二甲醚复合燃烧发动机进气过程的数值模拟

王维强，高 欣，丁 攀，周吉伟，张光德

(武汉科技大学汽车与交通工程学院，湖北 武汉，430081)

二甲醚复合燃烧发动机进气过程的数值模拟

王维强，高 欣，丁 攀，周吉伟，张光德

(武汉科技大学汽车与交通工程学院，湖北 武汉，430081)

为研究二甲醚和柴油复合燃烧时二甲醚与空气的预混特性，在某直喷柴油机上进行发动机进气过程的三维瞬态数值模拟。运用Fluent软件的动网格技术，分析发动机不同转速条件下气道-气门-缸内的压力、流速和湍流动能随曲轴转角的变化情况，并据此提出进气系统的改进思路。

汽车发动机；二甲醚(DME)；复合燃烧；预混；进气过程；湍流动能；三维瞬态数值模拟；动网格技术

随着汽车排放污染的日益加重和石油能源的日趋减少，代用燃料的研究逐渐受到重视。二甲醚(DME)是一种非常适合柴油机使用的代用燃料，因其可采用均质充量压缩燃烧(HCCI)方式在柴油机中获得较高的热效率和低的PM及NOx排放而受到广泛关注[1-2]。但DME存在燃烧工况过于狭窄及预混气体流量不足的问题。为了扩展HCCI技术和DME燃料的应用范围，有学者提出发动机在起动和高负荷时采用柴油机燃烧方式，在中低负荷时以HCCI方式工作，采用双燃料控制HCCI燃烧过程(即复合燃烧)的工作模式[3]。

复合燃烧是一种部分预混充量压缩着火和燃料直接喷射燃烧的复合工作方式，采用一部分DME燃料在发动机进气道与空气预先混合形成预混均质混合气进入气缸，在压缩行程末期再利用压燃式发动机的燃油喷射装置将柴油喷入燃烧室的方式来实现PCCI-DI燃烧[3]。

为研究这种复合燃烧发动机中二甲醚-空气的预混特性，本文在某2105型直喷柴油机上分别选取转速为1000、1500、2000 r/min三种典型工况，对其进气过程进行三维瞬态模拟，对比分析缸内气体的压力、流速及湍流动能随曲轴转角的变化情况，并依据空气动力学和燃烧学的要求，提出改进和优化复合燃烧发动机进气系统结构的一些思路。

1 计算模型的建立

1.1 数学模型

采用有限体积法求解发动机进气过程的控制方程组，湍流模型采用修正过的标准k-ε双方程模型，其中连续性方程、动量守恒方程、k-ε双方程均采用一阶迎风格式，非稳态项采用全隐式格式，以保证离散方程的绝对稳定[4]。

连续性方程(即质量守恒方程)为

(1)

式中：ρ为流体密度，kg/m3；t为时间，s；u为速度矢量，m/s。

动量守恒方程为

(2)

式中：xi、xj(i,j=1,2,3)分别为i、j方向的坐标；τij为作用在与i方向垂直的平面j上的应力，Pa；p为气体压力，Pa；g为重力加速度，m/s2；u′为湍流脉动速度,m/s。

湍流能量输运方程为

(3)

湍流能量耗散方程为

(4)

式中：uk为k方向上的速度矢量，m/s；xk为k方向的坐标；σε、Cε1、Cε2、Cε3、Cε4均为模型系数。

模型中各系数的取值如表1所示。

1.2 几何模型及网格划分

试验用二甲醚复合燃烧发动机的原型机是一台四冲程、水冷、自然吸气的直喷式柴油发动机，其主要技术参数见表2。

为突出建模的重点，研究中暂不考虑排气道的影响，只研究在进气过程中计算模型的流场分布情况，并假设活塞顶面是一个移动的平面。定义进气行程上止点为360°CA，该计算过程从进气行程上止点开始，到进气行程下止点(540°CA)结束，历经180°CA。计算开始时，进气门已经设为开启状态，即在360°CA时气门开度与实际情况是吻合的。利用三维建模软件CATIA建立了初始状态时系统(包括进气道、气门座、气门和气缸)的几何模型，如图1所示。

