兩氣門(mén)多缸柴油機(jī)進(jìn)氣道和缸內(nèi)氣流數(shù)值模擬研究

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0 前言

柴油機(jī)在低燃油耗時(shí)的高功率性能是其最大優(yōu)點(diǎn)之一。在歐洲市場(chǎng)上，柴油機(jī)在乘用車(chē)市場(chǎng)銷(xiāo)售總額中的份額超過(guò)44%，就很客觀地反映了這一點(diǎn)[1]。

歐洲市場(chǎng)近十年來(lái)，用于乘用車(chē)的四氣門(mén)柴油機(jī)占市場(chǎng)主導(dǎo)地位，因?yàn)樗梢愿玫亟鉀Q多年來(lái)歐洲市場(chǎng)的性能和排放要求。但是，兩氣門(mén)結(jié)構(gòu)仍然是中小型柴油機(jī)降低成本較受歡迎的選擇方案[1]。裝配柴油機(jī)的小型車(chē)輛中，每缸兩氣門(mén)設(shè)計(jì)仍然占有很大的市場(chǎng)份額，特別是在歐洲以柴油機(jī)為主的傳統(tǒng)原始設(shè)備制造商(OEM)，如PSA公司和Renault公司，其大部分小型汽車(chē)都采用了1.4 L、 1.5 L和1.6 L的兩氣門(mén)柴油機(jī)[2-4]。這些發(fā)動(dòng)機(jī)有利于減少摩擦，并能降低制造和裝配成本[4]，同時(shí)符合日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求，顯示出兩氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和商業(yè)潛力。

最近，通用汽車(chē)公司研究了一種具有兩氣門(mén)結(jié)構(gòu)的1.2 L 3缸小型柴油機(jī)，以評(píng)估這種結(jié)構(gòu)在包裝、質(zhì)量和成本目標(biāo)方面的潛力，同時(shí)在排放和燃料消耗方面仍然處于最先進(jìn)的狀態(tài)，并且具有非常出色的性能。圖1總結(jié)了四氣門(mén)和兩氣門(mén)柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)的主要特征。每缸兩氣門(mén)配置的發(fā)動(dòng)機(jī)有利于降低發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦和制造/裝配成本。然而兩氣門(mén)布置由于尺寸限制，需要噴油器偏心斜置。因此，如圖1二維視圖所示，燃燒室必須相對(duì)于氣缸軸線(xiàn)偏移。考慮到傳統(tǒng)柴油機(jī)中的軸對(duì)稱(chēng)發(fā)動(dòng)機(jī)是每缸四氣門(mén)配置，燃燒室中央垂直布置噴油器，噴油器軸線(xiàn)與氣缸軸線(xiàn)成一直線(xiàn)。必須通過(guò)對(duì)缸內(nèi)噴霧和燃燒過(guò)程進(jìn)行光學(xué)可視化和三維計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模擬，來(lái)量化燃燒室偏移和斜置噴油器布置中不平衡的燃料質(zhì)量流量對(duì)燃燒和排放的影響[1-5]。結(jié)果表明，非對(duì)稱(chēng)燃料流量和燃燒室偏移對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放存在負(fù)面影響。然而，對(duì)非對(duì)稱(chēng)燃料流量的補(bǔ)償措施或許沒(méi)有必要，因?yàn)槠鋵?duì)燃燒的影響程度似乎很低[1]。

圖1 四氣門(mén)(左)與兩氣門(mén)(右)柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)主要特征對(duì)比

對(duì)兩氣門(mén)柴油機(jī)的初始試驗(yàn)表明(圖2)，在高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)煙度(FSN)很高，這說(shuō)明噴霧滲透和空氣利用率受到了很大損害。對(duì)于兩氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道，流量測(cè)試臺(tái)的測(cè)量結(jié)果也得到了帶進(jìn)氣歧管和不帶進(jìn)氣歧管的渦流比的高靈敏性，其進(jìn)氣歧管和進(jìn)氣道之間強(qiáng)烈的相互影響在四氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)中很少見(jiàn)。因此可以表明，在兩氣門(mén)結(jié)構(gòu)配置中，它們之間具有更復(fù)雜的氣道-氣門(mén)-缸內(nèi)流量結(jié)構(gòu)和更強(qiáng)的相互作用。

