側(cè)置式氣門發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣道瞬態(tài)流場(chǎng)模擬

邱學(xué)軍， 白曙， 楊珠凱， 殷振中，4

（1．華域科爾本施密特活塞有限公司，上海201814；2．上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438；3．江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，鎮(zhèn)江212013；4．電裝燃油噴射有限公司，上海201400）

0 引言

隨著能源短缺和環(huán)境污染問題的不斷加劇，“節(jié)能減排”逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。隨著 “國(guó)六”排放法規(guī)的出臺(tái)，汽油機(jī)的排放限值愈加嚴(yán)苛。由此，通過對(duì)汽油機(jī)的進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，來改善其缸內(nèi)燃燒過程，在減少燃油消耗的同時(shí)，降低污染物排放［1?2］。進(jìn)氣道內(nèi)的氣流流動(dòng)特性對(duì)缸內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)起著重要作用，進(jìn)而對(duì)汽油機(jī)的性能產(chǎn)生影響［3］。缸內(nèi)的滾流作用能夠促進(jìn)油氣的均勻混合，進(jìn)氣口的形狀及微小形變對(duì)其均有較大影響［4］。近年來，計(jì)算流體力學(xué) （computational fluid dynamics，CFD）憑借其成本低、效率高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為驗(yàn)證進(jìn)氣道流量系數(shù)和氣流損失的重要手段［5］。CFD模擬研究實(shí)現(xiàn)了期望區(qū)域流場(chǎng)的可視化，可以對(duì)問題區(qū)域進(jìn)行有效地識(shí)別和研究［6］。為強(qiáng)化非道路用汽油機(jī)的缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)，改善其燃燒質(zhì)量，進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化顯得尤為重要。本文構(gòu)建適用于非道路用汽油機(jī)的瞬態(tài)計(jì)算模型，進(jìn)行靜網(wǎng)格、動(dòng)網(wǎng)格劃分及邊界條件的設(shè)置，模擬4沖程汽油機(jī)缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)的連續(xù)過程。通過對(duì)優(yōu)化前后的進(jìn)氣道進(jìn)行瞬態(tài)模擬，對(duì)比分析了進(jìn)氣道優(yōu)化前后缸內(nèi)平均湍動(dòng)能與平均滾流比的變化規(guī)律。優(yōu)化后的進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)可增強(qiáng)汽油機(jī)缸內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)，為汽油機(jī)進(jìn)氣道優(yōu)化設(shè)計(jì)及瞬態(tài)模擬分析提供了依據(jù)。

1 側(cè)置式氣門發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介

側(cè)置式氣門發(fā)動(dòng)機(jī)，其進(jìn)、排氣門都裝置在氣缸體的同一側(cè)，由凸輪、挺柱、氣門和氣門彈簧等組成，省去了推桿、搖臂等零件，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)。這種發(fā)動(dòng)機(jī)在要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕，制造成本低的小型汽油機(jī)中有廣泛應(yīng)用。發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示［7］。

2 模型建立

2.1 方案設(shè)計(jì)

從進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)出發(fā)，選取了3個(gè)影響汽油機(jī)進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵尺寸：氣道進(jìn)口偏置角α，氣道出口偏置角β，氣道出口凸臺(tái)位置γ。設(shè)計(jì)了2種不同進(jìn)氣道方案，其尺寸如圖2和表1所示。

表1 進(jìn)氣道方案設(shè)計(jì)

2.2 靜網(wǎng)格劃分

汽油機(jī)工作循環(huán)是氣缸系統(tǒng)部件往復(fù)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程，因此，需要對(duì)汽油機(jī)模型進(jìn)行復(fù)雜的網(wǎng)格劃分。將幾何體導(dǎo)入HyperMesh軟件后，需要做如下處理才能達(dá)到初始計(jì)算要求： （1）刪去模型中的實(shí)體部分，保留內(nèi)腔表面形貌，隱去多余的特征線；（2）將氣門沿氣門軸線方向移至氣門關(guān)閉位置，截?cái)喽嘤嗟臍忾T桿部并將其頂部封閉，預(yù)留的氣門間隙為0．2 mm，這由發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)而定； （3）將活塞頂面上移至活塞上止點(diǎn)位置，距氣缸蓋燃燒面為0．2 mm，這由壓縮比與燃燒室容積而定；（4）檢查自由邊，避免幾何模型中出現(xiàn)幾何面不銜接問題。處理后的幾何模型如圖3所示。