对建立的几何模型进行网格划分，同时对气门、气门座等处进行网格细化。运用Fluent软件的动网格技术实现网格的动态变化，网格数由上止点的9万变至下止点的15万。图2所示为进气道-气门-气缸系统在进气下止点时的网格图。

1.3 边界条件

一般模型有进、出口，其边界条件均设定为压力进口边界，而该模型仅有进口部分，且气道的进口面通常加总压，故此处压力边界设为0.1 MPa[5]；不考虑排气行程中留在缸内的残余漩涡，假设流体最初为静止状态；构成燃烧室的各个壁设为常温边界，进气道和阀杆设为绝热边界[6]。

1.4 流场分析方法

分别对发动机转速为1000、1500、2000 r/min工况下系统内流场进行三维瞬态模拟。采用有限体积法求解控制方程组，选用Fluent压力-速度耦合算法中的PISO算法，以加快收敛速度。通过对Fluent软件中Dynamic Mesh的使用，利用profile文件和In-cylinder工具对进气门和活塞的运动进行控制，保证网格计算与流场计算同步实施，实现了比较切合实际的瞬态三维流动模拟过程。

缸内流场分析过程中，首先对发动机转速为1000 r/min工况下3个有代表性截面在不同曲轴转角下的压力云图、速度矢量图、湍流动能云图进行讨论，再分析不同转速下缸内压力、缸内气流最大速度及缸内湍流动能随曲轴转角的变化趋势。定义的3个截面如下：①纵剖面Y=0 mm，为过气道中心线和气缸中心线的平面；②纵剖面X=-26.5 mm，为过气门中心线且与Y=0 mm剖面垂直的纵剖面；③横剖面Z=L/2(L为活塞行程，mm)，为活塞1/2行程处垂直于纵剖面的平面。

2 结果及分析

2.1 缸内气体压力变化分析

图3所示为1000 r/min工况下气缸内Y=0 mm截面处气体随曲轴转角运动的瞬时状态压力云图。从图3中可以清楚地看到，当曲轴转角为370°CA时，气体的压力分布由进气道口到气门再到缸内逐渐减小，且呈分层分布，符合空气动力学的运动规律；曲轴转角增至420°CA时，气门附近及缸内压力明显增大，并且气体在气门杆附近的气道壁面处集聚；随着曲轴转至480°CA，气道-气门-缸内的压力跨度逐渐缩小，大部分区域压力逐渐趋于均匀,稍高压力区集中在气门处，这是由于气门对气体流动的阻滞作用造成的；当活塞逐渐运行至下止点，即曲轴转角为540°CA时，气道-气门-缸内的压力跨度大，高压力区集中在缸底处。这种缸内气流运动的规律表明，在低速状态下，缸内气体经历了先分层，继而局部集聚，然后集中于气缸底部的过程。进气量的大小取决于气体的流速和气道的阻力。为保证预混气体顺利且足量地进入气缸，满足燃烧需求，必须通过加大气道结构尺寸来增大气体流量，减小气道阻力。

Fig.3 Pressure nephograms under different crankshaft angles at the cross-section ofY=0 mm

图4所示为不同转速工况下缸内气体平均压力随曲轴转角的变化曲线。从图4中可以看出，不同工况下，随着曲轴转角的增大，缸内气体压力均呈现一开始急剧下降而后又逐渐上升的趋势。这是因为，曲轴转角较小时，气门开度较小，进气量较小，而缸内容积增大较快，燃烧室内真空度增大，导致缸内压力迅速减小；当曲轴转角大于410°CA后，由于气门开度较大，气道处气体以很高的速度流入缸内，使缸内充量增加的速度大于容积增大的速度，缸内的压力又开始上升。

由图4中还可以看出，发动机转速越低，缸内压力变化越平缓；3种工况下缸内压力均在410°CA左右达到最小值，而在510°CA左右均达到0.1 MPa，与进口设置的总压相差无几，之后缸内压力便高于外界大气压,这与图3的分析结果相一致。由于二甲醚预混气体的密度比空气密度要小，因此可考虑增大进气道结构尺寸，以减小进气道的阻力，增大进气量，保证燃料充分燃烧。

