火花塞对汽油机缸内湍流的影响

王秦燕，汪春梅，钱叶剑，张梦圆，迟昊

(合肥工业大学汽车与交通工程学院，安徽 合肥 230009)

对于火花点火发动机，由于火花塞靠近进气门，它对进气射流的流动以及缸内涡团的形成与发展有着重要的导向作用；同时活塞接近上止点时火花塞附近的气流特性对火核形成与发展以及火焰的传播都有着较大的影响[1-3]。若火花塞处于高速气流区，不易形成稳定的火焰核心，火焰容易熄灭。另外，若火花塞附近的湍流强度适当，可以加强火花塞电极与可燃混合气分子间的碰撞概率，提高着火阶段的燃烧化学反应速度，使热量和活性中心的累积速度加快，易于形成火焰核心[4-5]。因此，火花塞附近的气流应为低速且有合适的湍流强度。

目前，火花塞结构对缸内湍流的影响情况尚不明确，有待进一步的研究。而且随着稀燃技术[6]的发展，为促进混合气可靠着火，缸内湍流特性研究越来越重要[7-9]。同时随着均质压燃(HCCI)、活性控制压燃(RCCI)、预混压燃(PCCI)[10-11]等新型压燃技术的兴起，火花塞的取消如何影响缸内湍流状态也是研究者关注的焦点。

为了探究火花塞对缸内湍流的影响，本研究运用三维仿真软件建立了汽油缸内直喷(GDI)发动机冷态仿真模型，研究分析了原机火花塞、无火花塞、加深火花塞和加大火花塞等不同结构对缸内湍流特性，特别是缸内涡流的形成与发展和湍动能的影响，探明缸内湍流流动结构和演化过程的基本规律。

1 模型的建立及计算边界条件

1.1 发动机参数

模拟对象为一款排量为 1.5 L 4气门缸内直喷汽油机，火花塞中央布置，主要参数见表 1。对发动机2 000 r/min冷态情况下的缸内流动状况进行了仿真计算。计算网格见图1，网格的基本尺寸为1.395 mm。

表1 发动机主要参数

图1 网格模型

1.2 计算模型的建立和算法

选用三维仿真软件来研究发动机缸内流动燃烧过程，各参数及计算模型[12]见表 2。研究了无火花塞、标准火花塞、加深火花塞(加深3 mm)以及加大火花塞(1.5倍)(见图2)对缸内流场的影响，为了对火花塞附近区域局部的流场进行更详细的分析，对发动机火花塞附近区域网格进行了局部加密处理[13]。模拟GDI发动机的进气和压缩冲程，对应的曲轴转角为330°～720°，其中压缩上止点为720°。

表2 计算模型

图2 网格划分

1.3 边界和初始条件

模拟研究主要涉及冷态流场，边界和初始条件采用冷态条件下的经验值(见表3)。该款发动机进气门的开启和关闭时刻分别为330.5°和 579.3°。

表3 边界和初始条件

2 计算结果分析

2.1 模型的验证

图3示出了模型计算和试验测量的缸内压力对比。可以看出模拟数据与试验数据整体趋势一致，吻合较好，只有少许局部数值不同，但误差在许可范围以内。因而可以认为本研究的缸内三维计算所选用的模型和计算方法合适，达到了满意的计算精度，可以进行缸内湍流模拟计算研究。

图3 缸压对比

2.2 缸内气体速度场分析

在进气冲程阶段，进气射流对缸内湍流场的形成和演变具有决定性的影响。缸内流场既有大尺度的宏观气体运动，又有局部小尺度的强烈湍流脉动。流场特性可以通过特征截面上流场分布状态反映出来。速度场的纵向切面是过进排气门中心且过火花塞并与缸盖底平面垂直的截面。

图4示出了进气初期360°时气缸纵向切面缸内速度流线图。从图4的全局图可知，在进气上止点360°时，进气门开度已经增大到一定程度，气缸内外压差大，进气射流速度高，最大流速均超过80 m/s。气流以较大的速度撞击在气门杆上，气流沿气门四周呈发散状进入气缸，部分气体撞壁后运动方向变化，并在气门背面低压作用下，在进气门左下侧形成一个明显的进气涡流。另一部分靠近气缸中心的气流在气门背压和燃烧室结构的共同作用下，在进气门右下侧形成与左侧气流对应、旋向相反的涡旋。同时速度矢量分离产生切向速度并在燃烧室结构的影响下，在排气门下方形成涡团。由于火花塞在缸内所占容积相对较小，4种火花塞下气流运动、涡团位置及强度基本保持一致。

图4的局部速度流线图显示，4组数据在细节上还存在较大差异，特别是进气门右侧的流场。图4a为标准火花塞情况下的速度流线图，其进气门右侧射流分离出的切向速度顺着原进气气流的方向横向穿过火花塞电极与缸内原气流汇合，流速集中且顺畅。图4b为无火花塞情况下的速度流线图，由于没有火花塞的导流，进气气流沿着气流方向发散开来，射流速度最大，但流向多次出现转折，进气门右侧涡团发生畸变，但不明显。图4c和4d的加深/加大火花塞均使进气气流不再侧重横向发展，而是沿着火花塞电极处分流形成向下/向右的流动，加深火花塞缸内流场火花塞右侧气流撞击深坑边界发生急转，加大火花塞使气缸中心进气气流垂直下行，由于火花塞电极间的间隙大，火花塞右侧与原气流相切产生多组涡对结构，与前几组湍流情况明显不同。由此可见，火花塞对进气初期缸内涡团的形成有重要作用。

