非同步排气门正时对GDI汽油机缸内流场和工作性能的影响

钱叶剑，邵小威，齐景晶，龚震，赵鹏，胡前城

(合肥工业大学汽车与交通工程学院，安徽 合肥 230009)

近年来，随着能源和环境问题的日益严重，开发节能环保汽油机成为主流。目前，实现汽油机高效燃烧的主要技术有增压小排量、缸内直喷技术、均质压燃和双燃料技术[1-3]。其中，缸内直喷技术被认为是汽油机的未来主流技术。汽油机一般会综合运用GDI技术、废气涡轮增压技术和VVT技术，以实现较好的动力性、经济性和排放性能[4-5]。缸内流运动对汽油机燃烧过程影响很大[6]，缸内气体流动主要有涡流和滚流两种形式。涡流和滚流可以增加压缩终了时缸内的湍流强度，湍流强度又可大幅度加快火焰传播速度，提高燃烧效率，进而影响发动机的动力性和经济性[7-8]。因此，在VVT增压直喷汽油机中，可以利用VVT技术更好地组织缸内气流运动，以提高汽油机的性能。在VVT技术应用研究中，目前主要集中于多个排气门(或进气门)正时同时变化(即同步气门正时)[9-10]，非同步气门正时对汽油性能影响的研究较少。本研究主要对采用非同步排气门正时后发动机缸内流场、燃烧和排放性能变化的规律进行分析研究。

1 模型设计及验证

研究对象是某4缸1.5T GDI汽油机，其技术参数见表1。为了研究非同步排气门正时对发动机的影响，固定一个排气门正时，另一个排气门的正时相对标定点提前或者延迟20°。将排气门1提前20°开启记作ex1-20，延迟20°开启记作ex1+20。图1示出发动机气门升程曲线。数值模拟采用UG建立模型，再用AVL Fire划分网格以及后处理。

图1 气门升程曲线

定义0°为点火上止点，Fire中设置边界条件所用的初始参数均由根据试验数据标定好的GT-Power模型提供。三维流体模拟主要考察在2 000 r/min全负荷下，非同步排气门正时对发动机的影响。缸内仿真计算采用k-zeta-f湍流模型，燃烧模型采用ECFM，喷油模型选择湍流扩散模型、碰壁模型和蒸发模型，点火模型选择Spherical。

为分析缸内流场的变化规律，本研究选取三个截面：截面一为过进气门1和排气门1 轴线的纵截面；截面二为过气缸中心纵截面；截面三为距离上止点0 mm与活塞顶面平行的横截面。截面的位置见图2。

图2 分析截面示意

将喷油模型在直径140 mm、高150 mm的空间中进行自由喷雾，在相同模拟条件下，与文献[11]中试验得到的喷雾形态进行对比。由图3和图4中可以看出，模拟和测试结果的燃料喷雾结构相似，喷油贯穿距基本一致，证实了自由喷雾模型的有效性。

图3 仿真贯穿距与试验对比[11]

图4 喷雾形态对比[11]

图5示出模型模拟喷油碰壁与Alessandro等[12]试验结果的对比，可以看出，模拟和试验测试结果喷油碰壁形态类似，证实了喷油碰壁模型的有效性。

图5 喷油碰壁模拟与试验的对比(喷油压力为5.5 MPa)[12]

缸压是燃烧放热率、壁面传热、活塞运动规律及活塞漏气量共同作用后的实际反映，因此缸压决定了模拟的准确性。图6示出台架试验缸压与模拟值的对比。可以看出，缸压曲线基本吻合，最大误差为3.57%，误差在允许的范围之内。以上验证说明该三维CFD模型的参数设置比较合理，可以准确模拟发动机的燃烧过程。