模型的網(wǎng)格劃分順序由內(nèi)到外、由結(jié)構(gòu)化到非結(jié)構(gòu)化。首先，對(duì)氣門進(jìn)行四邊形面網(wǎng)格劃分，圖4所示為進(jìn)氣門的網(wǎng)格分區(qū)。氣門的軸向運(yùn)動(dòng)對(duì)空間產(chǎn)生的影響主要集中在氣門Invalve?ib和Invalve?ob區(qū)域，因此需要對(duì)該區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。對(duì) Invalve?ib和 Invalve?ob區(qū)域進(jìn)行四邊形面網(wǎng)格劃分后，在保證與Invalve?ib節(jié)點(diǎn)數(shù)相同的條件下，采用基準(zhǔn)面旋轉(zhuǎn)法生成結(jié)構(gòu)化體網(wǎng) 格 Fluid?inport?ib， 同 時(shí) 實(shí) 現(xiàn) Intf?invalve?ib?flib與 Int?layer?invalve?ib 區(qū)域的面網(wǎng)格劃分。 網(wǎng)格分區(qū)如圖5所示。

氣門間隙區(qū)域的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，仍采用基準(zhǔn)面旋轉(zhuǎn)法。取氣門間隙尺寸為基本網(wǎng)格尺寸，生成氣門間隙區(qū)域的體網(wǎng)格 Fluid?inport?ob2， 實(shí)現(xiàn)對(duì) Intf?in?valve?ob?flchmb、 Intf?invalve?ib?flob、 ntf?invalve?ib?flob2、 Int?layer?invalve?ob 與 Seat?invalve 區(qū)域的面網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格分區(qū)如圖6所示。

進(jìn)氣道 （Inport）與燃燒室 （Roof）有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特征，對(duì)部分特征線進(jìn)行簡(jiǎn)化后，仍有大量的曲面結(jié)構(gòu)不利于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。因此，氣道與燃燒室區(qū)域的面網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分如圖7所示。

活塞的運(yùn)動(dòng)空間為規(guī)則圓柱體，采用拉伸生成方式劃分精度較高的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格?？刂苹钊^部面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)與燃燒室?氣缸交線的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)一致，避免出現(xiàn)自由邊，對(duì)計(jì)算產(chǎn)生不利影響。通過體網(wǎng)格 Fluid?chamber?layer 實(shí)現(xiàn)氣缸區(qū)域 Cyl?deform 與Piston?roof面網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格分區(qū)如圖8所示。

利 用 Inlet、 Inport、 Intf?invalve?ib?flob、 Int?layer?invalve?ib 與 Int?layer?invalve?ob 區(qū)域 的面 網(wǎng)格 （四邊形面網(wǎng)格采用分裂處理劃分為三角形網(wǎng)格）閉合空間，生成進(jìn)氣道的體網(wǎng)格Fluid?in?port?ob。 同理， 實(shí)現(xiàn)排氣道體網(wǎng)格 Fluid?export?ob 與燃燒室體網(wǎng)格 Fluid?chamber?tri的劃分。 氣道與燃燒室內(nèi)腔的非結(jié)構(gòu)化體網(wǎng)格分區(qū)如圖9所示。

等值合并體網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)后，刪去所有面網(wǎng)格，將體網(wǎng)格區(qū)域 Fluid?chamber?tri、 Fluid?chamber?layer、Fluid?inport?ib、 Fluid?export?ib、 Fluid?inport?ob、Fluid?export?ob、 Fluid?inport?ob2 與 Fluid?export?ob2進(jìn)行分離處理，重新對(duì)面網(wǎng)格區(qū)域進(jìn)行劃分。重復(fù)面的面網(wǎng)格需分開命名， 如將 Int?layer?invalve?ib中重復(fù)的 2 個(gè)面命名為 Int?layer?invalve?ib3 和 Int?layer?invalve?ib4。

2.3 動(dòng)網(wǎng)格劃分

為了將結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行區(qū)分，在靜網(wǎng)格劃分中拆分不同區(qū)域的體網(wǎng)格，需要在仿真軟件中對(duì)網(wǎng)格區(qū)域進(jìn)行如下處理：（1）創(chuàng)建Flu?id?chamber?tri、 Fluid?chamber?layer、 Fluid?inport?ib ／ob、 Fluid?export?ib／ob、 Fluid?inport?ob2 和 Fluid?ex?port?ob2 表面區(qū)域； （2） 將 Fluid?inport?ob2 合并入Fluid?inport?ob， 同 理 將 Fluid?export?ob2、 Intf?in?valve?ib?flob2 和 Intf?exvalve?ib?flob2 分 別 合 并 入Fluid?export?ob、 Intf?invalve?ib?flob 和 Intf?exvalve?ib?flob；（3）檢查模型處理后的網(wǎng)格質(zhì)量，采用網(wǎng)格類型修復(fù)方法，解決區(qū)域內(nèi)同時(shí)存在三角形和四邊形面網(wǎng)格的問題。

