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进气可变滚流系统应用于缸内直喷汽油机的数值模拟
徐智君;杜爱民;陈波宇;尹建民;李学伟;金则兵
【期刊名称】《车用发动机》
【年(卷),期】2012(000)003
【摘要】建立了缸内直喷(GDI)汽油机三维数值模型,在分析原机工作过程的基础上引入了可变进气滚流系统(VITS).首先采用稳态CFD方法对两种方案进行了分析,进气可变滚流系统工作时气门最大升程的流量系数降低56％,滚流比提高221％.然后对该发动机进气、压缩和油气混合过程进行了瞬态CFD分析,结果显示,可变进气滚流系统工作时,在缸内能形成更规则的大尺度漩涡,与原机相比燃油蒸发速度更快,混合气均匀性更好,适用于GDI发动机均质燃烧模式.
【总页数】5页(P63-67)
【作者】徐智君;杜爱民;陈波宇;尹建民;李学伟;金则兵
【作者单位】同济大学汽车学院,上海201804;同济大学汽车学院,上海201804;同济大学汽车学院,上海201804;泛亚汽车技术中心,上海201201;泛亚汽车技术中心,上海201201;泛亚汽车技术中心,上海201201
【正文语种】中文
【中图分类】TK413.44
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恩源;张小燕;刘斌
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4.4气门直喷汽油发动机可变滚流进气系统的试验研究 [J], 范佳琪;张振东;尹丛勃;郑伟
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低压缸内直喷汽油机进气动态特性建模仿真与实验验证
王齐英;胡东宁;刘娜
【期刊名称】《小型内燃机与摩托车》
【年(卷),期】2015(044)004
【摘要】根据直喷汽油机的实际工作过程,通过质量守恒方程、理想气体状态方程和速度-密度方程,运用平均值建模方法建立了电控燃油喷射汽油机进气管内空气动态特性模型,并且通过稳态试验数据确定了模型待定参数.然后用Matlab/Simulink 对模型做模拟仿真.最后分别在稳态和瞬态工况下将仿真结果与台架试验结果进行对比,分析模型能否满足控制过程的实时性要求.台架试验和仿真结果的对比表明:该模型精度高,无论是在稳态还是在瞬态工况下,都能很准确地预测进气流量,可用到有关空燃比控制的设计中.
【总页数】4页(P45-48)
【作者】王齐英;胡东宁;刘娜
【作者单位】天津大学内燃机研究所天津300072;天津大学内燃机研究所天津300072;天津大学内燃机研究所天津300072
【正文语种】中文
【中图分类】TK411+.24
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4气门汽油机进气道及缸内气流运动的三维数值模拟研究刘伟;张力【摘要】发动机缸内的气流运动对发动机的燃烧、排放物生成关系极大,是影响发动机性能的重要因素之一.为指导结构设计,研究缸内气流运动规律,利用计算流体力学(CFD)软件Fire对某4气门汽油机进气道及缸内流场进行了稳态及瞬态的三维数值模拟计算,着重阐述了滚流在缸内的形成及演变过程,及其湍动能的变化规律.稳态模拟结果和气道试验台试验结果吻合较好.采用动网格技术快速生成计算网格,瞬态模拟给出了缸内速度场和湍动能场,获得了较详细的流场信息.研究结果显示气道结构设计合理,缸内流场中出现明显的滚流,进气引起的明显滚流维持到了压缩终点,且高湍动能区位于火花塞附近,有利于火焰传播.【期刊名称】《汽车工程学报》【年(卷),期】2012(002)003【总页数】7页(P195-201)【关键词】汽油机;瞬态模拟;缸内流场;滚流;湍动能【作者】刘伟;张力【作者单位】重庆大学机械工程学院,重庆400030;重庆大学机械工程学院,重庆400030【正文语种】中文【中图分类】TK412近年来,随着能源和环境问题的日益突出，对内燃机性能的要求越来越高。
