缸内滚流对废气再循环汽油机性能影响的计算研究

韩林沛，洪 伟，杨俊伟，杨万里，解方喜，苏 岩

（1.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，吉林 长 春 130025；2.奇瑞汽车股份有限公司，安徽 芜 湖 241009）

废气再循环（EGR）技术凭借其清洁高效、容易实现的特点，已成为改善发动机性能和排放的重要技术途径。近年来，随着发动机技术的发展和节能减排的要求，汽油机使用EGR的比例也逐渐增大。汽油机EGR不仅可以减少中小负荷时发动机循环的泵气损失，还可以降低大负荷时末端混合气的自燃概率，从而可提高几何压缩比，改善燃油经济性。然而，EGR率的增大势必会影响发动机的正常燃烧过程，降低火焰传播速度，增加未燃HC排放，因此发动机只有在一定的EGR率范围内才能获得正收益［1－8］。

汽油机一般为滚流气道，合适的缸内滚流运动可以促进油气混合，改善燃烧和排放特性，减少循环变动。为研究缸内滚流对EGR汽油机性能的影响，利用商业软件AVL FIRE对1台4气门汽油机在不同EGR率和不同缸内滚流运动工况下的燃烧和排放特性进行了仿真计算。

1 计算方案

1.1 方案设计

对于固定形状的气道，其在某一转速和负荷下产生的缸内气流运动状态是固定不变的，无法研究不同气流运动对发动机性能的影响，因此只计算了不带气道的燃烧室模型，通过初始条件设置缸内的气流运动状态，然后根据计算结果反过来指导进气道的设计。因为只研究缸内气流运动对发动机性能的影响，不考虑燃油混合不均的因素，所以假设在进气下止点（180°曲轴转角）以后缸内的燃油混合都是均质的。

从下止点开始，到516°曲轴转角排气门开启时刻结束，分别计算不同滚流运动对汽油机在5%，15%，25%EGR率下的燃烧和排放特性的影响，并对不同滚流状态的点火正时作了优化分析，最后对比分析了滚流旋转中心位置对发动机性能的影响。

1.2 滚流比定义

缸内滚流状态的不同表现为滚流旋转轴线不同和同一轴线滚流比不同，其中旋转轴线位置可以通过计算软件的初始状态设置，而滚流比定义为实际流体的角动量与参考角动量之比，即

式中：RT为滚流比；mi为第i个网格单元的质量；vi为第i个网格单元的速度；ri为第i个网格单元处的径向半径；n为发动机转速。计算过程中为方便表示不同滚流比下的角动量，重新定义滚流比为

式中：ωf为滚流旋转轴旋转速度；ωe为发动机转速。

2 CFD模型的建立

2.1 计算网格

以某排量1.8L汽油机为研究对象，建立了其计算网格模型，发动机具体参数见表1。

表1 发动机基本参数

排气上止点为0°曲轴转角，从进气下止点180°曲轴转角到排气门开启位置516°曲轴转角，使用FIRE软件中FAME Engine Plus功能对发动机几何实体模型划分动网格。全局最大网格尺寸为1mm，最小网格尺寸为0.5mm。为保证网格质量，对结构复杂和尺寸间隙较小的地方进行了细化，下止点网格数为652 512个，上止点网格数为186 212个，下止点计算网格见图1。

2.2 边界条件和初始条件

边界条件的设置对仿真计算的精度有重要影响，根据汽油机温度特性对气缸盖、进排气门、活塞和缸套的初始平均温度进行了设置：活塞、进气门、排气门为移动壁面，温度分别为600K，360K，580K；气缸盖和缸套为固定边界，温度分别为550K，450K。

FIRE软件以曲轴转角作为时间计算步长，开始计算角度的参数设置为初始条件，计算转速为3 000r／min，初始点火时刻为344°曲轴转角，火核半径为3mm，点火持续期为0.3ms，缸内混合气初始温度和初始压力分别为293.15K和0.1MPa，初始湍动能计算值为52m2／s2，湍流长度计算值为0.005，而滚流比和滚流旋转轴线位置以及初始EGR质量分数，根据不同的计算工况设置。