圖2 在兩氣門(mén)柴油機(jī)上測(cè)量的發(fā)動(dòng)機(jī)FSN圖譜

因此，利用三維CFD模擬和分析來(lái)描述1.2 L的兩氣門(mén)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣歧管和進(jìn)氣道的性能，以確定造成強(qiáng)烈相互作用的根本原因，并評(píng)估潛在的改進(jìn)策略，從而為發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)提供指導(dǎo)。

首先集中對(duì)進(jìn)氣歧管性能進(jìn)行CFD評(píng)估。接下來(lái)，與基準(zhǔn)四氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，對(duì)兩氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了三維CFD分析。最后，研究了兩氣門(mén)多缸發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣歧管容積對(duì)流量和渦流的影響，并評(píng)估了改善流量均勻性，以及缸與缸之間流量變化的矯正計(jì)劃。

1 模型描述和工作條件

首先對(duì)四氣門(mén)參考發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行CFD計(jì)算，以設(shè)置基準(zhǔn)情況來(lái)模擬多缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管和氣道中的空氣流量，并定義評(píng)估指標(biāo)和建立分析程序。本研究中考慮的兩氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)具有與四氣門(mén)參考發(fā)動(dòng)機(jī)相同的缸徑/行程和壓縮比。發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)規(guī)格參數(shù)如表1所示。

使用CONVERGETM中的瞬態(tài)流場(chǎng)解算器進(jìn)行了基于雷諾平均數(shù)值模型(RANS)的模擬。 圖3顯示了4缸四氣門(mén)參考發(fā)動(dòng)機(jī)的表面模型，包括進(jìn)氣歧管、流道、節(jié)氣門(mén)和廢氣再循環(huán)(EGR)擴(kuò)散器。

圖3 用于瞬態(tài)流量模擬的多缸四氣門(mén)基準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)表面模型

如圖4所示，CONVERGETM使用經(jīng)過(guò)修改的切割單元格笛卡爾(Cartesian)網(wǎng)格生成方法[6]。在這項(xiàng)工作中使用了固定的嵌入網(wǎng)格細(xì)化。規(guī)定了2.0 mm的均勻的初始基本網(wǎng)格尺寸，并且在各種區(qū)域進(jìn)行了不同的局部網(wǎng)格細(xì)化處理。在整個(gè)氣門(mén)區(qū)域和內(nèi)部歧管處，網(wǎng)格尺寸精細(xì)至1 mm，在氣門(mén)表面和氣門(mén)座附近減小至0.5 mm。該網(wǎng)格有大約140 萬(wàn)個(gè)單元格。研究中使用的網(wǎng)格尺寸是由不同密度的網(wǎng)格敏感性研究來(lái)確定的。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于大于2.0 mm基準(zhǔn)網(wǎng)格尺寸的網(wǎng)格分辨率，可清楚地觀察到數(shù)值收斂性，并且預(yù)測(cè)的質(zhì)量流量與測(cè)量的數(shù)據(jù)相當(dāng)一致，表明流量分離被合理地捕捉。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)規(guī)格

圖4 四氣門(mén)參考發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門(mén)區(qū)域局部網(wǎng)格細(xì)化細(xì)節(jié)

在所有模擬中使用二階中心差分?jǐn)?shù)值方案進(jìn)行動(dòng)量傳輸。因?yàn)楸狙芯恐袥](méi)有考慮燃油噴射和燃燒過(guò)程，只有湍流模型(RNG k-ε模型)被打開(kāi)。對(duì)每種情況進(jìn)行多循環(huán)模擬，以檢查結(jié)果的收斂性。

這里考慮的是轉(zhuǎn)速3 750 r/min和高負(fù)荷的工況條件，開(kāi)發(fā)了系統(tǒng)級(jí)GT-Power模型用于生成三維CFD計(jì)算的邊界條件。表2列出了本研究中使用的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件和邊界條件。點(diǎn)火順序設(shè)定為1-3-4-2，其相位滯后角分別為：1號(hào)缸0°，3號(hào)缸+180°，4號(hào)缸+ 360°，2號(hào)缸+ 540°。

表2 用于三維CFD模擬的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件和邊界條件

2 進(jìn)氣歧管性能的評(píng)估指標(biāo)

