进气道结构对增压汽油机燃烧过程影响的数值模拟

卫海桥，龚泽文，韩雪松，潘明章，叶年业，梁源飞

（1. 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津　300072；2. 上汽通用五菱汽车股份有限公司，柳州　545000）

进气道结构对增压汽油机燃烧过程影响的数值模拟

卫海桥1，龚泽文1，韩雪松1，潘明章1，叶年业2，梁源飞2

（1. 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津300072；2. 上汽通用五菱汽车股份有限公司，柳州545000）

为提高某三缸增压进气道喷射汽油机的燃烧效率，利用三维CFD软件AVL-FIRE对原汽油机进气道在各气门升程下的进气过程进行了稳态数值模拟计算，并对其原汽油机在1，000，r/min、3，000，r/min和5，000，r/min全负荷下的燃烧过程进行了瞬态数值模拟计算；基于计算结果提出了两种进气道优化设计方案.对优化前后的缸内速度场、湍动能场、温度场、瞬时放热率及燃烧持续期进行了对比研究.研究结果表明：与原气道方案相比，优化气道方案的滚流比更大，在缸内组织了更强的气流运动，点火时刻缸内的湍动能更大且分布更为合理，火焰发展期和快速燃烧期更短.通过优化进气道结构适当提高增压汽油机的滚流比，可以改善压缩行程后期缸内的气流运动，提高点火时刻缸内的湍流强度，对提高混合气的燃烧速度、促进缸内燃烧十分有利，从而可有效提升汽油机的燃烧效率.

汽油机；进气道；滚流；数值模拟

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.合理设计进气道结构，在进气过程中形成宏观滚流运动并在压缩行程中转化为微观湍流运动，是汽油机组织缸内气流运动的重要途径［1］.因此，如何合理组织缸内滚流运动，即对汽油机进气道结构进行优化设计，对改善发动机燃烧尤为重要.

国内外学者已经对汽油机进气道的设计、流动特性和评价指标等做了许多工作.Mahmood等［2］进行了进气道结构对多气门发动机缸内流场影响的稳态模拟，并探讨了进气角度、气缸停缸、气道节流和废气再循环对缸内流场的影响规律.Qi等［3］利用CFD软件模拟研究了进气道结构对气道滚流比及缸内流场的影响，并分析了滚流对进气道喷射汽油机燃油雾化的影响.裴普成等［4］设计了多气门汽油机滚流气道并进行了稳流气道试验，结果表明上大下小的喉口截面形状的进气道可得到较强的滚流强度.祖炳锋［5］将气道稳流试验及发动机性能试验相结合，利用Star-CD软件通过计算模拟得到了2.2，L和2.4，L 4气门汽油机的最优方案，从而缩短开发周期，降低了开发成本.

国内外学者结合使用稳态流场模拟、稳流气道试验和瞬态模拟，揭示了气道及缸内气体流动的现象、本质及其对燃烧的影响，但直接用于指导发动机研发设计的研究较少.本文从工程研发设计的实际需要出发，以某3缸增压进气道喷射汽油机为研究对象，为提高其燃烧效率，利用AVL-FIRE软件对优化前后的进气道在各气门升程下的进气过程进行了稳态数值模拟计算，对汽油机在1，000，r/min、3，000，r/min和5，000，r/min全负荷下的燃烧过程进行了瞬态数值模拟计算，对比研究了进气道结构对增压汽油机缸内气流运动和燃烧过程的影响，为增压汽油机进气道的优化设计提供了理论依据.

1　瞬态数值模拟计算

1.1模型建立

缸内流动和燃烧过程CFD计算域主要由进排气道、进排气门、气门座圈、燃烧室和活塞顶面组成.本文选取1缸模型进行CFD仿真计算，定义720°，CA为压缩上止点，模拟计算从260°，CA开始，到844°，CA排气门开启时终止.该汽油机采用闭环喷油，即在进气门开启之前完成喷油，其中1，000，r/min下喷油量为24.4，mg，3，000，r/min下喷油量为39.5，mg，5，000，r/min下喷油量为42.0，mg.表1为发动机基本参数，气门重叠期的计算域如图1所示.