2.3 数学模型

边界值计算采用镜面对称Mirror，导数的计算采用最小二乘法Least Sq.Fit，壁处理采用复合壁函数Hybrid wall function，可以修正近壁处的湍动能，计算过程采用simple算法和适用于汽油机的Global特征步长。

发动机缸内的燃烧属于湍流燃烧过程，湍流对燃烧中的传热和传质起着不可忽视的作用，而化学反应能否发生以及其反应速度也受反应机理本身的影响。湍流模型采用精度和稳定性都较好的四方程k－zela－f模型，燃烧模型采用扩展的相关火焰ECFM模型，NOx生成采用扩展的Zeldovich模型。

2.4 模型验证

为验证计算模型的准确性，对本计算模型（不带气道）与带气道模型的示功图进行了对比。带气道模型在进气下止点180°曲轴转角自然进气形成的滚流比为0.77，以此作为不带气道模型的初始滚流比。图2示出在相同缸内质量流量及计算条件下，5%EGR率工况不带气道模型与带气道模型的示功图的对比。按照示功图吻合度标准，验证工况的缸压和放热率曲线重合率都较好，说明带气道模型自然形成的滚流状态与不带气道模型通过初始值设置的滚流状态计算结果有较好的吻合度，证明了计算方法的合理性和准确性。

3 计算结果及分析

3.1 滚流比对发动机燃烧特性的影响

汽油机切向气道和进气翻板的使用可以增大缸内滚流，促进火焰传播；但滚流比的增加同时也受充气效率的限制，过多增大缸内滚流会使充气效率恶化，进气量减少，因此计算滚流比的范围选择在2.5以内。图3示出了EGR率分别为5%，15%，25%工况下，滚流初始旋转中心位置在气缸中心，不同滚流比下缸内燃烧压力随曲轴转角的变化关系。从图中可以看出，在相同EGR率下，增大滚流比可以提高最高缸内压力，并使放热提前，最大压力升高率增大，其中5%，15%，25%3种EGR率工况下，滚流比2.5相比无滚流缸内气流运动情况，最高缸内压力分别可提高18.67%，30.30%和64.17%。说明增加缸内滚流可以改善燃烧，弥补EGR带来的燃烧效率损失，提高EGR容忍度，特别是在大EGR率工况下，这一改善效果更加明显。

除了提高缸内燃烧压力，增加滚流比还可以加快燃烧速度。图4示出了3个EGR率工况下，初燃期和主燃期随滚流比增加的变化关系，初燃期定义为0～5%燃油燃烧质量分数所占的曲轴转角，主燃期定义为5%～90%燃油燃烧质量分数所占的曲轴转角。从3个柱状图可以看出，随着滚流比的增大，初燃期和主燃期以及整个燃烧过程所占的曲轴转角都呈下降趋势。5%EGR率工况，从着火始点到90%燃油燃烧，滚流比增大到2.5可使燃烧过程所占的曲轴转角由29°下降到20°，降幅31%，其中初燃期降幅为29.6%，主燃期降幅为32.1%；15%EGR和25%EGR工况，随着滚流比增大到2.5，燃烧持续期分别缩短31.7%和34.8%，其中初始燃烧期分别缩短33.1%和40.4%，主燃期分别缩短30.6%和29.4%。通过以上数据分析可知，滚流比增大可以促进火核形成和发展，缩短初燃期，并且增加火焰传播速度，缩短燃烧持续期。由图4还可以看出，在小EGR率工况下，滚流比对燃烧过程的促进作用在主燃期较明显，而中高EGR率工况下，初燃期受滚流比影响更显著。说明废气既可以降低反应初期反应自由基的形成，又可以降低主燃期自由基与反应物碰撞反应的概率，只是不同的EGR率下，这两种抑制作用的程度不同，大EGR率下启链反应变得更加困难，因此增大滚流比对中高EGR率下初始反应改善幅度更大。