Fig.4 Variation of in-cylinder pressure with the crankshaft angle

2.2 缸内气体流速变化分析

图5所示为1000 r/min工况下不同曲轴转角时X=-26.5 mm截面处的气流速度矢量图。从图5中可以看出，进气初期缸内气门处两股进气射流在气缸壁面约束下,形成两个旋向相反的小涡旋, 即双涡结构(图5(a))；随着气门的进一步开启，双涡逐渐变大，至气门最大升程处，双涡达到最大(图5(b))；接着随着气门的关闭，这对涡旋逐渐衰减，至曲轴转角为490°CA时基本消失；随后随着活塞的向下运动，在气缸中心形成一对新的反向涡旋(图5(c))，这对新涡旋中心随着活塞的下行而下移，在活塞到达下止点时仍然非常明显(图5(d))。从图5中还可看出，不同曲轴转角下进气过程中气流的最大速度总是出现在气门与气门座之间的间隙处。

Fig.5 Velocity vectors under different crankshaft angles at the cross-section ofX=-26.5 mm

图6所示为1000 r/min工况下不同曲轴转角时横剖面Z=L/2 mm处的气流速度矢量图。由图6中可以看出，曲轴转角为450°CA时， 靠近排气门侧出现了两对反向小涡旋；随着活塞的下移，当曲轴转角为480°CA时，右侧的一对反向小涡旋逐渐变大，且发生倾斜，而左侧的一对反向小涡旋的中心向左移动,大小没有明显的变化；当曲轴转角为510°CA 时，右侧涡旋继续增大，且涡旋中心距增大，即涡旋中心沿壁面拉开，而左侧涡旋的中心向左移动到一定位置，其涡旋中心也向缸壁拉开；当活塞运行到下止点，即曲轴转角为540°CA时，该截面上的右侧涡旋中心靠近缸壁，且整对涡旋向内倾斜45°(相对于XY平面)，涡旋中心之间的流体速度增大，而左侧涡旋增大，匀称地平铺在进气门底座的正下方。

图7所示为发动机不同工况下缸内气体最大流速随曲轴转角的变化曲线。从图7中可以看出，3种工况下缸内气体最大流速随曲轴转角的变化趋势是一致的：最大流速一开始较小，随着曲轴转角的增大先逐渐增大，到曲轴转角为400°CA后有一个波动，且发动机转速越高，波动越大，在曲轴转角为430°CA时缸内气体最大流速达到最大值，之后随着曲轴转角的增大而逐渐减小。这是因为，进气开始时，由于进气道真空的存在以及活塞下行产生的吸力，缸内气体的最大流速增大；随着曲轴转角的增大，各种涡旋的影响加剧，导致缸内气体的最大流速出现波动。因此，在气道改进和优化设计时，涡旋的强度必须加以控制，使其既能增强燃料与空气混合的程度，又不对气体流速产生过大影响。

Fig.6 Velocity vectors under different crankshaft angles at the corss-section ofZ=L/2

Fig.7 Variation of in-cylinder maximum velocity with the crankshaft angle

2.3 缸内气体湍流动能变化分析

图8所示为1000r/min工况下不同曲轴转角时Y=0 mm截面处的湍流动能云图。从图8中可见，湍流动能较大的区域主要集中在缸内气门附近，而气道内的湍流动能一直都处于较低状态；曲轴转角为410°CA时，湍流动能最大值出现在气门与气门座之间的间隙处；曲轴转至450°CA时，气门左侧气体由于缸壁的阻挡作用导致湍流动能较大区域的范围明显减小，气门右侧气体湍流动能较大区域的范围则随着气流的运动明显增大，且两束湍流的分界明显；当曲轴转至490°CA，湍流动能在气门头部端面下呈大范围分层分布，两束湍流分界已不明显，但依然有两个中心；曲轴转角为540°CA时，湍流动能已经在全缸范围内分层分布，缸内四周湍流动能趋于均匀，两束湍流分界已完全消失，两个中心也合并为一个，位于气门下靠近气缸壁面处。湍流动能的这种分布特性对燃料的雾化及其与空气的混合均能产生积极的影响。若能采取措施使540°CA时的缸内湍流动能的分布更加均匀，就能提高二甲醚与空气的预混效果。

