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0 前言

柴油机在低燃油耗时的高功率性能是其最大优点之一。在欧洲市场上，柴油机在乘用车市场销售总额中的份额超过44%，就很客观地反映了这一点[1]。

欧洲市场近十年来，用于乘用车的四气门柴油机占市场主导地位，因为它可以更好地解决多年来欧洲市场的性能和排放要求。但是，两气门结构仍然是中小型柴油机降低成本较受欢迎的选择方案[1]。装配柴油机的小型车辆中，每缸两气门设计仍然占有很大的市场份额，特别是在欧洲以柴油机为主的传统原始设备制造商(OEM)，如PSA公司和Renault公司，其大部分小型汽车都采用了1.4 L、 1.5 L和1.6 L的两气门柴油机[2-4]。这些发动机有利于减少摩擦，并能降低制造和装配成本[4]，同时符合日益严格的排放法规要求，显示出两气门发动机巨大的技术优势和商业潜力。

最近，通用汽车公司研究了一种具有两气门结构的1.2 L 3缸小型柴油机，以评估这种结构在包装、质量和成本目标方面的潜力，同时在排放和燃料消耗方面仍然处于最先进的状态，并且具有非常出色的性能。图1总结了四气门和两气门柴油机燃烧系统的主要特征。每缸两气门配置的发动机有利于降低发动机的摩擦和制造/装配成本。然而两气门布置由于尺寸限制，需要喷油器偏心斜置。因此，如图1二维视图所示，燃烧室必须相对于气缸轴线偏移。考虑到传统柴油机中的轴对称发动机是每缸四气门配置，燃烧室中央垂直布置喷油器，喷油器轴线与气缸轴线成一直线。必须通过对缸内喷雾和燃烧过程进行光学可视化和三维计算流体力学(CFD)模拟，来量化燃烧室偏移和斜置喷油器布置中不平衡的燃料质量流量对燃烧和排放的影响[1-5]。结果表明，非对称燃料流量和燃烧室偏移对发动机性能和排放存在负面影响。然而，对非对称燃料流量的补偿措施或许没有必要，因为其对燃烧的影响程度似乎很低[1]。

图1 四气门(左)与两气门(右)柴油机燃烧系统主要特征对比

对两气门柴油机的初始试验表明(图2)，在高负荷运行时烟度(FSN)很高，这说明喷雾渗透和空气利用率受到了很大损害。对于两气门发动机进气道，流量测试台的测量结果也得到了带进气歧管和不带进气歧管的涡流比的高灵敏性，其进气歧管和进气道之间强烈的相互影响在四气门发动机中很少见。因此可以表明，在两气门结构配置中，它们之间具有更复杂的气道-气门-缸内流量结构和更强的相互作用。

图2 在两气门柴油机上测量的发动机FSN图谱

因此，利用三维CFD模拟和分析来描述1.2 L的两气门柴油发动机的进气歧管和进气道的性能，以确定造成强烈相互作用的根本原因，并评估潜在的改进策略，从而为发动机试验提供指导。

首先集中对进气歧管性能进行CFD评估。接下来，与基准四气门发动机相比，对两气门发动机进行了三维CFD分析。最后，研究了两气门多缸发动机的进气歧管容积对流量和涡流的影响，并评估了改善流量均匀性，以及缸与缸之间流量变化的矫正计划。

1 模型描述和工作条件

首先对四气门参考发动机进行CFD计算，以设置基准情况来模拟多缸柴油发动机进气歧管和气道中的空气流量，并定义评估指标和建立分析程序。本研究中考虑的两气门发动机具有与四气门参考发动机相同的缸径/行程和压缩比。发动机的技术规格参数如表1所示。

使用CONVERGETM中的瞬态流场解算器进行了基于雷诺平均数值模型(RANS)的模拟。 图3显示了4缸四气门参考发动机的表面模型，包括进气歧管、流道、节气门和废气再循环(EGR)扩散器。

