6.5 L 兩氣門柴油機(jī)螺旋進(jìn)氣道的開發(fā)與優(yōu)化

摘要：內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣道是影響缸內(nèi)流動特性的關(guān)鍵，對內(nèi)燃機(jī)的混合氣形成和燃燒過程具有決定性的作用。以某6.5 L 兩氣門柴油機(jī)為研究對象，基于數(shù)值模擬方法對其螺旋進(jìn)氣道進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并通過穩(wěn)態(tài)流動試驗驗證優(yōu)化效果。結(jié)果表明：構(gòu)建的數(shù)值模擬方法具有較高的精度和普適性；在不改變空間約束的基礎(chǔ)上，優(yōu)化后螺旋進(jìn)氣道的性能得到顯著提升。該結(jié)構(gòu)優(yōu)化可為提升同類內(nèi)燃機(jī)性能提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；進(jìn)氣道；數(shù)值模擬；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0 前言

國六排放標(biāo)準(zhǔn)全面實施后，我國車輛污染物排放標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格，與國五排放標(biāo)準(zhǔn)相比，國六排放標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于CO、非甲烷烴、氮氧化物、細(xì)顆粒物等的排放標(biāo)準(zhǔn)限值降低了40% 左右。在此背景下，以先進(jìn)燃燒技術(shù)、高增壓和小型化強(qiáng)化等為代表的內(nèi)燃機(jī)節(jié)能減排技術(shù)受到了廣泛關(guān)注［1］。油氣混合比決定燃燒質(zhì)量，影響內(nèi)燃機(jī)性能。進(jìn)氣道作為內(nèi)燃機(jī)的“咽喉”，其結(jié)構(gòu)直接關(guān)系到內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣充量的大小以及氣流進(jìn)入缸內(nèi)后的運(yùn)動強(qiáng)度，進(jìn)而影響缸內(nèi)混合氣的形成和燃燒過程，對于內(nèi)燃機(jī)整機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性及排放性能至關(guān)重要。

傳統(tǒng)的進(jìn)氣道設(shè)計開發(fā)是根據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行手工造型，以扣制的方式加工出氣道芯盒后，在穩(wěn)流試驗臺上進(jìn)行試驗和反復(fù)修改。產(chǎn)品多次迭代后，選出性能理想的氣道，再通過發(fā)動機(jī)臺架的整機(jī)性能測試，驗證和確定進(jìn)氣道的最終設(shè)計［2-3］。這種低效的人工設(shè)計方法已經(jīng)無法滿足內(nèi)燃機(jī)技術(shù)高速發(fā)展下進(jìn)氣道的開發(fā)需求。目前，進(jìn)氣道通常采用基于計算機(jī)技術(shù)的開發(fā)方法：首先，利用三維激光掃描儀（三坐標(biāo)測量機(jī)）對原始進(jìn)氣道進(jìn)行全方位的掃描測量，獲得云數(shù)據(jù)［4-5］；其次，對點云進(jìn)行曲面重構(gòu)建立進(jìn)氣道的三維模型；最后，采用數(shù)值模擬、穩(wěn)態(tài)試驗和臺架試驗方法對模型進(jìn)行修改，獲得滿足設(shè)計要求的進(jìn)氣道模型［6］。該方法具備周期短、成本低、風(fēng)險小等優(yōu)勢，應(yīng)用也較為廣泛。傳統(tǒng)和計算機(jī)模擬開發(fā)進(jìn)氣道的工作流程如圖1 所示。

內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣道開發(fā)過程中，通常采用穩(wěn)態(tài)流動試驗臺以及相關(guān)的評價方法進(jìn)行測量和計算，得出進(jìn)氣道性能評價參數(shù)，指導(dǎo)進(jìn)氣道的優(yōu)化開發(fā)。其中，流量系數(shù)用以評價進(jìn)氣道的進(jìn)氣能力，渦流強(qiáng)度用以評價缸內(nèi)氣流運(yùn)動的組織能力。隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的學(xué)者采用數(shù)值模擬的方法代替試驗進(jìn)行進(jìn)氣道性能的評價［7-11］，大大降低了時間和經(jīng)濟(jì)成本。通過計算機(jī)對流場特性的模擬研究，為進(jìn)氣道的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考依據(jù)。

