火花塞對汽油機缸內湍流的影響

王秦燕，汪春梅，錢葉劍，張夢圓，遲昊

(合肥工業大學汽車與交通工程學院，安徽 合肥 230009)

對于火花點火發動機，由于火花塞靠近進氣門，它對進氣射流的流動以及缸內渦團的形成與發展有著重要的導向作用；同時活塞接近上止點時火花塞附近的氣流特性對火核形成與發展以及火焰的傳播都有著較大的影響[1-3]。若火花塞處于高速氣流區，不易形成穩定的火焰核心，火焰容易熄滅。另外，若火花塞附近的湍流強度適當，可以加強火花塞電極與可燃混合氣分子間的碰撞概率，提高著火階段的燃燒化學反應速度，使熱量和活性中心的累積速度加快，易于形成火焰核心[4-5]。因此，火花塞附近的氣流應為低速且有合適的湍流強度。

目前，火花塞結構對缸內湍流的影響情況尚不明確，有待進一步的研究。而且隨著稀燃技術[6]的發展，為促進混合氣可靠著火，缸內湍流特性研究越來越重要[7-9]。同時隨著均質壓燃(HCCI)、活性控制壓燃(RCCI)、預混壓燃(PCCI)[10-11]等新型壓燃技術的興起，火花塞的取消如何影響缸內湍流狀態也是研究者關注的焦點。

為了探究火花塞對缸內湍流的影響，本研究運用三維仿真軟件建立了汽油缸內直噴(GDI)發動機冷態仿真模型，研究分析了原機火花塞、無火花塞、加深火花塞和加大火花塞等不同結構對缸內湍流特性，特別是缸內渦流的形成與發展和湍動能的影響，探明缸內湍流流動結構和演化過程的基本規律。

1 模型的建立及計算邊界條件

1.1 發動機參數

模擬對象為一款排量為 1.5 L 4氣門缸內直噴汽油機，火花塞中央布置，主要參數見表 1。對發動機2 000 r/min冷態情況下的缸內流動狀況進行了仿真計算。計算網格見圖1，網格的基本尺寸為1.395 mm。

表1 發動機主要參數

圖1 網格模型

1.2 計算模型的建立和算法

選用三維仿真軟件來研究發動機缸內流動燃燒過程，各參數及計算模型[12]見表 2。研究了無火花塞、標準火花塞、加深火花塞(加深3 mm)以及加大火花塞(1.5倍)(見圖2)對缸內流場的影響，為了對火花塞附近區域局部的流場進行更詳細的分析，對發動機火花塞附近區域網格進行了局部加密處理[13]。模擬GDI發動機的進氣和壓縮沖程，對應的曲軸轉角為330°～720°，其中壓縮上止點為720°。

表2 計算模型

圖2 網格劃分

1.3 邊界和初始條件

模擬研究主要涉及冷態流場，邊界和初始條件采用冷態條件下的經驗值(見表3)。該款發動機進氣門的開啟和關閉時刻分別為330.5°和 579.3°。

表3 邊界和初始條件

2 計算結果分析

2.1 模型的驗證

圖3示出了模型計算和試驗測量的缸內壓力對比。可以看出模擬數據與試驗數據整體趨勢一致，吻合較好，只有少許局部數值不同，但誤差在許可范圍以內。因而可以認為本研究的缸內三維計算所選用的模型和計算方法合適，達到了滿意的計算精度，可以進行缸內湍流模擬計算研究。

圖3 缸壓對比

2.2 缸內氣體速度場分析

在進氣沖程階段，進氣射流對缸內湍流場的形成和演變具有決定性的影響。缸內流場既有大尺度的宏觀氣體運動，又有局部小尺度的強烈湍流脈動。流場特性可以通過特征截面上流場分布狀態反映出來。速度場的縱向切面是過進排氣門中心且過火花塞并與缸蓋底平面垂直的截面。

