挤流对汽油机燃烧过程影响的数值模拟研究

黄忠文　秦际宏　蓝志宝　叶年业　穆建华　梁源飞（上汽通用五菱汽车股份有限公司　广西　柳州　545007）

挤流对汽油机燃烧过程影响的数值模拟研究

黄忠文秦际宏蓝志宝叶年业穆建华梁源飞
（上汽通用五菱汽车股份有限公司广西柳州545007）

为研究挤流对进气道喷射汽油机燃烧过程的影响，应用三维CFD软件AVL-FIRE对具有三种不同顶面形状活塞的燃烧室的进气及燃烧过程进行了多维数值模拟计算。计算研究了挤气面积和挤气间隙对缸内速度场、浓度场、湍动能场及放热率、平均有效压力、燃烧持续期等缸内燃烧特征参数的影响。CFD分析表明：合理设计燃烧室活塞顶面形状，可以在压缩上止点附近形成较强挤流，促进缸内燃烧。挤流对组织缸内气流运动、提高点火时刻火花塞附近湍流强度以及改善发动机燃烧都有较大作用。

汽油机燃烧室挤流数值模拟

引言

组织良好的缸内气流运动可以改善燃烧过程，从而改善内燃机的动力性、经济性以及降低排放。利用燃烧室结构在压缩上止点形成强烈挤流并迅速转化为湍动能，是汽油机组织缸内气流运动的重要途径[1～3]。因此对汽油机燃烧室结构进行改进设计，合理设计燃烧室活塞顶面形状，对改善发动机性能尤为重要[4，5]。

通过对内燃机内部气体流动的多维数值模拟，不仅可以获得缸内的结构参数以及运行参数对缸内流动特性的影响，而且还可以得到其内部流场的大量信息，为燃烧室的改进提供可靠的依据[6]。本文以某三缸进气道喷射汽油机为研究对象，在保证压缩比不变的前提下，改变活塞顶面形状，建立了三个燃烧室模型，应用AVL-FIRE软件对其缸内燃烧过程进行了数值模拟计算，研究了挤气面积和挤气间隙对发动机缸内气流运动和燃烧过程的影响，为汽油机燃烧系统的优化设计提供了理论依据。

1　计算模型及方案

1.1模型建立

本文以某三缸进气道喷射汽油机为研究对象。为减少计算量，选取一缸建立三维模型，主要由进排气道、进排气门、气门座圈、燃烧室和活塞顶组成。发动机的基本参数如表1所示。

表1发动机基本参数

图1　 各计算域模型

1.2初始条件和边界条件

内燃机工作过程的三维瞬态模拟要求必须准确地给出初始条件和边界条件。本文定义进、排气门和活塞为移动壁面，其他为固定壁面。进、排气道和缸内的边界条件取自GT-Power仿真结果。初始条件也根据一维结果分别对进、排气道和缸内赋值，具体定义见表2。

表2边界条件

1.3不同燃烧室方案

设计紧凑的燃烧室，合理组织压缩上止点附近的气流运动，对于改善燃烧过程，进而提高发动机的动力性、经济性及降低排放具有决定性的作用[7～9]。

本文所研究的汽油机燃烧室的缸盖部分如图2所示，仅在进排气侧（即X方向上）有挤气结构。相对于缸盖来说，汽油机活塞比较容易拆卸与更换，因此我们选择改变活塞顶面形状来改变燃烧室结构。

图2　燃烧室缸盖部分

在保证发动机压缩比不变的条件下，改变活塞顶面形状，设计了三种不同结构的燃烧室，如图3所示，燃烧室的主要结构参数如表3所示。

图3　燃烧室几何形状（Y方向）

本文定义360°CA为压缩上止点，计算转速为5500r/min。模拟计算从255°CA开始，计算到860°CA时停止。

为节省计算时间，将计算域分为如图1所示的四个部分：从计算开始到进气门开启这一阶段所采用的模型称为IntakePort；从进气门开启到排气门关闭这一阶段所采用的模型称为Ports-Chamber；从排气门关闭到进气门关闭这一阶段所采用的模型称为IntakePort-Chamber；从进气门关闭到计算终点这一阶段所采用的模型称为Chamber。