滚流比对燃烧过程的促进作用从微观角度分析是由于缸内湍动能的增加促进了分子之间的动量、质量以及热量交换，增大了已燃气体与未燃气体之间的扩散面积，降低了传质阻力，使火焰传播速度加快。图5示出缸内平均湍动能随曲轴转角的变化，3个EGR率工况都呈现出相同的湍流变化规律，随着活塞下行，湍动能先稍微减小后快速升高，过了345°曲轴转角逐渐下降，在下降过程中有一个小凸起，并且这一凸起所对应的曲轴转角与最高缸内压力所对应的曲轴转角相当。图6示出EGR率5%，滚流比1.0计算工况下不同曲轴转角的速度场。结合图5和图6可以看出，随着活塞压缩上行，滚流运动逐步被挤压，滚流旋转中心偏转，特别是到更小的燃烧室空间里，宏观高速气流运动减弱，缸内滚流不能继续保持，进而破碎成无规则的湍流运动，使缸内平均湍动能出现一个压缩峰值。而平均湍动能过了最大值以后，随着湍流运动耗损为热能，再加上没有新的湍流源，缸内湍动能逐渐降低，只有在燃烧最为激烈的中期，在火焰扩散传播和缸内压力波冲击作用下出现小幅度回升。对比图5a、图5b、图5c3个图可以看出，相同滚流比不同EGR率工况下的缸内湍动能几近相同，说明湍动能主要受缸内气流运动的影响，高滚流比可以产生较大的缸内湍动能，从而对燃烧产生促进作用，降低引入废气对燃烧带来的负面影响，充分发挥EGR的优势。

3.2 滚流比对发动机排放特性的影响

废气作为惰性气体引入到缸内，一方面降低了火焰传播速度和近壁面处混合气的完全燃烧程度，另一方面降低了燃烧温度，导致未燃HC的氧化作用减弱。图7所示为不同EGR率工况下，未燃HC排放质量分数随滚流比的变化关系散点图。从图中可以看出，相同EGR率下，HC排放随滚流比的增大逐渐降低，当滚流比为1.5时，HC排放就可以降到很低的水平；当滚流比为2.5时，3种EGR率工况下的未燃HC质量分数比无滚流工况降低99%以上。说明强的缸内滚流通过强化燃气分子团和未燃混合气的扩散混合，可以进一步促进燃料完全燃烧，提高燃烧效率，降低未燃HC排放。

图8所示为不同EGR率工况下，NO排放质量分数随滚流比的变化关系散点图。可明显看出，EGR率越高NO质量分数越低，并且不同EGR率工况下，NO质量分数均随着滚流比的增大而显著增加。其中5%EGR率工况，滚流比2.5相比无滚流运动工况，NO质量分数增大4.8倍；而由于高EGR率对低滚流运动燃烧恶化的显著影响，15%EGR率和25%EGR率在滚流比1.0以下工况的NO质量分数几乎为0，随着滚流比的增大，两种EGR率下滚流比2.5工况相比滚流比1.0工况，NO质量分数分别增大3.4倍和26倍。这是因为在相同空燃比条件下，NO的生成主要受缸内温度的影响，同时EGR率越高，滚流比对NO生成的影响也越明显，这也从反面说明了缸内滚流对高EGR率汽油机燃烧的改善作用。滚流比越大，缸内湍动能越强，火焰传播速度也越快，燃烧质量变好，因而缸内温度升高，NO质量分数增大。

3.3 点火正时与湍流强度的优化匹配

由前面分析可知，湍动能受滚流运动破碎影响，不同曲轴转角呈现出不同的湍动能分布，5%EGR率、滚流比2.0工况湍动能瞬态分布的二维切片见图9，由图可以看出从310°到355°的曲轴转角内缸内湍动能强度大小和分布的变迁过程。为更确切地表示出火花塞附近湍动能的变化，图10示出了以点火位置为中心，半径5mm的半球内不同滚流比下的平均湍动能在不点火的情况下随曲轴转角的变化关系曲线。可以看出，火花塞附近的湍动能和缸内平均湍动能一样在压缩上止点前也存在一个峰值，而且滚流比越大峰值越高。点火时刻火花塞附近高的湍动能可以促进火核形成时期的着火稳定性和火焰传播，缩短初始燃烧期，因此合适的点火正时和湍动能匹配可以促进燃烧，提高热效率，进而提高发动机的指示功输出。

