高壓差進氣道流動仿真及實驗研究

孫利魏，蘇鐵熊，許俊峰，王強，徐春龍，尤國棟

(1.中北大學 機電工程學院，山西 太原030051;2.中國北方發動機研究所，山西 大同037036)

進氣增壓壓力的增加與發動機轉速的提高，使高升功率柴油機的工作范圍已經超出了傳統進氣系統的經驗范圍，因此必須采用仿真分析方法，搭建“數值仿真試驗臺”，與實驗結果相驗證，實現進氣系統的“預測設計”。

由于進氣道的流動特性，采用一維模型進行計算的比較多，如Onorati 等［1］、Claywell 等［2］、徐斌等［3］，而且采用一維模型也能獲得比較滿意的數值結果，隨著計算機技術的發展，三維仿真技術逐漸在內燃機行業獲得應用，劉伯棠等［4］對柴油機進氣道進行了全三維流動計算，研究了進氣道型線對流動的影響。王樵等［5］采用三維計算流體動力學(CFD)技術預測了進氣門流量系數，并與試驗數據作對比，分析誤差產生原因。Andras 等［6］將CFD 技術運用于進氣門的設計，取得了較滿意的結果。Wang 等［7］則采用瞬態數值模擬技術對四沖程摩托車發動機的換氣過程進行了模擬。

上述研究主要針對于中低升功率的柴油機，而目前關于高升功率柴油機進氣過程的研究還比較少，本文針對高升功率柴油機的進氣過程，基于一維非定常流動分析軟件AVL BOOST 與三維CFD 流動分析軟件AVL FIRE 建立仿真分析平臺，然后通過高壓穩態三維分析，得到高壓差下氣道流通特性;再以高壓差下氣道的流通特性為邊界條件對進氣道進行一維非定常流動分析;最后通過試驗進行驗證。

1 試驗裝置

高壓差進氣系統單缸機氣道穩流試驗臺原理圖如圖1所示。由質量流量計測量進氣氣體質量流量;排氣系統通過一個錐形閥模擬裝置來調節控制排氣背壓;整個進排氣系統要求可測、可控。圖2為所建立的高升功率單缸機試驗臺。

圖1 氣道穩流試驗臺原理圖Fig.1 Steady flow test benth for intake port

圖2 高升功率單缸機試驗裝置Fig.2 Test equipment of single cylinder engine with high specific power

由于機械結構限制，目前單缸發動機轉速最高到3 600 r/min，可以實現功率68 kW，轉速超過3 600 r/min后，可以通過模型來分析。

2 數學模型

2.1 一維非定常仿真模型

控制方程為變截面、考慮管壁摩擦與傳熱的一維非定常流動的基本方程組［8］。在柴油機的進氣門處，由于通流面積變化劇烈，流動損失大，采用一維非定常流動模擬該處流動時，一般引入流通系數對該處的流量方程做修正，即

式中:μ 為流通系數，由穩流試驗確定;Av為氣門喉口處的瞬時流通截面積;p2與ρ2分別為空氣在流經氣門喉口前的壓力與密度;pv為氣門喉口處的壓力;κ 為比熱比(定壓比熱容與定容比熱容的比值)。采用氣門升程作為參變量來描繪流通系數。

基于有限體積法離散一維非定常模型方程，差分格式為時間與空間二階精度的Lax-Wendroff 格式。

一般認為流通系數與壓差無關，但在高功率密度柴油機中，進氣壓差大幅提高(最高達100 kPa)，故需要研究壓差對流通系數的影響。本文采用高壓差氣道穩態分析對氣門邊界的流通系數進行研究。

2.2 高壓進氣道三維穩態數值仿真模型

不考慮體積力和外部熱源條件下，三維非定?？蓧篘avier-Stokes 方程為

式中:守恒型變量Q=［ρ ρu ρv ρw ρe］T，向量E，F，G 為通量，具體形式見文獻［7］，基于有限體積法離散控制方程，差分格式為軟件的高分辨率格式，湍流模型采用廣泛使用的標準k-ε 雙方程湍流模型，采用SIMPLE 算法求解離散后的代數方程組，在計算中，采用欠松弛技術使迭代穩定進行。邊界條件給定方法為:進口給定總溫、總壓以及速度分量、入口湍流度與湍動能耗散率，出口給定流量，固體壁面則滿足無滑移條件。

對升功率PL、功率P、壓力p、溫度T、流量、轉速n 等參數做了無量綱化處理，選定特征長度L、參考壓力pref、參考溫度Tref、參考氣體常數Rref、則通過下式計算特征速度acr與特征密度ρcr

κ=1.4，PL、P、p、T、、n 歸一化過程如下:

圖3 高壓進氣道的網格劃分Fig.3 Computational meshes for high-pressure intake port

網格劃分軟件為AVL FIRE 的FAME 模塊。結合高升功率柴油機進氣道的形狀特點，以及迭代時間與收斂性的要求，采用混合型網格離散計算區域，在流動的絕大部分區域采用結構化網格離散，在局部區域采用非結構化網格。生成的計算網格數約70 萬，其中在固壁面附近進行了加密。

