樓狄明，潘雪偉，2，房 亮，張小矛，施雅風(fēng)，石 健

（1.同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院，上海 201804；2.上汽大通汽車(chē)有限公司，上海 201805；3.上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司乘用車(chē)公司，上海 201805；4.移動(dòng)源后處理技術(shù)（河南）研究院有限公司，河南許昌 461000）

隨著電池、電機(jī)成本的進(jìn)一步降低，混合動(dòng)力汽車(chē)因其良好的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和低排放特性，將逐漸成為主流，進(jìn)而推動(dòng)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)向高效率、低排放方向發(fā)展［1-2］?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)可使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在高效的點(diǎn)工況或線(xiàn)工況上，因此最高熱效率對(duì)于混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)至關(guān)重要。常見(jiàn)能提高熱效率的技術(shù)有：高壓縮比、中冷EGR（排氣冷卻再循環(huán)）、米勒循環(huán)、稀薄燃燒、渦輪增壓等［3］。這些技術(shù)的采用可能會(huì)引起缸內(nèi)燃燒的不穩(wěn)定、早燃甚至爆震等不利因素出現(xiàn)，因此需要設(shè)計(jì)更加先進(jìn)的燃燒系統(tǒng)來(lái)組織清潔高效的燃燒［4-5］。

燃燒系統(tǒng)開(kāi)發(fā)最核心的難點(diǎn)是對(duì)缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)。缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)主要分滾流、渦流、擠流和湍流。進(jìn)氣過(guò)程中，繞垂直于汽缸軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)的有組織的空氣旋流稱(chēng)之為滾流［6］。相較于渦流，在壓縮過(guò)程滾流動(dòng)能衰減較少，并可保存到壓縮行程末期；在接近上止點(diǎn)時(shí)刻，大尺度滾流將破裂成許多小尺度漩渦，使湍動(dòng)能增加［6-7］。滾流對(duì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)性能提升主要有四個(gè)作用：首先，滾流有利于缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的油氣混合；其次，滾流是組織缸內(nèi)分層燃燒最有效、可控的方式；再次，滾流提高了火焰?zhèn)鞑ニ俣龋M(jìn)而提高燃燒效率；最后，滾流能提高燃燒穩(wěn)定性，削弱EGR和稀薄燃燒引起的循環(huán)波動(dòng)［5-8-9］。較高的滾流強(qiáng)度會(huì)使得發(fā)動(dòng)機(jī)在高負(fù)荷或高瞬態(tài)下更容易發(fā)生爆震，因此在傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)中滾流強(qiáng)度的提升受到限制?；旌蟿?dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)由于其大部分工況集中在中低負(fù)荷，得益于電機(jī)的動(dòng)力補(bǔ)償，發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷和高瞬變工況較少，高滾流技術(shù)可以再混動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)上得到更多的應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家、學(xué)者對(duì)高滾流比進(jìn)氣道進(jìn)行非常充分的研究。來(lái)自豐田汽車(chē)公司的Yoshihara Y等人［10］利用氣道穩(wěn)態(tài)流動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)和三維仿真工具，研究了不同滾流比、不同氣道口結(jié)構(gòu)、不同進(jìn)氣道與氣門(mén)夾角、進(jìn)排氣門(mén)間夾角等因素對(duì)進(jìn)氣流量系數(shù)和滾流強(qiáng)度的影響。來(lái)自首爾大學(xué)的Myoungsoo K等人［11］提出了一種基于流動(dòng)能量的滾流模型，能捕獲以前研究中未區(qū)分的流動(dòng)特性差異，提供了之前未有的滾流能量現(xiàn)象的理解。來(lái)自AVL公司的Jennifer W［12］等人，通過(guò)單缸機(jī)試驗(yàn)和CFD仿真工具，采用了超高滾流比進(jìn)氣道、高能點(diǎn)火、低壓EGR和高壓縮比技術(shù)，研究了小型強(qiáng)化汽油機(jī)的EGR率極限和抗爆震極限。來(lái)自上海交通大學(xué)的Yang Jie等人［13］通過(guò)光學(xué)單缸機(jī)試驗(yàn)和CFD仿真，研究了0.5、1.5、2.2滾流比下缸內(nèi)流動(dòng)特性以及燃燒特性，認(rèn)為較高滾流比能有效提高火焰?zhèn)鞑ニ俣群腿紵?，降低碳煙生成。?lái)自天津大學(xué)的張喜崗等人［14］利用光學(xué)單缸機(jī)，研究了可變滾流比氣道對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)低速工況噴霧和燃燒的影響。來(lái)自上汽乘用車(chē)的張小矛等人［15］應(yīng)用穩(wěn)態(tài)CFD數(shù)值分析和氣道穩(wěn)流試驗(yàn)方法對(duì)某乘用車(chē)汽油機(jī)的原氣道和改進(jìn)氣道進(jìn)行了分析。