本文搭建了一種具有較高精度和普適性進(jìn)氣道穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬方法，并針對某柴油機(jī)的螺旋進(jìn)氣道進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以探索未來內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣道的高效開發(fā)。

1 進(jìn)氣道穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬

1. 1 進(jìn)氣道性能評價

目前，尚無標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的進(jìn)氣道穩(wěn)流試驗評價方法。國內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的進(jìn)氣道性能評價方法包括Ricardo、FEV、SwRI 和AVL 評價方法［12-15］。本研究所用的TjUEngine-TUST 型氣道穩(wěn)流試驗臺可以同時實現(xiàn)上述4 種進(jìn)氣道性能評價方法。為了便于研究工作的開展，本次試驗選取Ricardo評價方法。

1. 2 數(shù)值模擬方法構(gòu)建

本次試驗研究的柴油機(jī)為一進(jìn)一排兩氣門柴油機(jī)，進(jìn)氣道為螺旋式，原始?xì)獾赖娜S模型如圖2所示。

首先，根據(jù)穩(wěn)流試驗臺的結(jié)構(gòu)構(gòu)建了螺旋進(jìn)氣道數(shù)值模擬計算域的三維模型。模型由進(jìn)氣穩(wěn)壓箱、進(jìn)氣道、氣門、氣門閥座和模擬氣缸組成。為了模擬穩(wěn)流試驗臺上的實際工況，采用半球形穩(wěn)壓箱，同時將缸蓋底平面下1.2D（D 為氣缸直徑）和1.75D 處的平面作為壓力監(jiān)測平面和渦流監(jiān)測平面，如圖3 所示。

螺旋進(jìn)氣道最終的體網(wǎng)格模型如圖4 所示。其中，體網(wǎng)格采用多面體網(wǎng)格，進(jìn)氣穩(wěn)壓箱處是尺寸為4.4 mm×4.4 mm 的粗網(wǎng)格，模擬氣缸處是尺寸為2.2 mm×2.2 mm 的中等網(wǎng)格，螺旋進(jìn)氣道主體處是尺寸為1.1 mm×1.1 mm 的細(xì)網(wǎng)格。邊界層網(wǎng)格有20 層，其中邊界層第1 層網(wǎng)格高度為0.01 mm，最終體網(wǎng)格的網(wǎng)格總數(shù)約為300 萬。

螺旋進(jìn)氣道數(shù)值模擬采用壓力基的穩(wěn)態(tài)計算模式。k-ω 雙方程湍流模型及其默認(rèn)的增強(qiáng)壁面處理模擬氣道中的氣流旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象。模型中流體工質(zhì)選擇空氣，邊界條件中定義入口為總壓入口，數(shù)值為大氣壓（101 325 Pa）；出口為靜壓出口，并保證氣道進(jìn)出口壓差與試驗值相同，這里選擇為3 500 Pa；其余壁面均為無滑移絕熱壁面，并且所有的邊界溫度均設(shè)定為293 K。求解算法則選用耦合算法，相比于分離式求解器，耦合式求解器對高速可壓流體的計算更有優(yōu)勢。針對擴(kuò)散項的梯度插值方法選擇精度較高的格林-高斯基于節(jié)點法，壓力插值方法選擇二階格式，密度、動量、湍動能、耗散率和能量的插值方法均選用二階迎風(fēng)格式。松弛因子采用默認(rèn)值。計算前模型基于出口邊界進(jìn)行初始化設(shè)置，采用默認(rèn)初始值。計算過程中對模型進(jìn)出口的質(zhì)量流率、壓力監(jiān)測面的靜壓及渦流監(jiān)測面的扭矩進(jìn)行監(jiān)測，時間尺度系數(shù)為5，最大迭代步數(shù)為500，并設(shè)置殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)為10-4。

