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由气门和活塞运动引起的内燃机排气道流动效应

摘 要

内燃机的性能优化通常基于一维仿真研究，例如排气阀策略的优化。通常，流量系数用于描述复杂几何形状中的流动状况，例如排气道。排气道的流量系数通常通过实验方法在固定的气门升程，室温和低的总压降条件下得到。本文研究了气门和活塞运动对能量损失和流量系数的影响。因此，本研究使用了三种不同的建模方法来进行大涡模拟以便估计能量损失，即固定的气门升程和固定活塞，移动活塞和固定的气门升程，以及移动的活塞和移动气门。本文还描述了不同建模方法下的流场发展的差异，并且对例如流量系数等的主要参数的动态影响进行了量化。在本研究中，作者考虑了在排气循环期间，活塞和气门运动导致的负总压力损失无法在固定气门升程中观察到的情况。另外，当考虑气门运动时，形成的流动情况不同，这导致通过两个单独气门口的质量流量在形成上的显著差异。然而，由于活塞运动和限制气门运动，会造成轻微的约1%至2%的流量系数变化。

关键词: 内燃机; 燃油经济性; 涡轮增压发动机; 废气能量; 排气道; 大涡模拟

第一章 研究背景

内燃机的排气具有高温，因此有丰富的可用能量^[1]。此外，工作循环后气缸内的压力高于排气下游压力，这一潜力应尽量加以开发，因为燃烧后剩余气体中的剩余能量可占燃料燃烧过程提供的能量总量的40%。由于这一比例构成了总能量的大部分，在将废气排放到环境中之前，必须尽可能地利用能量。这可以通过使用涡轮增压器来提高特定的发动机效率来完成。排气端口表示内燃机气缸与废气歧管之间的接口，后面是涡轮增压器。因此，燃烧后的可用能量应从气缸传递到涡轮增压器，从而达到最小损失。然而，涡轮增压器涡轮的效率对入口的流量很敏感。因此，排气道不仅应设计为尽量减少损失，而且应考虑输送到涡轮增压器涡轮的产生的流动结构的有效性。与这些结构相关的能量含量及其行为可能会影响发动机效率，可能高于排气道本身的流量损失。考虑到传热问题是设计排气道材料并且准确地预测涡轮增压器，催化转化器，热反应器和后处理装置的效率的关键。Caton和Heywood^[1]在实验中研究了火花点火发动机排气道几何形状中的热传递，并开发了预测传热的分析模型。发现传热不能准确地通过仅考虑一个主要模式来建模。此外，Caton和Heywood指出，需要考虑流动状况以进行精确预测。排气道中的流动由大型湍流结构主导，而不是由壁剪切产生的湍流。这些大型含能量结构及其行为影响着热传递。Torregrosa等人^[3]实验发现，瞬态热传递主要受气缸内气体温度的影响，而不是气缸壁温度的影响。因此，对排气道中产生的流动结构的评估显得十分重要。

内燃机的设计和优化过程通常采用一维模拟来进行。在一个模型中考虑了所有相关组件的整个发动机。由于许多部件需要集成到完整模型中，因此需要简化，以便在合理时间提供解决方案。通过这些模拟并且优化参数，可以有效地研究^[6]例如气门正时^[4]或喷油正时^[5]等的影响。从流体动力学角度分析排气道的效率通过对流量系数的估计来评估。这样的流量系数可以通过所谓的流量台架测量获得。流动台实验包括固定气门升程和实验室条件下，测量固定压力升高时通过实际几何尺寸的合成质量流量^[7-9]。

名词解释

与理想的实现值相比，流量系数通常用于考虑在实际几何形状内引起的流量损失。因此，流量系数被定义为由等熵关系导出的实际测量质量流量与理想（理论）质量流量之比。

（1）

其中R是比气体常数，是缸内总温度，是缸内总压力，是流量约束下的静态压力，是参考面积，是比热比。参考区域通常计算为阀幕面积，其中是气门头直径，是气门升程。在具体文献中，流量系数是指外部阀头面积作为参照区域。这两个系数都用于一维内燃机分析，其中Algieri[10]基于实验数据说明了两个系数作为曲柄角的函数。

对于通过公式（1）中物理上恰当的近似流动损耗，最小有效横截面积应视为参考面积。图1展示了了参考区域中选择不同横截面积的示意图。由于流动的最小横截面面积可能不是最小的几何截面，所以精确估计最小的有效截面面积可能难以做到。但是，对于小气门升程，该近似值可能在使用时适用。因此，对所有比较的情况适用相同的公式。在大气门升程处，阀幕面积可能不是最小的有效横截面积。大气门升程的最小有效截面积是由气门口入口截面减去气门杆截面(图1中的紫色线表示)。因此，最小有效截面在大的气门升程处的气门升程中是恒定的，由流量系数中包含的面积公式来表达。