本文主要研究不同進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的滾流所帶來(lái)的影響。研究方法為：基于base氣道，設(shè)計(jì)了三款氣道；通過(guò)仿真分析了穩(wěn)態(tài)缸內(nèi)滾流強(qiáng)度及流量系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)照；通過(guò)仿真分析瞬態(tài)過(guò)程缸內(nèi)滾流比、湍動(dòng)能、油氣混合均勻性和燃燒速率等影響因素。

1 氣道設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

基于一臺(tái)1.5L增壓汽油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道基礎(chǔ)上（簡(jiǎn)稱(chēng)進(jìn)氣道0），重新設(shè)計(jì)了3種進(jìn)氣道，分別是進(jìn)氣道1、進(jìn)氣道2和進(jìn)氣道3。4種進(jìn)氣道沿進(jìn)氣方向剖面輪廓線(xiàn)及剖面截面位置如圖1所示。從進(jìn)氣口往外分別有9個(gè)截面，從截面3開(kāi)始比較能體現(xiàn)進(jìn)氣道的結(jié)構(gòu)差異。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，通常當(dāng)截面積固定時(shí)，上下輪廓線(xiàn)與氣門(mén)軸線(xiàn)夾角越小，進(jìn)氣流向系數(shù)越大，但滾流比也越?。煌瑫r(shí)氣道的“魚(yú)腩”式設(shè)計(jì)有利于提高缸內(nèi)滾流強(qiáng)度。進(jìn)氣道1相比于進(jìn)氣道0，上輪廓線(xiàn)更為平滑不上凸，下輪廓線(xiàn)差異不大；進(jìn)氣道2的上輪廓線(xiàn)與進(jìn)氣道0接近，但其下輪廓線(xiàn)也很平滑不下凹；進(jìn)氣道3的上輪廓線(xiàn)不但沒(méi)有上凸反而略有下凹趨勢(shì)，為了保證截面積接近，因而其下輪廓線(xiàn)下凹最明顯。

圖1 4種氣道輪廓線(xiàn)對(duì)比及氣道剖面測(cè)量位置Fig.1 Comparison and measurement position of four kinds of airway contour

如圖2所示為各氣道沿垂直進(jìn)氣方向剖面積的大小對(duì)比。對(duì)于進(jìn)氣道0，綜合考慮了進(jìn)氣流量系數(shù)和滾流比，因而其大部分位置截面積都要大于其它氣道；對(duì)于進(jìn)氣道2，由于其上下輪廓線(xiàn)都比較平直，因而其大部分位置截面積都是最小的；進(jìn)氣道1和進(jìn)氣道3截面積位于前兩者之間，由于進(jìn)氣道3上輪廓線(xiàn)最低，因而其大部分位置的截面積是要比進(jìn)氣道1小。

圖2 氣道剖面面積對(duì)比Fig.2 Comparison of airway section

如圖3所示為通過(guò)3D打印快速成型的各進(jìn)氣道芯盒，用于氣道穩(wěn)態(tài)吹風(fēng)試驗(yàn)。圖4所示試驗(yàn)臺(tái)架為天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供的內(nèi)燃機(jī)氣道穩(wěn)流試驗(yàn)臺(tái)。通過(guò)測(cè)量氣門(mén)升程、起到壓差、葉片轉(zhuǎn)速、流量、大氣壓力、溫度和濕度等參數(shù)，獲得進(jìn)氣量和氣流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度等測(cè)試結(jié)果［14］。

圖3 不同方案的氣道芯盒Fig.3 Different schemes of airway core box

圖4 穩(wěn)態(tài)吹風(fēng)試驗(yàn)臺(tái)Fig.4 Steady-state blowing test bed

發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)如表1所示，實(shí)驗(yàn)采用1.5T中置直噴渦輪增壓汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，壓縮比為11.5。該發(fā)動(dòng)機(jī)基于氣門(mén)可變正時(shí)機(jī)構(gòu)的控制實(shí)現(xiàn)米勒循環(huán)，同時(shí)在進(jìn)氣門(mén)附近采用了不等流量的Masking技術(shù)以提升進(jìn)氣滾流強(qiáng)度。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)Tab.1 Engine parameters

