进气门相异升程下缸内气体运动三维数值模拟

刘伍权，迟 淼，张士强，吴子尧，耿 帅，刘瑞林

(1.军事交通学院军用车辆系，天津300161;2.蚌埠汽车士官学校学员旅，安徽蚌埠233011;3.唐山学院 机电工程系，河北 唐山063000;4.军事交通学院研究管理大队，天津300161)

缸内气体运动对发动机混合气的输运和燃烧 有着重要影响，改善缸内气体运动对发动机的经济性、动力性以及排放有重要意义［1］。对于四气门发动机，由于其双进气道采用对称布置且两个进气凸轮型线几乎一致，导致同一凸轮轴转角下两个进气门的进气量和进气速度相同，缸内横截面方向上气体运动相互抵消，缸内气体几乎不存在涡流运动而整体表现为单一纵向的滚流运动，这是造成四气门发动机燃烧恶化的一个重要因素。此外，发动机分层稀薄燃烧、缸内直喷等技术的发展对发动机缸内气体运动提出进一步要求。为此，国内外纷纷展开对缸内气体运动的研究。丰田采用切向气道或旋转气道以改善缸内气体运动，但使得进气阻力增加、缸盖结构复杂［2］。刘德新等［3］在气道试验台上采用一进气门打开、另一进气门关闭的方法产生较大涡流，刘瑞林等［4］在进气道内设置阀门产生和控制涡流，但均相当于减小进气量来获得涡流。随着可变气门技术的发展，许多学者在可变气门技术对缸内气体运动的影响上作了深入研究［5-8］，对改善发动机动力性、经济性与排放起到了积极作用，但这些结构不论是两个气门升程同时变小还是保持一个气门升程较小，均降低了进气量，且只针对一个工况进行缸内气体运动的优化，并不能满足全部工况。为解决以上问题，项目组提出可变气门相异升程技术［9-10］，对四气门发动机缸内气体运动进行调节。

1 可变气门相异升程

进气门相异升程［11］指的是在同一凸轮轴转角下，两个进气门的升程大小不同，但两个进气门的最大升程相同。

同一凸轮轴转角下，由于两个进气门的升程不同，导致两个进气门的进气量和进气速度不同，在缸内横截面方向上气体运动不能相互抵消，进而导致进气过程中缸内气体不仅进行滚流运动，而且还进行涡流运动，综合表现为斜轴涡流运动，但发动机总进气量基本不变。其进气凸轮设计方案如图1所示，两个凸轮错开一个相异角θ(最大值为8°)以实现同一凸轮轴转角下的升程不同，但两凸轮的最大升程相同，两个进气凸轮升程在B点相等，在A、C两点差值最大。由于两个进气凸轮之间存在相异角，导致两个进气门的开启存在先后顺序，即相位提前凸轮对应进气门提前开启，相位滞后凸轮对应进气门滞后开启。

可变气门相异升程［11］是指相异角可变，通过调整大小实现两进气门的升程差值可变。

2 缸内气体运动三维数值模拟

2.1 几何建模及网格划分

本文使用CFD软件Fluent进行三维数值模拟计算，以某四气门发动机为研究对象，其具体结构性能参数见表1。

计算所用的几何模型包括进气道、气门、燃烧室等(在分析涡流流场所用的几何模型还包括加长模拟汽缸;在分析滚流流场所用的几何模型还包括滚流模拟缸套)。研究滚流流场的三维几何模型中，滚流模拟缸套需要按照不同相异角下最大滚流比截面上的滚流旋转轴线与曲轴轴线的夹角沿汽缸轴线进行旋转，旋转角度的大小由试验确定。根据发动机参数建立所需几何模型如图2所示。

对建立的几何模型进行网格划分，两进气道以及燃烧室主要采用非结构化网格，汽缸(滚流模拟缸套)部分主要采用结构化网格，并针对敏感部位(气门、气门座等)采用局部网格细化。涡流分析模型的网格数约为80万个，滚流分析模型的网格总数约为100万个。网格划分如图3所示。

图2 稳态计算几何模型

图3 网格划分结果

2.2 边界及模型选定

(1)入口边界。计算模型采用压力入口边界，其值采用稳流试验测量值，入口边界给定的主要参数为 pinlet=101 325 Pa，Tinlet=300 K。

(2)出口边界。计算模型采用压力出口边界。为保证缸内气体运动为充分发展的湍流状态，保持进气道压差为Δp=3.5 kPa，特设定出口边界的参数为poutlet=97 825 Pa;其他参数的设定与入口边界相同。