图6 2 000 r/min试验与模拟缸压曲线对比

2 结果分析

2.1 非同步排气门正时对缸内流场的影响

2.1.1对缸内速度场的影响

图7示出了非同步排气门正时对截面一内缸内流场的影响。从图7可以看出，在进气初期缸内混合气的运动较为相似，发动机缸内气体有向上移动的趋势。在上止点(360°)时，原机与ex1+20中进入气缸的气体扫过活塞表面后主要流入排气道。不过，由于ex1-20的排气门即将关闭，气门升程很小，此时缸内气流受到活塞的作用，产生回流进入进气道。经过上止点后，由于活塞下行会在气缸内形成一定的真空度，因排气门1正时不同，产生的排气道气体回流也不同。在气门升程最大时(457°)，涡流因活塞下行受到了拉伸，滚流发生破碎或者转移。原机中气缸右侧顺时针的涡流受到拉伸，移动至气门凹坑下侧，且规模和强度逐渐减小。ex1-20中位于气门右侧的滚流发生破碎，左侧的滚流也被拉伸，分为两个逆时针滚流，在气门凹坑内的顺时针滚流则发展壮大，但是强度较小。ex1+20中排气门下侧的三个涡流被拉伸，两个已经破碎，只剩下一个强度较弱的滚流转移到活塞面附近，而且气缸中部进气门下侧的滚流相比原机要弱很多。随着活塞的继续下移，当活塞在下止点时(540°)，原机中左侧的滚流逐渐破碎，气门凹坑内的顺时针滚流移动到气缸底部，在气门凹坑的左侧又生成了一个逆时针涡流。ex1-20相比原机多了一个滚流，ex1-20在气缸中部进气门下侧形成了一个顺时针滚流。ex1+20则主要有3个滚流，其中一个较大的顺时针滚流主导了缸内气体的流动，其规模相比原机形成的要大很多。在压缩上止点时(720°)，原机中进、排气门两侧分别产生两个顺时针流速较小的滚流，ex1-20和ex1+20则未形成相似的滚流。ex1-20缸内的气流向上运动，ex1+20的缸内气流则由排气门侧流向进气门侧。

图7 不同非同步排气正时下截面一内的速度场变化规律

图8示出非同步排气门正时对截面三内混合气运动的影响。可以看出，排气门1无论延迟还是提前开启，都会使进气门1下侧靠近气缸壁的顺时针滚流破碎，使得其余两个滚流更强，规模更大。三种不同的气门正时策略下，截面三上的平均速度分别为1.01 m/s(0)，1.77 m/s(ex1-20)和1.52 m/s(ex1+20)，即排气门1提前或者延迟开启都会使缸内气体的速度增大。

图8 不同非同步排气正时下截面三内的速度场变化规律

2.1.2对缸内平均参数的影响

缸内新鲜充量和残余废气对发动机的燃烧、排放和油耗有非常重大的影响。图9示出不同气门正时策略下，缸内的新鲜空气和残余废气质量的变化规律。从图中可以看出ex1-20缸内的残余废气相比原机变化最大，增大1倍。这是由于排气门1提前开启20°就意味着提前20°关闭，因此气门重叠角减小，废气不能及时排出，所以使得缸内的残余废气质量增加，同时缸内进气量受到残余废气的影响减少明显。对于ex1+20，由于排气门1延迟关闭，虽然气门重叠角增大了，有利于将废气排出缸外，同时也有部分新鲜充量被扫出气缸，但是在活塞下行的过程中由于排气门还未关闭，缸内的真空度使得排气道内的废气回流，形成IEGR，所以缸内的残余废气质量稍稍增大，同时缸内的进气量也受到影响。

图9 非同步排气门正时对缸内换气的影响

图10示出不同非同步排气门正时下，缸内湍动能的变化规律。可以看出，在不同的气门正时策略下，气缸内平均湍动能均有3个峰值。随着气门的开启，缸内湍动能不断增大，在排气门关闭时达到第一次峰值。当排气门关闭后，缸内的湍动能先变小后变大，在进气门升程最大的时候达到第二次峰值。第三次峰值出现在压缩行程末期，因为缸内滚流在压缩行程破碎为更多小尺度的滚流，所以湍动能增大。另外，提前或者延迟进气门1的开启正时对缸内湍动能的影响都较大，湍动能都大于原机湍动能，ex1-20方案缸内整体的平均湍动能最高。在压缩上止点时，ex1-20和 ex1+20的平均湍动能分别比原机提高11%和7.7%，这有利于促进缸内油气混合。

图10 不同非同步排气正时下湍动能的变化

2.2 非同步排气门正时对混合气形成过程的影响

图11示出不同非同步排气门正时下截面二内当量比的分布。燃油经喷油器喷入气缸内随顺时针滚流运动，气缸上侧的燃油卷入下侧，因此在下止点时，气缸活塞上方左侧的当量比较大，燃油在此区域比较多。由于ex1-20和ex1+20缸内的气流运动强度大于原机，其缸内当量比分布比原机更加趋于一致，可燃混合气分布更均匀。相比之下，ex1-20的气流运动最强，高浓度混合气区域最少。随着活塞向上运动，缸内气流处于被压缩的状态，气缸底部的浓混合气不断地向上运动，缸内混合气的浓度逐渐趋于一致，因此在压缩中期(660°)时，只有气缸盖附近的混合气较浓。在上止点(720°)时，原机气缸内的混合气当量比在喷油器附近最大，大约为1.5，排气侧活塞余隙处的当量比最小，约为0.9，由喷油器侧逐渐向排气侧渐变，当量比慢慢变小。ex1+20也是喷油器处的浓度较大，其他区域相差不大。ex1-20的缸内当量比为1.1～1.2，火花塞处和喷油器处略大。总的来看，缸内湍流运动越强烈，缸内整体的当量比分布越均匀，越有利于点火火核的形成、火焰的快速传播和排放的降低。

