王永坡，于敏之，孙碧盛

（燕山大学 车辆与能源学院，河北 秦皇岛 066004）

前言

内燃机是世界上应用最为广泛的一种热力机械。[1]随着石油资源的日益减少，节约能源、降低燃油消耗将成为内燃机，特别是汽油机的发展趋势。[2]汽油机缸内的流场，特别是进气阶段的在缸内形成的流场对燃烧效率有很大的影响。近年来随着科学测量手段的不断提高，可以用先进的测试仪器测量分析，但受到内燃机复杂结构和复杂过程的限制，很多数据是无法测量的，计算机技术和计算流体力学的飞速发展为数值模拟计算提供了条件。[3]利用数值模拟，可以对内燃机性能进行预测研究。[4]在以往的研究中，师石金等人阐述了发动机CAD/CFD设计开发中的重要性，徐玉梁利用数值模拟的方法对四气门汽油机气道及缸内气体流动状态进行了研究，并对记过进行了验证。秦文瑾也对缸内的湍流特性进行了研究，认为进气射流是产生缸内强湍流场的主要原因。

本文基于CFD软件CONVERGE，对一台四冲程汽油机进气阶段的缸内流场进行数值仿真。首先通过逆向建模建立了发动机的CAD模型，将其导入到CONVERGE中进行面网格的处理和基本参数的设置并计算，获得任一曲轴转角下的流场信息，并对所得流场信息经过可视化处理之后进行分析。

1 模型建立及网格处理

1.1 计算对象

本文的研究对象为一台自然吸气四气门汽油机，主要研究了 3000r/min工况下，燃烧室内的气体流动状况。发动机的主要技术参数见表1。

表1 发动机技术参数

1.2 建立几何模型

笔者利用逆向建模工程，对汽油机原机进行逆向建模，建立了气道及燃烧室模型。将CAD模型转换成STL格式导入CONVERGE中，之后在CONVERGE中对面网格模型进行检查和修复，然后可进行对喷油孔处、气门处和燃烧室的网格进行加密设置，在CONVERGE的Events中设置当气门升程小于等于0.2mm时，默认气门为关闭状态。完成所有的设置之后进行运算，在运算过程中CONVERGE能够自动生成动网格。汽油机的三维几何模型如下图所示。

图1 汽油机三维几何模型

2 计算结果分析

2.1 燃烧室内流场分析

缸内的流场形式主要有四种：（1）进气涡流；（2）滚流；（3）压缩挤流；（4）斜轴涡流。[5]四气门汽油机中空气运动以滚流为主，滚流有助于改善燃烧过程。[6]为了便于说明，笔者对进气道的不同部分进行了命名，如图3-5所示。

图2 进气道的各部分命名示意图

笔者在总进气道入口面上均匀设置了200个流体质点并生成了它们在进气阶段的迹线，如图3（a）所示，发现质点在燃烧室中的迹线主要集中在两个气门位置的下方，并有较为明显的分界线。笔者又进一步在每个分气道的入口分别均匀设置了100个质点，得到的在进气阶段质点在缸内的迹线分别如图3.(b)、(c)。由图3可知，每个分气道内的气体进入到气缸之后，它的运动区域主要集中在该气门这一侧的燃烧室部分，两部分迹线重叠部分很少。

图3 质点进气阶段迹线图

为了进一步了解缸内流场在进气阶段的这种现象，笔者在燃烧室部分建立了两个纵向切面，一个切面过气缸轴线并平行于两个进气门轴线所在的平面，另一平面过气门杆轴线并与上一切面垂直，通过这两个切面观察在不同气门升程下的缸内流场情况。并命名其为纵向切面0和纵向切面1，如图3-7所示。

图4 切面位置示意图

（1）纵向切面速度矢量场分析

在曲轴转角为-329°时，此刻处于进气阶段初期，由图5(a)可以看出，在活塞的抽吸作用下，两股混合气分别通过气门进入气缸后，靠近气缸壁面侧的气体在遇到气缸壁面之后沿着气缸壁面向下运动，远离气缸壁面的来自不同进气道的两股气流，在两个进气门中间位置相遇，两股气流相互冲撞之后改变了原流动方向，转而一并向下运动，这股合流将燃烧室内的流场分为了两个部分，还可以看出每个气门下方都有两个涡团，并两两相对，形成了该切面的矢量场关于中线对称的状态，图5(b)可以看出，进气初期阶段气门与气门座之间的间隙较小，气体通过此处时流速较高，形成了高速进气射流，气体进入气缸后靠近气缸壁面侧的气体沿着气缸壁面运动，直到遇到活塞顶面，气流改变原来的流动方向，沿着活塞顶面向气缸中心运动。远离气缸壁面侧的气体由于惯性保持着原来的流动方向，此刻缸内形成了两个较小尺度的涡团。

图5 不同曲轴转角下纵向切面处流场速度矢量图

在曲轴转角为-253°时，此刻进气门位于最大升程位置，由图5(c)可以看出，沿着气缸壁面运动的气体继续向下运动，在向下运动的过程中气流的动能越来越小，在此切面上进气射流在气缸中心位置处被耗散殆尽，此切面的矢量场仍然呈对称状态。由图5(d)可知，气门与气门座之间的间隙变大，通过气门与气门座之间的气体的流速减小，沿着气缸壁面运动的气流越向下流速也越来越小，缸内的原来的涡团在逐渐的消散，且并未观察到有新的涡团出现。

当曲轴转角为-200°时，此刻进气门开始向上运动，活塞向下运动，活塞对缸内仍然有抽吸作用。如图 5(e)所示，在切面左右上角上有两个小涡团，切面中部靠下的位置有两个尺度较大一些的涡团，它们旋向相对并关于切面中线大致呈对称状态。由图 5(f)可以看出，此切面处只有一个形状明显的小尺度涡团出现在了活塞顶面附近。