影响内燃机性能的因素很多，燃烧过程是最主要的影响因素，而缸内气流的运动对燃烧过程又有着重大影响。
进气过程中形成的进气涡流在压缩行程中受到压缩，与挤流相互作用形成上止点(TDC)附近的湍流流场。
这时的流动状态对发动机的动力性、经济性、燃烧噪声以及有害物质的产生都有极大的影响。
了解缸内气体的气流运动规律，对改善燃烧过程，进而提高发动机的动力性、经济性和降低排放具有重要意义[1]。
汽油机气道内气体的流动是三维、非定常、伴随有传热和摩擦等现象的可压缩流动。
滚流运动由于对汽油机稀燃性能具有重要影响而受到越来越多的关注[2]。
对于气道特性的研究，传统的方法是利用气道稳流试验台对气道进行稳态流动试验[3]，得到气道的流量系数、涡流比、滚流比等流动特性参数，但这些参数都是从宏观上反映气道的性能，而不能揭示微观细节的流动状况。
汽油机进气道流动特性的研究
杨荣荣;郑清平;张盼盼;黎明
【期刊名称】《内燃机与动力装置》
【年(卷),期】2016(033)004
【摘要】运用模拟软件针对4缸电控气道喷射汽油机的两种进气道方案分别进行了稳态模拟计算和瞬态模拟计算,通过对比分析两种结构气道的速度场、压力场、湍流场及滚流比的模拟结果,研究了两气道的流动特性差异.计算结果表明,方案二的气道结构在不同气门升程下均有较高的时流量系数,湍动能、进气压力和滚流比均较高,所以方案二是一种更优化的结构.
【总页数】5页(P48-51,56)
【作者】杨荣荣;郑清平;张盼盼;黎明
【作者单位】河北工业大学能源与环境工程学院,天津300401;河北工业大学能源与环境工程学院,天津300401;河北工业大学能源与环境工程学院,天津300401;河北工业大学能源与环境工程学院,天津300401
【正文语种】中文
【中图分类】TK413.4
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1.缸内直喷汽油机进气道流动特性的数值模拟 [J], 陈泓;张双;张宗澜
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涡轮增压直喷汽油机缸内流场、混合气形成和燃烧数值模拟及试验黄钰;葛蕴珊;王永军;魏丕勇;刘小平;孟云霞【摘要】建立了发动机3D模型,在发动机进气道上采用了一个滚流控制阀片,以控制发动机气流运动.通过计算流体力学(CFD)软件计算缸内流场随曲轴转角的演变和发展过程,评估了缸内的滚流运动和湍动能.模拟了在当量空燃比条件下缸内混合气的浓度场分布,分析了缸内燃烧过程.研究结果表明:采用滚流控制阀在2000r/min、0.2MPa和1750r/min全负荷工况下能够有效提升缸内滚流比,并且在压缩行程末期增强了湍动能,有助于提升燃烧速率,改善燃烧.通过设计特殊形式的活塞顶面,对喷雾进行引导,避免了燃油喷雾直接碰撞在缸壁.燃烧模拟的缸内压力曲线与实际发动机台架测试的结果吻合性较好.【期刊名称】《内燃机工程》【年(卷),期】2017(038)004【总页数】7页(P7-13)【关键词】内燃机;缸内直喷;缸内流场;喷射雾化;数值模拟【作者】黄钰;葛蕴珊;王永军;魏丕勇;刘小平;孟云霞【作者单位】北京汽车集团有限公司博士后工作站,北京 102206;北京理工大学,北京 100081;北京汽车集团有限公司博士后工作站,北京 102206;北京汽车集团有限公司博士后工作站,北京 102206;北京汽车集团有限公司博士后工作站,北京102206;北京汽车集团有限公司博士后工作站,北京 102206【正文语种】中文【中图分类】TK411+.2一般认为现代的汽油机缸内直喷技术起源于日本三菱公司在1980年左右开展的研究,当时的直喷已经采用电子控制和稀薄燃烧技术,之后奔驰、宝马和大众公司将采用此方案的发动机投入了批量生产。