結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格隨氣門與活塞的軸向運(yùn)動(dòng)不斷地拉伸與收縮，其不斷變化的尺寸影響接鄰的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格構(gòu)成。因此，采用網(wǎng)格平滑、分層及重構(gòu)的控制參數(shù)約束網(wǎng)格變化，保證模型網(wǎng)格質(zhì)量與計(jì)算精度。通過錄入氣門升程文件和設(shè)置氣缸參數(shù)，控制氣門和活塞面在不同曲軸轉(zhuǎn)角的運(yùn)動(dòng)位置，實(shí)現(xiàn)動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域的實(shí)時(shí)更新，動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域的網(wǎng)格劃分如表2～3所示。

表2 動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域劃分

表3 拉伸動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域劃分

體網(wǎng)格區(qū)域經(jīng)過分離處理后，區(qū)域間的距離數(shù)值上為零，但仍非一個(gè)整體。實(shí)際的氣流運(yùn)動(dòng)應(yīng)為進(jìn)氣口到排氣口的完整流體域，重疊面之間需要有模擬計(jì)算上的數(shù)據(jù)互換。因此，分別將Int?layer?in?valve?ob／ib、 Int?layer?exvalve?ob／ib、 Intf?invalve／ex?valve?ob?flchmb、 Intf?invalve?ib?flib／flob、 Intf?ex?valve?ib?flib／flob 與 Piston?roof區(qū)域的重復(fù)面關(guān)聯(lián)起來建立邊界層 Int?layer?invalve?ob ／ib、 Int?layer?ex?valve?ob／ib、 Intf?invalve／exvalve?ob、 Intf?invalve／exvalve?ib與 Piston?roof， 實(shí)現(xiàn)氣流運(yùn)動(dòng)的完整性。

2.4 邊界條件

瞬態(tài)計(jì)算加入流體burned，采用標(biāo)準(zhǔn)k?ε湍流模型與物料傳輸模型進(jìn)行模擬。汽油機(jī)的進(jìn)口與出口均為大氣環(huán)境，選取收斂性較好的壓力出口邊界，邊界條件如表4所示。通過湍流強(qiáng)度和水力直徑，規(guī)范湍流的形成；壁面均做絕熱、無(wú)滑移處理。采用PISO算法時(shí)，各參數(shù)的離散化方程均采用2階迎風(fēng)格式?？紤]到計(jì)算模型網(wǎng)格的復(fù)雜性和接觸面的數(shù)據(jù)互換，應(yīng)增大連續(xù)性方程的收斂系數(shù)，以提高計(jì)算效率。

表4 瞬態(tài)計(jì)算邊界條件

3 數(shù)值模型

CFD是一種介于數(shù)學(xué)、流體力學(xué)及計(jì)算機(jī)之間的交叉學(xué)科，通過求解流體力學(xué)的控制方程，對(duì)流體力學(xué)中的問題進(jìn)行模擬與分析［8］。其實(shí)質(zhì)是基于物理學(xué)三大定律，將積分與偏微分方程離散化，不斷求解流場(chǎng)在時(shí)間和空間上離散解的一種數(shù)學(xué)計(jì)算方法［9］。

3.1 控制方程

質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒的方程如式（1）、 （2） 和 （3） 所示：

式中：u為速度矢量，m／s；ρ為密度，kg／m3；t為時(shí)間，s；p為壓強(qiáng)，Pa；μ為動(dòng)力黏度，Pa·s；g為重力加速度矢量，m／s2；E為能量，J；λ為導(dǎo)熱系數(shù)， W／（m·K）；T為溫度， K。

3.2 湍流模型

湍流現(xiàn)象作為工程領(lǐng)域最為常見的流動(dòng)現(xiàn)象，其復(fù)雜的無(wú)規(guī)律運(yùn)動(dòng)仍是目前研究的方向［10］。本文采用的湍流模型是工程應(yīng)用中常用的k?ε湍流模型。該模型的控制方程除了包括質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程與能量守恒方程外，還加入了黏性系數(shù)方程。k方程、ε方程與黏性系數(shù)方程如下：

式中：k為湍流動(dòng)能，J；ε為湍流擴(kuò)散率，%；μ為湍流黏度，Pa·s。此外，c1、c2和c3為模型因數(shù)，分別取 1．44， 1．92， 0．09； σk和 σε為模型常數(shù)，分別取1．0和1．3；l為相互作用長(zhǎng)度，m；cD為阻力因數(shù)；cμ為模型因數(shù)。

4 結(jié)果與分析

4.1 平均湍動(dòng)能

作為度量湍流強(qiáng)度的變量，湍動(dòng)能可從數(shù)值上直觀地反映氣體之間的流動(dòng)和混合情況。高強(qiáng)度的湍流可以使氣缸內(nèi)形成大量的小漩渦，促進(jìn)油滴與空氣的碰撞，提高缸內(nèi)燃燒質(zhì)量，減少未燃HC污染物的排放。因此，缸內(nèi)平均滾流比是評(píng)價(jià)缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)及油氣混合的有效指標(biāo)之一。利用湍流模型，對(duì)采用2種方案進(jìn)氣道的發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)平均湍流動(dòng)能進(jìn)行分析，結(jié)果如圖10所示。