当曲轴转角为-180°时，此刻进气门继续向上运动，活塞位于下止点位置，活塞不再对气缸有抽吸作用。如图 5(i)所示，由于惯性，缸内的流场状况和曲轴转角为-200°时的状况相似，但涡团有所耗散，但形状仍然还很明显。由图5(g)可知，活塞位于下止点时，气门与气门座之间不再有高速气流通过，整个流场不再有成股的气流出现，只在活塞面上方附近存在一些形状不明显的小涡团。

由以上关于迹线的分析和纵向切面速度矢量场的分析可以看出，缸内流场在来自不同气门的气体相互作用下，具有一定的对称性，又各自有一定的独立性。随着气门升程的变化，缸内的流场也在逐渐的演变，局部区域出现了尺度大小不同的涡团，但在进气阶段始终没有形成大尺度的横轴涡流。

2.2 缸内湍动能分析

良好的进气可以增强缸内的湍流强度，特别是在点火时刻前，火花塞附近如果存在强湍流场，就能促进火核的形成并且能够加速火焰的传播。[7]如图6为整个工作循环下燃烧室内的湍动能曲线图，在进气阶段初期，缸内的湍动能开始急剧的增大，直到曲轴转角为-250°左右达到最大值，此刻进气门处于最大升程位置，之后节气门开始向上运动，缸内的湍动能开始下降。在进气过程中，燃烧室内的湍动能主要由进气能量决定，随着进气量的增加，进气射流在缸内形成的涡团等空气流动形式存储的能量也越来越大。进气门关闭后，此时活塞在向上运动，缸内气体与气缸壁面之间的摩擦导致能量耗散，湍动能继续不断的降低。在点火时刻附近，上行的活塞将缸内的气体涡团破碎成小尺度的涡团，新产生的气体涡团的能量与湍动能的耗散量相似，使得点火时刻缸内的湍动能下降缓慢，这样有利于提高火焰的传播速率。点火之后缸内混合气燃烧产生的高温高压气体推动活塞做功，湍动能呈下降趋势。

图6 湍动能曲线图

为了分析进气阶段缸内的湍动能场，笔者从纵向切面 0和纵向切面1两个切面对缸内湍动能进行观察分析，由图7可知，在进气的初期阶段，缸内的高湍动能区主要集中在气阀及其附近区域和来自不同气门气流相遇后形成的合流区域，这与高速气流对缸内气体产生的剪切有关。随着活塞的下行运动，燃烧室的体积也在逐渐的增大，进气射流的流动空间也在增加，高湍动能区的面积随着进气动能的增加而逐渐的向燃烧室内扩大。在气门最大升程位置，进气速度减小，进气流对缸内气体的剪切也减弱，气门附近区域的湍动能变小，气缸中心处保持有较高强度的湍动能。在气门向上运动的过程中，缸内的湍动能在逐渐的衰减，缸内湍动能趋于均匀化。结合前面对流场的分析可知，气流最大时的湍动能并不一定是最高的，这主要是由于湍动能是脉动动能，而非平均流动能。高湍动能区主要集中在气体涡团处、气体与气缸壁面相互作用的地方。

图7 纵向切面湍动能云图

4 结论

（1）通过对整个计算过程的缸内流场矢量图和湍动能场的分布云图的分析可知，高速进气射流对缸内流场的形成起决定性的作用。

（2）高速进气射流是缸内湍流的主要来源，进气初期缸内的高湍动能区主要集中在气体剪切力作用比较明显的区域，进气后期高湍动能区主要集中在涡团出现的区域。

（3）在整个进气过程中缸内流场中高湍动能区位置合理，有利于增加火焰传播速度，提高燃烧稳定性。

5 讨论

本文通过 CFD软件对某四气门汽油机的进气阶段缸内流场进行了模拟分析，并把结果与徐玉梁和孙晶晶等人的研究结果进行了对比，得出了相似的结论，证明了本文采取了合理的数值模拟方法。本文还需要进一步的实验验证，对缸内流场的模拟需要大量的实验验证，从而提高模拟的准确度。利用数值模拟，借助较为完善的数学模型,可以对内燃机性能进行预测研究，改变各种结构参数和运行参数为新发动的优化设计和旧发动机的性能改善提供指导，从而简化实验工作，缩短研制周期，为内燃机研究工作的开展提供一个更为广阔的平台[8]。

[1] 朱剑明,彭代勇.世界能源现状与内燃机的发展机遇[J].内燃机工程. 2011,32(02) ：80-84.

[2] 汤兆平,孙剑萍.汽油机技术如何面对世界石油危机[J].拖拉机与农用运输车. 2006,33(06)：3-4.

[3] 王桂芝,赵长禄.汽油机工作过程数值模拟的研究进展[J].车辆与动力技术. 2004,(02)：56-64.

[4] 师石金,王志,王建昕.发动机 CAD/CFD 设计技术[J].汽车工程.2004,26(05)：581-584.

[5] 徐玉梁.车用四气门汽油机气道及缸内气体流动状态的研究[D].天津大学,2004.

[6] 刘书亮,孙小燕等.四气门发动机中滚流运动的三维数值建模[J].工程热物理学报. 1991,20(01)：116-120.

[7] 孙晶晶.汽油机进气及燃烧过程的多维数值模拟研究[D].北京交通大学,2008.

[8] 李隆键,余涛,张小燕等.四气门发动机进气流动特性的数值建模[J].热科学与技术 2004,3(3)：242-245.