對(duì)進(jìn)氣歧管性能的CFD評(píng)估，提出了以下評(píng)估指標(biāo)和參數(shù)：

(1)總量，總捕獲質(zhì)量(與體積效率相關(guān))，進(jìn)氣門(mén)關(guān)和上止點(diǎn)時(shí)的缸內(nèi)渦流比。

(2)流道入口橫截面處的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)(進(jìn)氣歧管出口)，其中包括平均流速、不均勻性指數(shù)和對(duì)于氣道軸線(xiàn)的角動(dòng)量。

缸內(nèi)渦流比定義為在z方向質(zhì)心的流動(dòng)角速度ω3(相當(dāng)于固體的旋轉(zhuǎn)角速度)與曲軸的角速度ω曲軸的比率。并且可以從角動(dòng)量和慣性矩計(jì)算出角速度[6]。

通過(guò)流道入口橫截面(進(jìn)氣歧管出口)的流場(chǎng)分析，可以提供更多關(guān)于進(jìn)氣歧管流動(dòng)行為及其與進(jìn)氣道和缸內(nèi)流場(chǎng)相聯(lián)系的詳細(xì)信息，并提出了3個(gè)參數(shù)，分別是平均流速Ui，不均勻性指數(shù)Ih和角動(dòng)量M1。

其中Ih和M1參數(shù)用來(lái)評(píng)估初始流場(chǎng)到進(jìn)氣道的均勻性和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，除了進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)和幾何形狀外，這兩個(gè)參數(shù)被認(rèn)為對(duì)氣道流場(chǎng)和缸內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)都有影響。在理想情況下(完全均勻，無(wú)旋轉(zhuǎn)流場(chǎng))，Ih= 0，MI= 0。

3 結(jié)果與討論

3.1 四氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)的流量分析

首先對(duì)四氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了總量檢測(cè)。圖5顯示了計(jì)算的總捕獲質(zhì)量和渦流結(jié)構(gòu)演化。根據(jù)觀察，需要多個(gè)循環(huán)來(lái)穩(wěn)定CFD流量結(jié)果。對(duì)于每個(gè)氣缸，需要4～6個(gè)循環(huán)，計(jì)算的捕獲質(zhì)量和渦流比才具有收斂性。

圖5 四氣門(mén)參考發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算的捕獲質(zhì)量和渦流結(jié)構(gòu)演化

對(duì)于被捕獲的質(zhì)量沒(méi)有明顯的變化(見(jiàn)圖5(a))。然而，在各氣缸之間發(fā)現(xiàn)計(jì)算渦流比有一定程度的變化。圖6比較了所有4個(gè)氣缸進(jìn)氣門(mén)關(guān)和上止點(diǎn)時(shí)的計(jì)算渦流比。在兩個(gè)正時(shí)點(diǎn)，1號(hào)缸和4號(hào)缸的計(jì)算渦流比略高于2號(hào)缸和3號(hào)缸。考慮到1號(hào)缸和4號(hào)缸的位置(在進(jìn)氣歧管的前端和后端)，因此可能與從歧管到進(jìn)氣道的急轉(zhuǎn)彎有關(guān)。四氣門(mén)基準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)的平均渦流比約為2.1。

圖6 在四氣門(mén)參考發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門(mén)關(guān)(a)和 上止點(diǎn)(b)時(shí)的計(jì)算渦流比

分析了在流道入口(進(jìn)氣歧管出口)橫截面處詳細(xì)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。圖7顯示了流場(chǎng)(最大氣門(mén)升程處，以速度大小著色)、計(jì)算的平均速度和不均勻性指數(shù)。基本上，所有氣缸的值都非常相似，表明在四氣門(mén)參考發(fā)動(dòng)機(jī)中沒(méi)有明顯的缸與缸之間的流量變化。雖然在圖7中仍然可以看出趨勢(shì)，即平均流速隨著壓力的降低而降低，并且在從4號(hào)缸移動(dòng)到1號(hào)缸(從進(jìn)氣歧管前端到后端)的流道入口處，不均勻性指數(shù)逐漸增加。與此相似，對(duì)于螺旋氣道軸線(xiàn)的計(jì)算角動(dòng)量如圖8所示。可以看出，所有氣缸的總角動(dòng)量保持在低水平，這表明流場(chǎng)在四氣門(mén)參考發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣歧管出口處沒(méi)有旋轉(zhuǎn)。由于所有氣缸的氣道幾何形狀相同，與其他兩個(gè)氣缸相比，1號(hào)缸和4號(hào)缸相對(duì)較高的角動(dòng)量被認(rèn)為是造成較高渦流比的原因，如圖6(b)所示。