1. 3 數(shù)值模擬方法驗證

在氣道穩(wěn)流試驗臺上對螺旋進(jìn)氣道開展了穩(wěn)態(tài)流動試驗。圖5 為天津大學(xué)TjUEngine-TUST型氣道穩(wěn)流試驗臺的結(jié)構(gòu)簡圖。該氣道穩(wěn)流試驗臺測量流量系數(shù)的相對誤差為±0.5%，測量渦流強(qiáng)度的相對誤差為±1%。

螺旋進(jìn)氣道流量系數(shù)和渦流強(qiáng)度在試驗和數(shù)值模擬中的對比結(jié)果如圖6 所示。由圖6 可知，氣道流量系數(shù)的數(shù)值模擬方法與穩(wěn)流試驗結(jié)果一致性良好，最大相對誤差為2.05%。雖然渦流強(qiáng)度的偏差依舊大于流量系數(shù)，但是在中高氣門升程下最大相對誤差小于11.52%，證明本研究數(shù)值模擬方法具有可信性。

為驗證20 層邊界層配合增強(qiáng)壁面處理的雙層壁面模型對渦流的預(yù)測精度，增加了標(biāo)準(zhǔn)壁面模型進(jìn)行對比分析。標(biāo)準(zhǔn)壁面模型包含2 層邊界層，壁面處理采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，結(jié)果如圖7 所示。

由圖7 可知，雙層壁面模型和標(biāo)準(zhǔn)壁面模型的預(yù)測相對誤差均在3% 以內(nèi)，但雙層壁面模型對渦流強(qiáng)度的預(yù)測能力明顯高于標(biāo)準(zhǔn)壁面模型。

為驗證數(shù)值模型策略的普適性，又選取了2 款柴油機(jī)（柴油機(jī)a 和柴油機(jī)b）的螺旋進(jìn)氣道進(jìn)行了CFD 數(shù)值模擬和芯盒穩(wěn)流試驗。3 個柴油機(jī)模型的螺旋進(jìn)氣道涵蓋了不同氣道結(jié)構(gòu)、組合形式、氣門布置方式、氣門數(shù)和缸徑等設(shè)計參數(shù)。3 個柴油機(jī)進(jìn)氣道模型的模擬策略基本相同，但考慮到缸徑的不同，采用了不同的網(wǎng)格尺寸。另外2 款柴油機(jī)螺旋式進(jìn)氣道的模擬結(jié)果如圖8 所示。

由圖8 可知，氣道穩(wěn)流數(shù)值模擬的流量系數(shù)最大相對誤差為3.11%。中高氣門升程下渦流強(qiáng)度偏大，但最大相對誤差控制在16.11%。這表明本研究數(shù)值模擬策略擁有良好的普適性和推廣性，氣道性能的預(yù)測精度相比國內(nèi)同類研究有顯著的提高。針對不同機(jī)型螺旋進(jìn)氣道，其流量系數(shù)的預(yù)測相對誤差小于3.5%，中高氣門升程下的渦流強(qiáng)度預(yù)測相對誤差小于17%。

2 進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2. 1 優(yōu)化潛力

本研究擬對兩氣門柴油機(jī)的螺旋進(jìn)氣道進(jìn)行優(yōu)化開發(fā)，以提高氣道的進(jìn)氣流通能力。然而，進(jìn)氣流通能力的提升受進(jìn)氣氣流運(yùn)動能力的制約，即提高進(jìn)氣道的流量系數(shù)一般都需要犧牲一部分的進(jìn)氣渦流。因此，本文采用氣道性能系數(shù)Cp評價氣道性能，從而避免開發(fā)過程中進(jìn)氣道整體性能的下降，其計算式為［15］：xx式中：Cp為閥門內(nèi)實際氣體速度與理想氣體速度之比；Cf為流量系數(shù)；D 為氣缸直徑，單位m；L 為氣門升程，單位m；NR 為湍流比；B 為氣門座圈內(nèi)徑，單位m；n 為進(jìn)氣門數(shù)量。

在各氣門性能參數(shù)不變的情況下，當(dāng)每個氣門升程的渦流強(qiáng)度均降低100% 時，最高氣門升程的流量系數(shù)可提高16.48%，最大理論平均流量系數(shù)提升幅度為8.22%。

