基于缸內流動CFD分析的發動機活塞設計選型

王曉蘭，姚煒，張應兵

（安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，安徽合肥230022）

基于缸內流動CFD分析的發動機活塞設計選型

王曉蘭，姚煒，張應兵

（安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，安徽合肥230022）

活塞是發動機燃燒系統最重要的零部件之一，一款良好匹配的活塞能組織更好的缸內氣體流動，從而提升發動機動力性、經濟性并降低排放。介紹一起發動機活塞設計選型的實例，在正向設計過程中利用CFD手段分析不同活塞帶來的缸內流動變化，并根據流動狀態進行活塞的選型匹配。

缸內流動；CFD分析；活塞選型

0 概述

活塞是發動機燃燒系統最重要的零部件之一，活塞與發動機的匹配直接影響整機的動力性、經濟性和排放［1－2］。產品的設計過程中，工程師常常會設計多套活塞方案，如何選擇最優的方案是一個非常有難度的問題。

缸內流動的CFD技術能夠清晰地展示不同活塞方案對氣流的影響，能夠為活塞設計選型提供許多重要且直觀的信息［3］。文中介紹了在江淮汽車的某款發動機開發項目中如何利用缸內流動CFD分析實現活塞的選型過程。

1 活塞方案介紹

工程師設計了3套活塞方案A、B、C，圖1和圖2分別顯示了各方案的區別。

相對方案A，方案B和C都降低了活塞頂部進氣側的凹坑，另外方案B將ω燃燒室的圓周凹槽進行了擴大，C方案則降低了ω燃燒室中央的凸臺。

2 缸內流動CFD仿真

CFD分析之前對發動機進行了熱力學計算，結果顯示發動機達到了目標功率，在此基礎上進行的CFD計算能夠較好地反映氣道以及燃燒室內氣體流動狀況。

模擬選取的工況點為額定點，這是發動機熱負荷最大的工況點。模擬以排氣門開為起點，由于缺少噴嘴的相關數據，計算不包含噴霧燃燒過程，分析內容主要包含氣道內的流動、缸內渦流的形成，模擬結束于壓縮沖程上止點 （720°）。

2.1 氣門正時及升程

計算從110°曲軸轉角持續到720°，其中720°作為點火TDC，而360°是換氣TDC。表1顯示了CFD計算中的相關氣門正時。

表1 CFD計算氣門正時

圖3顯示了計算中采用的氣門升程曲線。該曲線來自于熱力學計算，且考慮了氣門間隙。曲線中的最小氣門升程被定義為0.2 mm，并對應于表1的氣門正時。

2.2 邊界條件

初始時刻氣缸和排氣道內的殘余廢氣被設定為1.0（即100%），而進氣道內的EGR率被設定為0。在計算的初始時刻，氣缸和氣道內的壓力、溫度分布被認為是均勻的。表2顯示了CFD模擬中設定的壁面溫度。

表2 CFD模擬中的壁面溫度 ℃

進氣口和排氣口的壓力、流量和溫度隨時間的變化而變化，排氣口使用靜壓邊界而進氣口使用流量邊界，這些邊界條件來自于1D的熱力學計算，如圖4、圖5所示。

3 CFD結果分析

3.1 計算結果驗證

為了驗證CFD的計算結果，作者將方案A的CFD缸壓曲線與熱力學結果進行了對比，如圖6所示［4］。曲線的最大誤差出現在壓縮上止點附近，達到了11.8%。主要是因為熱力學模型中上止點前將會在氣缸內噴入一定量的燃油，氣缸內的物質量增大，因此壓力較CFD計算略大。

就整條曲線來看，CFD計算的結果與熱力學計算一致性良好，因此可以認為CFD的計算結果準確可信。

3.2 缸內瞬態渦流對比

由于柴油機螺旋氣道的導流作用，氣缸內將會產生明顯的渦流。用渦流的旋轉角速度來評價缸內渦流，而其旋轉的中心軸線是氣缸的中軸線，將其除以曲軸的旋轉角速度以得到一個量綱為一的渦流比。圖7顯示了整個計算中瞬態渦流比的變化曲線。

B、C兩方案的渦流比較為接近，壓縮終止的最大渦流比達到了1.45左右；而A方案的渦流比最小，進氣及壓縮過程的渦流比較B、C方案低了0.2?？紤]到方案B和C的渦流比得到了同步提高，認為活塞頂部進氣側凹槽的修改是影響渦流的主要原因［5］。

圖8—10分別是各方案壓縮上止點時半行程位置垂直氣缸中軸線的速度場切片?？梢钥闯觯狠^A方案，B、C兩方案修改1部位，流速明顯提高，這也說明了修改1帶來了缸內流速的增加，從而導致渦流比提高。

3.3 活塞凹坑內氣流運動對比

對于ω燃燒室的柴油發動機，ω凹坑內的氣流運動對油氣混合影響極大，是設計過程中重點的關注對象。

圖11—13是壓縮上止點時刻沿氣門中間線方向的速度場切片。3個方案在ω凹坑中部流速均較低，且在靠近進排氣門的凹坑內均形成了明顯的漩渦，這種漩渦有利于燃油的蒸發混合。而在離進排氣門較遠的凹坑內，方案A在凹坑底部形成了明顯的滯止區，方案B和C凹坑內的流場較為均勻且渦流明顯，因此該部位B和C方案的油氣混合效果較好。

圖14—16則是壓縮上止點時刻沿氣門連線方向的速度場切片。方案A在兩個凹坑內均形成了渦流，而方案B和C只在靠近排氣門的凹坑內形成渦流。但由于方案B、C在各凹坑的流速明顯大于方案A，因此B和C實際的油氣混合效果可能仍較A理想。

4 總結

根據缸內流動CFD分析的結果，方案A被設計人員排除，方案B和C的樣件被用于發動機的實驗開發。通過綜合比較，方案B被用于最終的發動機產品。

文中通過CFD分析對比了3款活塞對發動機缸內流動的影響，根據流動狀態進行了活塞初步選型，有效減少了實驗開發的工作量。這個事例表明CFD手段能夠有效支持發動機活塞的正向設計選型。

【1】周龍保.內燃機學［M］.北京：機械工業出版社，1998.

【2】楊連聲.內燃機設計［M］.北京：中國農業機械出版社，1981.

【3】王福軍.計算流體動力學分析［M］.北京：清華大學出版社，2004.

【4】許漢軍，宋金甌，姚春德，等.對置二沖程柴油機缸內流動形式對混合氣形成及燃燒的模擬研究［J］.內燃機學報，2009（5）：395－400.

【5】郭鵬，段雪濤，賀滔，等.基于CFD技術的發動機缸墊水孔正向開發［J］.低溫與超導，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

王曉蘭 （1982—），女，碩士研究生，工程師，主要從事汽車產品設計及項目管理。E?mail：26217043＠qq.com。