图3 用于瞬态流量模拟的多缸四气门基准发动机表面模型

如图4所示，CONVERGETM使用经过修改的切割单元格笛卡尔(Cartesian)网格生成方法[6]。在这项工作中使用了固定的嵌入网格细化。规定了2.0 mm的均匀的初始基本网格尺寸，并且在各种区域进行了不同的局部网格细化处理。在整个气门区域和内部歧管处，网格尺寸精细至1 mm，在气门表面和气门座附近减小至0.5 mm。该网格有大约140 万个单元格。研究中使用的网格尺寸是由不同密度的网格敏感性研究来确定的。研究发现，对于大于2.0 mm基准网格尺寸的网格分辨率，可清楚地观察到数值收敛性，并且预测的质量流量与测量的数据相当一致，表明流量分离被合理地捕捉。

表1 发动机技术规格

图4 四气门参考发动机的气门区域局部网格细化细节

在所有模拟中使用二阶中心差分数值方案进行动量传输。因为本研究中没有考虑燃油喷射和燃烧过程，只有湍流模型(RNG k-ε模型)被打开。对每种情况进行多循环模拟，以检查结果的收敛性。

这里考虑的是转速3 750 r/min和高负荷的工况条件，开发了系统级GT-Power模型用于生成三维CFD计算的边界条件。表2列出了本研究中使用的发动机运行条件和边界条件。点火顺序设定为1-3-4-2，其相位滞后角分别为：1号缸0°，3号缸+180°，4号缸+ 360°，2号缸+ 540°。

表2 用于三维CFD模拟的发动机运行条件和边界条件

2 进气歧管性能的评估指标

对进气歧管性能的CFD评估，提出了以下评估指标和参数：

(1)总量，总捕获质量(与体积效率相关)，进气门关和上止点时的缸内涡流比。

(2)流道入口横截面处的流场结构(进气歧管出口)，其中包括平均流速、不均匀性指数和对于气道轴线的角动量。

缸内涡流比定义为在z方向质心的流动角速度ω3(相当于固体的旋转角速度)与曲轴的角速度ω曲轴的比率。并且可以从角动量和惯性矩计算出角速度[6]。

通过流道入口横截面(进气歧管出口)的流场分析，可以提供更多关于进气歧管流动行为及其与进气道和缸内流场相联系的详细信息，并提出了3个参数，分别是平均流速Ui，不均匀性指数Ih和角动量M1。

其中Ih和M1参数用来评估初始流场到进气道的均匀性和旋转运动，除了进气道的设计和几何形状外，这两个参数被认为对气道流场和缸内流场结构都有影响。在理想情况下(完全均匀，无旋转流场)，Ih= 0，MI= 0。

3 结果与讨论

3.1 四气门发动机的流量分析

首先对四气门发动机进行了总量检测。图5显示了计算的总捕获质量和涡流结构演化。根据观察，需要多个循环来稳定CFD流量结果。对于每个气缸，需要4～6个循环，计算的捕获质量和涡流比才具有收敛性。

图5 四气门参考发动机计算的捕获质量和涡流结构演化

对于被捕获的质量没有明显的变化(见图5(a))。然而，在各气缸之间发现计算涡流比有一定程度的变化。图6比较了所有4个气缸进气门关和上止点时的计算涡流比。在两个正时点，1号缸和4号缸的计算涡流比略高于2号缸和3号缸。考虑到1号缸和4号缸的位置(在进气歧管的前端和后端)，因此可能与从歧管到进气道的急转弯有关。四气门基准发动机的平均涡流比约为2.1。

图6 在四气门参考发动机进气门关(a)和 上止点(b)时的计算涡流比

分析了在流道入口(进气歧管出口)横截面处详细的流场结构。图7显示了流场(最大气门升程处，以速度大小着色)、计算的平均速度和不均匀性指数。基本上，所有气缸的值都非常相似，表明在四气门参考发动机中没有明显的缸与缸之间的流量变化。虽然在图7中仍然可以看出趋势，即平均流速随着压力的降低而降低，并且在从4号缸移动到1号缸(从进气歧管前端到后端)的流道入口处，不均匀性指数逐渐增加。与此相似，对于螺旋气道轴线的计算角动量如图8所示。可以看出，所有气缸的总角动量保持在低水平，这表明流场在四气门参考发动机的进气歧管出口处没有旋转。由于所有气缸的气道几何形状相同，与其他两个气缸相比，1号缸和4号缸相对较高的角动量被认为是造成较高涡流比的原因，如图6(b)所示。

