螺旋进气道设计参数对涡流比影响的数值分析＊

韩志玉，王 勇，陈 征，邓 鹏

（1.湖南大学 先进动力总成技术研究中心，湖南 长沙 410082；2.湖南大学 汽车车身先进设计制造国家重点实验室，湖南 长沙 410082）

随着石油能源的不断减少以及环境问题的日益加重，针对车用柴油发动机的燃烧和排放提出的要求也越来越严格.为了满足日益严格的法规要求，必须合理的组织缸内燃烧过程，以提高燃料的燃烧效率和降低排放.

柴油机螺旋进气道结构参数对缸内涡流的产生有至关重要的作用，合理的气道结构参数不仅能保证在进气过程中产生较强的涡流，还能保证在压缩过程以及压缩上止点附近缸内都具有较强的涡流.通过与喷油时刻的匹配，能保证在喷油燃烧时，缸内具有最优的涡流比，促进燃料与空气的混合，提高缸内空气的利用率，以达到改善发动机动力性、经济性以及排放性的目的[1－2］.本文采用最新的三维CFD计算软件－Converge进行数值研究，分析了柴油机螺旋进气道的3个主要结构参数对缸内涡流比的影响，实现了螺旋进气道多结构参数的数值研究.

1 基本情况介绍

1.1 发动机基本参数

建立了一台高速柴油发动机的气道及燃烧三维模型，如图1所示.气道三维模型是通过三维激光坐标扫描仪扫描气道砂芯获取点云图，并导入三维建模软件中得到[3］.该柴油机基本参数如表1所示.

图1 气道及燃烧室三维模型Fig.1 3Dmodel of transit port and combustion chamber

表1 柴油发动机基本参数Tab.1 Basic parameters of the diesel engine

1.2 三维模拟计算软件介绍

本文采用了最先进的三维计算流体力学软件－Converge进行CAE研究.其不同于传统CFD软件之处，在于它的计算网格是在计算过程中自动生成，无需用户提前画出计算网格，从而为用户节省了大量网格制作时间.在使用Converge时，用户只需将制作的STL格式的几何文件导入Converge的前处理软件中进行简单的几何检查和边界设置即可[4］.

2 涡流比与进气流量系数计算

2.1 涡流比与进气流量系数

2.1.1 涡流比的计算

涡流比SR的计算公式为[4－5］：

式中：Ωflow为缸内气体的角速度，r/min；Ωcrankshaft为发动机的曲轴转速，r/min.本文利用Converge计算软件可直接计算出缸内涡流比的大小.

2.1.2 进气流量系数

Ricardo无量纲流量系数C[6－7］F：

式中：Q为试验测得的实际空气体积流量，m3/s；n为进气门数目；V0为理论进气速度或速度头，m/s；AV为气门座内截面积，m2；dV为气门座内径，m；ΔP为进气道压差，Pa；ρ为气门座处气体的密度，kg/m3.本文通过Converge软件得出计算的空气体积流量Q，然后代入式（2），得出计算的流量系数CF.

3 边界条件设定以及模型标定

3.1 边界条件的设定

在发动机台架上进行2000转倒拖试验并测得相关试验数据.模拟发动机的工作范围设定为进气阀开启前10°至压缩上止点后20°，则对应的曲轴转角范围为－386°～20°.根据倒拖试验测定的缸压、温度等，设定－386°时刻发动机的边界条件如表2和表3所示.

表2 边界条件1Tab.2 Boundary condition 1

表3 边界条件2Tab.3 Boundary condition 2

3.2 模型的标定

将数值计算的发动机缸压与倒拖试验所得到的实验缸压进行对比，如图2所示.由图2可以看出：在开始时刻计算缸压和实验缸压存在微小的波动，在之后的时刻，计算缸压和实验缸压十分吻合.在压缩上止点时刻，计算缸压略高于实验缸压，计算的最大缸压（5.812 1MPa）比实验的最大缸压（5.718 4 MPa）高1.6%.因此，可以认为：数值模型能很好地反映实际发动机的工作情况，可以使用此数值模型进行下一步研究.

图2 计算缸压与试验缸压对比Fig.2 Comparison between calculation and experimented results

4 调整结构参数的数值模拟研究

4.1 结构参数介绍

将螺旋进气道的三维模型在CAD软件中直接导出二维工程图并进行适当简化，得出决定螺旋进气道结构形状的主要结构参数，如图3所示.

