柴油機進氣門結(jié)構(gòu)優(yōu)化對燃燒特性的影響

簡文鐸，張韋，解禮兵，孟麗蘋，李臻卓，張翔宇

(昆明理工大學(xué)云南省內(nèi)燃機重點試驗室，云南 昆明 650500)

隨著國內(nèi)排放法規(guī)的日趨嚴格，發(fā)動機高效清潔燃燒成為研究熱點。發(fā)動機進氣系統(tǒng)、燃油噴射系統(tǒng)及燃燒室三者之間的相互匹配控制著發(fā)動機的缸內(nèi)燃燒過程。缸內(nèi)氣流運動狀態(tài)取決于進氣流動特性，影響油氣混合質(zhì)量，進而影響發(fā)動機功率輸出。進氣過程中，發(fā)動機的氣門結(jié)構(gòu)、氣門升程和配氣相位均影響進氣流動特性，提升缸內(nèi)充量和有效組織缸內(nèi)的氣流運動能促進油氣充分混合、優(yōu)化缸內(nèi)燃燒和降低排放。進氣門作為進氣系統(tǒng)的重要零件，其幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)影響進入缸內(nèi)氣體的流向和流速，進而影響發(fā)動機缸內(nèi)充量和氣流運動狀態(tài)，最終影響發(fā)動機燃燒性能。優(yōu)化進氣門結(jié)構(gòu)，合理組織缸內(nèi)氣流運動，能改善油氣混合、缸內(nèi)燃燒和排放特性。

國內(nèi)外研究者從發(fā)動機進氣道、噴油參數(shù)及燃燒室結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面來改善缸內(nèi)氣流運動，提高油氣混合質(zhì)量，促進缸內(nèi)燃料充分燃燒，降低污染物的排放。雷基林等通過數(shù)字化建模軟件構(gòu)建出螺旋氣道數(shù)字化三維模型，分析了柴油機螺旋氣道的關(guān)鍵幾何結(jié)構(gòu)對氣道流通性能的影響。Zhang等通過可視化氣道穩(wěn)流試驗研究氣道-氣缸的近壁面流動分布特性，并結(jié)合多目標(biāo)優(yōu)化方法對螺旋進氣道的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化。基于臺架試驗數(shù)據(jù)，樓狄明等運用響應(yīng)面法，構(gòu)建了某柴油機瞬態(tài)過程噴油參數(shù)與性能的數(shù)學(xué)模型，基于此模型，采用遺傳算法研究瞬態(tài)過程噴油參數(shù)對發(fā)動機的燃燒與排放的影響。Motlagh等以柴油-天然氣發(fā)動機為研究對象，優(yōu)化其噴油參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)：減小柴油機的第一次噴射量，使得缸內(nèi)油氣充分混合，能提高發(fā)動機的效率和最大壓力升高率；噴霧錐角對混合氣的形成、缸內(nèi)燃燒過程和排放特性有很大影響。因此，優(yōu)化噴射參數(shù)能改善缸內(nèi)油氣形成質(zhì)量，提高發(fā)動機性能，降低污染物的排放。龔鑫瑞等利用CFD軟件，開展了燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)對柴油機排放特性的影響研究，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)減小口徑比、增大敞口角可以減少Soot與NO的排放。為了改善柴油機的燃燒特性，Yuan等提出了一種新型燃燒室結(jié)構(gòu)，在壓縮行程，缸內(nèi)氣流被上行的活塞壓縮進入燃燒室，在燃燒室內(nèi)形成渦流，這有益于柴油的混合和燃燒。上述研究主要集中在缸內(nèi)氣流運動對混合氣形成、燃燒及排放的影響。進氣門是進氣系統(tǒng)的重要零件，對進入缸內(nèi)的氣流有導(dǎo)流作用，其結(jié)構(gòu)參數(shù)對缸內(nèi)混合氣形成質(zhì)量有很大影響，進而影響燃燒與排放性能。對進氣門關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，可改善缸內(nèi)油氣混合質(zhì)量。