2. 2 優(yōu)化過程

圖9 中框選區(qū)域為螺旋進(jìn)氣道的敏感區(qū)。該位置流通面積過小會導(dǎo)致進(jìn)氣阻力增大，氣道的流量系數(shù)降低，但有助于進(jìn)氣旋流的組織，能有效地提高進(jìn)氣道的渦流強(qiáng)度。因此，本研究技術(shù)路線是通過擴(kuò)大氣道的最小流通截面來增加氣道的流量系數(shù)。由圖9 可知，進(jìn)氣道凸臺高度為37 mm（距離缸蓋底面），排氣道凸臺高度為45 mm，因此可以通過提高凸臺的高度來擴(kuò)大氣道的最小流通截面。

優(yōu)化前后的進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)對比如圖10 所示，其中模型的深色部分為原進(jìn)氣道，淺色部分為優(yōu)化后的進(jìn)氣道，紅圈部分為結(jié)構(gòu)主要修改區(qū)域。由圖10可知，優(yōu)化方案在保證水套與氣道的壁厚和氣門導(dǎo)管不變的基礎(chǔ)上，提高了缸蓋內(nèi)殘余空間的利用率，且優(yōu)化后氣道凸臺整體上升了5 mm，增大了氣道的最小流通截面。

優(yōu)化前后進(jìn)氣道性能的數(shù)值模擬結(jié)果如圖11所示。由圖11 可知，優(yōu)化后進(jìn)氣道流量系數(shù)較原進(jìn)氣道提高了1.43%～8.00%；渦流強(qiáng)度較原進(jìn)氣道降低了8.60%～28.86%；優(yōu)化后氣道性能系數(shù)較原氣道提高了0.97%～4.91%。

2. 3 結(jié)果驗證

為驗證優(yōu)化后螺旋進(jìn)氣道的實用性，需要對優(yōu)化后的螺旋進(jìn)氣道進(jìn)行芯盒試驗驗證。基于優(yōu)化后螺旋進(jìn)氣道的三維模型進(jìn)行芯盒的數(shù)控加工，加工完成后將氣道芯盒固定于氣道穩(wěn)流試驗臺上開展穩(wěn)流試驗，試驗結(jié)果如圖12 所示。

由圖12 可知，優(yōu)化后進(jìn)氣道流量系數(shù)高于原進(jìn)氣道，提高率為0.35%～8.34%；渦流強(qiáng)度低于原進(jìn)氣道，降低率為11.26%～29.03%；平均流量系數(shù)提高了5%，渦流比降低了20.8%；且優(yōu)化后氣道性能系數(shù)始終高于原氣道，最大提高了4.28%。

3 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬方法對某兩氣門柴油機(jī)螺旋進(jìn)氣道開展了相關(guān)優(yōu)化研究，并得出以下結(jié)論：

（1） 所構(gòu)建的進(jìn)氣道穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬方法中，雙層壁面模型和標(biāo)準(zhǔn)壁面模型對氣道流量系數(shù)的預(yù)測精度相當(dāng)，但前者對渦流強(qiáng)度的預(yù)測能力顯著優(yōu)于后者。數(shù)值模擬方法擁有較高的精度和普適性。針對不同機(jī)型螺旋進(jìn)氣道，流量系數(shù)預(yù)測相對誤差小于3.5%，中高氣門升程下的渦流強(qiáng)度預(yù)測相對誤差小于17%。

（2） 在保證水套與氣道的壁厚和氣門導(dǎo)管不變的基礎(chǔ)上，提高了缸蓋內(nèi)殘余空間的利用率，將凸臺高度提高5 mm，增大氣道的最小流通截面，進(jìn)而實現(xiàn)增大氣道流量系數(shù)的目的。進(jìn)行芯盒試驗驗證，結(jié)果表明：優(yōu)化后的進(jìn)氣道在保證整體性能的基礎(chǔ)上，提高了進(jìn)氣流通能力。優(yōu)化后進(jìn)氣道流量系數(shù)提高了0.35%～8.34%，渦流強(qiáng)度降低了11.26%～29.03%，性能系數(shù)提高了0～4.28%，平均流量系數(shù)提高了5%，渦流比降低了20.8%。

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