圖4示出了進氣初期360°時氣缸縱向切面缸內速度流線圖。從圖4的全局圖可知，在進氣上止點360°時，進氣門開度已經增大到一定程度，氣缸內外壓差大，進氣射流速度高，最大流速均超過80 m/s。氣流以較大的速度撞擊在氣門桿上，氣流沿氣門四周呈發散狀進入氣缸，部分氣體撞壁后運動方向變化，并在氣門背面低壓作用下，在進氣門左下側形成一個明顯的進氣渦流。另一部分靠近氣缸中心的氣流在氣門背壓和燃燒室結構的共同作用下，在進氣門右下側形成與左側氣流對應、旋向相反的渦旋。同時速度矢量分離產生切向速度并在燃燒室結構的影響下，在排氣門下方形成渦團。由于火花塞在缸內所占容積相對較小，4種火花塞下氣流運動、渦團位置及強度基本保持一致。

圖4的局部速度流線圖顯示，4組數據在細節上還存在較大差異，特別是進氣門右側的流場。圖4a為標準火花塞情況下的速度流線圖，其進氣門右側射流分離出的切向速度順著原進氣氣流的方向橫向穿過火花塞電極與缸內原氣流匯合，流速集中且順暢。圖4b為無火花塞情況下的速度流線圖，由于沒有火花塞的導流，進氣氣流沿著氣流方向發散開來，射流速度最大，但流向多次出現轉折，進氣門右側渦團發生畸變，但不明顯。圖4c和4d的加深/加大火花塞均使進氣氣流不再側重橫向發展，而是沿著火花塞電極處分流形成向下/向右的流動，加深火花塞缸內流場火花塞右側氣流撞擊深坑邊界發生急轉，加大火花塞使氣缸中心進氣氣流垂直下行，由于火花塞電極間的間隙大，火花塞右側與原氣流相切產生多組渦對結構，與前幾組湍流情況明顯不同。由此可見，火花塞對進氣初期缸內渦團的形成有重要作用。

圖4 360°時缸內速度流線圖

進氣中期，氣門升程接近最大位置時的速度流線見圖5。隨著活塞下行和氣門升程的增大，更多新鮮氣體進入缸內，與缸內氣流混合，原有渦團從新鮮氣流獲得能量不斷成長，并產生新渦團，大渦團分布不再僅限于氣門下方和燃燒室內，而是充斥在整個缸體內部。圖5a顯示標準火花塞氣缸中心存在一個主要的強渦團，圖5b顯示無火花塞氣缸內部存在3個稍小的核心渦團，圖5c顯示加深火花塞在左右兩側均有一個強度相當的渦團，圖5d顯示加大火花塞缸內渦流分布相對均勻，有5～6個相差不大的渦流均勻分布在氣缸內。對比4種結構的缸內湍流，加大火花塞的缸內湍流更有利于燃氣的混合。由圖5局部速度流線圖可知，450°時氣門下行的深度已經超過了4組火花塞尺寸，氣流直接由火花塞下側進入缸內，此時缸內容積遠遠大于火花塞體積，火花塞對新鮮充量的影響明顯減弱，但先期形成的渦團對后期缸內流場的發展依舊存在著深遠影響。

圖6示出了壓縮沖程中缸內速度流線圖。隨著氣門升程的減小，進氣強度減弱，活塞下行，缸內容積不斷增大，大尺寸渦團不斷拉伸、破碎，演變為多個小尺寸渦團，缸內流速降低到15 m/s。當活塞運行到下止點附近，大、小渦團相繼破裂，數量明顯減少。從圖6可以看出，各圖在氣缸左下以及右上部位有兩個主渦流，其他地方散布一些小尺寸渦團。在壓縮沖程，由于活塞的壓縮以及湍流的耗散，缸內渦團相繼破碎耗散，說明此階段內流場整體運動有所削弱。當氣門關閉后氣缸內存在統一的流場，流動方向與進氣過程中產生的滾流方向一致，為順時針方向。活塞運動加速了氣缸內左側往上的氣流運動，抵消了氣缸內右側部分向下的氣流運動。流場越來越趨于均勻化，渦團強度也越來越小，渦團不斷破裂、消失。在壓縮沖程中后期，隨著活塞向上運動，氣缸內氣體被壓縮到燃燒室內，形成擠流，原有的垂直渦流繼續保持并有向上運動的趨勢。該區域內流場脈動也逐漸加強，產生了新的大尺度渦團，并隨原有的渦團集中于燃燒室內部?？梢钥闯觯趬嚎s沖程前期和中期，由于氣缸容積較大，火花塞所占容積相對更小，渦團分散在缸內不同區域，離火花塞位置較遠。