本研究采用氣道穩(wěn)流試驗、CFD數(shù)值模擬，結(jié)合正交試驗設(shè)計方法，研究YN單螺旋進氣道柴油機進氣門的氣門錐角、氣門背錐角和氣門背面圓弧半徑3個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對進氣性能的影響，并通過試驗設(shè)計方法優(yōu)化原機氣門結(jié)構(gòu)，分析結(jié)構(gòu)優(yōu)化對缸內(nèi)氣流運動和缸內(nèi)燃燒的影響，可為內(nèi)燃機進氣門結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

1 氣道穩(wěn)流試驗臺搭建及模型構(gòu)建

1.1 氣道穩(wěn)流試驗臺搭建

發(fā)動機氣道穩(wěn)流試驗是研究和分析氣道性能的重要手段。通過測量不同氣門升程下的缸內(nèi)流量系數(shù)和渦流比，可驗證CFD計算結(jié)果。氣道穩(wěn)流試驗為定壓差(2.5 kPa)的試驗，氣道穩(wěn)流試驗臺見圖1。

圖1 氣道穩(wěn)流試驗臺

試驗中，通過流量系數(shù)和渦流比評價氣道的進氣性能，分別評估氣道的進氣流通性能和缸內(nèi)渦流強度。在定壓差2.5 kPa的穩(wěn)流試驗中，通過測量缸內(nèi)的進氣量與葉輪轉(zhuǎn)速，根據(jù)以下公式計算出流量系數(shù)和渦流比。

流量系數(shù)計算公式為

(1)

式中：為實際進氣質(zhì)量流量；為理論進氣質(zhì)量流量。

渦流比計算公式為

(2)

式中：為葉輪葉片轉(zhuǎn)速；為發(fā)動機轉(zhuǎn)速。

1.2 CFD模型構(gòu)建及驗證

本研究選取YN單螺旋進氣道柴油機為研究對象，發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)見表1。利用UG構(gòu)建穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的三維實體模型，通過 CFD軟件構(gòu)建網(wǎng)格模型，網(wǎng)格劃分的平均網(wǎng)格尺寸為0.625～5 mm，對氣門、氣門座關(guān)鍵部位進行固定網(wǎng)格加密，加密等級為2，網(wǎng)格總數(shù)為100萬(見圖2)。發(fā)動機試驗臺架見圖3。

表1 發(fā)動機技術(shù)參數(shù)

圖2 穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)CFD網(wǎng)格模型

圖3 發(fā)動機試驗臺架

在CFD穩(wěn)流計算中，氣體運動狀態(tài)方程選擇Redlich-Kwong，氣體湍流模型選取RNG k-epsilon，穩(wěn)流CFD計算的邊界條件見表2。

表2 CFD穩(wěn)流試驗邊界條件設(shè)置

圖4示出原機流量系數(shù)和渦流比的模擬值與試驗值對比。從圖4可見，模擬值與試驗值的誤差均在5%以內(nèi)，表明穩(wěn)流仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的一致性較好，所構(gòu)建的CFD模型及邊界條件可滿足計算要求。

圖4 渦流比與流量系數(shù)隨氣門升程的變化

選取2 000 r/min、100%負荷作為CFD瞬態(tài)計算的工況。CFD模型的基礎(chǔ)網(wǎng)格大小為4 mm，對氣缸區(qū)域進行自適應(yīng)網(wǎng)格加密，對氣門、氣門座等區(qū)域采用固定網(wǎng)格加密。進排氣門升程曲線見圖5，計算初始條件根據(jù)表3進行設(shè)置，相關(guān)子模型的選擇見表4。

圖5 進排氣門升程曲線

表3 初始條件參數(shù)及數(shù)值

表4 CFD子模型

圖6示出發(fā)動機的缸內(nèi)壓力和進氣質(zhì)量流量的計算值與試驗測量值對比。由圖可見，各組曲線一致性較好，表明所構(gòu)建的CFD瞬態(tài)模型、設(shè)置的初始條件及選擇的子模型均滿足計算要求。

圖6 CFD瞬態(tài)模型驗證

2 氣門結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 氣門關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對進氣性能的影響