2 穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)及仿真結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)比氣道穩(wěn)態(tài)吹風(fēng)試驗(yàn)結(jié)果與氣道穩(wěn)態(tài)CFD仿真結(jié)果，可以定性判斷不同氣道結(jié)構(gòu)對(duì)進(jìn)氣流量系數(shù)和缸內(nèi)滾流比影響的程度。

進(jìn)氣道穩(wěn)態(tài)CFD分析幾何模型一般包括進(jìn)氣道、進(jìn)氣門(mén)、進(jìn)氣門(mén)座、燃燒室頂部、2.5倍缸徑的模擬缸套和進(jìn)口穩(wěn)壓腔。進(jìn)氣道三維穩(wěn)態(tài)模擬分析流動(dòng)控制方程有連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程和氣體狀態(tài)方程。湍流模型采用高雷諾數(shù)k－ε模型；離散方程組的壓力和速度耦合采用SIMPLE算法；空間網(wǎng)格采用中心差分格式；固定壁面邊界采用絕熱無(wú)滑移，壁溫為300K；為了避免在近壁區(qū)使用過(guò)細(xì)的計(jì)算網(wǎng)格，減少計(jì)算時(shí)間，采用壁面函數(shù)對(duì)邊界層進(jìn)行處理。與氣道穩(wěn)流試驗(yàn)臺(tái)類(lèi)似，進(jìn)出口采用定壓差方法，壓差設(shè)定為7.84kPa［15］。

對(duì)于氣道評(píng)價(jià)方法，國(guó)際上普遍采用Ricardo、FEV、AVL和SwRI等方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，國(guó)內(nèi)普遍用的較多的是Ricardo和AVL方法，但目前FEV方法也逐漸被采用。Ricardo和AVL方法計(jì)算某一氣門(mén)升程下氣道的流量系數(shù)是以氣門(mén)座的最小內(nèi)徑為參考直徑，因此這兩種方法更多的是對(duì)氣道本身進(jìn)行評(píng)價(jià)，而FEV方法的流量系數(shù)計(jì)算是以缸徑為參考直徑，因此這種方法更多的評(píng)價(jià)是偏向于氣道與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配合適程度，在某種意義上來(lái)說(shuō)，該種方法對(duì)整機(jī)性能開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)更重要。

結(jié)合上述評(píng)價(jià)方法，筆者研究的氣道在最大氣門(mén)升程下（或在氣門(mén)升程為0.3倍的氣門(mén)座最小內(nèi)徑下）進(jìn)行評(píng)價(jià)，流量系數(shù)計(jì)算以缸徑為參考直徑，滾流比在0.5倍的缸徑上進(jìn)行計(jì)算，如圖5所示。

圖5 穩(wěn)態(tài)CFD進(jìn)氣道數(shù)值評(píng)價(jià)方法示意圖Fig.5 The schematic diagram of numerical evaluation method for steady CFD inlet

流量系數(shù)計(jì)算公式為［16］

式中：Cf為流量系數(shù)；mflow為流經(jīng)氣道的實(shí)際流量；mtheory為流經(jīng)氣道的理論流量；A為計(jì)算參考直徑；Δp為氣道壓降；ρ為進(jìn)氣密度；db為缸徑。

滾流比計(jì)算公式為

式中：Rt為滾流比；ωfk為0.5倍缸徑面上繞旋轉(zhuǎn)軸的角速度；ωmot為假想的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；mi為單元網(wǎng)格的質(zhì)量；vi為單元的切向速度；ri為單元中心到旋轉(zhuǎn)軸的距離；S為發(fā)動(dòng)機(jī)行程。