圖7 在四氣門(mén)參考發(fā)動(dòng)機(jī)流道入口橫截面處的 計(jì)算平均速度和不均勻性指數(shù)

圖8 在四氣門(mén)參考發(fā)動(dòng)機(jī)流道入口橫截面處的 關(guān)于螺旋氣道的計(jì)算角動(dòng)量

圖9顯示了在2個(gè)切割平面上最大氣門(mén)升程處的缸內(nèi)流場(chǎng)(速度，大小，輪廓)。 通常情況下，除了2號(hào)缸和3號(hào)缸在氣缸中心具有相對(duì)較低的速度之外，在通過(guò)進(jìn)氣門(mén)中心線(xiàn)的切割平面中的所有氣缸的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)是相似的。此外，在所有氣缸的火力岸以下4 mm的切割平面上都存在類(lèi)似的渦流模式。

圖9 四氣門(mén)參考發(fā)動(dòng)機(jī)在通過(guò)進(jìn)氣門(mén)中心線(xiàn)(a)和火力岸 下方4 mm的切割平面(b)上，最大氣門(mén)升程處的速度大小輪廓

3.2 多缸兩氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)的流量分析

將相同的分析程序用于3缸兩氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)，并將結(jié)果與四氣門(mén)參考發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行比較。圖10顯示了1.2 L兩氣門(mén)柴油機(jī)的表面模型。氣門(mén)區(qū)域附近的網(wǎng)格細(xì)化和CFD設(shè)置中的參數(shù)數(shù)值與四氣門(mén)參考發(fā)動(dòng)機(jī)模擬中使用的相同。點(diǎn)火順序設(shè)置為1-2-3。相位滯后角分別為，1號(hào)缸0°，2號(hào)缸+ 240°，3號(hào)缸+ 480°。 對(duì)于每種情況也進(jìn)行了多循環(huán)模擬。在兩氣門(mén)和四氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)的比較氣道流量分析中，運(yùn)行條件保持恒定，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3 750 r/min，并使用表1中列出的相同的固定邊界條件。

圖10 多缸兩氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)表面模型

圖11 兩氣門(mén)和四氣門(mén)參考發(fā)動(dòng)機(jī)的捕獲質(zhì)量對(duì)比

圖11顯示了多達(dá)5個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)的兩氣門(mén)和四氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)的計(jì)算捕獲質(zhì)量。可以看出，對(duì)于每個(gè)單獨(dú)的氣缸，其結(jié)果在4至5個(gè)循環(huán)內(nèi)會(huì)具有收斂性。對(duì)于兩氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)，在被捕獲質(zhì)量方面沒(méi)有顯著的缸與缸之間的變化。此外，兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)之間的總捕獲質(zhì)量非常相似，這意味著通過(guò)采用更高的最大氣門(mén)升程和更長(zhǎng)的氣門(mén)打開(kāi)持續(xù)時(shí)間，在兩氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)中實(shí)現(xiàn)了相同水平的發(fā)動(dòng)機(jī)換氣和體積效率。圖12比較了多缸兩氣門(mén)和四氣門(mén)參考發(fā)動(dòng)機(jī)的計(jì)算渦流結(jié)構(gòu)演化。顯然，兩氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)目前采用的氣道設(shè)計(jì)具有更高的缸內(nèi)渦流比，這是由于在每缸兩氣門(mén)結(jié)構(gòu)中，高渦流通常通過(guò)單進(jìn)氣道產(chǎn)生。