图4 360°时缸内速度流线图

进气中期，气门升程接近最大位置时的速度流线见图5。随着活塞下行和气门升程的增大，更多新鲜气体进入缸内，与缸内气流混合，原有涡团从新鲜气流获得能量不断成长，并产生新涡团，大涡团分布不再仅限于气门下方和燃烧室内，而是充斥在整个缸体内部。图5a显示标准火花塞气缸中心存在一个主要的强涡团，图5b显示无火花塞气缸内部存在3个稍小的核心涡团，图5c显示加深火花塞在左右两侧均有一个强度相当的涡团，图5d显示加大火花塞缸内涡流分布相对均匀，有5～6个相差不大的涡流均匀分布在气缸内。对比4种结构的缸内湍流，加大火花塞的缸内湍流更有利于燃气的混合。由图5局部速度流线图可知，450°时气门下行的深度已经超过了4组火花塞尺寸，气流直接由火花塞下侧进入缸内，此时缸内容积远远大于火花塞体积，火花塞对新鲜充量的影响明显减弱，但先期形成的涡团对后期缸内流场的发展依旧存在着深远影响。

图6示出了压缩冲程中缸内速度流线图。随着气门升程的减小，进气强度减弱，活塞下行，缸内容积不断增大，大尺寸涡团不断拉伸、破碎，演变为多个小尺寸涡团，缸内流速降低到15 m/s。当活塞运行到下止点附近，大、小涡团相继破裂，数量明显减少。从图6可以看出，各图在气缸左下以及右上部位有两个主涡流，其他地方散布一些小尺寸涡团。在压缩冲程，由于活塞的压缩以及湍流的耗散，缸内涡团相继破碎耗散，说明此阶段内流场整体运动有所削弱。当气门关闭后气缸内存在统一的流场，流动方向与进气过程中产生的滚流方向一致，为顺时针方向。活塞运动加速了气缸内左侧往上的气流运动，抵消了气缸内右侧部分向下的气流运动。流场越来越趋于均匀化，涡团强度也越来越小，涡团不断破裂、消失。在压缩冲程中后期，随着活塞向上运动，气缸内气体被压缩到燃烧室内，形成挤流，原有的垂直涡流继续保持并有向上运动的趋势。该区域内流场脉动也逐渐加强，产生了新的大尺度涡团，并随原有的涡团集中于燃烧室内部。可以看出，在压缩冲程前期和中期，由于气缸容积较大，火花塞所占容积相对更小，涡团分散在缸内不同区域，离火花塞位置较远。

图6 压缩冲程缸内速度流线图

因此，从进气冲程后期到圧缩冲程初期，火花塞对缸内流场无明显影响。但是，到了压缩冲程末期，缸内容积减小，火花塞的影响会增加，后文会有详细论述，此处不再赘述。

2.3 缸内湍流强度分析

图7示出缸内气体的平均湍动能随曲轴转角的变化曲线。4种方案的湍动能变化趋势趋于一致，可以看出，火花塞对缸内湍动能的影响主要体现在进气初期，随着进气门的关闭，火花塞对湍动能的影响不再明显，这与前文对速度场分析结果一致。

从图7可以看出，在进气冲程前期，缸内平均湍动能较小，火花塞的影响小，4条湍动能曲线重合。随着气门升程的增加，进气强度不断加大，缸内气体质量以及流场速度显著增大，强烈的气体剪切运动使得涡黏系数增大，大尺度涡团不断拉伸、破裂，形成大量的小涡团，能量也从大尺度向小尺度方向传递，缸内湍动能增加，火花塞对湍动能的影响逐渐显现出来，湍动能曲线开始分离。在进气门刚开启的一段时间内，气缸处于高真空度状态，进气以极高的速度进入缸内，与缸内气体发生强剪切作用，湍动能曲线出现第一个峰值，此处曲轴转角为370°。由图7中的A区域可知，4种火花塞下的湍动能曲线都达到了峰值，其中标准火花塞发动机的缸内平均湍动能最大值为45 m2/s2，无火花塞和加深火花塞湍动能都为42.81 m2/s2，加大火花塞的湍动能最低，为39.86 m2/s2。这说明火花塞对进气阶段缸内流动有很大影响。原因从图4的速度流线图可以看出，在气缸中心位置，无火花塞结构下射流发散，标准火花塞下射流相对集中，湍动能更大一些；加深火花塞由于在进口处被阻挡，被迫改变流动方向，多数气流流向下侧，少数穿过火花塞电极；加大火花塞由于气流与火花塞撞击面积增大，火花塞左侧湍动能大，穿过火花塞后湍动能明显减小。