本文的仿真和實(shí)驗(yàn)的研究均以2 000r·min-1、100%負(fù)荷工況點(diǎn)為例說(shuō)明。如圖6所示，為在穩(wěn)態(tài)吹風(fēng)臺(tái)架上進(jìn)行氣道芯盒穩(wěn)流試驗(yàn)和氣道穩(wěn)流CFD仿真分析的流向系數(shù)結(jié)果對(duì)比。隨著氣門(mén)升程的不斷增加，試驗(yàn)和仿真的流量系數(shù)均呈現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì)，且當(dāng)氣門(mén)升程大于5mm后，流量系數(shù)趨于穩(wěn)定。在試驗(yàn)結(jié)果中，當(dāng)氣門(mén)升程較小時(shí)，各氣道流量系數(shù)相差不大；當(dāng)氣門(mén)升程大于4mm后，進(jìn)氣道0的流量系數(shù)最大，與進(jìn)氣道2流量系數(shù)接近，其次是進(jìn)氣道1，流向系數(shù)最小的是進(jìn)氣道3。當(dāng)氣門(mén)升程達(dá)到8mm時(shí)，進(jìn)氣道1、進(jìn)氣道2和進(jìn)氣道3三種進(jìn)氣道分別相比于進(jìn)氣道0流量系數(shù)降低了6.8%、15.0%和12.8%。在仿真結(jié)果中，當(dāng)氣門(mén)升程較小時(shí)，各氣道流量系數(shù)相差不大；當(dāng)氣門(mén)升程大于4mm后，進(jìn)氣道0流量系數(shù)最大，進(jìn)氣道2與進(jìn)氣道1流量系數(shù)次之且較為接近，最小的仍是進(jìn)氣道3。在氣門(mén)升程8mm時(shí)，仿真與試驗(yàn)得到的流量系數(shù)誤差平均為8%。如圖6c所示，可以看出仿真與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果基本吻合，氣道整體截面積減小會(huì)其流量系數(shù)也會(huì)有所減小，僅在氣門(mén)升程到8mm時(shí)仿真結(jié)果的流量系數(shù)要略低于實(shí)驗(yàn)結(jié)果。氣道下輪廓線(xiàn)的下凹會(huì)較明顯降低進(jìn)氣流向系數(shù)，上輪廓線(xiàn)的平滑或下凹也會(huì)一定程度上減小進(jìn)氣流量系數(shù)。同時(shí)也可以看出，仿真計(jì)算模型對(duì)于進(jìn)氣道下輪廓線(xiàn)的影響體現(xiàn)的相對(duì)不明顯，在計(jì)算方法上應(yīng)該引入新的參數(shù)或修正系數(shù)。

圖6 各升程下氣道穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)與仿真分析流量系數(shù)對(duì)比Fig.6 Comparison of flow coefficients between steady state test and simulation analysis of airway under different lifts

如圖7所示，為在穩(wěn)態(tài)吹風(fēng)臺(tái)架上進(jìn)行氣道芯盒穩(wěn)流試驗(yàn)和氣道穩(wěn)流CFD仿真分析的滾流比結(jié)果對(duì)比。隨著氣門(mén)升程的不斷增加，試驗(yàn)的滾流比在前3mm升程呈現(xiàn)先增加的趨勢(shì)，3mm～4mm緩慢降低，5mm升程后又增加的趨勢(shì)；仿真滾流比在0mm～2mm升程急劇增加，在2mm～4mm又明顯下跌，4mm后又呈現(xiàn)平穩(wěn)增加的趨勢(shì)。在試驗(yàn)結(jié)果中，進(jìn)氣道3的滾流比隨氣門(mén)升程增加單調(diào)遞增，未出現(xiàn)明顯下跌。進(jìn)氣道1、進(jìn)氣道2和進(jìn)氣道0的滾流比隨氣門(mén)升程增加而增加，但在3mm～4mm升程中略有降低，降低的幅度進(jìn)氣道1最小，進(jìn)氣道2最大。在氣門(mén)升程5mm處各氣道滾流比差別較大，進(jìn)氣道3滾流比最高，進(jìn)氣道0、進(jìn)氣道1和進(jìn)氣道2滾流比相對(duì)分別降低14.0%、9.3%和16.8%。在仿真結(jié)果中，也是進(jìn)氣道3的滾流比絕大多數(shù)時(shí)刻高于其他幾種進(jìn)氣道，而進(jìn)氣道0的滾流比在大多數(shù)時(shí)刻都是最低的。在各氣門(mén)升程下進(jìn)氣道1、進(jìn)氣道2和進(jìn)氣道3的平均滾流比相比于進(jìn)氣道0分別提升11.2%、8.3%和15%。

圖7 各升程下氣道穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)與仿真分析滾流比對(duì)比Fig.7 Comparison of the roll ratio between steady state test and simulation analysis of airway at each lift