圖12 兩氣門(mén)和四氣門(mén)參考發(fā)動(dòng)機(jī)的計(jì)算渦流結(jié)構(gòu)演化

圖13顯示了在兩氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管出口橫截面處，在最大氣門(mén)升程時(shí)的流場(chǎng)、計(jì)算平均速度、不均勻性指數(shù)和角動(dòng)量。圖7和圖8中的紅色水平線(xiàn)表示四氣門(mén)參考發(fā)動(dòng)機(jī)的平均值。與基準(zhǔn)四氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，由于進(jìn)氣道的橫截面積減小，兩氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)流道入口處的平均流速要高得多。更重要的是，兩氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)的不均勻性指數(shù)和角動(dòng)量也較大，說(shuō)明了進(jìn)氣歧管出口處有相對(duì)不均勻和旋轉(zhuǎn)的流場(chǎng)，兩氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)中觀察到進(jìn)氣歧管和氣道之間有強(qiáng)烈的相互作用。這與緊湊的歧管幾何形狀和進(jìn)氣道總橫截面面積減小有關(guān)。

圖13 兩氣門(mén)流道入口橫截面處的計(jì)算 平均速度、不均勻性指數(shù)和角動(dòng)量

對(duì)兩氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)流場(chǎng)(速度、大小、輪廓和最大氣門(mén)升程)進(jìn)行了檢查，結(jié)果如圖14所示。與四氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)相比(圖9)，在突出顯示的氣門(mén)附近區(qū)域處可識(shí)別出非常高的流速。在3個(gè)氣缸的中心可以發(fā)現(xiàn)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的一些細(xì)微差異。除此之外，氣門(mén)區(qū)域的高速流場(chǎng)是主導(dǎo)性的，并且在兩個(gè)切割平面處的所有氣缸的總體流場(chǎng)結(jié)構(gòu)非常相似。

圖14 對(duì)于兩氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)，在通過(guò)進(jìn)氣門(mén)中心線(xiàn)(a)和火力岸 下方4 mm(b)處的切割平面中，最大氣門(mén)升程處的速度大小輪廓

3.3 歧管充氣容積對(duì)兩氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)流量和渦流的影響

基于上述流量分析，與四氣門(mén)參考發(fā)動(dòng)機(jī)相比，在兩氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)中觀察到傳統(tǒng)緊湊型進(jìn)氣歧管會(huì)產(chǎn)生相對(duì)不均勻和旋轉(zhuǎn)的流場(chǎng)，并且與進(jìn)氣道產(chǎn)生強(qiáng)烈的相互作用。因此，提出了具有更大的充氣容積和更長(zhǎng)流道的新型進(jìn)氣歧管幾何形狀。針對(duì)幾何形狀設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)模型如圖15所示。然后對(duì)所提出的進(jìn)氣歧管(歧管2)進(jìn)行三維CFD評(píng)估，并將結(jié)果與兩氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)的原始設(shè)計(jì)(歧管1)進(jìn)行比較。流場(chǎng)模擬通過(guò)動(dòng)態(tài)邊界條件進(jìn)一步改善，以模擬實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件下的歧管和氣道流動(dòng)情況。

圖15 具有不同充氣容積的進(jìn)氣歧管CAD模型

動(dòng)態(tài)邊界條件由一維系統(tǒng)級(jí)GT-Power模型提供。作為示例，對(duì)于兩氣門(mén)轉(zhuǎn)速為3 750 r/min的發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)氣歧管入口和一體式排氣歧管出口處的動(dòng)態(tài)壓力如圖16所示。盡管在本研究中沒(méi)有直接對(duì)噴霧和燃燒進(jìn)行建模，但將多缸兩氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)中測(cè)量的散熱率放在CFD模型中，以獲得流場(chǎng)模擬中更精確的熱力學(xué)條件。

圖16 基于一維GT-Power模型的進(jìn)氣歧管入口和 一體式排氣歧管出口處的動(dòng)態(tài)壓力

圖17顯示了具有動(dòng)態(tài)邊界條件與傳統(tǒng)充氣容積(歧管1)的多氣缸兩氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)(第四和第五循環(huán))的計(jì)算捕獲質(zhì)量。對(duì)于每個(gè)氣缸和每個(gè)循環(huán)，排氣門(mén)開(kāi)啟后，附近存在額外的捕獲質(zhì)量(圓圈所示)。已證實(shí)，在排氣門(mén)開(kāi)啟的早期階段，排氣歧管壓力(動(dòng)態(tài)出口壓力)比氣缸壓力高出約0.06～0.07 MPa，從而引起一定程度的回流。