進氣門主要由2個部分構(gòu)成：氣門桿與氣門圓盤，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有氣門錐角、氣門背錐角、氣門背面圓弧半徑和氣門盤半徑等，結(jié)構(gòu)參數(shù)見圖7。

圖7 氣門結(jié)構(gòu)參數(shù)示意

本研究選取氣門錐角、氣門背錐角和氣門背面圓弧半徑3個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，研究氣門結(jié)構(gòu)參數(shù)對進氣性能的影響。分別選取氣門錐角40°，45°和50°，氣門背錐角22°，27° 和32°，氣門背面圓弧8 mm，12 mm和16 mm開展研究，并通過試驗設(shè)計方法優(yōu)化原機氣門結(jié)構(gòu)。

圖8示出了氣門錐角對流量系數(shù)和渦流比的影響。由圖8可見，氣門錐角減小，氣體流通面積變大，氣體流動阻力減小，故流量系數(shù)和渦流比值隨著氣門錐角的減小而增加，當(dāng)氣門錐角為35°時，流量系數(shù)和渦流比提升最大。

圖8 渦流比與流量系數(shù)隨氣門錐角的變化

圖9示出了氣門背錐角對流量系數(shù)和渦流比的影響。由圖9可見，氣門背錐角對進氣性能的影響較小，中高氣門升程下，當(dāng)氣門背錐角減小為22°時，渦流比有所提升，但相比氣門錐角的影響，增幅較小。

圖9 渦流比與流量系數(shù)隨氣門背錐角的變化

圖10示出了氣門背面圓弧半徑對流量系數(shù)和渦流比的影響。氣門背面圓弧是連接氣門桿與氣門背錐角的過渡圓弧，對進氣具有一定的導(dǎo)流作用。中高氣門升程下，氣門背面圓弧半徑為8 mm和16 mm時，流量系數(shù)均有提升，隨著氣門升程增加，流量系數(shù)增幅變緩。高氣門升程下，氣門背面圓弧為8 mm時，渦流比有提升，其影響程度介于氣門錐角和氣門背錐角之間。

圖10 渦流比與流量系數(shù)隨氣門背面圓弧半徑的變化

2.2 氣門結(jié)構(gòu)參數(shù)正交試驗

原機氣門錐角為40°，氣門背錐角為27°，氣門背面圓弧半徑為12 mm。根據(jù)上述研究，選取各因素的三個水平開展正交試驗研究：為35°，40°，45°；為22°，27°，32°；為8 mm，12 mm，16 mm。試驗方案見表5。將各因素依次命名為(氣門錐角)、(氣門背錐角)、(氣門背面圓弧半徑)，1為流量系數(shù)，2為渦流比。

表5 L9(33)正交試驗方案及結(jié)果

續(xù)表

正交試驗結(jié)果的數(shù)據(jù)分析見表6。表6中表示各因素水平值相同下對應(yīng)指標(biāo)的總和，表示對應(yīng)的平均值。

表6 L9(33)正交試驗結(jié)果數(shù)據(jù)分析

依據(jù)公式=max(-)，分析各因素對進氣性能影響的程度。對于流量系數(shù)，=0.004，=0.005，=0.001。因此，各因素對流量系數(shù)的影響由大到小依次為氣門背錐角，氣門錐角，氣門背面圓弧半徑。111氣門結(jié)構(gòu)組合(為35°，為22°，為8 mm)可以得到較優(yōu)的進氣流量系數(shù)，相比原機，該組合下流量系數(shù)最大增幅不超過1%，因為對進氣性能的影響很小，故不對該組合展開后續(xù)研究。

對于渦流比，=0.032，=0.009，=0.001。因此，各因素對渦流比的影響由大到小依次為氣門錐角，氣門背錐角，氣門背面圓弧半徑。222氣門結(jié)構(gòu)組合(為35°，為27°，為16 mm)可以得到較優(yōu)的渦流比，以此為優(yōu)化模型。優(yōu)化模型與原機的CFD穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果見圖11，氣門結(jié)構(gòu)草圖和實體模型見圖12。