表1　发动机基本参数Tab.1 Basic parameters of engine

图1　CFD仿真计算域Fig.1 Computation domain of CFD simulation

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、排气门和活塞顶为移动壁面，其他为固定壁面.入口边界条件采用质量流量边界条件，出口边界条件采用压力边界条件.温度边界条件采用恒温边界条件，设定进气道温度边界为330，K，燃烧室温度边界为450，K，排气道温度边界为550，K.初始条件根据一维GT-Power仿真结果对进排气道和缸内赋值.

1.3数值模型

计算中采用的湍流模型为四方程模型 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大15%，左右.喷雾模型采用Mundo Sommerfeld液滴撞壁模型、Dukowicz液滴蒸发模型和TABLE燃油破碎模型.燃烧模型采用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［6］.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Central Differencing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.

1.4模型验证

为了验证所选模型的准确性，对原发动机在3，000，r/min全负荷工况下进行了台架试验，表2为试验条件.图2为该汽油机验证工况下缸压的试验值和模拟值对比结果.由图2可以看出，在点火时刻前试验值和模拟值几乎完全吻合，点火后二者变化趋势仍比较接近，压力峰值及其对应的曲轴转角对应较好，说明模拟结果与试验结果具有较好的一致性，所选模型和计算方法合理.

表2　试验条件Tab.2 Test conditions

图2　3000r/min缸压试验值和模拟值对比Fig.2 Comparison of calculated and measured incylinder pressure at 3，000，r/min

2　进气道优化设计

2.1进气道优化设计方案

汽油机缸内气体的流动和燃烧在很大程度上依赖于进气道设计的优劣.通过合理设计进气道结构（包括进气道内角、外角、仰角及喉口截面形状等），组织适当的滚流运动，有利于提高点火之后缸内的火焰传播速度，优化汽油机工作过程.

对原进气道在各气门升程下的进气过程进行了稳态数值模拟计算，对原汽油机在1000r/min3，000r/min和5000r/min全负荷下的燃烧过程进行了瞬态数值模拟计算，发现存在以下问题：①原机进气道滚流比偏低，导致缸内气流运动不强；②点火时刻缸内湍动能偏低，且湍动能较大区域偏离火花塞位置附近；③混合气燃烧速度较慢，燃烧持续期偏长.

针对原发动机燃烧过程存在的问题，对其进气道结构进行优化设计.对于增压汽油机，压气机吸气可以保证足够的进气量，因此可以通过改变进气道结构，牺牲部分流量系数来提高进气道滚流比，从而提高缸内滚流强度［7-8］.笔者提出的进气道优化方案，如图3所示：IP_1气道方案为原机进气道；IP_2气道方案在IP_1气道方案的基础上改变进气道拐角区域，减小进气道喉口处截面积，从而增大了进气道渐缩幅度；IP_3气道方案在IP_1气道方案基础上改变进气道角度，在不改动进气口的前提下，以进气口中心线为基准，将进气道向上旋转2°，同时提高进气门座高度.

2.2各气道方案流量系数与滚流比对比

利用UG建立进气道优化模型后，对优化前后的进气道进行了稳态数值模拟，得到各气门升程下的流量系数和滚流比对比，如图4所示.

图3　进气道优化方案Fig.3 Intake port optimization proposals

图4　流量系数和滚流比对比Fig.4 Comparison of flow coefficient and tumble ratio

可以看出，IP_1气道流量系数最大，滚流比最小；IP_2气道流量系数最小，滚流比最大；IP_3气道流量系数稍大于IP_2气道，滚流比则稍小于IP_2气道.IP_2气道和IP_3气道均达到了降低部分流量系数来提高进气道滚流比的目的.