(3)其他边界条件和流体介质的设定。除入口边界和出口边界外，其他边界条件均设置为绝热壁面边界，由于缸内气体运动速度相对较小，故流体介质设置为不可压缩理想空气。

(4)模型的选定。采用应用较多的k-ε二方程湍流模型。

(5)算法及收敛原则。计算算法采用SIMPLE算法。残差收敛精度设定为10-4，为保证计算质量以及残差收敛，特设定迭代步数5 000次，当残差小于设定的残差收敛精度时，迭代自动停止。

3 模型有效性分析与验证

定义无因次流通系数CF:

式中:n为进气门数;Q为气体流量，m3/s;A为气门座内截面积，A=πD2/4，D为气门座内径，m;V0为理论进气速度为进气压差，Pa，ρ为气门座处气体密度，kg/m3。

将发动机缸盖部分安装在气道试验台上进行气道稳流试验，得出相异角为0°时的缸内气体运动，并计算相异角为0°时的缸内气体流通系数。将CFD计算结果与气道稳流试验结果进行对比，结果如图4所示。可见，CFD的流通系数计算结果与试验结果趋势一致且吻合较好。小气门升程时，气流流通面积小，计算结果与试验结果吻合稍差，但误差均在5%以内。因此，可以认为计算模型可靠，该模拟结果可以作为缸内气体运动的分析依据。

图4 计算结果与试验结果对比

4 缸内气体运动涡流流场

不同相异角下的缸内气体运动涡流流场变化见文献［12］，在本节中不再赘述。本节主要研究进气门相异升程下不同凸轮转角时的缸内气体运动涡流流场变化。

同一相异角下，对比缸内同一横截面上不同凸轮转角时的涡流流场变化。图5给出了相异角2°时，距离上止点77.5 mm(1倍冲程)横截面上不同凸轮轴转角下的涡流流场。从图5可以看出，同一相异角下，随着凸轮轴转角的增大，涡流流场结构发生明显的变化。

图5 相异角2°时距离上止点77.5 mm截面涡流流场

由图5(a)可以看出，当凸轮轴转角小于90°CaA时，缸内横截面上涡流流场为具有一个明显涡心的顺时针大尺度涡流，方向一致性较好，且凸轮轴转角为60°CaA时的横截面涡流强度最强。这是因为相异角的存在使得两进气门进气不平衡，缸内横截面方向上气体运动不能相互抵消，导致缸内出现涡流运动。在进气开始到凸轮轴转角为90°CaA区间内，同一相异角下的升程差随着凸轮轴转角的增大先逐渐增大后又逐渐减小，在凸轮轴转角为60°CaA附近升程差达到最大值，进气不平衡程度最大，进而导致凸轮轴转角为60°CaA附近的缸内气体运动涡流强度最强。

由图5(b)可以看出，当凸轮轴转角为90°CaA时，缸内横截面上涡流流场整体表现为具有多个涡心的小尺度涡流，方向一致性较差。这是因为当凸轮轴转角为90°CaA时，不论相异角为何值，相位提前凸轮和相位滞后凸轮对应的进气门升程均相等，两进气门不存在升程差，导致缸内横截面方向上气体运动相互抵消，缸内不存在大尺度涡流运动。

由图5(c)可以看出，随着凸轮轴转角的继续增大，缸内横截面上涡流流场又恢复为具有一个明显涡心的大尺度涡流流场，方向一致性较好。但相比图5(a)，缸内气体运动旋转方向相反。这主要是因为在进气开始到凸轮轴转角为90°CaA区间内，相位滞后凸轮对应的进气门升程小于相位提前凸轮对应的进气门升程，而在凸轮轴转角为90°CaA到进气结束区间内，相位滞后凸轮对应的进气门升程大于相位提前凸轮对应的进气门升程。因此，两进气门的开度大小关系在凸轮轴转角为90°CaA时发生转变，进而导致缸内气体涡流运动发生变向。

5 缸内气体运动滚流流场

5.1 不同相异角缸内气体运动滚流流场

同一凸轮轴转角下，对比不同相异角所导致的缸内气体运动滚流流场变化。图6给出不同相异角下凸轮轴转角60°CaA时距离汽缸中心2.5倍汽缸直径的各最大滚流比截面滚流流场。