本文在Piston A的基础上，改变活塞顶面部分关键尺寸得到其它两个燃烧室Piston B和Piston C：在Piston A的基础上，保持挤流口角度不变，增大挤气面积，减小挤气间隙，同时为保证压缩比不变，将活塞顶面往下拉伸以增大燃烧室深度，得到带“凹穴”的Piston B；在Piston A的基础上，保持挤气面积不变，减小挤气间隙和挤流口角度，得到Piston C。

表3　三种燃烧室结构参数

1.4数值模型

计算中采用的数学模型如表4所示。其中，湍流模型采用四方程模型k-ζ-f，该模型的计算精度和稳定性均较好，但是计算量相比双方程k-ε要大15%左右[10]。主要控制方程为：

湍流长度尺度：

c）TDC图4　各燃烧室缸内速度场分布对比（Y方向）

式中：ρ为密度；k为湍动能；Pk为湍动能生成项；ε为湍动能耗散率；μ为动力黏性系数；μt为涡黏性系数；ζ为速度尺度比率；f为椭圆松弛函数；v为运动黏性系数；其他均为模型常数。

表4计算采用的数学模型

喷雾模型采用KHRT燃油破碎模型、Dukowicz液滴蒸发模型和Walljet2液滴撞壁模型。燃烧模型采用Extended Coherent Flame Model（ECFM）模型，对于汽油机而言，该模型物理意义清晰准确，计算精度和收敛性较好。计算采用默认的松弛因子，对动量方程采用MINMOD Relaxed差分格式，对连续方程采用CentralDifferencing差分格式，能量等方程采用Upwind差分格式，为了更好地判断计算的敛散性，对计算残差进行实时监控。

2　计算结果与分析

2.1缸内流场对比分析

汽油机缸内的气流运动对油气混合、火焰传播都有很大的影响[11]。由于挤流的产生是在压缩行程末期，因此选取700°CA～720°CA进行对比分析，如图4所示。

可以看出，Piston A进气过程中产生的气流运动受到活塞顶挤气面产生的挤气流动影响相对较小，上止点附近缸内湍流速度比较均匀，挤流效果不明显。Piston B在压缩行程中进排气两侧形成了较强的斜向上压缩挤流，与进气过程形成的滚流相互影响，在燃烧室内中间区域形成较强的旋流运动，点火时刻火花塞位置附近气流运动较强。Piston C由于减小了挤气间隙和挤流口角度，气缸盖附近和活塞顶面附近的缸内气体流动得到增强，并在火花塞位置附近形成了较强的气流运动，活塞运动到压缩上止点时火花塞位置附近气流速度降低而进排气两侧气流运动明显加强。

2.2缸内湍动能场对比分析

发动机缸内火焰传播受缸内湍流运动的影响，点火时刻前缸内的湍流强度对于火核形成和火焰的传播将起到很大的作用。在压缩行程的前期，活塞顶面形状对缸内流场的影响并不明显，所以本文重点分析在压缩过程后期缸内湍动能的分布变化。由于火花塞点火时刻是在700°CA，所以火花塞点火前后即695°CA～705°CA时缸内的湍动能分布尤其重要，如图5所示。

可以看出，火花塞点火时刻前后Piston C缸内湍动能最大，Piston B由于燃烧室深度较大导致其缸内湍动能相对Piston C略低一些，但点火时刻缸内湍动能较大区域更靠近火花塞位置附近，Piston A缸内湍动能最低且偏离火花塞位置附近。

