超高滚流对高热效率汽油机燃烧过程影响研究

第39卷第2期 2018年P月内燃机工程Chinese Internal Combustion Engine EngineeringVol. 39 No. 2 April. 2018文章编号！ 1000 — 0925(2018) 02 — 0029 — 06 390019超高滚流对高热效率汽油机燃烧过程影响研究张满富12，祖炳锋12，王振S徐玉梁12，刘丽娜S白杨1(1.天津大学内燃机研究所，天津300072(.天津大学机械工程学院，天津300072)A Study on the Effect of Ultrahigh Tumble on the Combustion System of a High Thermal Efficiency Gasoline EngineZHANG Manfu1 2 ,ZU Bingfeng1 2 ,WANG Zhen1 ,XU Yuliang1 2 ,LIU Li,na1 ,BAI Yang1(1. Internal Combustion Engine Research Institute，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)Abstract ； Numerical simulation of the gasoline engine working process is carried out with one­dimensional and three-dimensional sott-ware based on a natural aspiration direct injection engine with high compression ratio to analyze the trend and effect of the ultrahigh tumble intake system on combustion performance in combustion system of high thermal efficiency. Three kinds of in-take port with different tumble ratio and four kinds of calculation cases are designed in the study. Comparisons of transient tumble ratio，transient turbulence energy， velocity field in cylinder， equivalence ratio, heat release rate and meanpressure in cylinder among different cases are made. Results show that the tumble ratio affects thedistribution of the gas mixture in cylinder and the strength of the turbulence energy. Higher tumhelp keep more energy stay near the top dead center， which can enhance the average turbulence energy incylinder at spark time, affecting the combustion process including flame development and propagation and the engine performance. The piston with the pit can keep the turbulence energy at the center at ratios，which means that the turbulence energy around the spark plug is higher，accelerating the proof the flame. In the combustionsystem，when the tumble ratio increases to some extent，it is hard toenhance t he average peak pressure in cylinder and bett er the engine performance. Thus，theexcessive tumble ra t i o has lit t le effect on engine performance op t imiza t i on.摘要：以某自然吸气高压缩比直喷汽油机为研究对象，利用一维软件和三维软件对汽油 机的工作过程进行了数值模拟，探究了超高滚流进气系统在高热效率燃烧系统中对燃烧性能 的趋势性影响。研究中设计了三款不同滚流比气道和四种计算方案，对不同计算方案的瞬态 滚流比、瞬态湍动能、缸内速度场、当量比分布、放热率和缸内平均压力等进行了对比分析。研 究结果表明：滚流比的大小影响缸内混合气的分布和湍动能的强度，较强的滚流比可以将更多 能量保留到上止点附近，提高点火时刻缸内平均湍动能，从而影响缸内燃烧，进而影响发动机 的性能；带凹坑的活塞形状设计可以使湍动能在不同滚流比下都保持在相对中心位置，使火花 塞处在湍动能较高区域，有利于点火之后火焰的迅速传播；在此燃烧系统中，滚流比增大到一 定程度后，缸内的平均压力峰值难再提高，对性能的增益已接近极限，过高的滚流比对发动机 性能的提升已无明显作用。收稿日期；2017-06-01 修回日期；2017-07-24基金项目：国家自然科学基金项目（50976076)Fund Project； National Natural Science Foundation of China (50976076)作者筒介：张满富"<<1 一），男，硕士生，主要研究方向为发动机整机工作过程优化，E-mail:Zmf0U@tju.edu.cn;祖炳锋（通信作者），男，研究员，博士，主要研究方向为发动机整机平台设计、工作过程优化，E-mail:zbf@tju.edu.cn

。30内燃机工程2018年第2期关键词：自然吸气；直喷汽油机;进气道;滚流比；数值模拟Key words： natural aspiration； gasoline direct-injection engine； intake port； tumble ratio； numerical simulation DOI: 10. 13949/j. cnki. nrjgc. 2018. 02. 005 中图分类号：TK411+.2 文献标识码：A〇概述随着世界能源局势的日益紧张，世界各国家和 地区不 出 的燃油经济性法规，推动内燃机 效的 发展。中国工信部油 规要求：到2020年乘用车平均油耗需降至0. 05 L/km (即百公里油耗5.0 Y#降低油耗的有效方式之一 是提高内燃机的热效率，而快速燃烧 废气再循(EGR)技术和 缩比技术的技术 使进一步提高燃油经济性和降低油耗成 能* 3+。流是一种在缸内形成的、旋转轴垂直于气缸 轴线的大尺度气流运动方式。 流进气有效地组织缸内 油机的缸内气体流动，使油气混 加充分，有利于降低其爆震 ，提升其燃烧性能[46]。 理的滚流 是实 速燃烧的重径。本文利用一维和三维软件对汽油机的工作过程 进行了数 ，探究 流进气 在缸内直缩比的燃烧 中对燃烧性能的 性影响，为进气道 提供了依据，也 油 规下缩比发动机的 开发提供了工程 。1研究方案的设计1.1进气道方案的设计本文的研究对象为一台4气门缸内直喷汽油 机，表1为发动机参数。表1发动机参数项数发动机式4缸，自然吸气缸径/mmX彳了程/mm85X88几何压缩比13总排量/L1. 997最大气门升程/mm10在兼顾流量系数的前提下，设计了三款不同滚 流比的进气道来探究 流对发动机性能的趋势 性影响。图1展示了三款不同进气道的特征，进气 道1 的最原始的气道；进气道2在进气道1 的 加大了气道整体的弯曲程度，进气道靠近气门座部分略向上偏移，同时缩小了进气道和气门 口的直径，增加了气门 进气量；进气道3比于进气道2进一步缩小了进气道和气门 丨触 口的直径，并且加大了进气道靠近气门座部分的弯 曲程度。

