柴油机气道进气流动特性及进气门杆形状对其影响分析

杨志锋， 桂佳林， 朱光宇

(福州大学机械工程及自动化学院， 福建 福州 350116 )

柴油机气道进气流动特性及进气门杆形状对其影响分析

杨志锋， 桂佳林， 朱光宇

(福州大学机械工程及自动化学院， 福建 福州 350116 )

建立某RD190柴油机螺旋进气道稳态CFD模拟计算模型, 对其流动特性进行研究， 分析得到了气道流量系数和涡流比、 柴油机的外特性结果， 并采用CFD模拟分析了进气门杆形状对进气流动的影响. 研究结果表明： 随着截面比的增加， 平均流量系数和平均涡流比均为先增大后减小， 当截面比在0.28～0.30时， 进气道平均流量系数相对原方案值变化不大， 而平均涡流比最大增加了9.98%.

柴油机； 螺旋进气道； 进气门杆； 涡流比

0 引言

柴油机缸内气体流动品质的好坏影响着柴油机性能[1-2]. 而螺旋进气道结构和内部存在的气门杆结构直接影响进气过程中进入缸内气体的量、 流速大小、 气流湍流状态以及气门盘区域回流状况等， 这些量又直接影响着缸内气体流动. 因此， 为提高柴油机性能， 研究螺旋进气道结构和内部存在的气门杆对柴油机进气流动特性的影响具有重要的意义.

目前， 稳流试验方法和CFD数值模拟计算方法为研究柴油机进气流动的两种主要方法. 由于传统的试验方法不能反映气道和气缸内气流流动的运动机理， 而CFD数值模拟计算方法能够详细地展现气道和气缸内气流的微观流动状况， 并能对不同方案快速地进行分析计算与对比， 因此CFD三维数值模拟在柴油机进气过程特性研究中的作用越来越重要. 文[3]对柴油机的螺旋进气道进行了CFD数值模拟计算， 分析了进气道内部流场的分布. 文[4]采用PIV测试技术显示和分析了气门对进气系统气流流动的影响. 文[5]测量了进气道的涡流和阻流， 并运用LDV测量方法研究进气道结构的流动细节. 综上知， 当前许多学者主要采用CFD单一地研究气门或气道结构对进气流动性能的影响， 在对于气道与气门配合对进气流动性能的影响研究上还有待深入.

以某RD190柴油机的螺旋进气道为原型， 通过逆向工程建立了螺旋进气道、 气门和气缸三维流动模拟模型， 并进行了进气道稳态CFD模拟计算. 将稳态计算得到的流量系数、 涡流比等参数输入到建立的柴油机工作过程一维模型， 求解得到柴油机整机三种外特性值与试验值吻合良好. 之后， 对进气门气门杆截面进行椭圆处理， 设计了6种不同的气门座与气门杆截面比方案， 利用进气道稳态CFD模拟计算研究了进气门气门杆形状对柴油机进气流动特性的影响.

1 螺旋进气道三维数值模拟

1.1 三维仿真模型的建立1.1.1 几何模型及其网格划分

图1 进气道计算网格Fig.1 The computing grid of Inlet

采用三维激光坐标扫描仪扫描RD190柴油机螺旋进气道硅胶芯获取点云数据， 将其导入Solidworks中建立了螺旋进气道三维模型. 为使计算涡流比测点处的气流稳定， 将模拟气缸长度设定为2.5D(D为缸径). 同时为确保螺旋进气道入口气流的稳定性， 在进气道入口设计了长宽高为120 mm×120 mm×120 mm的正方体稳压腔.

在GAMBIT软件中对三维模型进行网格划分. 由于气道螺旋段、 气门座以及气缸顶部区域气流流动复杂， 为保证网格质量和计算精度， 采用分区划分的方法对以上关键区域网格进行了加密划分， 划分后网格总数约为68万， 如图1所示.