圖17 具有動(dòng)態(tài)邊界條件的多缸兩氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)的計(jì)算捕獲質(zhì)量

圖18比較了2個(gè)進(jìn)氣歧管的計(jì)算捕獲質(zhì)量及氣缸之間的相對(duì)變化。用歧管2獲得的捕獲質(zhì)量比歧管1的略低1%。在兩種情況下，氣缸之間捕獲質(zhì)量基本上沒(méi)有顯著變化，但是歧管2提供了更為均衡的結(jié)果。

圖19顯示了2個(gè)進(jìn)氣歧管情況下進(jìn)氣門(mén)關(guān)時(shí)的計(jì)算渦流比。看來(lái)，歧管2不會(huì)改變1號(hào)缸和2號(hào)缸的渦流比，而3號(hào)缸的渦流比則略低。此外，缸與缸之間渦流比沒(méi)有變化。

圖18 不同充氣容積進(jìn)氣歧管的計(jì)算捕獲 質(zhì)量及其相對(duì)變化的比較

圖19 不同充氣容積進(jìn)氣歧管在進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)的渦流比的比較

本研究中提出的評(píng)估指標(biāo)通過(guò)兩氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)的兩種進(jìn)氣歧管進(jìn)行了比較，見(jiàn)圖20。圖中四氣門(mén)基準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)果以供參考。首先，歧管2不影響氣道入口處的平均速度。兩氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)值幾乎是四氣門(mén)基準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)的兩倍。其次，歧管2的氣道入口處的流量比原來(lái)的歧管1更加均勻，并且降低到與四氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)相同的水平。缸與缸之間流量均勻性的變化也得到改善。此外，歧管2具有較低的角動(dòng)量。這不僅是由于其較大的充氣容積，而且還在于其有較長(zhǎng)的流道。

大容量歧管也在多缸發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)中進(jìn)行了評(píng)估。在全負(fù)荷和部分負(fù)荷關(guān)鍵點(diǎn)上，對(duì)于傳統(tǒng)型歧管1和歧管2進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)性能比較，見(jiàn)圖21。結(jié)果表明，與歧管1相比，采用歧管2的兩氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)提供了總體等效的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，在高轉(zhuǎn)速工況時(shí)略好，并在部分負(fù)荷時(shí)改善了燃油耗和排放。根據(jù)CFD分析顯示，全負(fù)荷時(shí)性能改善是由于氣道入口處具有更均勻的流動(dòng)條件，因此空氣利用率更高。在部分負(fù)荷時(shí)，由于歧管體積和表面積較大，從而能進(jìn)一步降低進(jìn)氣歧管溫度。

圖20 具有不同充氣容積的進(jìn)氣歧管的計(jì)算評(píng)估指標(biāo)：歧管出口 橫截面處的平均速度(a)，不均勻性指數(shù)(b)和角動(dòng)量(c)

圖21 兩氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)的進(jìn)氣歧管容量評(píng)估

4 結(jié)論

重點(diǎn)研究了多缸兩氣門(mén)柴油機(jī)的氣道-氣門(mén)-缸內(nèi)流量，并與四氣門(mén)參考發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了比較。進(jìn)行了CFD分析以評(píng)估歧管的設(shè)計(jì)性能，并研究了歧管充氣容積對(duì)兩氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)流量和渦流的影響，提出了用于進(jìn)氣歧管性能CFD評(píng)估的評(píng)估指標(biāo)，包括總量(捕獲質(zhì)量和缸內(nèi)渦流比)和用于描述流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的指標(biāo)(平均流速、不均勻性指數(shù)和氣道入口處氣道軸線(xiàn)的角動(dòng)量)。兩氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)比四氣門(mén)參考發(fā)動(dòng)機(jī)顯示出更高的渦流比。它還具有更大的平均流速、不均勻性指數(shù)和氣道入口處的角動(dòng)量，表明原始緊湊型歧管幾何形狀具有相對(duì)不均勻性和旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)。提出具有較大充氣容積和較長(zhǎng)流道的歧管，有助于改善氣道入口的流動(dòng)均勻性和缸與缸之間的流量變化。通過(guò)多缸發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了其優(yōu)點(diǎn)。