圖6 壓縮沖程缸內速度流線圖

因此，從進氣沖程后期到圧縮沖程初期，火花塞對缸內流場無明顯影響。但是，到了壓縮沖程末期，缸內容積減小，火花塞的影響會增加，后文會有詳細論述，此處不再贅述。

2.3 缸內湍流強度分析

圖7示出缸內氣體的平均湍動能隨曲軸轉角的變化曲線。4種方案的湍動能變化趨勢趨于一致，可以看出，火花塞對缸內湍動能的影響主要體現在進氣初期，隨著進氣門的關閉，火花塞對湍動能的影響不再明顯，這與前文對速度場分析結果一致。

從圖7可以看出，在進氣沖程前期，缸內平均湍動能較小，火花塞的影響小，4條湍動能曲線重合。隨著氣門升程的增加，進氣強度不斷加大，缸內氣體質量以及流場速度顯著增大，強烈的氣體剪切運動使得渦黏系數增大，大尺度渦團不斷拉伸、破裂，形成大量的小渦團，能量也從大尺度向小尺度方向傳遞，缸內湍動能增加，火花塞對湍動能的影響逐漸顯現出來，湍動能曲線開始分離。在進氣門剛開啟的一段時間內，氣缸處于高真空度狀態，進氣以極高的速度進入缸內，與缸內氣體發生強剪切作用，湍動能曲線出現第一個峰值，此處曲軸轉角為370°。由圖7中的A區域可知，4種火花塞下的湍動能曲線都達到了峰值，其中標準火花塞發動機的缸內平均湍動能最大值為45 m2/s2，無火花塞和加深火花塞湍動能都為42.81 m2/s2，加大火花塞的湍動能最低，為39.86 m2/s2。這說明火花塞對進氣階段缸內流動有很大影響。原因從圖4的速度流線圖可以看出，在氣缸中心位置，無火花塞結構下射流發散，標準火花塞下射流相對集中，湍動能更大一些；加深火花塞由于在進口處被阻擋，被迫改變流動方向，多數氣流流向下側，少數穿過火花塞電極；加大火花塞由于氣流與火花塞撞擊面積增大，火花塞左側湍動能大，穿過火花塞后湍動能明顯減小。

圖7 缸內平均湍動能

隨著氣門升程的增加，進氣射流速度降低，活塞運動速度減小，高頻速度波動迅速衰減，進氣剪切現象減弱，平均湍動能減小。但是，隨著進氣量的增加，缸內流場總體強度上升，平均湍動能再次上升，并在氣門升程達到最大時(460°)再次出現峰值，但比首次峰值小了很多(見圖7B區域)。可以看出，標準火花塞缸內平均湍動能最大，加大火花塞缸內平均湍動能次之，無火花塞與加深火花塞差別不大。加大火花塞下缸內平均湍動能增加的原因是隨著氣門升程的增大，加大火花塞造成的阻擋作用減少，同時隨著前期生成渦團的流動與發展，加大火花塞缸內渦團更多、更均勻，整體湍動能隨之增加。

在進氣沖程后期，雖然缸內工作氣體質量仍在增加，但是由于進氣強度的減弱，流場速度下降明顯，湍動能曲線呈現下降趨勢，直至活塞到達下止點時刻。

壓縮沖程前期，進氣階段形成的強剪切運動被削弱，工質黏性系數減小，渦破裂現象減弱。由于不同尺度間的能量傳遞縮小以及小尺度渦團能量的不斷耗散，使得湍動能繼續減小。壓縮后期，湍流脈動增強，湍流黏性系數增加，能量不斷地向小尺度方向進行傳遞，使得湍動能不斷增加的同時耗散也在不斷增強。隨著活塞運動速度的降低，加之摩擦作用，湍動能不斷衰減直至活塞到達上止點時刻?；钊浇咏现裹c，湍動能也越弱，因此，在壓縮后期4條曲線又接近重合。