1.1.2 仿真参数的设定

模拟计算中， 将空气假设为可压缩理想气体； 湍流计算模型采用标准k-ε模型. 边界条件主要有进出口边界和固体壁面， 其中气道进出口边界采用压力边界， 进口压力值设为100 kPa， 温度为293 K； 出口设为静压， 进出口采用定压差法， 取值为3.5 kPa. 模型壁面采用标准壁面函数， 速度设为绝热无滑移边界条件.

1.2 仿真模拟结果

模拟结果采用AVL评价方法对进气道的流通能力和形成涡流能力进行评价. 其中流量系数μσ和涡流比SR的求解公式分别如下.

图2 气道-气门-气缸流线图Fig.2 The motion pattern of air path and valve and air cylinder

式中:n为假定柴油机转速， 即假定活塞平均速度Cm与模拟气缸内气流轴向速度ua相等时所对应的柴油机转速， r·min-1；nD为叶片风速仪测得的转速， r·min-1.

将各气门升程下的螺旋进气道-气门-气缸网格模型导入到Fluent中进行边界设定及稳态模拟计算， 得到各升程下的流量系数和涡流比， 如表1所示， 该值将作为RD190柴油机工作过程一维模拟所需的参数量. 图2为最大气门升程下气道-气门-气缸三维流线图， 由图可见， 进入气缸的气流主要分成两部分， 大部分为绕气门中心旋转的螺旋气流， 另一部分为切向气流. 两种气流在气门附近汇合， 使得气门附近气流流动紊乱， 气流速度、 压力以及湍动能变化剧烈， 以致影响气道流动性能.

表1 各气门升程的流量系数和涡流比

2 进气道稳态CFD模拟计算可靠性验证

2.1 柴油机工作过程一维模拟模型的建立

根据RD190柴油机结构建立了工作过程一维Gt-power模型， 如图3所示. 模型中从入口边界到出口边界主要的模块有空滤器、 进气管、 气门、 喷油嘴、 气缸、 曲轴箱和排气管等； 而消声器模块， 由文献[6]知消声器对柴油机动力性能影响甚微， 故模型中将其省去. Gt-power建模是通过定义各模块结构参数和性能参数来求解柴油机整机动力性能[7]， 模型中主要的结构参数如表2所示， 性能参数中气缸燃烧和传热模型采用三元韦伯模型， 其经验参数设定为着火延迟期为3 ms， 燃烧持续角分别为2°、 35°以及40°； 而计算中所需的气道各进气门升程下的流量系数和涡流比由上述三维稳态模拟计算得到， 其他参数根据实验测定或参考相似机型数据进行设定.

图 3 RD190柴油机工作过程一维模拟模型Fig.3 One-dimensional cycle dynamic model

主要参数参数值d气缸×l行程/mm×mm90×85压缩比18∶1l连杆/mm132t气门间隙/mm进气门0．3，排气门0．4

注：以单缸下置凸轮四冲程风冷柴油机为研究对象

2.2 RD190柴油机工作过程一维模拟结果

图4为柴油机工作过程一维模拟外特性模拟值与试验值的对比图， 从图中可以看出， RD190柴油机在转速为800～2 400 r·min-1工况下， 模拟计算测得的有效功率、 有效扭矩以及燃油消耗率与台架试验值的相对误差均小于6%， 模拟值与试验值吻合良好， 验证了上述参数值和进气道稳态CFD模拟计算的可靠性.

(a) 扭矩特性对比 (b) 功率特性对比 (c) 燃油消耗率对比图 4 外特性仿真结果与试验结果对比Fig.4 The comparison of the external characteristic simulation results and the test results

3 气门杆形状对进气流动的影响

3.1 气门杆形状方案设计

在进气系统设计中， 气门杆的设计需要考虑的因素较多， 如要尽可能小的影响进气流动， 保证配气系统动力学稳定性以及可加工性， 所以气门杆的优化空间有限. 由于螺旋气道中气体通过气门杆是圆柱绕流问题， 为减小绕流对螺旋进气道流通性能的影响， 以及研究气门杆对气流的导流作用， 本文对进气门杆在螺旋进气道部分进行椭圆处理. 为方便研究， 将处理方案用气门杆截面比表示， 即进气门杆截面同气门杆座截面面积之比， 其计算公式为：

式中:κ为气门杆截面比；Sg为椭圆进气门杆截面面积， mm2；Sz为气门杆座截面面积， mm2.