缸内直喷稀薄燃烧发动机相比传统的气道喷射有更加精确和灵活的燃油喷射控制能力,缸内燃油喷射可以进一步降低缸内的燃烧温度,允许适当提升发动机的压缩比,从而提升发动机的燃烧效率,通过减少节流阀损失降低了泵气损失。
相比气道喷射汽油机,能够大幅降低燃油消耗[1-4]。
缸内直喷汽油机工作过程三维数值模拟谭文政;冯立岩;张春焕;田江平;隆武强;李骏;李金成;宫艳峰【期刊名称】《内燃机学报》【年(卷),期】2011(029)003【摘要】用三维CFD数值模拟软件对一台均质充量缸内直喷汽油机全负荷工况时的进气、压缩和混合气形成过程进行了三维瞬态数值模拟.分析了进气道内及气缸内的工质运动状态,研究了缸内滚流的形成和发展历程及其对混合气形成的影响,探讨了两种喷油定时所对应的燃油喷雾、混合气形成过程.结果显示,在现有条件下喷油开始时刻为420°CA所对应的点火时刻火花塞附近混合气形成质量好于喷油开始时刻为390°CA的情况,更利于着火和火焰传播.另外,为了进一步改善混合气质量,改进了燃烧室设计方案,并对新方案的混合气形成质量进行了对比分析.结果表明,与原方案相比新燃烧室方案的燃料蒸发速度更快,混合气均匀性更好.【总页数】8页(P221-228)【作者】谭文政;冯立岩;张春焕;田江平;隆武强;李骏;李金成;宫艳峰【作者单位】大连理工大学,内燃机研究所,辽宁,大连,116023;大连理工大学,内燃机研究所,辽宁,大连,116023;大连理工大学,内燃机研究所,辽宁,大连,116023;大连理工大学,内燃机研究所,辽宁,大连,116023;大连理工大学,内燃机研究所,辽宁,大连,116023;第一汽车集团公司技术中心,吉林,长春,130011;第一汽车集团公司技术中心,吉林,长春,130011;第一汽车集团公司技术中心,吉林,长春,130011【正文语种】中文【中图分类】TK411【相关文献】1.气体燃料船用主机工作过程三维数值模拟 [J], 冯立岩;田江平;翟君;隆武强2.内燃机工作过程三维两相反应流数值模拟 [J], 刘永丰;张文平;明平剑;倪大明;国杰3.GDI发动机工作过程三维数值模拟 [J], 冯帅;刘勇;金仁翰4.缸内直喷汽油机喷油及燃烧过程三维数值模拟 [J], 冯帅;刘勇;张骞;王志勋5.缸内直喷汽油机喷雾、混合气形成和燃烧过程的三维数值模拟 [J], 白云龙;王志;帅石金;王建昕因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
缸内直喷汽油机进气道流动特性的数值模拟作者：陈泓张双张宗澜
来源：《科技创新与应用》2016年第33期
摘要：以一款缸内直喷汽油机的进气道为研究对象，应用计算流体力学软件converge建立了三维稳态流动计算模型；针对不同的网格模型和进气道压差计算边界条件，分别仿真分析了进气道的性能。
研究结果表明，三维稳态模型计算得出的进气道滚流比、流量系数和试验结果吻合较好；而增加网格单元数量和改变进气道压差边界条件对进气道性能计算没有明显影响。
关键词：缸内直喷汽油机；进气道；三维模型；仿真分析
前言
缸内直喷汽油机的进气过程是非常复杂的三维流动，合理的气体流动组织对充气效率的提升、滚流比的增加、流量系数的增大至关重要。
滚流比和流量系数是评价进气道的两个关键参数。
气体流经进气道所产生的滚流比对决定着发动机燃烧速度的提升能力，而燃烧速度的提升能够有效提高发动机的热效率[1，2]。
对缸内直喷汽油机进气道的滚流比和流量系数等性能参数进行研究具有重要意义[3，4]。
文章采用计算流体力学软件converge对一款缸内直喷汽油机的进气道性能进行了仿真计算研，研究了不同气门升程下进气道滚流比和流量系数的变化趋势，对不同网格单元数量和不同压差计算边界条件的计算结果进行了对比分析。