圖8示出了火花塞附近的湍動能。相對發動機氣缸容積而言，火花塞在缸內所占容積很小，雖然火花塞對缸內平均湍動能的影響不大，但是對局部湍動能的影響還是很大的。由于缸內流動的復雜性，很難理清造成各湍動能曲線波動的具體原因，但也不難發現火花塞附近湍動能的變化趨勢與缸內平均湍動能變化趨勢一致，波動的產生和進氣射流的存在密切相關，進氣初期火花塞附近湍動能明顯高于缸內平均湍動能。壓縮沖程之后，隨著氣缸容積的不斷縮小，火花塞附近湍動能與缸內平均湍動能值越來越接近。

圖8 火花塞附近湍動能

從圖9的700°和720°湍動能云圖可以看出，由于擠流和缸壁摩擦的影響，缸內氣體的流動湍動能分布不均勻，氣缸邊緣的湍動能弱，氣缸中部附近的擠流區域湍動能強。這種湍動能分布特性對于中心點火發動機有利，因為強烈的缸內湍流運動可增大點火初期火焰的傳播速度。其中標準火花塞缸內湍動能最大且分布最均勻，無火花塞條件下缸內湍動能大的區域最少，平均湍動能最小，與圖7的缸內平均湍動能曲線結果一致。

圖9 缸內平均湍動能云圖

2.4 點火時刻火花塞附近流場分析

圖10示出700°點火時刻火花塞附近速度矢量和湍動能。由速度矢量圖可知，在點火時刻加大火花塞附近的流速最大，原機流速略低一些，加深火花塞和無火花塞流速相似。由于接近上止點，火花塞體積的影響已經不能忽視，在不燃燒的情況下，火花塞作為一個障礙物，必然導致缸內流速方向和流場分布發生變化。因此，無火花塞情況下速度流場呈現單向流趨勢，其他3組則發生了流動方向的變動。標準火花塞附近左側速度矢量為順時針流，右側為逆時針流，兩股氣流在點火電極處相遇；加深、加大火花塞附近速度流均呈現順時針流，加大火花塞電極右側出現了一個明顯的渦團。

由圖10的湍動能云圖可知，點火位置附近，加大火花塞的湍動能最大，加深火花塞次之，無火花塞湍動能最小。缸內湍動能的分布非常有層次，活塞中心湍動能大，越靠近氣缸壁，湍動能越小。由于加深、加大火花塞均促使火花塞靠近氣缸中心，二者火花塞附近的湍動能明顯增大。結合圖8的全局湍動能圖可知，這種變化不僅影響了局部湍動能的分布，還影響到全局湍動能的變化。

圖10 點火時刻火花塞附近速度與湍動能分布

3 結論

a) 對于缸內速度流場，在進氣階段，火花塞位于進氣射流的方向上，對氣流有阻礙與導向作用，影響缸內渦團的形成和發展;隨著氣門升程的縮小及氣缸容積的增大，火花塞對渦流形成的影響明顯減弱；進氣門關閉至壓縮中期，火花塞對缸內流場幾乎沒有影響；壓縮末期，不同火花塞作為障礙物，會造成點火時刻火花塞附近流場分布的不同;

b) 對于缸內湍動能分布，湍動能的大小與缸內流場的分布密切相關,越靠近壁面湍動能越小，缸內有渦團的位置湍動能會大一些;在進氣過程中，火花塞對湍動能的影響最大，火花塞附近的湍動能波動也最劇烈，進氣沖程后期影響變小;4種火花塞結構的缸內平均湍動能很接近，但是局部細節存在區別;

c) 不同火花塞結構對缸內流場的影響較大,其中，標準火花塞結構下，火花塞附近速度較小，湍動能最大，流場分布情況有利于火焰的快速傳播。

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