根据RD190柴油机实际结构， 设计了6个气门杆截面比方案， 如表3所示. 对各气门升程下螺旋进气道模型进行数值模拟计算.

3.2 流通性能评价

为更好地评价气门杆形状对缸内气体流动的影响， 引入了平均流量系数(μσ)m和平均涡流比(SR)m两个评价量， 二者的计算公式[8]如下：

式中:α为曲轴转角， rad；C(α)是曲轴转角为α时的活塞瞬时速度， m·s-1；Cm为活塞平均速度， m·s-1； 活塞瞬时速度C(α)与活塞平均速度Cm的比值计算公式如下：

式中:λ为连杆比， mm.

利用Matlab对试验测得的凸轮升程数据进行N次谐波拟合， 求解得到气门升程曲线. 采用多项式曲线拟合， 将各气门升程下的流量系数转化成随曲轴转角变化的流量系数函数， 其中拟合平方误差为1.2%. 将流量系数函数代入式(4)， 通过复合辛普森积分计算得到各方案的平均流量系数. 平均涡流比的计算采用三次样条函数拟合求得涡流比函数， 再将涡流比函数代入式(5)中积分求得.

3.3 仿真计算结果分析

各方案的计算结果如表3所示， 方案平均流量系数以及平均涡流比的变化趋势如图5所示. 从图5可以看出， 截面比在0.22～0.30时， 随着截面比的增加， 平均流量系数不断增大， 而所有平均流量系数值都低于原方案值； 截面比在0.30～0.34时， 随着截面比的增加， 平均流量系数先急剧增大后减小， 此截面比范围内的平均流量系数值都大于原方案值. 当截面比为0.317时， 平均流量系数值最大， 其相对原方案值提高了2.81%.

表 3 进气门杆截面比对缸内流动特性的影响

注：vX表示气门最大升程下截面X平均速度

(a) 平均流量系数变化趋势 (b) 平均涡流比变化趋势图5 平均流量系数与平均涡流比变化趋势Fig.5 The variation tendency of average flow coefficient and average swirl ratio

平均涡流比随截面比的变化趋势相对平均流量系数有所不同， 当截面比在0.22～0.30时， 平均涡流比随截面比的增加不断增大， 当截面比为0.299时， 达到最大值0.861 4， 其相对原方案值提高了9.98%； 而在0.30～0.34时， 平均涡流比随截面比的增加急剧减小， 最后达到最小值0.329 8. 所以， 合理选择进气门杆同气门杆座截面比， 可以保证进气道平均流量系数变化不大的情况下， 提高缸内的平均涡流比. 截面比在0.28～0.30时， 平均流量系数降低不到1%， 而平均涡流比可提高4.42%～9.98%， 此时处于最佳区域. 分析认为， 气门杆同气门座截面比的变化， 直接影响螺旋气流与切向气流的分配比例， 导致气门杆后气流的回流涡发生变化， 影响进气道的流动特性.

图6为各截面比缸内气流流线图. 由图可见， 当截面比在0.22～0.30时， 在椭圆形气门杆的导流下， 气流经螺旋段进入气缸形成的螺旋气流增加， 切向气流减小， 在气门后螺旋气流与切向气流交汇形成的回流涡减小， 气流阻塞降低， 气流速度增大， 涡流比和流量系数得到了提高； 当截面比在0.30～0.34时， 气门杆截面增加， 使得气道有效截面缩小过多， 大部分气流直接经气门流入气缸， 形成切向气流， 碰撞气缸壁后的切向气流同螺旋气流交汇， 在气门后形成的回流涡增强， 气流紊流加剧， 湍动能损失增加， 气流流速减小， 涡流比降低.

