基于缸内流动CFD分析的发动机活塞设计选型

王晓兰，姚炜，张应兵

（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽合肥230022）

基于缸内流动CFD分析的发动机活塞设计选型

王晓兰，姚炜，张应兵

（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽合肥230022）

活塞是发动机燃烧系统最重要的零部件之一，一款良好匹配的活塞能组织更好的缸内气体流动，从而提升发动机动力性、经济性并降低排放。介绍一起发动机活塞设计选型的实例，在正向设计过程中利用CFD手段分析不同活塞带来的缸内流动变化，并根据流动状态进行活塞的选型匹配。

缸内流动；CFD分析；活塞选型

0 概述

活塞是发动机燃烧系统最重要的零部件之一，活塞与发动机的匹配直接影响整机的动力性、经济性和排放［1－2］。产品的设计过程中，工程师常常会设计多套活塞方案，如何选择最优的方案是一个非常有难度的问题。

缸内流动的CFD技术能够清晰地展示不同活塞方案对气流的影响，能够为活塞设计选型提供许多重要且直观的信息［3］。文中介绍了在江淮汽车的某款发动机开发项目中如何利用缸内流动CFD分析实现活塞的选型过程。

1 活塞方案介绍

工程师设计了3套活塞方案A、B、C，图1和图2分别显示了各方案的区别。

相对方案A，方案B和C都降低了活塞顶部进气侧的凹坑，另外方案B将ω燃烧室的圆周凹槽进行了扩大，C方案则降低了ω燃烧室中央的凸台。

2 缸内流动CFD仿真

CFD分析之前对发动机进行了热力学计算，结果显示发动机达到了目标功率，在此基础上进行的CFD计算能够较好地反映气道以及燃烧室内气体流动状况。

模拟选取的工况点为额定点，这是发动机热负荷最大的工况点。模拟以排气门开为起点，由于缺少喷嘴的相关数据，计算不包含喷雾燃烧过程，分析内容主要包含气道内的流动、缸内涡流的形成，模拟结束于压缩冲程上止点 （720°）。

2.1 气门正时及升程

计算从110°曲轴转角持续到720°，其中720°作为点火TDC，而360°是换气TDC。表1显示了CFD计算中的相关气门正时。

表1 CFD计算气门正时

图3显示了计算中采用的气门升程曲线。该曲线来自于热力学计算，且考虑了气门间隙。曲线中的最小气门升程被定义为0.2 mm，并对应于表1的气门正时。

2.2 边界条件

初始时刻气缸和排气道内的残余废气被设定为1.0（即100%），而进气道内的EGR率被设定为0。在计算的初始时刻，气缸和气道内的压力、温度分布被认为是均匀的。表2显示了CFD模拟中设定的壁面温度。

表2 CFD模拟中的壁面温度 ℃

进气口和排气口的压力、流量和温度随时间的变化而变化，排气口使用静压边界而进气口使用流量边界，这些边界条件来自于1D的热力学计算，如图4、图5所示。

3 CFD结果分析

3.1 计算结果验证

为了验证CFD的计算结果，作者将方案A的CFD缸压曲线与热力学结果进行了对比，如图6所示［4］。曲线的最大误差出现在压缩上止点附近，达到了11.8%。主要是因为热力学模型中上止点前将会在气缸内喷入一定量的燃油，气缸内的物质量增大，因此压力较CFD计算略大。

就整条曲线来看，CFD计算的结果与热力学计算一致性良好，因此可以认为CFD的计算结果准确可信。

3.2 缸内瞬态涡流对比

由于柴油机螺旋气道的导流作用，气缸内将会产生明显的涡流。用涡流的旋转角速度来评价缸内涡流，而其旋转的中心轴线是气缸的中轴线，将其除以曲轴的旋转角速度以得到一个量纲为一的涡流比。图7显示了整个计算中瞬态涡流比的变化曲线。

B、C两方案的涡流比较为接近，压缩终止的最大涡流比达到了1.45左右；而A方案的涡流比最小，进气及压缩过程的涡流比较B、C方案低了0.2。考虑到方案B和C的涡流比得到了同步提高，认为活塞顶部进气侧凹槽的修改是影响涡流的主要原因［5］。

图8—10分别是各方案压缩上止点时半行程位置垂直气缸中轴线的速度场切片。可以看出：较A方案，B、C两方案修改1部位，流速明显提高，这也说明了修改1带来了缸内流速的增加，从而导致涡流比提高。

3.3 活塞凹坑内气流运动对比

对于ω燃烧室的柴油发动机，ω凹坑内的气流运动对油气混合影响极大，是设计过程中重点的关注对象。

图11—13是压缩上止点时刻沿气门中间线方向的速度场切片。3个方案在ω凹坑中部流速均较低，且在靠近进排气门的凹坑内均形成了明显的漩涡，这种漩涡有利于燃油的蒸发混合。而在离进排气门较远的凹坑内，方案A在凹坑底部形成了明显的滞止区，方案B和C凹坑内的流场较为均匀且涡流明显，因此该部位B和C方案的油气混合效果较好。

图14—16则是压缩上止点时刻沿气门连线方向的速度场切片。方案A在两个凹坑内均形成了涡流，而方案B和C只在靠近排气门的凹坑内形成涡流。但由于方案B、C在各凹坑的流速明显大于方案A，因此B和C实际的油气混合效果可能仍较A理想。

4 总结

根据缸内流动CFD分析的结果，方案A被设计人员排除，方案B和C的样件被用于发动机的实验开发。通过综合比较，方案B被用于最终的发动机产品。

文中通过CFD分析对比了3款活塞对发动机缸内流动的影响，根据流动状态进行了活塞初步选型，有效减少了实验开发的工作量。这个事例表明CFD手段能够有效支持发动机活塞的正向设计选型。

【1】周龙保.内燃机学［M］.北京：机械工业出版社，1998.

【2】杨连声.内燃机设计［M］.北京：中国农业机械出版社，1981.

【3】王福军.计算流体动力学分析［M］.北京：清华大学出版社，2004.

【4】许汉军，宋金瓯，姚春德，等.对置二冲程柴油机缸内流动形式对混合气形成及燃烧的模拟研究［J］.内燃机学报，2009（5）：395－400.

【5】郭鹏，段雪涛，贺滔，等.基于CFD技术的发动机缸垫水孔正向开发［J］.低温与超导，2014（7）：64－67.

Selection of Engine Piston Based on In⁃cylinder Flow CFD Analysis

WANG Xiaolan，YAOWei，ZHANG Yingbing
（Technique Center，Anhui Jianghuai Automobile Co.，Ltd.，Hefei Anhui 230022，China）

Piston is an important part of engine combustion system.A well suited piston can lead a good in⁃cylinder air flow，then the power of engine increases，the fuel consumption rate and exhaust emission decrease.An example of selection of engine piston was introduced. CFD technique was used to determine the difference of in⁃cylinder air flow for several pistons，the bestpiston was chosen based on CFD results.

In⁃cylinder flow；CFD analysis；Piston selection

2015－03－31

王晓兰 （1982—），女，硕士研究生，工程师，主要从事汽车产品设计及项目管理。E⁃mail：26217043＠qq.com。