由圖10可以看出，當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角到達(dá)826°時(shí)，進(jìn)氣門開啟，從氣門喉口縫隙中擠入燃燒室的新鮮充量流入氣缸內(nèi)部，此時(shí)排氣門開度較大且活塞處于上行階段，缸內(nèi)的氣體大部分從排氣門排出，缸內(nèi)湍流強(qiáng)度較弱；當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角到達(dá)880°后，排氣門開度較小，進(jìn)氣門開度變大，缸內(nèi)吸入的氣體增多，氣體間的相互作用導(dǎo)致湍動(dòng)能增加；當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角接近980°時(shí)，排氣門完全關(guān)閉，進(jìn)氣門接近最大氣門升程，缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)最強(qiáng)，而后隨著活塞下行速度加快，缸內(nèi)平均湍動(dòng)能略有降低；曲軸轉(zhuǎn)角到達(dá)1 080°后，活塞由下止點(diǎn)向上運(yùn)行，活塞頂面對(duì)缸內(nèi)氣體的壓縮，及進(jìn)氣末期的氣體相互碰撞，缸內(nèi)的整體湍動(dòng)能增強(qiáng)；進(jìn)氣門在曲軸轉(zhuǎn)角到達(dá)1 208°時(shí)完全關(guān)閉，燃燒室頂面的扁平曲面結(jié)構(gòu)限制了氣流的運(yùn)動(dòng)。缸內(nèi)氣流失去了進(jìn)氣充量的擾動(dòng)，湍動(dòng)能逐漸減弱。結(jié)果表明，相比方案1，方案2的進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)主要在進(jìn)氣階段的中后段使缸內(nèi)的平均湍動(dòng)能增加，整個(gè)進(jìn)氣階段的缸內(nèi)平均湍動(dòng)能增加約11．2%。

4.2 平均滾流比

缸內(nèi)小尺度的湍流易衰減，從而對(duì)燃燒產(chǎn)生不利影響。為了有效促進(jìn)燃燒火焰?zhèn)鞑?，提高燃燒效率，氣缸?nèi)需要更高的動(dòng)能維持大尺度的氣流運(yùn)動(dòng)來增加壓縮末期的湍流強(qiáng)度，組織缸內(nèi)滾流則成為了加強(qiáng)氣流運(yùn)動(dòng)的有效方法。利用湍流模型對(duì)采用2種方案進(jìn)氣道的發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)平均滾流比進(jìn)行分析，結(jié)果如圖11所示。

從圖11可以看出，進(jìn)氣門開啟時(shí)，活塞處于上行階段，壓縮缸內(nèi)的廢氣由排氣門排出，缸內(nèi)形成了以排氣門為終點(diǎn)的較強(qiáng)逆向滾流；隨著活塞上行到達(dá)上止點(diǎn)，燃燒室形成楔形內(nèi)腔且排氣門開度小，氣體流動(dòng)空間受到限制，滾流強(qiáng)度大幅下降；當(dāng)進(jìn)氣門開度變大時(shí)，更多新鮮充量涌入燃燒室，活塞下行使氣流更容易發(fā)生 “撞壁”現(xiàn)象，滾流的旋轉(zhuǎn)空間擴(kuò)大，平均滾流比得到了增加；活塞運(yùn)動(dòng)至下止點(diǎn)時(shí)，平均滾流比達(dá)到最大值，滾流強(qiáng)度最大，而后活塞上行，進(jìn)氣門開度變小，缸內(nèi)平均滾流比降低，最終趨向于0。結(jié)果表明，相比方案1，方案2的進(jìn)氣道主要在下止點(diǎn)附近增加了缸內(nèi)平均滾流比，整個(gè)進(jìn)氣過程缸內(nèi)平均滾流比相比于方案1增加比例約為13．8%?？梢钥闯?，方案2的進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)對(duì)該汽油機(jī)的性能提升較為明顯。

5 結(jié)論

1）搭建的瞬態(tài)計(jì)算模型可以較好地模擬缸內(nèi)氣流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。通過分析進(jìn)氣階段的缸內(nèi)平均湍動(dòng)能和平均滾流比隨活塞運(yùn)動(dòng)及進(jìn)氣門開閉的變化，發(fā)現(xiàn)瞬態(tài)模擬結(jié)果較為貼近實(shí)際。

2）對(duì)比了2個(gè)進(jìn)氣道方案的缸內(nèi)平均湍動(dòng)能和平均滾流比的變化，結(jié)果表明，方案2的進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)對(duì)該汽油機(jī)性能有較明顯的提升，建議采用方案2進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)。