3 壓差效應的流通系數修正

利用一維換氣分析模型，比較分析進氣道在現有升功率0.037(轉速0.57)和高升功率0.084(轉速1.08)條件下的工作狀況(如未注明，各參數值均為無量綱值)。

對進氣過程中進氣道壓差的比較如圖4所示。從圖中可以看出，對于現有機型，進氣過程中的進氣壓差較低，最高進氣壓差0.059，從上止點到下止點的進氣行程平均壓差為0.04.而對于高升功率柴油機，進氣過程中的進氣壓差較高，最高進氣壓差0.37，提高527%，從上止點到下止點的進氣行程平均進氣壓差0.22，提高456%.從而可以得出:提高升功率后，進氣壓差提高達5 倍。有必要研究高壓差下進氣道的流動。

從進氣門提前開啟到進氣門延遲關閉的整個進氣流動過程中，進氣壓差呈兩邊低，中間高的形態，也就是對于小氣門升程下，進氣壓差低，在大氣門升程下，進氣壓差高。

圖4 不同升功率下進氣壓差的比較Fig.4 Intake pressure drops of the original and high-specific-power diesels

利用高壓進氣道穩流模擬分析模型，對高壓差下的氣道進行了分析研究，在保持進口壓力為1 的條件下，提高進氣壓差，0.025 進氣壓差和0.25 進氣壓差下的流場速度變化如圖5所示。從圖中可以看出，在最小截面處，流線相似，流速有了很大的提高。

圖5 提高進氣壓差后流場的變化Fig.5 Flow fields in the intake ports with different pressure drop

不同進氣壓差下氣道的流通系數變化如圖6所

圖6 提高進氣壓差后流通系數的變化Fig.6 Flow coefficients at different intake pressure drop

如圖7所示，在發動機上氣門升程大的位置，氣道壓差也較大，在氣門升程小的位置，氣道壓差也較小，在現有試驗數據基礎上，根據不同氣門升程下流通系數的三維計算結果，對高壓差下的氣道流通系數引入修正如圖8所示。氣道流通系數修正后，對進氣質量流量的影響如圖9所示。從圖中可以看出，由于大升程下氣道流通系數降低，從而使得大升程下的氣道流量減小。

4 高壓差進氣道試驗

在修正模型基礎上，對配氣凸輪型線進行了優化設計，然后在轉速0.72～0.93 不同的測試點下測量改進前后發動機進氣流量、溫度、壓力，測試點參數如表1所示?？梢钥闯鲈诟倪M設計后，發動機功率、進氣壓力與進氣溫度等特征參數變化很小。示。在各氣門升程下，隨著進氣壓差提高，氣道流通系數下降，與0.025 時的數值相比，在0.075 以內流通系數下降小于2%，而壓差增大到0.25 時流通系數下降10%左右。因此，對于現有升功率的柴油機，由于進氣壓差在0.075 之內，流通系數變化在2%以內，在工程應用精度內，可以認為流通系數不隨進氣壓差變化。而對于高升功率柴油機，由進氣壓差引起的氣道流通系數變化達到10%，不可以忽略。

圖7 進氣壓差與相應的氣門升程Fig.7 Intake pressure drop-valve stroke curves

圖8 高進氣壓差下氣道流通系數的修正Fig.8 Modification of flow coefficient at high intake pressure drop

圖9 氣道流通系數修正后對進氣質量流量的影響Fig.9 Effect of intake flow coefficient modification on intake flow rate

表1 設計進氣道前后的試驗數據Tab.1 Experiment data of original and improved diesels

單缸機測試結果與分析模型給氣比對比如圖10所示，誤差最大5.6%.其中給氣比定義為一個工作循環中供給氣缸的新鮮充量，與相應于活塞在進氣管增壓壓力和溫度下所掃過的新鮮充量之比。

式中:m1為一個工作循環中供給氣缸的新鮮充量;msh為在進氣管狀態下充滿氣缸工作容積的空氣質量。因此預測值與試驗值比較一致。從轉速0.93延伸到1.10，轉速提高18%，因此，預測結果具有一定可信度。依據模型分析，在轉速1.10 時，可以實現給氣比1.02.

圖10 高升功率單缸機進氣道給氣比的試驗及預測Fig.10 Numerical and experimental delivery ratio of single cylinder engine with high specific power

圖11為充量系數的分析結果。該參數是衡量發動機性能和進氣過程完善程度的重要指標，定義為每缸每循環實際吸入氣缸的新鮮空氣質量與進氣狀態下理論計算充滿氣缸工作容積的空氣質量比值。由圖可見在0.72～0.93 范圍內實現了充量系數大于0.95.隨著轉速進一步提高，充量系數下降，到1.10 時充量系數仍可以達到0.92.

圖11 高升功率單缸機進氣充量系數Fig.11 Volumetric efficiency of ingle cylinder engine with high specific power

5 結論

1)對小氣門升程下，進氣壓差低，在大氣門升程下，進氣壓差高。

2)在高增壓進氣條件下，隨進氣壓差的提高，進氣道流通系數降低，流通系數最大可降低10%，此時的一維非定常流動模型必須進行修正。

3)利用修正后的模型設計適合高升功率柴油機的進氣道，經數值模擬計算，高壓差條件下進氣充量系數達到0.92.

References)

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