图5　点火时刻缸内湍动能分布对比

2.3燃烧特征参数对比分析

首先比较各燃烧室方案的瞬时放热率曲线和缸压曲线，如图6所示。

通过对比可以发现，相对于Piston A，Piston B和Piston C的放热率峰值和最大缸内爆发压力都有所提高，对应的曲轴转角也都有所提前，说明增强缸内气流运动有利于点火之后火焰的迅速传播，从而改善燃烧过程。从上图还可以看出，Piston C的放热率峰值和最大缸内爆发压力所对应的曲轴转角与Piston B非常接近，但其值均高于Piston B，联系图4和图5进行分析，可知在缸内气流运动基本相同的条件下，提高缸内湍流强度可以明显提高放热率峰值和最大缸内爆发压力，从而提高汽油机的动力性。

燃烧过程可以按照已燃质量分数分为火焰发展期和快速燃烧期。比较各燃烧室方案的火焰发展期和快速燃烧期，如图7所示。

从上图可以看出，Piston A挤流效果不明显，缸内气流运动不强，点火时刻缸内湍动能最低且偏离火花塞位置附近，导致最终其火焰发展期和快速燃烧期最长，燃烧速度最慢。Piston B和Piston C挤流效果较好，压缩行程末期缸内气流运动较强，点火时刻缸内湍动能较大且较大区域更靠近火花塞位置附近，最终燃烧速度与Piston A相比均明显加快。对比Piston B和Piston C还可以看出，Piston B虽然点火时刻缸内湍动能较大区域更靠近火花塞位置附近，但由于燃烧室深度较大导致其缸内平均湍动能相对Piston C略低一些，最终Piston B火焰发展期较长而快速燃烧期基本相同。

a）瞬时放热率对比

图6　瞬时放热率曲线与缸压曲线对比

图7　火焰发展期和快速燃烧期对比

3　结论

本文采用三维CFD软件AVL-FIRE，通过改变活塞顶面形状，研究了挤流对汽油机缸内气流运动及燃烧过程的影响，得出以下结论：

1）燃烧室结构对组织缸内气流运动影响较大。Piston A进气过程中产生的气流运动受到活塞顶挤气面产生的挤气流动影响相对较小，挤流效果不明显，Piston B和Piston C在缸内组织了较强的气流运动，挤流效果相对较好。

2）由缸内燃烧特征参数对比分析可知，Piston B 和Piston C的放热率峰值和最大缸内爆发压力相对于Piston A都有所提高，对应的曲轴转角也都有所提前，说明增强缸内气流运动有利于点火之后火焰的迅速传播，从而改善燃烧过程。

3）对比分析Piston B和Piston C可知，在缸内气流运动基本相同的条件下，缩小燃烧室深度可以提高缸内湍流强度，提高放热率峰值和最大缸内爆发压力，从而提高汽油机的动力性。

1John BHeywood.Internal Combustion Engine Fundamentals.New York:McGraw-Hill，1988

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11徐敬照.基于CFD的小型汽油机的改进研究[D].天津：天津大学，2010

Numerical Analysison the Effectof Squish Flow on the Combustion Processof a Gasoline Engine

Huang Zhongwen，Qin Jihong，Lan Zhibao，Ye Nianye，Mu Jianhua，Liang Yuanfei （SAIC-GM-Wuling Automobile Company Limited，Liuzhou，Guangxi，545000，China）

In order to study the effectof squish flow on combustion characteristic in a PFIgasoline engine，the combustion processes of three combustion chambers with different piston crowns are numerically studied using the three-dimensional CFD software AVL-FIRE.The effects of squish area and squish clearance on flow velocity field,concentration field，turbulent kinetic energy field and combustion characteristic parameterssuch asheat release rate，mean pressure and combustion duration are researched. Results indicate that for the combustion chamberwith reasonable designed piston crown,the squish flow is formed in the vicinity of TDC,which is helpful to the enhancementof combustion.Squish flow has a great influence on organizing the airmotion in cylinder，increasing the turbulence intensity around the spark plugatignition timing and improving the combustion process.

Gasoline engine，Combustion chamber，Squish flow，Numericalsimulation

TK412

A

2095-8234（2015）01-0031-05

黄忠文（1968-），男，本科，高级工程师，主要研究方向为发动机总体技术。

（2014-05-22）