图7 在四气门参考发动机流道入口横截面处的 计算平均速度和不均匀性指数

图8 在四气门参考发动机流道入口横截面处的 关于螺旋气道的计算角动量

图9显示了在2个切割平面上最大气门升程处的缸内流场(速度，大小，轮廓)。 通常情况下，除了2号缸和3号缸在气缸中心具有相对较低的速度之外，在通过进气门中心线的切割平面中的所有气缸的流场结构是相似的。此外，在所有气缸的火力岸以下4 mm的切割平面上都存在类似的涡流模式。

图9 四气门参考发动机在通过进气门中心线(a)和火力岸 下方4 mm的切割平面(b)上，最大气门升程处的速度大小轮廓

3.2 多缸两气门发动机的流量分析

将相同的分析程序用于3缸两气门发动机，并将结果与四气门参考发动机进行比较。图10显示了1.2 L两气门柴油机的表面模型。气门区域附近的网格细化和CFD设置中的参数数值与四气门参考发动机模拟中使用的相同。点火顺序设置为1-2-3。相位滞后角分别为，1号缸0°，2号缸+ 240°，3号缸+ 480°。 对于每种情况也进行了多循环模拟。在两气门和四气门发动机的比较气道流量分析中，运行条件保持恒定，发动机转速为3 750 r/min，并使用表1中列出的相同的固定边界条件。

图10 多缸两气门发动机表面模型

图11 两气门和四气门参考发动机的捕获质量对比

图11显示了多达5个发动机循环的两气门和四气门发动机的计算捕获质量。可以看出，对于每个单独的气缸，其结果在4至5个循环内会具有收敛性。对于两气门发动机，在被捕获质量方面没有显著的缸与缸之间的变化。此外，两个发动机之间的总捕获质量非常相似，这意味着通过采用更高的最大气门升程和更长的气门打开持续时间，在两气门发动机中实现了相同水平的发动机换气和体积效率。图12比较了多缸两气门和四气门参考发动机的计算涡流结构演化。显然，两气门发动机目前采用的气道设计具有更高的缸内涡流比，这是由于在每缸两气门结构中，高涡流通常通过单进气道产生。

图12 两气门和四气门参考发动机的计算涡流结构演化

图13显示了在两气门发动机进气歧管出口横截面处，在最大气门升程时的流场、计算平均速度、不均匀性指数和角动量。图7和图8中的红色水平线表示四气门参考发动机的平均值。与基准四气门发动机相比，由于进气道的横截面积减小，两气门发动机流道入口处的平均流速要高得多。更重要的是，两气门发动机的不均匀性指数和角动量也较大，说明了进气歧管出口处有相对不均匀和旋转的流场，两气门发动机中观察到进气歧管和气道之间有强烈的相互作用。这与紧凑的歧管几何形状和进气道总横截面面积减小有关。

图13 两气门流道入口横截面处的计算 平均速度、不均匀性指数和角动量

对两气门发动机的缸内流场(速度、大小、轮廓和最大气门升程)进行了检查，结果如图14所示。与四气门发动机相比(图9)，在突出显示的气门附近区域处可识别出非常高的流速。在3个气缸的中心可以发现流场结构的一些细微差异。除此之外，气门区域的高速流场是主导性的，并且在两个切割平面处的所有气缸的总体流场结构非常相似。

图14 对于两气门发动机，在通过进气门中心线(a)和火力岸 下方4 mm(b)处的切割平面中，最大气门升程处的速度大小轮廓

3.3 歧管充气容积对两气门发动机流量和涡流的影响

基于上述流量分析，与四气门参考发动机相比，在两气门发动机中观察到传统紧凑型进气歧管会产生相对不均匀和旋转的流场，并且与进气道产生强烈的相互作用。因此，提出了具有更大的充气容积和更长流道的新型进气歧管几何形状。针对几何形状设计的计算机辅助设计(CAD)模型如图15所示。然后对所提出的进气歧管(歧管2)进行三维CFD评估，并将结果与两气门发动机的原始设计(歧管1)进行比较。流场模拟通过动态边界条件进一步改善，以模拟实际发动机运行条件下的歧管和气道流动情况。