圖11 原機與優(yōu)化模型的流量系數(shù)和渦流比對比

圖12 原機、優(yōu)化模型的氣門結(jié)構(gòu)草圖與實體模型

3 基于優(yōu)化模型的缸內(nèi)流場和燃燒研究

3.1 氣門結(jié)構(gòu)優(yōu)化對缸內(nèi)流場的影響

構(gòu)建氣道-氣門-氣缸-燃燒室CFD模型，計算進氣-壓縮過程。原機與優(yōu)化模型的缸內(nèi)進氣量、渦流比和湍動能計算結(jié)果見圖13與圖14。比較得出，優(yōu)化原機氣門結(jié)構(gòu)，在進氣量小幅提升的情況下，可使渦流比明顯增大。渦流比增大有利于組織缸內(nèi)的氣流運動，減少缸內(nèi)的湍流運動，這有益于缸內(nèi)渦流的形成。

圖13 原機與優(yōu)化模型的渦流比和進氣量

圖14 原機與優(yōu)化模型的缸內(nèi)湍動能

選取-180°曲軸轉(zhuǎn)角(進氣下止點)和0°曲軸轉(zhuǎn)角(壓縮上止點)時刻進行缸內(nèi)流場分析，切片位置見圖15。原機與優(yōu)化模型缸內(nèi)和燃燒室的速度矢量切片圖見圖16和圖17。與原機相比，在進氣下止點，優(yōu)化模型的速度場分布均勻，氣門結(jié)構(gòu)的優(yōu)化有效組織了缸內(nèi)的氣流運動，缸內(nèi)局部渦團減小，湍動能下降，進而改善了缸內(nèi)的渦流運動；在壓縮上止點，優(yōu)化模型的平均流速高，說明氣門結(jié)構(gòu)優(yōu)化減小了進氣阻力和進氣能量損失。優(yōu)化模型的渦心更靠近氣缸中心，可促進缸內(nèi)油氣均勻混合。

圖15 進氣下止點和壓縮上止點的切片位置

圖16 進氣下止點缸內(nèi)X、Y流場切片

圖17 壓縮上止點缸內(nèi)Z1、燃燒室Z2流場切片

3.2 氣門結(jié)構(gòu)優(yōu)化對缸內(nèi)燃燒的影響

在2 000 r/min、100%負荷工況，單缸循環(huán)噴油量54 mg/cyc下，計算原機與優(yōu)化模型從進氣到排氣4個沖程的CFD瞬態(tài)過程，分析氣門結(jié)構(gòu)優(yōu)化對缸內(nèi)燃燒與排放的影響，計算結(jié)果見圖18和圖19。由圖18可見，相比原機，優(yōu)化模型的進氣性能較好，進氣渦流的增加可有效組織缸內(nèi)的氣流運動，改善油氣混合質(zhì)量，促進燃料充分燃燒。這使得優(yōu)化模型的缸內(nèi)瞬時放熱率略有提升，累計放熱量增多。由圖19可見，相比原機，氣門結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，缸內(nèi)油氣混合更加均勻，燃料完全燃燒，缸內(nèi)溫度升高，使得NO的排放有所增加，相反，Soot的排放減少，二者變化呈treat-off關(guān)系。

圖18 原機與優(yōu)化模型的放熱率和累計放熱量

圖19 原機與優(yōu)化模型的排放對比

4 結(jié)論

a) 氣門錐角對進氣性能的影響最顯著，其次是氣門背錐角和氣門背面圓弧半徑；

b) 對3個關(guān)鍵氣門結(jié)構(gòu)進行正交試驗，得到優(yōu)化模型(為35°，為27°，為16 mm)；相比原機，優(yōu)化模型在缸內(nèi)進氣量小幅提升的情況下，可實現(xiàn)渦流比明顯增加；

c) 優(yōu)化原機氣門結(jié)構(gòu)，能有效組織缸內(nèi)的氣流運動，促進油氣充分混合，有益于改善缸內(nèi)的燃燒和排放；相比原機，優(yōu)化模型燃燒后的缸內(nèi)放熱量增加，Soot排放減少，NO排放略有增加。