图7 缸内平均湍动能

随着气门升程的增加，进气射流速度降低，活塞运动速度减小，高频速度波动迅速衰减，进气剪切现象减弱，平均湍动能减小。但是，随着进气量的增加，缸内流场总体强度上升，平均湍动能再次上升，并在气门升程达到最大时(460°)再次出现峰值，但比首次峰值小了很多(见图7B区域)。可以看出，标准火花塞缸内平均湍动能最大，加大火花塞缸内平均湍动能次之，无火花塞与加深火花塞差别不大。加大火花塞下缸内平均湍动能增加的原因是随着气门升程的增大，加大火花塞造成的阻挡作用减少，同时随着前期生成涡团的流动与发展，加大火花塞缸内涡团更多、更均匀，整体湍动能随之增加。

在进气冲程后期，虽然缸内工作气体质量仍在增加，但是由于进气强度的减弱，流场速度下降明显，湍动能曲线呈现下降趋势，直至活塞到达下止点时刻。

压缩冲程前期，进气阶段形成的强剪切运动被削弱，工质黏性系数减小，涡破裂现象减弱。由于不同尺度间的能量传递缩小以及小尺度涡团能量的不断耗散，使得湍动能继续减小。压缩后期，湍流脉动增强，湍流黏性系数增加，能量不断地向小尺度方向进行传递，使得湍动能不断增加的同时耗散也在不断增强。随着活塞运动速度的降低，加之摩擦作用，湍动能不断衰减直至活塞到达上止点时刻。活塞越接近上止点，湍动能也越弱，因此，在压缩后期4条曲线又接近重合。

图8示出了火花塞附近的湍动能。相对发动机气缸容积而言，火花塞在缸内所占容积很小，虽然火花塞对缸内平均湍动能的影响不大，但是对局部湍动能的影响还是很大的。由于缸内流动的复杂性，很难理清造成各湍动能曲线波动的具体原因，但也不难发现火花塞附近湍动能的变化趋势与缸内平均湍动能变化趋势一致，波动的产生和进气射流的存在密切相关，进气初期火花塞附近湍动能明显高于缸内平均湍动能。压缩冲程之后，随着气缸容积的不断缩小，火花塞附近湍动能与缸内平均湍动能值越来越接近。

图8 火花塞附近湍动能

从图9的700°和720°湍动能云图可以看出，由于挤流和缸壁摩擦的影响，缸内气体的流动湍动能分布不均匀，气缸边缘的湍动能弱，气缸中部附近的挤流区域湍动能强。这种湍动能分布特性对于中心点火发动机有利，因为强烈的缸内湍流运动可增大点火初期火焰的传播速度。其中标准火花塞缸内湍动能最大且分布最均匀，无火花塞条件下缸内湍动能大的区域最少，平均湍动能最小，与图7的缸内平均湍动能曲线结果一致。

图9 缸内平均湍动能云图

2.4 点火时刻火花塞附近流场分析

图10示出700°点火时刻火花塞附近速度矢量和湍动能。由速度矢量图可知，在点火时刻加大火花塞附近的流速最大，原机流速略低一些，加深火花塞和无火花塞流速相似。由于接近上止点，火花塞体积的影响已经不能忽视，在不燃烧的情况下，火花塞作为一个障碍物，必然导致缸内流速方向和流场分布发生变化。因此，无火花塞情况下速度流场呈现单向流趋势，其他3组则发生了流动方向的变动。标准火花塞附近左侧速度矢量为顺时针流，右侧为逆时针流，两股气流在点火电极处相遇；加深、加大火花塞附近速度流均呈现顺时针流，加大火花塞电极右侧出现了一个明显的涡团。

由图10的湍动能云图可知，点火位置附近，加大火花塞的湍动能最大，加深火花塞次之，无火花塞湍动能最小。缸内湍动能的分布非常有层次，活塞中心湍动能大，越靠近气缸壁，湍动能越小。由于加深、加大火花塞均促使火花塞靠近气缸中心，二者火花塞附近的湍动能明显增大。结合图8的全局湍动能图可知，这种变化不仅影响了局部湍动能的分布，还影响到全局湍动能的变化。

图10 点火时刻火花塞附近速度与湍动能分布

3 结论

a) 对于缸内速度流场，在进气阶段，火花塞位于进气射流的方向上，对气流有阻碍与导向作用，影响缸内涡团的形成和发展;随着气门升程的缩小及气缸容积的增大，火花塞对涡流形成的影响明显减弱；进气门关闭至压缩中期，火花塞对缸内流场几乎没有影响；压缩末期，不同火花塞作为障碍物，会造成点火时刻火花塞附近流场分布的不同;

b) 对于缸内湍动能分布，湍动能的大小与缸内流场的分布密切相关,越靠近壁面湍动能越小，缸内有涡团的位置湍动能会大一些;在进气过程中，火花塞对湍动能的影响最大，火花塞附近的湍动能波动也最剧烈，进气冲程后期影响变小;4种火花塞结构的缸内平均湍动能很接近，但是局部细节存在区别;

c) 不同火花塞结构对缸内流场的影响较大,其中，标准火花塞结构下，火花塞附近速度较小，湍动能最大，流场分布情况有利于火焰的快速传播。

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