图15 具有不同充气容积的进气歧管CAD模型

动态边界条件由一维系统级GT-Power模型提供。作为示例，对于两气门转速为3 750 r/min的发动机，进气歧管入口和一体式排气歧管出口处的动态压力如图16所示。尽管在本研究中没有直接对喷雾和燃烧进行建模，但将多缸两气门发动机台架试验中测量的散热率放在CFD模型中，以获得流场模拟中更精确的热力学条件。

图16 基于一维GT-Power模型的进气歧管入口和 一体式排气歧管出口处的动态压力

图17显示了具有动态边界条件与传统充气容积(歧管1)的多气缸两气门发动机(第四和第五循环)的计算捕获质量。对于每个气缸和每个循环，排气门开启后，附近存在额外的捕获质量(圆圈所示)。已证实，在排气门开启的早期阶段，排气歧管压力(动态出口压力)比气缸压力高出约0.06～0.07 MPa，从而引起一定程度的回流。

图17 具有动态边界条件的多缸两气门发动机的计算捕获质量

图18比较了2个进气歧管的计算捕获质量及气缸之间的相对变化。用歧管2获得的捕获质量比歧管1的略低1%。在两种情况下，气缸之间捕获质量基本上没有显著变化，但是歧管2提供了更为均衡的结果。

图19显示了2个进气歧管情况下进气门关时的计算涡流比。看来，歧管2不会改变1号缸和2号缸的涡流比，而3号缸的涡流比则略低。此外，缸与缸之间涡流比没有变化。

图18 不同充气容积进气歧管的计算捕获 质量及其相对变化的比较

图19 不同充气容积进气歧管在进气门关闭时的涡流比的比较

本研究中提出的评估指标通过两气门发动机的两种进气歧管进行了比较，见图20。图中四气门基准发动机的结果以供参考。首先，歧管2不影响气道入口处的平均速度。两气门发动机的数值几乎是四气门基准发动机的两倍。其次，歧管2的气道入口处的流量比原来的歧管1更加均匀，并且降低到与四气门发动机相同的水平。缸与缸之间流量均匀性的变化也得到改善。此外，歧管2具有较低的角动量。这不仅是由于其较大的充气容积，而且还在于其有较长的流道。

大容量歧管也在多缸发动机台架试验中进行了评估。在全负荷和部分负荷关键点上，对于传统型歧管1和歧管2进行了发动机性能比较，见图21。结果表明，与歧管1相比，采用歧管2的两气门发动机提供了总体等效的发动机扭矩，在高转速工况时略好，并在部分负荷时改善了燃油耗和排放。根据CFD分析显示，全负荷时性能改善是由于气道入口处具有更均匀的流动条件，因此空气利用率更高。在部分负荷时，由于歧管体积和表面积较大，从而能进一步降低进气歧管温度。

图20 具有不同充气容积的进气歧管的计算评估指标：歧管出口 横截面处的平均速度(a)，不均匀性指数(b)和角动量(c)

图21 两气门发动机台架试验的进气歧管容量评估

4 结论

重点研究了多缸两气门柴油机的气道-气门-缸内流量，并与四气门参考发动机进行了比较。进行了CFD分析以评估歧管的设计性能，并研究了歧管充气容积对两气门发动机流量和涡流的影响，提出了用于进气歧管性能CFD评估的评估指标，包括总量(捕获质量和缸内涡流比)和用于描述流场结构的指标(平均流速、不均匀性指数和气道入口处气道轴线的角动量)。两气门发动机比四气门参考发动机显示出更高的涡流比。它还具有更大的平均流速、不均匀性指数和气道入口处的角动量，表明原始紧凑型歧管几何形状具有相对不均匀性和旋转流场。提出具有较大充气容积和较长流道的歧管，有助于改善气道入口的流动均匀性和缸与缸之间的流量变化。通过多缸发动机台架试验验证了其优点。