θ為100°～270°之間；螺旋氣道出現(xiàn)在θ為200°～260°之間，呈現(xiàn)不均勻分布狀況；152°CA時由于氣門逐漸關(guān)閉，基本沒有高速區(qū)域，分布較為均勻。由此3個典型時刻可以看出在整個進氣過程中，環(huán)帶上方即氣門閥座區(qū)域速度明顯較小，形成低速區(qū)域。

圖4 3個典型時刻下氣門間隙處總速度云圖

圖5、圖6將氣門間隙處速度分布量化處理，選取了5個曲軸轉(zhuǎn)角時刻的氣門間隙總速度沿θ的分布規(guī)律。該速度是將在每個切向位置對η方向上所有位置處的總速度進行平均得到的[9]。圖中顯示2°CA時氣門打開初期間隙處進氣整體流速雖然不大，但由于氣道與缸內(nèi)的較大壓差，在局部形成高速區(qū)域;隨著活塞下行，氣門開度逐漸變大，在52°CA時整體速度增大；在氣門開度最大時刻，即102°CA時高速區(qū)域顯著；隨著氣門的逐漸關(guān)閉，在152°CA時整體速度明顯下降，但速度分布仍然較均勻；當氣門即將關(guān)閉，即202°CA時，由于缸內(nèi)壓力接近于進氣壓力，較小的壓差導(dǎo)致進氣速度急劇下降，且分布較均勻。對比發(fā)現(xiàn)螺旋氣道出口處速度分布規(guī)律與切向氣道相似，但數(shù)值略低。

圖5 切向氣道氣門間隙處總速度分布規(guī)律

圖7、圖8顯示了氣門開度最大，即102°CA時，氣門間隙環(huán)帶的3個速度分量沿氣門圓周的分布規(guī)律，其中，3個速度分量分別為徑向速度Vrη、軸向速度Vηη和切向速度Vθη。其中螺旋氣道出口處的3個速度大小較接近，這歸因于氣道的幾何結(jié)構(gòu)；徑向速度略高于其余兩個方向速度，且與螺旋氣道相比，切向氣道中的徑向速度要高，這是由于氣體通過切向氣道時，會直接沖入缸內(nèi)導(dǎo)致徑向速度明顯升高；而螺旋氣道中的切向速度較高，這是由于氣體通過螺旋氣道時，沿著環(huán)繞氣門桿的路徑回旋流入缸內(nèi)，有了繞氣門軸線的角動量，使得切向速度有所提高。

圖7 切向氣道氣門間隙處速度分量分布規(guī)律

圖8 螺旋氣道氣門間隙處速度分量分布規(guī)律

2.2 缸內(nèi)流場參數(shù)分析

對流場宏觀特征參數(shù)進行分析[10]，圖9顯示了缸內(nèi)氣體質(zhì)量m、渦流比Sr和湍動能TKE隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。

在圖9中可以看出3個參數(shù)在進氣過程快速上升，Sr在120°CA附近達到峰值，TKE在130°CA附近達到峰值。隨著曲軸轉(zhuǎn)角增大以及進氣門開度的減小，Sr緩慢減小，TKE迅速減小，在200°CA附近m達到峰值，隨后的回流程度將超越進氣程度，當進氣門徹底關(guān)閉并進入壓縮中后期時，m保持穩(wěn)定，Sr和TKE繼續(xù)減小，此時充氣效率為84.13%。

圖9 缸內(nèi)氣體質(zhì)量和湍動能隨曲軸轉(zhuǎn)角變化規(guī)律

圖10為截面示意圖，圖11顯示了102°CA時不同截面下缸內(nèi)氣體速度V和湍動能TKE云圖。在圖11(a)和圖11(c)中，兩進氣門周圍速度場向外擴散，沖入缸內(nèi)中心的氣流高速區(qū)域較多，導(dǎo)致缸內(nèi)中心以及左側(cè)區(qū)域湍流強烈，且氣門閥座處小部分區(qū)域的湍動能高于其周圍，說明氣體流出兩進氣道時相撞，且相互作用較明顯。如圖11(b)和圖11(d)所示，可明顯看到多個渦團的產(chǎn)生，此時缸內(nèi)氣體的渦流比相對較高，切向氣道附近明顯比螺旋氣道氣流速度高；氣門間隙附近出現(xiàn)小的渦團從而產(chǎn)生回流，且在兩氣門間氣體相撞后回流現(xiàn)象顯著，靠近切向氣道下方近壁處的湍動能較為強烈，氣體流速較高。

圖10 截面示意圖

圖11 102°CA時缸內(nèi)兩截面速度和湍動能云圖

綜上，高強化柴油機在進氣過程中的回流現(xiàn)象是不可避免的，其使得進氣道出口氣門間隙處的速度分布不均。

3 結(jié)語

本文利用converge軟件，以某高強化柴油機為研究對象，對進氣門附近氣體流動問題展開了三維瞬態(tài)數(shù)值模擬研究，并進行試驗標定，研究了氣門間隙處氣體流動特性，詳細分析了不同曲軸轉(zhuǎn)角下氣門間隙圓周速度分布規(guī)律以及缸內(nèi)流場特征參數(shù)。結(jié)論如下：

1)氣流通過切向氣道的速度整體略高于通過螺旋氣道的速度，螺旋氣道出口氣流由于繞桿產(chǎn)生角動量而提升了速度分量中切向速度的數(shù)值，導(dǎo)致其3個速度分量較切向氣道更接近。

2)由于在進氣過程中，氣門間隙處會產(chǎn)生小的渦團，且會產(chǎn)生較高的渦流比，所以進氣過程中會發(fā)生回流。

3)無論是切向氣道還是螺旋氣道，回流發(fā)生的區(qū)域較小，但不可忽略。