使用式（1）～式（6）可計(jì)算得各氣道綜合滾流比和流量系數(shù)，具體分布如圖8所示。整體上看仿真計(jì)算的流向系數(shù)相比與實(shí)驗(yàn)值要偏低，而滾流比相比于實(shí)驗(yàn)值偏大，但整體規(guī)律和趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。各氣道相比較于進(jìn)氣道0的優(yōu)化的比例如表2所示。流量系數(shù)與滾流比間存在相互制約關(guān)系，一般為得到較高滾流比，均會(huì)犧牲一部分氣道的流動(dòng)系數(shù)。在氣道穩(wěn)態(tài)吹風(fēng)試驗(yàn)中，進(jìn)氣道3相較于進(jìn)氣道0滾流比提高了12.14%，流量系數(shù)減少了9.76%；進(jìn)氣道1相較原氣道滾流比提高了5.73%，流量系數(shù)降低了5.08；進(jìn)氣道2相較于原氣道幾乎沒(méi)有太大變化。而在穩(wěn)態(tài)CFD仿真分析中，進(jìn)氣道3相較于原氣道滾流比提高了15.68%，流量系數(shù)減少了12.3%；進(jìn)氣道1相較原氣道滾流比提高了14.66%，流量系數(shù)降低了6.78%；進(jìn)氣道2相較于原氣道幾乎沒(méi)有太大變化。進(jìn)氣道1試驗(yàn)與仿真結(jié)果相差較大，在選用氣道時(shí)，應(yīng)以試驗(yàn)結(jié)果為參考依據(jù)；其余兩個(gè)氣道仿真與試驗(yàn)結(jié)果相差不大。

表2 各氣道優(yōu)化結(jié)果分析Tab.2 Analysis of optimization results of different airways

圖8 氣道滾流比與流量系數(shù)分布Fig.8 Distribution of tumble ratio and flow coefficient

3 瞬態(tài)CFD及燃燒仿真分析

如圖9所示為進(jìn)氣和壓縮沖程下，缸內(nèi)瞬態(tài)滾流比變化情況。在氣門(mén)最大升程后約35°CA曲軸轉(zhuǎn)角處，缸內(nèi)滾流比達(dá)到峰值。進(jìn)氣道3的滾利比峰值最大，進(jìn)氣道0、進(jìn)氣道1、進(jìn)氣道2相比其滾流比峰值分別降低了25.8%、14.1%和30.3%。隨著氣門(mén)的關(guān)閉滾流比又有所降低。當(dāng)活塞上行時(shí)，缸內(nèi)滾流由于擠氣效應(yīng)又得以加強(qiáng)，在點(diǎn)火上止點(diǎn)前70°CA出現(xiàn)第二個(gè)峰值。此時(shí)仍然是進(jìn)氣道3的滾利比峰值最高，進(jìn)氣道0、進(jìn)氣道1和進(jìn)氣道2相比其滾流比峰值分別降低了20.4%、15.3%和27.4%。隨著活塞接近著火上止點(diǎn)時(shí)，由于燃燒室容積進(jìn)一步被活塞壓縮，大尺度滾流破碎成較多小漩渦，滾流比急劇降低。從各個(gè)氣道的滾流比曲線(xiàn)來(lái)看，進(jìn)氣過(guò)程的滾流比大小決定了整個(gè)進(jìn)氣、壓縮和著火過(guò)程缸內(nèi)滾流強(qiáng)度。對(duì)于不同氣道滾流比大小與穩(wěn)態(tài)CFD分析得到結(jié)論一致，進(jìn)氣道3在不同曲軸轉(zhuǎn)角下滾流比均最大，進(jìn)氣道1次之，而進(jìn)氣道0和進(jìn)氣道2最小。