可以看出，不论相异角θ为何值，各个最大滚流比截面上始终保持具有一个明显涡心的大尺度滚流运动，且涡心位置一直处于汽缸中心附近。此外，同一凸轮轴转角下，在各个相异角对应的最大滚流比截面上，随着相异角从0°至8°的逐渐增大，滚流运动强度稍有增强。这是因为，相异角的存在使得相位提前凸轮与相位滞后凸轮对应的两进气门开度不同，与相异角为0°时的进气相比，相当于在流通系数基本不变的情况下对进气进行部分的节流，造成进气流速增加，缸内纵截面上气体运动速度增大，滚流运动增强，相异角越大，节流作用越明显，滚流运动越强。但是，由于相异角最大值为8°，节流作用有限，因此缸内气体滚流运动稍有增强。

图6 凸轮轴转角60°CaA距离汽缸中心2.5倍汽缸直径最大滚流比截面滚流流场

5.2 不同凸轮转角下缸内气体运动滚流流场

同一相异角下，对比不同凸轮轴转角时最大滚流比截面上的滚流流场变化。图7给出了相异角θ为6°时距离汽缸中心2.5倍汽缸直径处不同凸轮轴转角下最大滚流比截面上的滚流流场。

可以看出，不论凸轮轴转角为何值，最大滚流比截面上滚流流场均为具有一个明显涡心的大尺度滚流流场。这是因为该发动机采用屋顶形燃烧室，具有产生较强滚流的能力。

从图7(a)至(c)可以看出，在进气开始至凸轮轴转角为90°CaA区间内，距离汽缸中心2.5倍汽缸直径处的最大滚流比截面上滚流强度随着凸轮轴转角的增大而逐渐增强。这是因为在此区间，随着凸轮轴转角的增大，两进气门升程逐渐增大，气门开度增大，进气流量增大，缸内纵截面上的气体运动逐渐增强，导致滚流运动逐渐增强。

图7 相异角6°距离汽缸中心2.5倍汽缸直径最大滚流比截面滚流流场

从图7(c)可以看出，滚流强度在凸轮轴转角为90°CaA附近达到最强。这是因为在凸轮轴转角为90°CaA附近，进气流量达到最大值，缸内纵截面上的气体运动最强，缸内气体滚流运动最强。

从图7(c)至(d)可以看出，在凸轮轴转角从90°CaA到进气结束区间内，最大滚流比截面上的滚流强度随着凸轮轴转角的增大而逐渐减弱。这是因为在此区间，随着凸轮轴转角的增大，气门开度又逐渐减小，对缸内进气阻碍作用增强，进气流量减小，缸内纵截面上的气流运动逐渐减弱，导致滚流运动逐渐减弱。

6 结论

(1)当存在相异角时，在缸内距离上止点1倍冲程横截面上，凸轮轴转角为90°CaA时的缸内气体运动涡流流场整体表现为具有多个明显涡心的小尺度涡流，方向一致性较差，说明此时缸内几乎不存在大尺度的涡流运动;其他凸轮轴转角时的缸内气体运动涡流流场均出现一个具有明显涡心的大尺度涡流流场，且方向一致性较好，说明进气门相异升程可明显增强缸内气体涡流运动。

(2)进气开始到凸轮轴转角为90°CaA区间内的缸内气体涡流运动旋转方向与凸轮轴转角为90°CaA到进气结束区间内的缸内气体涡流运动旋转方向相反。这说明在进气过程的中间阶段缸内气体涡流运动发生变向，这势必会导致发动机实际进气过程中缸内气体湍流运动的增强。

(3)同一凸轮轴转角下，当不存在相异角时，在距汽缸中心2.5倍汽缸直径处的最大滚流比截面上便出现具有一个明显涡心的大尺度滚流流场，说明该发动机具有产生较强滚流的能力;当存在相异角时，随着相异角增大，最大滚流比截面上的气流速度随着相异角的增大稍有增强，说明进气门相异升程对滚流运动具有小幅度的增强作用。

(4)同一相异角下，不论凸轮轴转角为何值，在距离汽缸中心2.5倍汽缸直径处的最大滚流比截面上均出现具有一个明显涡心的大尺度滚流流场;在进气开始至凸轮轴转角为90°CaA区间内，缸内气体运动滚流强度随着凸轮轴转角的增大逐渐增强，且在凸轮轴转角为90°CaA附近达到最强;在凸轮轴转角为90°CaA到进气结束区间内，缸内气体运动滚流强度随着凸轮轴转角的增大逐渐减弱。

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