基于FIRE的二甲醚－空气预混特性的模拟

孙志强，李巧英，金 阳，段俊法，2

（1．华北水利水电学院机械学院，河南郑州 450045;2．北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081）

近些年来，由于石油资源的日趋减少，车辆尾气排放对大气污染的愈加严重，加上日益严格的排放法规，如何在车用内燃机上燃用清洁的替代燃料，已引起广泛关注．国内外很多研究机构开展了二甲醚应用在汽车上的研究，包括二甲醚燃烧、排放和喷雾特性等方面［1－4］．一系列试验研究表明：二甲醚的物化特性非常优良，含有很大潜能，二甲醚发动机具有和直喷柴油机几乎相同的热效率，且运转柔和，燃烧噪声低，几乎与汽油机相当，催化处理后可实现超低排放，燃油喷射压力低．

笔者基于国内外文献的研究成果，运用先进的流体分析软件FIRE模拟GW4D20发动机的二甲醚－空气预混特性，以此提出了将二甲醚应用在传统压燃式发动机上时对进气道的改进建议．

1 二甲醚－空气的预混

进气道的质量指标主要有流动阻力和涡流强度．气流的品质和气道结构的设计是否合理，直接影响到缸内新鲜空气充量的大小和吸入空气涡流的强度．进气过程中进入气缸的空气量和气体的速度分布及其涡流和湍流状况等又明显影响着燃烧过程，影响到发动机的排气成分、燃烧完善程度、废气可用能量以及发动机的运转经济性等．

该模拟研究是在不造成发动机爆燃的前提下，在GW4D20发动机进气道内喷入一定量的二甲醚，并与空气在进气道内进行预混．预混质量的好坏决定了可燃混合气进入各缸的均匀性，进而决定二甲醚进入气缸后可燃混合气的着火时刻、燃烧能量，以及后续柴油喷入后的扩散燃烧的好坏，进而决定发动机的各项技术指标．由模拟结果知，燃料在进气道内混合质量的好坏决定于进气道的设计，改善它可以改进发动机的相关性能．三维模拟能够系统地反映进气气流状况和气体运动过程及对系统进行三维模拟设计．

2 进气道流场模拟

气道内流场的多维数值模拟技术是基于流体力学的基本原理，用一组守恒偏微分方程，描述气道内流体运动及其对缸内空气运动的影响［5］．利用计算机对这组方程在特定的边界条件和初始条件下进行数值求解，可以获得一系列气道内流场的详尽信息，如气道内的流速、温度和压力分布等空间场［6－8］．所用数学模型是质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、k－ε双方程模型及相关的理想气体状态方程和热力学关系式［9］，写出求解微分方程的源程序，就可以由此求解不同类型的流体流动问题．对GW4D20发动机指定的初始条件为：质量流量m=0．038 107 kg/s;温度T=293．15 K;指定湍动能 ε =0．02 m2/s2;湍流长度尺度lt=0．001 m;出口指定静压p=100 000 Pa．采用有限差分法（FDM）进行流体的三维离散［10］．

3 进气道内流场结果分析

FIRE中的矢量场很好地描述了GW4D20发动机进气道内气体流场的流线和流型，对流体运动情况的研究非常重要．通过数值模拟计算，保证收敛性良好的情况下，选定时间步长制作流场切片．各速度场如图1—5所示．

图1 纵向速度场

由图1可以看出，在进气总管段混合气的流速较大并且均匀，具有很高的湍动能，可见此段混合气的均匀性很好．但是在进气道底部流速变化梯度较大，在与进气歧管衔接处有形成滚流的趋势，可以对流体进行适当的引导使滚流增强，有利于气体的混合．进气歧管进口处流速只有原来的1/4，且有死区（速度为0）出现，使得进入进气歧管的气体密度分布很不均匀，从而混合气无法形成适当的湍流，影响其进入缸内的燃烧性能，但可通过增强滚流来改善．

图2 上表面速度场

图2为进气道上表面速度场，可以看出进气总管下端出现速度接近为零的大片区域，即死区．说明此处并无流体流过或流体流动缓慢，会造成混合气的局部浓度变大，极大地影响了混合气的均匀性．因此，在进气管的设计中可以考虑将其适当削减．

图3 下表面速度场

由图3可以看出，在进气道的底部，特别是进气总管下侧两边对称区域有速度较大区域，可能是由进气道的大片死区引起，一方面进气道底部受到较大的压力，使得对进气道本身的机构强度要求增大;另外，也使得进气阻力增大，能量损耗较多，不利于后期进入气缸内形成涡流，进而影响燃烧．因此，有必要对进气道内流体运动进行适当的引导，以便使其能量损耗降到最低，有利于气体的预混合．

图4 俯视速度场

由图4可以看出，混合气在未进入进气歧管之前比较均匀，进入进气歧管后，出现了两端进气歧管速度均匀且流速较大，可见混合气在这两个进气歧管中混合较均匀．但是中间2个进气歧管出现了较大的速度差，且整体流速较低，混合气的均匀性较差，并且湍动能较小．说明进入4个气缸的混合气浓度有差异，各缸的均匀性差，应该考虑对气体的流动进行适当引导．

图5 流量增加20%的上表面速度场

图5为流量增加20%的上表面速度场切片，与图2上表面速度场相比，速度接近为0的区域减小，可见当车辆处于较大负荷时，有利于对进气道结构自身不足的弥补，有利于混合气的均匀混合．因此，可以考虑进气前端加上增压装置．

4 结语

1）二甲醚与空气混合气在进气道内流动的过程中，特别是在总进气道的下端出现了较多的死区（流速为0），会使得进气道内混合气局部浓度过大，混合气均匀性变差，需要对进气道的结构进行优化，减少死区的数量．

2）当混合气进入4个进气歧管时，两端进气歧管的混合气比中间两进气歧管混合气均匀性好，导致进入4个气缸的混合气浓度有差异，各缸的均匀性差，有必要对进气歧管的位置进行调整．同时对流体的流动进行引导，可以在流体流入进气歧管前使其形成滚流加速混合气的混合．

3）当进气道内的气体质量流量增加，会改善混合气的均匀性．所以如果在进气前端加上增压装置可以减少死区数量，将有利于混合气的预混．

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