圖9 氣道瞬態(tài)CFD滾流比分析Fig.9 Transient CFD tumble ratio analysis of airway

如圖10所示為缸內(nèi)湍動(dòng)能（Turbulence Kinetic Energy，TKE）的瞬態(tài)變化情況。整體趨勢(shì)上進(jìn)氣道3的湍動(dòng)能在各曲軸轉(zhuǎn)角下高于其他幾種進(jìn)氣道，進(jìn)氣道1次之，進(jìn)氣道2湍動(dòng)能最小。在氣門(mén)開(kāi)啟2mm時(shí)出現(xiàn)第一個(gè)峰值，隨著氣門(mén)升程的進(jìn)一步增大，缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)趨于規(guī)律化，隨后又急劇降低。在曲軸轉(zhuǎn)角大于390°后，TKE主要受到氣道結(jié)構(gòu)的影響。在曲軸轉(zhuǎn)角為450°左右時(shí)，隨著滾流比的提高，湍動(dòng)能達(dá)到第二個(gè)峰值。隨著氣門(mén)的關(guān)閉和活塞擠氣效應(yīng)，湍動(dòng)能先減少后增加。在滾流比由于擠氣效應(yīng)達(dá)到第二個(gè)峰值后，湍動(dòng)能也隨之不斷增大，并由于大尺度滾流破碎成小尺度漩渦，湍動(dòng)能進(jìn)一步增加在點(diǎn)火上止點(diǎn)前30°出現(xiàn)了第三個(gè)峰值。進(jìn)氣道3在450°轉(zhuǎn)角時(shí)，湍動(dòng)能約160m2/s2，大于進(jìn)氣道0的130m2·s-2。影響缸內(nèi)火焰?zhèn)鞑サ囊刂饕芯植炕旌蠚鉂舛群透變?nèi)氣流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。圖中小圖為點(diǎn)火時(shí)刻（725°）各氣道對(duì)應(yīng)缸內(nèi)湍動(dòng)能。進(jìn)氣道3最高約為18.3m2·s-2，其次為進(jìn)氣道1和進(jìn)氣道0，分別為17.4m2·s-2和17m2·s-2，最 低 的 是 進(jìn) 氣 道1，約 為16.5m2·s-2。

圖10 氣道瞬態(tài)CFD湍動(dòng)能分析Fig.10 Transient CFD turbulent kinetic energy analysis of airway

由于湍動(dòng)能會(huì)影響缸內(nèi)油氣混合均勻性和著火時(shí)刻的火焰?zhèn)鞑ニ俣?。較高的湍動(dòng)能可以提高油氣混合的均勻性，減少局部過(guò)濃，有利于混合氣的充分燃燒，減少顆粒物和其他氣態(tài)污染物的生成；同時(shí)缸內(nèi)較高的湍動(dòng)能可以明顯提高火焰?zhèn)鞑ニ俣龋^快燃燒速度，縮短燃燒持續(xù)期，有利于減少爆震影響，在低速小負(fù)荷工況下，還有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)速度。因此對(duì)于增壓發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，越高的湍動(dòng)能有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能。

采用CFD方法直接模擬噴油器內(nèi)的燃油流動(dòng)及噴油器出口處的燃油液柱分解過(guò)程計(jì)算量太大，計(jì)算資源要求太高，現(xiàn)階段還難以應(yīng)用到實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中［14］。目前工程上常用的方法是采用定容彈或光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量噴霧特性，然后用來(lái)對(duì)CFD計(jì)算噴霧模型進(jìn)行標(biāo)定，最后用標(biāo)定好的模型研究缸內(nèi)的油氣混合和燃燒。

如圖11所示為三個(gè)特殊時(shí)刻，各氣道對(duì)應(yīng)缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)云圖。在曲軸轉(zhuǎn)角460°時(shí)刻，缸內(nèi)滾流比達(dá)到最大的時(shí)刻；530°為進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻；725°為點(diǎn)火時(shí)刻。對(duì)比460°時(shí)刻的缸內(nèi)氣體流動(dòng)云圖，進(jìn)氣道3對(duì)應(yīng)的汽缸內(nèi)能形成比較明顯的漩渦，平均流速也較快；而進(jìn)氣道2和進(jìn)氣道0對(duì)應(yīng)的缸內(nèi)氣流較為紊亂，未能形成大尺度的漩渦，且平均流動(dòng)速度也小于進(jìn)氣道3。進(jìn)氣道1雖然形成了氣流旋渦，但是氣流的流速明顯低于進(jìn)氣道3。曲軸轉(zhuǎn)角530°時(shí)刻，進(jìn)氣道3對(duì)應(yīng)的汽缸靠近火花塞附近形成了一個(gè)較大的漩渦，且缸內(nèi)大部分區(qū)域流速均大于30m·s-1；進(jìn)氣道1、進(jìn)氣道2以及進(jìn)氣道0中均出現(xiàn)兩個(gè)漩渦，漩渦中心流速較低因而缸內(nèi)氣流平均速度都比進(jìn)氣道3低。進(jìn)氣道3在此刻形成的兩個(gè)漩渦分隔比較明顯，但隨著滾流比的降低，進(jìn)氣道1、進(jìn)氣道0和進(jìn)氣道2的兩個(gè)漩渦區(qū)分越來(lái)越模糊，甚至有合并的趨勢(shì)。曲軸轉(zhuǎn)角725°時(shí)刻，由于活塞接近上止點(diǎn)，汽缸內(nèi)體積較小，受到擠氣影響，缸內(nèi)原本存在的兩個(gè)渦流被擠壓匯成一個(gè)漩渦，因而導(dǎo)致進(jìn)氣道2和進(jìn)氣道0對(duì)應(yīng)汽缸內(nèi)出現(xiàn)大范圍紊流，且流速較低。因此從不同時(shí)刻缸內(nèi)氣體流動(dòng)狀況來(lái)看，進(jìn)氣道3能夠在缸內(nèi)各時(shí)刻形成較高的流動(dòng)速度和較好的流動(dòng)狀態(tài)，有益于缸內(nèi)的油氣混合，從而提高缸內(nèi)燃燒速度并降低污染物排放。