图6 各方案气流流线图Fig.6 The air motion pattern of each scheme

图7 各方案X截面的平均速度 Fig.7 Average speed of X cross section of each scheme

气门最大升程下， 过气门和气缸中心取截面X， 求得各截面比方案在截面上的平均速度， 其值如表3所示， 变化趋势如图7所示. 由图7可知， 当截面比在0.22～0.30时， 随着截面比的增加，X截面上的平均速度呈递增趋势， 在截面比为0.299时， 达到最大； 当截面比在0.03～0.34时，X截面的平均速度不断减小； 上述变化趋势应证了图5分析.

4 结论

1) 采用稳态CFD模拟研究了柴油机螺旋进气道流动特性， 并用柴油机整机一维动力性能模拟结果同试验值的对比， 验证了稳态CFD模拟方法的可靠性. 三维CFD模拟求解一维动力性能模拟所需的进排气道流量系数和涡流比； 一维模拟求解三维模拟的边界条件和柴油机动力性能参数， 同试验值比较验证CFD模拟的准确性.

2) 通过研究进气门气门杆椭圆处理对进气道流动特性的影响表明： 随着气门杆截面同气门杆座截面比的增加， 平均流量系数和平均涡流比的变化趋势都为先增大后减小， 截面比在0.28～0.30时， 进气道平均流量系数变化不大， 而平均涡流比增加明显.

3) 进气门气门杆椭圆处理， 其截面比的变化直接影响气门的导流作用， 导致螺旋气流与切向气流的分配比例变化， 以致改变气缸内气流的均匀性以及气门杆后的回流状态， 进而影响柴油机燃烧过程.

[1] 周龙宝， 刘巽俊， 高宗英. 内燃机学[M]． 北京： 机械工业出版社， 2005.

[2] 王天友， 刘大明， 沈捷， 等. 内燃机气道及缸内气体流动特性研究[J]. 工程热物理学报， 2008， 29(4)： 693-697.

[3] 王瑜芳， 袁兆成. 柴油机螺旋进气道流场模拟及参数变动研究[J]. 汽车技术， 2005(11)： 12-15.

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[5] Kang K Y, Reitz R D. The effect of intake valve alignment on swirl generation in a DI diesel engine[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 1999, 20(2): 94-103 .

[6] 边杰， 季振林， 刘晨. 消声器结构对排气噪声和发动机性能的影响[J]. 汽车工程， 2011， 33(6): 540-544.

[7] 赵长禄， 周磊. 通过进气道优化改进柴油机的性能[J]. 内燃机学报, 2003, 21(4): 244-248.

[8] 王天友， 刘大明， 沈捷， 等. 内燃机气道及缸内气体流动特性研究[J]. 工程热物理学报， 2008， 29(4)： 693-697.

(责任编辑： 林晓)

Research on inlet flow characteristics in diesel engine and the impact of the shape of the intake valve stem on the inlet flow characteristics

YANG Zhifeng, GUI Jialin, ZHU Guangyu

(College of Mechanical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou, Fujian 350116, China )

The stead-state CFD simulations model of a RD190 diesel engine in helical inlet ports was established and the flow characteristics were studied. The swirl ratio of cylinder, the flow coefficient of intake ports and the engine performance were calculated. Meanwhile, The influence of the shape of the intake valve stem on inlet flow characteristics in diesel engine was analyzed with the three-dimensional CFD simulation platform. The results indicate that the average flow coefficient and average swirl ratio increase first and then decrease with section ratio increasing. The average flow coefficient change a little in relative to the value of the original program with the section ratio in range of 0.28 to 0.3, and the maximum increase of the average swirl ratio is 9.98%.

diesel engine; helical intake port; intake valve stem; swirl ratio

10.7631/issn.1000-2243.2015.04.0500

1000-2243(2015)04-0500-06

2014-06-09

朱光宇(1970-)， 教授， 主要从事优化设计，智能制造等研究， zhugy@fzu.edu.cn

福州市科技计划项目(2012-G-131)； 福建省教育厅科技项目(JK2013006)

TK424.44

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