1 进气道滚流比和流量系数计算方法
进气道滚流比和流量系数是评价气道性能的两个基本参数，二者之间存在矛盾的折中关系。
缸内直喷汽油机进气道设计需要保持一定流量系数的同时，尽可能提高滚流比。
进气道滚流比和流量系数的计算方法如式（1）和式（2）所示。
2 进气道三维仿真结果
2.1 converge模型建立
converge软件专门应用于与发动机相关的多维流动模拟，主要包括发动机气道分析、缸内流动计算与燃烧过程计算等。
文章所建立的converge进气道计算模型（图1和图2）的边界输入条件为：进口压力100000kpa；出口压力97500kpa；初始压力98000kpa；温度293.15K；湍流长度0.001m；初始湍动能1m2/s2。
2.2 仿真结果与试验结果对比分析
发动机在进气行程中，活塞下行，气门逐步打开，缸内形成负压，气流在气道的引导下形成有规律的流动，产生的滚流比可以保持到压缩行程末期破碎，为点火时刻火焰的传播提供充足的湍动能。
采用所建立的进气道三维稳态仿真模型，计算了不同气门升程下（hv=1.00mm～9.50mm）的进气道性能。
气缸轴线速度与平均速度的比值分布以及各个气门升程下的滚流比和流量系数如图3所示。
图4和图5给出了进气道滚流比和流量系数计算结果与试验结果的对比。
从图3可以看出，所计算的滚流比趋势与试验结果相吻合较好，气门升程大于3mm时，计算结果与试验结果吻合更好，这主要是由于气门升程小于3mm时，流动不稳定性的增加导致计算模型出现偏差。
而图4的流量系数计算结果和试验吻合较好，基本没有偏差。
同时，应用公式（1）和式（2）计算出了计算和试验的平均滚流比和平均流量系数，结果如表1所示。
表1的结果表明，平均滚流比计算值与试验值误差为4.1%，而流量系数则为2.1%，这说明所建立的三维稳态计算模型能够较为精确的计算进气道的滚流比与流量系数。
3 计算边界条件对仿真结果的影响
在气道试验台上，测量气道滚流比时，采用的压差（△p）为2kpa，但在仿真计算中，过小的压差会导致流动不稳定，计算收敛性变差，因此研究了不同压差边界条件对滚流比计算结果的影响。
同时，对不同的基本网格尺寸（basegrid）、自适应加密（AMR）、区域加密（Embedding）和边界层加密（Gridscal）指数对计算结果的影响进行了研究，结果如图6所示。
从图6可以看出，压差边界条件为2.7kpa、2.3kpa和2.5kpa时，气道的滚流比、轴向速度与平均速度比值分布没有明显变化；而且改变网格数量和加密指数，滚流比计算结果基本一致。
这表明，压差在一定范围内变化不会影响滚流比，同时网格数量达到一定要求时，增加网格单元数，基本不影响计算结果。
综合考虑计算时间和计算资源，选用压差2.5kpa、基本网格尺寸0.008mm、自适应加密（AMR）、区域加密（Embedding）和边界层加密（Gridscal）指数均为1的计算边界条件比较合理。
4 结论
（1）converge软件建立的三维稳态计算模型能够较为精确的模拟进气道性能，平均滚流比计算值与试验值误差为4.1%，而平均流量系数则为2.1%。
（2）进气道计算压差、网格单元数等边界输入条件对模型计算精度没有明显影响。
（3）采用进气道压差边界条件为2.5kpa，网格基本尺寸为
0.008mm，自适应、区域加密和边界层加密指数均为1的网格参数能够在保证计算精度的同时，节省计算时间和计算资源。
参考文献
[1]蒋德明.高等车用内燃机原理[M].西安：西安交通大学出版社，2006.
[2]杨嘉林.车用汽油机发动机燃烧系统的开发[M].北京：机械工业出版社，2009.
[3]张小矛，高卫民，辛军，等.进气道对缸内直喷增压汽油机性能的影响[J].内燃机工程，2006，29（4）：300-306.
[4]张小矛，信曦，杨洋，等.进气道和燃烧室形状对汽油机燃烧特性影响的预测[J].上海汽车，2016，8：40-45.。