图3 螺旋进气道主要结构参数Fig.3 Main structure parameters of the helical intake port

结构参数包括：涡壳切割量η、气道入口截面积S1、气道最小截面积S2、螺旋底坡角β1、螺旋坡角β2（气道最小截面的法线与水平面的夹角）、螺旋室高度H、螺旋室直径D、螺旋进气道高度μ、涡壳半径R1、R2、螺旋进气道转角θ、螺旋进气道偏心距e以及涡壳转角β3.本文主要研究螺旋室高度H、涡壳切割量η以及螺旋进气道转角θ改变对缸内涡流比的影响.

4.2 参数H的影响

如图4所示，H为螺旋进气道的螺旋室高度，通过三维造型软件改变H的取值，分别取H1＝7mm，H2＝7.5mm，H3＝10.5mm，H4＝13mm以及H5＝13.5mm.计算得出H不同取值时的缸内涡流比，如图5所示.对比H不同取值的进气量，如图6所示.

由图5可以看出，在整个压缩过程中，缸内涡流比呈先减小后在上止点附近快速增大，达到一个峰值以后再减小的过程[8］.原因是：在压缩过程中，随着活塞的上移，进气初期形成的缸内涡流受压而减弱，从而使涡流比降低；当接近上止点时，缸内气体被强制压入燃烧室，气体旋转半径减小并产生挤流，从而使缸内涡流增强，涡流比增大并在上止点附近达到最大值；随着活塞下移，缸内气体从燃烧室内流出，气体旋转半径再次增大，缸内涡流减弱，涡流比减小.

图4 螺旋进气道结构参数HFig.4 Helical intake port structure parameter H

图5 H不同取值时的涡流比Fig.5 Swirl ratio of different values of parameter H

图6 H不同取值的进气量Fig.6 Air inlet of different values of parameter H

同时，可以看出随着H取值的增加，缸内涡流比整体上成先减小后增大再减小的规律，并在H＝13mm时，缸内涡流比获得最大值.可以得出：H与缸内涡流比之间存在非线性的相关关系，存在一个最佳H取值，使涡流比具有最大值.

继续分析图5可知，改变H的取值，对－20°和0°时刻的涡流比影响较大，而对20°时刻缸内涡流比的影响不明显.因此，－20°和0°时刻的缸内涡流比对结构参数的变化较敏感，结构参数的微小变动，都会影响此时的缸内涡流比，而20°时刻的缸内涡流经过了上止点的压缩过程，对结构参数的变化已经不那么敏感了.

由图6可知，虽然H的取值不断增加，但进气量的变化却不明显.在－120°时刻，缸内进气量最大值与最小值之间相差0.72%，因此，可以认为：结构参数H的改变对进气量没有影响.

4.3 参数η的影响

根据实际试验中，涡壳切割量对缸内涡流比有一定的影响，因此，取η为涡壳切割量，如图7所示.通过修改使其取值分别为η0＝0mm，η1＝1.27 mm，η2＝2.54mm.

图7 结构参数ηFig.7 Structure parameterη

计算得出η不同取值时的缸内涡流比，如图8所示.对比η不同取值的进气量，如图9所示.

图8 η不同取值的涡流比Fig.8 Swirl ratio of different values of parameterη

由图8可以发现，随着η的增大，缸内涡流比先增大后减小.在η＝1.27mm时，涡流比在－180°～20°曲轴转角之间都具有最大值，且其最大涡流比（1.114 8，－4°）比η＝0mm 的最大涡流比（0.950 6，－3°）高17.3%；同时，在－20°和0°时刻，η＝1.27mm的涡流比比η＝0mm时高17.9%和17%.随着η值的继续增大，缸内涡流比降低，并低于η＝0mm的涡流比.

图9 η不同取值的进气量Fig.9 Air inlet of different values of parameterη

由图9可知，虽然η的取值不断增加，但进气量的变化却不明显.在－120°时刻，缸内进气量最大值与最小值之间相差0.58%，因此，可以认为：结构参数η的改变对进气量没有影响.

4.4 参数θ的影响

以进气阀的轴线为轴，进气阀的轴心与进气道入口截面的中心连线，绕此轴旋转的角度为θ，如图10所示.设气道初始位置的θ角度为0°，且顺时针旋转为＋，逆时针旋转为－.通过三维建模软件修改θ的取值，分别为－15°，－10°，－5°.TIF，＋5°.TIF，＋10°以及＋15°.计算得出缸内涡流比，如图11所示.对比参数θ不同取值的进气量，如图12所示.

由图11可以看出，无论是顺时针旋转还是逆时针旋转，缸内涡流都降低，且顺时针旋转降低的程度要远小于逆时针旋转降低的程度，同时随着旋转角度的增大，涡流比下降的速率也逐渐增大.根据不同的θ取值，可以得出初始位置时螺旋进气道所处的θ角是使缸内涡流比为最大值的最佳角度.

