某柴油机进气道数值分析及试验对比

miaoxiao

　　通过模拟分析和试验方式来优化进气道和燃烧室，使其产生高的流量系数和涡流比，成为目前柴油机燃烧过程的关键技术之一。为了得到某型柴油机进气道的性能，本文通过模拟计算和试验两种方法对该气道进行研究。
　　在进气过程中，柴油机进气道形成的涡流可以使得柴油和空气更好地混合，增加湍流强度和湍流动能，大大提高火焰传播速率，从而改善发动机的性能。通过模拟分析和试验方式来优化进气道和燃烧室，使其产生高的流量系数和涡流比，成为目前柴油机燃烧过程的关键技术之一。
　　进气道的三维数值模拟
　　1. 计算参数输入
　　此次计算气道所匹配的柴油机最大气门升程在9mm左右，为了全面掌握此机型进气道的性能指标，试验共采用9个气门升程工况点，其对应的气门升程值分别是1～9mm。模拟计算的工况点和试验工况点完全相同。
　　计算中假设流动是可压缩的，湍流模型选用k-ζ-f模型，与之匹配的壁面处理方式选择Hybrid Wall Treatment。
　　2. 数模和网格模型
　　本次计算域模型是参考AVL的稳流气道试验台得到的，气道的入口处增加了一个半球形的稳压腔，用于模拟大气环境，其直径为缸径的2倍，模拟气缸长度为缸径的2.5倍（见图1）。利用AVL Fire软件自带的Hybrid Assistant进行体网格划分。网格模型包括稳压腔、进气道和模拟气缸。主网格尺寸为2mm，并对进气道、气门座圈及气门等部位进行不同程度的加密处理。
　　

　　3. 边界条件
　　边界条件的设置参考了AVL气道试验台的实际试验工况。设置进气入口为总压边界，并设总压为1.0×105Pa。出口为静压边界，小气门升程（≤3mm）出口压力设为9.5×104Pa，进出口压差为5000Pa；大气门升程（
　　3mm）出口压力设为9.6×104Pa，进出口压差为4000Pa。进出口温度均为313K。其他表面设为壁面边界条件。4. 初始化条件
　　设置初始压强值p为9.9×10^4Pa，初始密度ρ为1.13kg/m3，温度为313K。
　　进气道试验
　　缸内涡流宏观研究测量方法即稳流气道试验台，主要包括叶片风速仪测量法（见图2）和涡流动量计法（见图3）。
　　

　　图2  叶片风速仪测量法
　　图2中柴油机气道内的气流进入气缸内部，形成涡流。在气缸盖以下1.75倍缸径处，安装一个叶片。叶片在涡流作用下进行旋转，气缸中叶片转动的切向速度与轴向速度的比值即为涡流比。
　　图3中柴油机缸盖安装在试验台面上。起动风机，提供试验所需的压力源。进气道内的气流进入气缸内形成涡流。动量计测量涡流的强度。气道压差传感器、气门升程传感器、转矩传感器和流量计分别测量进气道压力差、气门升程、转矩值和流量值。然后将这些数据反馈给数据采集仪，通过计算机控制整个系统的正常运转。
　　

　　图3  涡流动量计法
　　本文中流量系数和涡流比的试验值均是在涡流动量计法稳流气道试验台获得的。
　　模拟与试验结果
　　1.流量系数和平均流量系数
　　本次计算的流量系数统计采用了国内比较通用的AVL方法。从流量系数分布图可以看出，流量系数模拟值曲线和试验值曲线趋势一致，均随着气门升程的增加而增大。在小气门升程下流量系数值增长趋势明显，随着气门升程的增加流量系数增长趋势变缓。在测试的最大气门升程工况点，流量系数的试验值达到0.67，该进气道的流量系数适中。进气道流量系数的试验值低于模拟值，这是由于模拟分析是在理想状况下进行计算的，而试验中涡流动量计等部件会存在一定的阻力，导致试验测得的流量系数偏低。
　　进气道平均流量系数模拟值和试验值分别为0.307和0.289。其模拟值高于试验值，这也与各个工况点下流量系数的模拟值与试验值趋势相一致。
　　2.涡流比和平均涡流比
　　涡流的稳态研究一般是在距缸头1.75倍缸径的面上以平行于气缸轴线的线为中心轴的一个旋流，定义为涡流。涡流比主要是依据在这个平面上速度的切向分量（与气缸轴平行的速度分量）计算出的。从涡流比分布图可以看出，涡流比模拟值和试验值随着气门升程的增加变化趋势一致，均是随着气门升程的增加而减小。在小气门升程时，涡流比值较高，这是由于小气门升程时，气流流通面积小，气门前后压力差大，导致气体流速高，缸内气流旋转速度大。随着气门升程的增大，涡流比逐渐减小。大气门升程时，涡流比相对较稳定。
　　进气道涡流比的试验值高于模拟值。这是由于涡流比和流量系数成反比，流量系数越大，涡流比越小。
　　前述流量系数模拟值高于试验值，所以涡流比模拟值小于试验值。
　　计算得到的进气道平均涡流比模拟值和试验值分别为1.98和2.12。其模拟值低于试验值，这也与各个工况点下涡流比的模拟值与试验值趋势相一致。
　　3.缸内气流
　　图4所示为典型的三种工况下缸内气流流动迹线图。红色椭圆内代表经左侧气门进入缸内的流动状况，红色箭头代表经右侧气门进入缸内的流动状况。
　　

　　图4  典型的三种工况下缸内气流流线
　　工况1为小气门升程，此时气门开度仅1mm，气流主要绕气门表面进入气缸内部，此时前面所述的气门座圈倒角对提高涡流比作用明显。从图中可以看出，气流经左右两个进气门形成一个绕气缸轴线的强烈漩涡。工况5为中气门升程，最高达到5mm，此时气门升程增加，气流经左右两侧气门进入气缸内部形成的漩涡没有小气门升程时规则，气门座圈倒角对气流的导向作用减小，经右侧气门进入的气流对经左侧气门进入的气流形成的干涉加大，导致涡流比减小。工况5为大气门升程，达到最大值9mm，此时气门座圈倒角对气流的导向作用基本消失，气流经过两侧气门与座圈之间的宽阔空间进入气缸内部。经右侧气门进入缸内的气流与经左侧气门进入缸内的气流相互干扰严重，导致涡流比进一步减小，需要通过优化气门座圈和气门结构来避免。
　　结语
　　柴油机进气过程中形成的涡流对柴油机的性能有很大影响。本文通过结合模拟分析，结合试验对比两种方法对进气道性能的研究，得出以下结论：
　　（1）随着气门升程增加，流量系数与涡流比的各自模拟值与试验值的变化趋势均保持一致；
　　（2）流量系数模拟值稍大于试验值，而涡流比模拟值稍小于试验值；
　　（3）本柴油机的气门座圈倒角在小气门升程时对提高涡流比有明显作用，但在大气门升程时没有作用，需要优化气门座圈和气门结构。(end)
　　

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