3　计算结果与分析

3.1缸内速度场对比分析

汽油机缸内滚流运动产生于进气过程，在压缩行程后期，由于其运动与燃烧室形状不相适应而产生极大的变形，整个结构破碎变成紊流，从而形成异常强烈的紊流运动，大大加快了火焰传播速度，改善了汽油机性能［9］.选取3，000，r/min下各气道方案点火之后缸内速度场进行对比分析，如图5所示.

可以看出，IP_1气道方案缸内的气流运动受到活塞运动的压缩作用相对较小，点火时刻缸内气体流速较低，活塞运动到压缩上止点时缸内湍流速度比较均匀，挤流运动不明显.IP_2气道方案点火时刻缸内气体流速最高，燃烧室中间区域形成了很强的气流运动，活塞运动到压缩上止点时进排气两侧挤流运动较为明显.IP_3气道方案点火时刻进排气两侧形成了较强的斜向上压缩挤流，与缸内的滚流相互影响，在燃烧室中间区域形成了较强的旋流运动，气缸盖附近和活塞顶面附近的缸内气流运动较强，活塞运动到压缩上止点时进排气两侧挤流运动较为明显.

3.2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，点火时刻缸内的湍流强度和湍动能的分布对于火焰的传播起到很大的作用［10］.选取3，000，r/min下各气道方案点火时刻缸内湍动能分布进行对比分析，如图6所示.可以看出，IP_1气道方案点火时刻缸内湍流强度较低，且火花塞位置附近湍动能偏低，不利于点火之后火焰的迅速传播.IP_2气道方案点火时刻缸内湍流强度较高，湍动能较大区域靠近气缸盖附近，稍微偏离燃烧室中间区域.IP_3气道方案点火时刻缸内湍流强度较高，湍动能较大区域位于燃烧室中间区域.

3.3缸内温度场对比分析

图7为3，000，r/min下各气道方案点火之后缸内温度场分布对比结果.可以看出，活塞运动到压缩上止点时IP_1气道方案缸内火焰偏向排气侧传播，已燃区所占体积最小，上止点后10°，CA时排气侧基本燃烧完全而进气侧仍有较大未燃区域，上止点后20°，CA时缸内仍没有燃烧完全，这种现象一方面与其缸内湍动能较低且湍动能较大区域偏离火花塞位置附近有关，另一方面也与其缸内气体流速较低有关.IP_2气道方案点火之后火焰传播迅速，火花塞与气缸盖之间最先开始燃烧然后火焰面向活塞顶面发展，由于缸内流场的影响，火焰向进气侧发展速度较大.IP_3气道方案点火之后火焰传播迅速，燃烧室中间区域最先开始燃烧然后火焰面向四周发展，缸内燃烧分布较为平均，上止点后20，°CA时已燃烧完全.

图5　点火之后缸内速度场对比Fig.5 Comparison of velocity field in cylinder after ignition

图6　点火时刻缸内湍动能分布对比Fig.6 Comparison of turbulent kinetic energy field in cylinder at ignition timing

图7　点火之后缸内温度场对比Fig.7 Comparison of temperature field in cylinder after ignition

3.4瞬时放热率对比分析

图8为3，000，r/min下各气道方案瞬时放热率对比结果.可以看出：IP_1气道方案燃烧速度最慢，IP_2气道方案和IP_3气道方案的放热率明显高于IP_1气道方案，燃烧速度更快；IP_2气道方案和IP_3气道方案放热率曲线变化趋势基本相同，但IP_3气道方案燃烧速度更快，瞬时放热率峰值更高.

图8　瞬时放热率对比Fig.8 Comparison of the instantaneous heat release rate

3.5燃烧持续期对比分析

汽油机燃烧过程按照已燃质量分数可以分为火焰发展期和快速燃烧期.对比分析1，000，r/min、3，000，r/min和5，000，r/min下各气道方案的火焰发展期和快速燃烧期，如图9所示.