图11 不同非同步排气正时下截面二内的当量比分布

图12示出不同非同步排气门正时策略下燃油蒸发过程的变化。可以看出，无论是将排气门1提前还是延迟，燃油蒸发速率均要大于原机。由图13可见，燃油的湿壁质量小于原机，这是因为提前或延迟关闭排气门1均可使缸内的气流运动变强，会加快新鲜充量和燃油的热质交换过程，同时有利于将附着在气缸壁面和活塞顶面上的油膜卷吸到缸内，改善燃油湿壁和燃油蒸发雾化情况。

图12 不同非同步排气正时下燃油蒸发量变化

图13 不同非同步排气正时下燃油湿壁质量变化

2.3 非同步排气门正时对燃烧过程的影响

图14和图15示出了不同的非同步排气门正时下发动机缸内压力和温度随曲轴转角的变化规律。因为发动机的点火正时为上止点后0.3°，因此发动机的缸压曲线都呈现双峰形状。第一次峰值是由于纯压缩达到的最大值，第二次峰值是由于火焰的快速传播导致缸内混合气快速燃烧而形成的。当将排气门1的正时提前20°时，排气门1提前关闭会使进入缸内的新鲜空气量减小，残余废气较多，缸内温度会略高于原机，上止点时ex1-20的压力值也会大于原机。虽然ex1-20缸内的残余废气较多，但是缸内温度的升高有利于火焰传播，燃烧速度加快，滞燃期缩短，会提高燃烧过程的等容度，加之ex1-20缸内火花塞附近的混合气略浓，缸内整体的混合气也非常均匀，接近理论当量比，因此ex1-20的缸内燃烧更快，压力峰值较原机高出约0.3 MPa。虽然ex1-20的燃烧速度快，但是ex1-20的燃油量较少，因此其燃烧的最高温度会比原机略低一点。排气门1延迟20°关闭会使气门重叠角增大，有利于清除废气，初始缸内温度较低。不过由于部分废气在排气门关闭前倒流回气缸，此时缸内温度会高于原机。在压缩上止点时缸内温度略高，此时的压力也稍大于原机。ex1+20火花塞附近的混合气稍稀，远离火花塞的地方较浓，这种分布特点不利于火焰传播。因此，虽然此时缸内的湍动能和温度都大于原机，但是燃烧速度相差不多。在燃烧的中后期，最高燃烧压力和温度均要小于原机。

图14 不同非同步排气正时下缸内压力对比

图15 不同非同步排气正时下缸内温度对比

图16示出发动机的放热率曲线对比。从图中可以看出，燃烧最快的是ex1-20，最慢的是ex1+20。ex1-20燃烧最快是因为缸内温度高，湍流运动较强，缸内可燃混合气分布均匀并接近当量比，有利于火焰的快速传播，因此，燃烧速度快，快速放热的时刻提前。

图16 不同非同步排气正时下放热率对比

2.4 非同步排气门正时对排放的影响

图17和图18示出不同的非同步排气门正时下缸内每循环燃烧后产生的CO和NOx的变化规律。从图中可以看出，将排气门1提前20°开启时，缸内的残余废气多，废气的比热容高，且会降低燃烧速率，当残余废气增加时，燃烧温度会下降，NOx生成减少。另外，缸内可燃混合气接近理论当量比，局部富氧区域也较少，因此ex1-20方案NOx的生成相比原机减少了13.23%。排气门1提前或者延迟20°开启对缸内每循环燃烧后CO的质量影响较小，ex1-20相对原机增大1.73%，ex1-20相对原机减小2.15%。因为影响CO排放的主要因素是当量比。

图17 非同步排气正时对NOx生成的影响

图18 非同步排气正时对CO生成的影响

3 结论

a) 采用非同步排气门正时后缸内的流场与原机截然不同，且气体流速均要大于原机；

b) 发动机缸内湍动能的变化规律相似，均呈现“三峰”，但是采用非同步排气门正时后湍动能要大于原机，将排气门1提前20°开启时变化最大；滚流比在进气前期有明显不同，但在后期变化不大；

c) 非同步排气门正时增强了发动机缸内的气流运动，使燃油蒸发增快，改善了燃油湿壁现象，在上止点时可燃混合气更均匀、更接近理论当量比；

d) 将排气门1提前20°开启时，发动机缸内的燃烧速度增快，放热提前，提高了燃烧过程等容度，最高燃烧压力增加，但是最高温度较原机低，综合排放优于原机。