Fig.8 Turbulence kinetic energy nephograms under different crankshaft angles at the cross-section ofY=0 mm

图9所示为发动机不同工况下缸内气流平均湍流动能随曲轴转角的变化曲线。从图9可以看出，随着曲轴转角的变化，缸内平均湍流动能呈先增大后衰减的趋势，且增大过程中存在一个小波动。结合图7可以看出，湍流动能的变化趋势与缸内气体流速的变化趋势相一致，表明气体流速大处气流的湍流动能也大。由图9中还可看出，发动机的转速越高，缸内气体湍流动能的变化越明显。

增大缸内气体的湍流动能有利于二甲醚与空气进行充分预混，但湍流动能较大的位置气流运动也相对较强烈，相应地，摩擦力也较大。对于气道设计，总是希望其达到设计所要求的涡流比且阻力最小，故可考虑适当增大进气道的倾斜角(气道轴线与气缸轴线的夹角)来增大缸内气体的流速，从而增大其湍流动能。

Fig.9 Variation of in-cylinder turbulent kinetic energy with the crankshaft angle

3 结语

本文运用Fluent软件的动态网格技术，对某直喷柴油机混合燃烧过程中二甲醚与空气的预混特性进行研究，分析了气道-气门-缸内气流的压力场、速度场和湍流动能随曲轴转角的变化情况，并提出了进气系统的改进思路，为在柴油机上实现复合燃烧时进气系统的优化奠定了基础。

[1] 李德钢，黄震，乔信起，等. 二甲醚燃料均质压燃燃烧研究[J]. 内燃机学报，2005，23(3)：193-198.

[2] Liu S H,Eddy R Cuty Clemente,Hu T G,et al.Combustion characteristics of a DME HCCI engine[J]. 内燃机学报，2005，23(3)：207-212.

[3] 汪映，郭振祥，何利，等. 二甲醚发动机采用PCCI-DI燃烧方式的研究[J]. 内燃机学报，2008，26(4)：319-324.

[4] 王福军. 计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用[M]. 北京：清华大学出版社，2004:114-128.

[5] 何文剑，孙平，王唯栋. 柴油机进气过程三维瞬态数值模拟研究[J].车辆与动力技术，2011(4):33-37,58.

[6] Kang K Y, Rolf D R. Intake flow structure and swirl generation in a four-valve heavy-duty diesel engine[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2000,122(4)：570-578.

[责任编辑 郑淑芳]

Numerical simulation of intake process in dimethyl ether compound combustion engine

WangWeiqiang,GaoXin,DingPan,ZhouJiwei,ZhangGuangde

(College of Automobile and Traffic Engineering, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China)

In order to study the premixed characteristics of dimethyl ether and air in compound combustion, three-dimensional transient numerical simulation of the intake process in a direct injection diesel engine was conducted. By means of the dynamic meshes technique in Fluent software, the variations of pressure, velocity and turbulence kinetic energy in the inlet port-valve-in cylinder with the crankshaft angle under different engine speeds were analyzed. And on this basis, a scheme for improving the intake system was proposed.

automobile engine; dimethyl ether; compound combustion; premixed charge; intake process; turbulent kinetic energy; three-dimensional transient numerical simulation; dynamic meshes

2015-10-08

湖北省自然科学基金重点项目(2015CFA113)；汽车动力传动与电子控制湖北省重点实验室(湖北汽车工业学院)开放基金项目(ZDK201212)；“汽车零部件技术湖北省协同创新中心”研究平台资助项目.

王维强(1967-)，男，武汉科技大学副教授.E-mail:wangwq03@163.com

TK421.3

A

1674-3644(2015)06-0463-06