图1 绘制了不同的参考区域。阀幕区域由红线表示，紫色线表示大气门升程的最小有效截面积，而绿线显示所绘制的气门升程的最小有效截面积。(有关此图图例中对颜色的引用的解释，请参阅本文的web版本。)

许多研究小组研究了内燃机进气道中的流场，因为所产生的流动结构会影响气缸中的燃料混合，从而影响发动机的性能。更少数的人研究排气道中的流动。由于复杂的受限制的几何形状，排气道流动的实验流程可视化非常具有挑战性。但是，流场情况已经有部分研究人员公开发表^[11]。Tanaka^[12]研究了二维排气几何中的流动.对气门边缘的几个倒角配置进行了研究。据报道，不同的排气道流动情况相对于气门直径，更取决于气门升程。对于小的气门升程，会形成一个会聚的圆锥形的喷口形状，如图2（a）所示。对于大的气门升程则产生于阀气门杆同轴的喷口形状，如图2（b）所示。Annan和Row^[13]提出了气门升程与气门直径之比0.2作为两种流动情况之间的过渡。这一比例是根据测量结果提出的，这表明比这一比值更高的气门升程会导致排放效率的降低。然而，对排气道的流场进行全面评估仍然具有挑战性。因此，他们采用了几种数值方法来模拟内燃机的排气过程。对非定常三维流场的研究需要一种仿真方法来解决这些特性。通常采用非定常雷诺平均Navier-Stokes模拟^[14]和大涡模拟^[15]来研究复杂几何中高湍流、三维流动的动力响应。非定常的RANS方法与LES模拟相比在计算上所需的网格要求较低，因为潜在的湍流模型允许使用粗网格。然而，在非定常RANS模拟中使用的湍流闭合模型基于简化假设，并且可能需要调整闭合系数。因此，这种方法需要在使用前仔细验证^[15]。计算上更昂贵的LES方法只需要较少的假设，故更加可靠。

（a）低气门升程 （b）高气门升程

图2 排气口流动方案的示意图，其中（a）为用于低气门升程的收缩式锥形射流，（b）为用于高气门升程的同轴喷射射流形状。红色虚线表示喷射剪切层。

Wang等人^[15]在数值上研究了排气道几何形状中总压力损失的来源。对于室温下的小气门升程，排气道总压力损失分为两部分，将排气道的总压力损失分为了几个部分，并通过与经验公式的比较来确定损失的主要原因。Bohac和Landfahrer^[9]研究了在恒定和脉动流入边界条件下用五个不同排气道几何形状获得的流量系数的交替性。实验装置是在室温下固定气门升程的流量试验台测量，其中观察到流量系数增加6%和下降7%的变化。当不同的气门升程平均时，测量流量系数的增加为0.5-2.5%。因此，Bohac和Landfahrer得出结论，这个百分比与总发动机性能相比非常小，而稳态流量试验台测量是为优化发动机而获得流量系数的一种有效假设。Semlitsch等人^[16]研究了有无流动脉动的排气道中的流动动态。他们观察到的流量系数趋势与Bohac和Landfahrer所研究的是相同的。Semlitsch等人^[16]发现，在类似发动机的条件下，流动状况的演变显著不同。然而，本文所列的研究考虑了室温和固定气门升程，以模拟流动试验台实验。因此，没有考虑到真正内燃机中发生的气门动力学和高温排气温度的影响。

本研究在类似高温发动机的环境下，数值分析了活塞和气门运动对流场和流量系数预测的影响。故而本文比较了三个模拟方案，包括固定的气门升程和固定活塞，移动活塞和固定的气门升程，以及移动的活塞和可变气门。本文简要描述和分析了针对每个方案所产生的流场。对关乎排气道设计的主要流量变量在废气循环中进行采样并进行比较。因此，研究阐明了采用固定气门升程，“冷”态实验室条件以及用于评估流量系数的恒定流入边界条件时，与实际发动机场景相比较的结果。必须注意的是，固定气门升程和冷态流动条件通常是工业上流动试验台实验所具备的特点。

第二章 案例描述

用于模拟的几何形状是SCANIA D12（一种重型四冲程柴油发动机）的排气道。内燃机的规格见表1。本研究只涉及到排气管相关。因此，进气口已经被去除。用于数值模拟的几何结构如图1所示。并且包括六个主要部分，即气缸缸体，活塞，气门，气门口和排气道。在y = 0处连接虚拟直管，将端口几何形状延长十个排气道直径（= 42 mm），以将流动结构平滑地传播到计算域。气门口为L气门口和R气门口，如图3所示。此外，在顶视图中切割气门口的虚线表示两个平面位置，其中将显示出模拟的数据。

图3 排气道几何外形

表1 内燃机规格

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