圖11 缸內(nèi)流場(chǎng)分析Fig.11 Analysis of flow distribution in cylinder

所研究發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油器噴嘴為6孔，噴射壓力為35MPa，缸內(nèi)背壓設(shè)置為0.1MPa，燃油溫度為20℃。噴霧模型的選擇對(duì)缸內(nèi)油氣混合過(guò)程的模擬分析非常重要，計(jì)算采用拉格朗日多相流耦合算法，噴嘴模型采用Effective模型，霧化及破碎模型采用Reitz模型，能量、動(dòng)量及質(zhì)量傳遞模型采用Standard模型，燃油物性可變并通過(guò)子程序?qū)崿F(xiàn)，撞壁模型采用Bai＋Switch30模型，同時(shí)考慮湍動(dòng)能耗散和重力的影響。

如圖12所示為曲軸轉(zhuǎn)角460°、530°和725°三個(gè)特殊時(shí)刻，各氣道對(duì)應(yīng)缸內(nèi)空燃比分布情況。在曲軸轉(zhuǎn)角460°正處于第一次噴射持續(xù)時(shí)刻之中，受到缸內(nèi)滾流影響，不同進(jìn)氣道呈現(xiàn)了不同的空燃比分布。進(jìn)氣道3對(duì)應(yīng)的汽缸內(nèi)油氣在平行于滾流平面內(nèi)幾乎不碰觸到汽缸壁，在中間部分處于較濃的混合氣區(qū)域，且油氣混合氣成團(tuán)狀。進(jìn)氣道2和進(jìn)氣道0的混合氣由于受到多個(gè)漩渦中心的影響，出現(xiàn)多處過(guò)濃的區(qū)域，且大部分濃混合氣均與活塞頂和汽缸壁接觸，因此可能產(chǎn)生濕壁或混合氣壁面凝結(jié)的現(xiàn)象，不利于均勻混合氣的形成與燃燒。進(jìn)氣道1混合氣與汽缸壁接觸較少，但是仍與活塞頂部有較大的接觸面積。曲軸轉(zhuǎn)角530°時(shí)刻初次噴射已結(jié)束，進(jìn)氣道3對(duì)應(yīng)的汽缸缸內(nèi)滾流強(qiáng)度較大，大部分混合氣被卷吹到火花塞附近，同時(shí)混合氣分布的體積也較其他三種氣道要大。對(duì)于進(jìn)氣道0和進(jìn)氣道2，由于缸內(nèi)存在多個(gè)漩渦，缸內(nèi)滾流相對(duì)較弱，混合氣隨氣流運(yùn)動(dòng)主要偏向了汽缸的一側(cè)，而進(jìn)氣道3和進(jìn)氣道1因滾流作用較強(qiáng)，混合氣主要集中于氣缸中心，這樣有利于點(diǎn)火時(shí)刻混合氣在缸內(nèi)的均勻分布。曲軸轉(zhuǎn)角725°為點(diǎn)火時(shí)刻，進(jìn)氣道3對(duì)應(yīng)汽缸內(nèi)混合氣分布最為均勻，其次是進(jìn)氣道1，在垂直于滾流運(yùn)動(dòng)平面上存在上下濃度不均，而對(duì)于滾流強(qiáng)度較差的進(jìn)氣道0和進(jìn)氣道2，在余隙中和汽缸一側(cè)會(huì)出現(xiàn)混合氣濃度過(guò)稀，而在另一側(cè)出現(xiàn)過(guò)濃的不對(duì)稱(chēng)分布，這會(huì)導(dǎo)致著火燃燒時(shí)火焰在缸內(nèi)的分布不均勻，從而加強(qiáng)了活塞余缸壁的摩擦，從而提升了燃燒過(guò)程中的能量損失。