由图9可以看出：在各工况下，IP_1气道方案火焰发展期和快速燃烧期最长，IP_2气道方案和IP_3气道方案火焰发展期和快速燃烧期明显缩短，说明通过优化进气道结构提高增压汽油机滚流比，可以改善压缩行程后期缸内气流运动，提高点火时刻缸内湍流强度，从而提高混合气的燃烧速度，促进缸内燃烧.

与IP_3气道方案相比，IP_2气道方案滚流比更大，缸内气流速度更快，而在1，000，r/min和3，000，r/min下的燃烧持续期却更长，燃烧速度有所降低，说明对增压汽油机而言，即使能够保证足够的进气量，也不是滚流比越大燃烧速度就越快，还需要考虑气流运动对缸内湍动能分布的影响，通过组织适当的气流运动使压缩行程后期缸内湍动能较大区域位于燃烧室中心，能有效提高火焰传播速度、缩短燃烧持续期.

图9　火焰发展期和快速燃烧期对比Fig.9 Comparison of flame developing period with rapid burning period

4　结 论

（1） 进气道结构对组织缸内气流运动影响较大.IP_1气道方案缸内的气流运动受到活塞运动的压缩作用相对较小，缸内气体流速较低；IP_2气道方案和IP_3气道方案均在缸内组织了较强的气流运动，上止点附近进排气两侧挤流运动较为明显.

（2） 对比分析各气道方案点火时刻缸内湍动能分布可知：IP_1气道方案点火时刻缸内湍流强度较低，且火花塞位置附近湍动能偏低；IP_2气道方案和IP_3气道方案点火时刻缸内湍流强度较高，湍动能较大区域位于燃烧室中间区域更有利于点火之后火焰向四周迅速传播.

（3） 对比分析各气道方案点火之后缸内温度场分布、瞬时放热率及燃烧持续期可知：与IP_1气道方案相比，IP_2气道方案和IP_3气道方案燃烧速度更快，燃烧持续期更短，说明提高增压汽油机滚流比，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.

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（责任编辑：金顺爱，王晓燕）

Numerical Simulation on the Effect of Intake Port Structure on the Combustion Process of a Turbocharged Gasoline Engine

Wei Haiqiao1，Gong Zewen1，Han Xuesong1，Pan Mingzhang1，Ye Nianye2，Liang Yuanfei2
（1. State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. SAIC-GM-Wuling Automobile Company Limited，Liuzhou 545000，China）

In order to improve the combustion efficiency of a three cylinder turbocharged port fuel injection gasoline engine，a three-dimensional CFD software AVL-FIRE was used to conduct the steady numerical simulation on the original intake port of the original engine under all valve lifts and transient numerical simulation on the combustion process at 1，000，r/min，3，000，r/min and 5，000，r/min under full load，and two intake port optimization proposals were presented. The influence of the intake port structure on the combustion characteristic parameters such as velocity field，turbulent kinetic energy field，temperature field，heat release rate and combustion duration were comparatively studied. Results show that compared with the original intake port，the optimized intake port shows the greater tumble ratio and has organized stronger airflow in cylinder，the turbulent kinetic energy at ignition timing is greater and its distribution is more reasonable，and the flame development period and rapid combustion period are shorter. It is indicated that improving the tumble ratio through the optimization of the intake port structure can enhance the air motion in cylinder near TDC，and improve the turbulence intensity at ignition timing，which is helpful to speed up the combustion and promote the combustion efficiency effectively.

gasoline engine；intake port；tumble；numerical simulation

TK412

A

0493-2137（2015）12-1077-06

10.11784/tdxbz201408020

2014-08-07；

2014-11-07.

国家自然科学基金资助项目（51176138）.

卫海桥（1974—），男，博士，教授，whq@tju.edu.cn.

龚泽文，gzw90218@tju.edu.cn.

网络出版时间：2014-11-14. 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/doi/10.11784/tdxbz201408020.html.