图10 结构参数θFig.10 Structure parameterθ

图11 θ不同取值的涡流比Fig.11 Swirl ratio of different values of parameterθ

图12 θ不同取值的进气量Fig.12 Air inlet of different values of parameterθ

从图12可以看出，无论θ的取值如何变化，进气量的变化却不明显.在－120°时刻，缸内进气量最大值与最小值相差0.6%，因此，可以认为：结构参数θ的改变对进气量没有影响.

5 调整多个结构参数的研究

为研究多个参数改变时，对缸内涡流比的影响，分别同时改变2个参数和3个参数，设置5个Case的模拟计算，表4所示，为每个Case中各参数的取值.其中，Case1的参数取值为所研究发动机螺旋进气道结构的实测值；Case2的参数取值是将各参数调节到使涡流比为最大值的参数取值；Case3的参数取值是保持Case2中η和θ的取值不变，调整H的取值；Case4和Case5的参数取值是保持Case2中H和η的取值不变，调整θ的取值.

表4 各Case参数取值Tab.4 The parameters values of different Cases

按表4所示，修改结构参数后导入计算，得到5个Case的涡流比，如图13所示.对比5个Case的进气量，如图14所示.

图13 5个Case的涡流比Fig.13 Swirl ratio of five Cases

图14 5个Case的进气量Fig.14 Air inlet of five Cases

比较图14中的Case1和Case2可以发现，虽然分别单独调节H＝13mm或η＝1.27mm时能使涡流比达到最大值，但当同时调整H和η时，并没有使涡流比得到提高.因此，可以认为：各结构参数对涡流比的影响效果不是简单的相互叠加，而是存在相互制约、相互抵消的作用.在此基础上，对比分析Case2和Case3，在保持η和θ取值不变的情况下，适当调整H的取值时，发现Case3的涡流比得到一定幅度的提高，但整体上仍小于Case1的涡流比.同样，对比分析，Case2和Case4和Case5可以发现，在保持H和η取值不变的情况下，调整θ的取值，涡流比较Case2有增大也有减小，但变化幅度没有调整参数H明显.

通过上面的分析，可以得出：缸内涡流比是各结构参数相互作用的结果，各结构参数之间存在相互制约的作用.欲使缸内涡流比得到优化，必须准确了解各结构参数与涡流比的相关关系，通过分析相关关系可以得出优化缸内涡流比的各参数取值.

分析图14可以看出，在各种情况下进气量的变化都不大.在－120°时刻，缸内进气量最大值与最小值相差1.1%，因此，可以认为：在误差允许的范围内，本文中所讨论的结构参数改变对进气量没有影响.

6 缸内流动情况的分析

分析修改结构参数后对缸内流动情况的影响，沿两进气阀的轴线做一竖直截面，取进气阀在最大升程时刻，且右侧为螺旋进气道，获得缸内流动速度分布图，如图15所示.

图15 缸内流动速度分布Fig.15 Distribution of in－cylinder flows speed

分析图15可以看出：在15（a）图中，气缸中心处产生了一个较大涡流，并进一步使进气气流在两气门之间向左侧流动，加速了缸内涡流的产生；而15（b）图中，由于缸内产生的涡流较小，进气气流进入缸内后直接流向燃烧室，缸内不能很好地组织涡流.分析原因，可以得出：由于Case1和Case5的螺旋进气道在结构设计参数H，η和θ的取值上存在一定的差异，从而使Case1和Case5的进气道在进气过程中产生涡流的能力发生改变.Case1中各结构设计参数的取值优于Case5，从而使Case1的缸内涡流比高于Case5.因此，合理的设计螺旋进气道的结构参数能很好的改善发动机的缸内流动情况，提高缸内涡流比，最终达到优化发动机缸内燃烧过程的目的.

7 结 论

1）本文讨论的螺旋进气道结构参数的改变对进气量的影响较小，而对缸内涡流比的影响较大.当分别单独修改螺旋室高度、涡壳切割量以及螺旋进气道转角为13mm，1.27mm以及0°时，缸内涡流比得到大幅度的提高，并取得最大值.

2）分析了发动机缸内涡流比的动态变化情况，研究了对燃烧有意义的时间段（－20°，0°和20°）的缸内涡流比，其结果比稳流试验台的结果更反映发动机的实际工作过程，更真实合理.

3）同时改变多个结构参数对缸内涡流比的影响比较复杂，各参数之间的作用效果不是简单的相互叠加的，而是相互制约的.

4）采用三维计算流体力学软件Converge，可以较方便地实现螺旋进气道多结构参数的数值研究和优化，对气道的设计有重要的指导意义.

致谢

感谢Convergent Science，Inc.提供Converge软件以及相应的技术支持.

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