(a)进气道1 (b)进气道2 (c)进气道3图1进气道特征1?气道稳态试验为验证所 的进气道是否可以充分体现气道性能的 性，对所 的气道进行了 试制，通TJUS102型气道试验 三种气道进行了稳态试验。试验中，根据气阀口的 数判据，小气门升程时的进出口 7 kPa，大气门升程时的进出口压差设为6 kPa。图2为试验测量出的不同气门升程下各进气道 的滚流比和流量系数。从试验 显看出各气道的差异性：随气门升程的变化，三种气道的滚流 比呈现出 的变化 ，但不同升程下数 〖异较大；三种气道的流量系数均是 速增加 于缓。在气门升程小于4 mm时，三种气道的流量系 数 ：在彳以以升程 ，流量系数出 显。试验 进气道2 于进气道1加权流比提高52. 2%，加 流量系数降低7. 3%;进气道3 于进气道2加 流比提高25. 1%，加 流量系数降低12.2%。由此可知，所设计的进气道具有明显的 性，适用于研究流比对内燃机性能的 性影响。1?计算方案的设计本研究一共 了四种仿真计算方案，如表2所示：方案1、方案2、方案3分 用了所 的三 款不同滚流比的进气道，由于滚流比和流量系数的制衡关系，滚流比增大必然会导致流量系数下 降，而流量系数 决定着气缸内的充气量，

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图2不同气门升程下的滚流比和流量系数型采用 ExtendedCoherentFlame Model*]模型，喷 雾撞壁模型采用Mundo Simmmer-feld模型，油滴蒸 发 用Dukowicz模型，油滴破 用HuhGosman模型。为了提高计算的 性，本 ‘ 喷雾模型和燃烧 进行了验证。研究中采用 影 雾的宏观形态进行 测量，试验中喷油器的喷射压力为20MPa，喷射环 境压力为0.1MPa。喷雾处理中的喷雾锥角和喷雾 的定义如图3所示％ 算的喷雾 形态和喷雾锥角与试验 偏差不大。图4 雾贯 穿距试验值和仿真值的对比图。由于试验压力控 制、重力& 力变化等因素的影响，试验值和仿存在 ，但不同 的喷雾 离的体 本吻合。 ， 雾较为准确地反映燃油的喷射和蒸发过程。发动机性能指标[7];方案4采用了方案3的进气道 和 2的进气入口边界％ 制进气以排除进气量的影响。表2 算 组合匹配的主要特。全负荷工况点缸内的流动和燃烧情况 影响发动机的功率输出。本研究 全负荷工况点进行了 ，用 件获得各组 三 算所需的边界，三维计算中主要分析了缸内气体速度 场、瞬态滚流比、揣动能、当量比分布及火焰 面等％ 比对得出研究结论。表2计算方案方案模型界方案1进气道1进气道1的三维计算进气边界方案2进气道2进气道2的三维计算进气边界方案3进气道3进气道3的三维计算进气边界方案4进气道3进气道2的三维计算进气边界2模型搭建和标定2. 1 边界的边界条件对内燃机三维数 算至关 。本研究边界条件是采用 力学：软件Boost的计算 ，入口 了瞬态的进气质量流量和温度，出口给定了瞬态的排气压力和温 度，其他壁面也 了 的温度，进排气道和燃烧室的初始条件 的是读取 算 中曲轴转角的压力和温度。2.2 模型标定本研究采用FIRE软件对发动机的工作过程进 行了 算。揣流 用々乂_/[8]:，近壁面处理模型采用HybridWall Treatment模型，燃烧模(c)正面喷雾参数定义 （d)正面喷雾形态图3喷雾参数定义和形态对比