圖12 缸內(nèi)空燃比分布分析Fig.12 Analysis of air fuel ratio distribution in cylinder

圖13為不同進(jìn)氣道在著火后火焰前鋒面位置變化。曲軸轉(zhuǎn)角730°時(shí)接近于累計(jì)放熱率5%的工況點(diǎn)（即CA5），此時(shí)是著火時(shí)刻，缸內(nèi)火核剛形成，進(jìn)氣道2的火核明顯比其他氣道較小。曲軸轉(zhuǎn)角740°時(shí)刻接近CA50，此時(shí)是放熱中心，進(jìn)氣道3和進(jìn)氣道1對(duì)應(yīng)的火焰前鋒面?zhèn)鞑ニ俣让黠@快于其他兩個(gè)氣道。曲軸轉(zhuǎn)角750°時(shí)刻接近CA90，此時(shí)為燃燒終止時(shí)刻，進(jìn)氣道3、進(jìn)氣道1和進(jìn)氣道0火焰前鋒面范圍更大，且內(nèi)部燃燒的較為徹底，未有殘余未燃混合氣，而進(jìn)氣道2由于混合氣分布不均勻的原因，會(huì)存在局部過(guò)濃缺氧或過(guò)稀缺油的情況，從而導(dǎo)致燃燒速度較慢的情況出現(xiàn)。由此表明較高的滾流比會(huì)增大缸內(nèi)油氣混合氣的均勻性，從而提高燃燒速度，降低污染物排放。

圖13 火焰?zhèn)鞑ニ俣确治鯢ig.13 Analysis of flame propagation velocity

4 結(jié)論

（1）由穩(wěn)態(tài)吹風(fēng)試驗(yàn)和仿真結(jié)果可知，流量系數(shù)與滾流比間存在相互制約關(guān)系，一般為得到較高滾流比，均會(huì)犧牲一部分氣道的流動(dòng)系數(shù)。進(jìn)氣道2與進(jìn)氣道0相比流量系數(shù)幾乎保持不變，而滾流比略有減少；進(jìn)氣道1與進(jìn)氣道0相比，流量系數(shù)減少約5%，滾流比提高了10%左右；進(jìn)氣道3與進(jìn)氣道0相比滾流比提高了約14%，而流量系數(shù)降低了11%。

（2）由瞬態(tài)CFD仿真結(jié)果可知，各氣道滾流比大小影響規(guī)律與穩(wěn)態(tài)吹風(fēng)試驗(yàn)以及穩(wěn)態(tài)CFD仿真結(jié)果一致。最大滾流比出現(xiàn)在氣門(mén)最大升程后約35°處，在點(diǎn)火上止點(diǎn)前70°出現(xiàn)第二個(gè)峰值，并隨著活塞上行壓縮，滾流比急劇降低。各氣道對(duì)應(yīng)的缸內(nèi)湍動(dòng)能大小與滾流比分布一致。在著火時(shí)刻，進(jìn)氣道3對(duì)應(yīng)的湍動(dòng)能最大，約為18m2·s—2。

（3）由缸內(nèi)各瞬態(tài)時(shí)刻氣流運(yùn)動(dòng)的速度云圖可知，進(jìn)氣道3在進(jìn)氣沖程中，缸內(nèi)只出現(xiàn)一個(gè)較大的大尺度漩渦，因而相較于原氣道，其氣流流速更高，湍動(dòng)能更大；由于其較高的流速，能夠加速汽油油滴的蒸發(fā)，并使油氣混合更加均勻。由于其在點(diǎn)火時(shí)刻有著更高的湍動(dòng)能，且油氣得以充分混合，火焰前鋒面?zhèn)鞑ニ俣纫彩撬袣獾览镒羁斓摹?/p>

作者貢獻(xiàn)聲明：

樓狄明：負(fù)責(zé)研究方向、研究方法的設(shè)計(jì)等。

潘雪偉：負(fù)責(zé)研究?jī)?nèi)容的設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)的實(shí)施等。

房亮：負(fù)責(zé)研究成果的梳理和論文撰寫(xiě)等。

張小矛：負(fù)責(zé)進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)氣道仿真計(jì)算等。

施雅風(fēng)：負(fù)責(zé)論文實(shí)驗(yàn)實(shí)施及數(shù)據(jù)處理，論文撰寫(xiě)等。

石健：負(fù)責(zé)論文的零部件設(shè)計(jì)、加工，參與實(shí)驗(yàn)實(shí)施等。