平均指示压力是平均指示功除以工作容积得到的，其可以表征发动机循环做功的能力。图11示出滚流比分别为0，0.5，1.0，1.5，2.0，2.5工况下计算角度范围内的平均指示压力随点火正时的变化曲线。可以明显看出，不同滚流强度下的平均指示压力随点火角的变化关系表现出相同的先增大后减小的变化趋势，并且不同的滚流强度下有不同的最优点火角，同时还可以看出无滚流或者低滚流比的最优点火角对应的平均指示压力反而高于高滚流比，其中无滚流比滚流比2.5的最大平均指示压力要高出1.32%。平均指示压力受上止点前后燃烧放热的综合作用，因而其大小变化可以从上止点前后两个方面考虑。对于同一滚流比，点火正时越早，上止点前的放热量比例也越高，平均指示压力也就越低，而且高滚流比带来的高湍动能使这一现象更明显，高湍动能可以促进火焰的形成和发展，上止点前放热量增大，因而高滚流比工况平均指示压力更低；而点火正时推迟，虽然上止点前的放热量减少，但随着燃烧后移，急燃期所对应的燃烧室体积增大，压力升高比降低，因而热效率降低，平均指示压力下降。除此之外，点火推迟，燃烧初始期所能利用的湍动能也降低，燃烧促进作用下降，因而也不利于平均指示压力的提高。

对于低滚流比缸内运动，压缩后期湍动能较低，点火之后火焰发展传播相对较慢，初始燃烧期延长，上止点前的放热量随之减少，压缩负功低，燃烧相同的燃料能发出更大的指示功；相反，高滚流运动在压缩后期的湍动能较强，点火之后火焰发展和燃烧速度较快，上止点前的燃料燃烧比例增多，压缩负功变大，因而指示功降低，平均指示压力也降低。通过以上分析可知，高湍动能可以促进燃烧，缩短燃烧初始期，改善废气再循环对燃烧的抑制作用，但一定程度上也会增大压缩负功，降低平均指示压力，因而点火正时与滚流运动以及EGR率合理匹配才能发挥出最优效能。

3.4 不同滚流旋转中心位置的性能对比

气道结构和倾角不同，缸内滚流运动的旋转中心位置也不同。图12示出了5%EGR率、滚流比2.0工况9种不同滚流旋转中心位置的滚流运动在180.5°与190°曲轴转角的压力场和流场流线。从图中可以看出，在180.5°曲轴转角时，压力场与流线整体表现出气流运动方向远离燃烧室壁时压力较低，流向燃烧室壁面时压力较高的趋势；当压缩行程到190°曲轴转角，9种不同初始状态的滚流运动流线旋向和位置变得几近相同，旋转中心都变化到了气缸中心，并且压力场也变得均匀。而此时活塞从下止点由静止状态开始运动，到190°曲轴转角时，速度并不是很大，对这一过程的气流运动影响较小，因此旋转气流的向中心运动趋势是缸内压力分布不均匀和高速运动气流与燃烧室壁面挤压的综合作用的结果，使得偏心旋转的滚流运动在气门关闭以后有一个往中心转移的自运动过程。

为进一步说明不同旋转中心的缸内气流运动发展变化及其性能对比，图13和图14分别示出了9种计算工况的缸内平均湍动能和缸压曲线。从图中可以看出，除了平均湍动能在曲线前半段有微小的差异，9种工况的平均湍动能后半段曲线及缸压曲线几乎完全重合，没有表现出明显的差异性，因此初始缸内滚流旋转位置对发动机燃烧性能影响不大。所以在利用高滚流比提高汽油机废气再循环容忍度的气道设计过程中，只需在相同滚流强度下保证尽可能大的流量系数和最优的油气混合均匀性，而不用考虑滚流旋转中心对发动机燃烧特性的影响。

4 结论

a）高滚流比可以改善废气再循环汽油机的燃烧和排放特性，提高汽油机的EGR容忍度，对进一步发挥EGR在汽油机上的应用优势具有重要意义；

b）在5%EGR率工况下，相同滚流比下，平均指示压力随点火提前角的减小呈现先增大后减小的变化规律；通过与点火正时的优化匹配，低滚流比时的最大平均指示压力高于高滚流比时的最大平均指示压力；

c）不同的滚流旋转中心位置并没有表现出明显的性能差异，但其计算结果对进气道的设计和缸内气流运动组织仍具有一定的指导意义。

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