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通過模擬分析和試驗方式來優化進氣道和燃燒室，使其產生高的流量系數和渦流比，成為目前柴油機燃燒過程的關鍵技術之一。為了得到某型柴油機進氣道的性能，本文通過模擬計算和試驗兩種方法對該氣道進行研究。 

在進氣過程中，柴油機進氣道形成的渦流可以使得柴油和空氣更好地混合，增加湍流強度和湍流動能，大大提高火焰傳播速率，從而改善發動機的性能。通過模擬分析和試驗方式來優化進氣道和燃燒室，使其產生高的流量系數和渦流比，成為目前柴油機燃燒過程的關鍵技術之一。 

進氣道的三維數值模擬 

1. 計算參數輸入 

此次計算氣道所匹配的柴油機最大氣門升程在9mm左右，為了全面掌握此機型進氣道的性能指標，試驗共采用9個氣門升程工況點，其對應的氣門升程值分別是1～9mm。模擬計算的工況點和試驗工況點完全相同。 

計算中假設流動是可壓縮的，湍流模型選用k-ζ-f模型，與之匹配的壁面處理方式選擇Hybrid Wall Treatment。 

2. 數模和網格模型 

本次計算域模型是參考AVL的穩流氣道試驗臺得到的，氣道的入口處增加了一個半球形的穩壓腔，用于模擬大氣環境，其直徑為缸徑的2倍，模擬氣缸長度為缸徑的2.5倍（見圖1）。利用AVL Fire軟件自帶的Hybrid Assistant進行體網格劃分。網格模型包括穩壓腔、進氣道和模擬氣缸。主網格尺寸為2mm，并對進氣道、氣門座圈及氣門等部位進行不同程度的加密處理。

3. 邊界條件 

邊界條件的設置參考了AVL氣道試驗臺的實際試驗工況。設置進氣入口為總壓邊界，并設總壓為1.0×105Pa。出口為靜壓邊界，小氣門升程（≤3mm）出口壓力設為9.5×104Pa，進出口壓差為5000Pa；大氣門升程（>3mm）出口壓力設為9.6×104Pa，進出口壓差為4000Pa。進出口溫度均為313K。其他表面設為壁面邊界條件。4. 初始化條件 

設置初始壓強值p為9.9×10^4Pa，初始密度ρ為1.13kg/m3，溫度為313K。 

進氣道試驗 

缸內渦流宏觀研究測量方法即穩流氣道試驗臺，主要包括葉片風速儀測量法（見圖2）和渦流動量計法（見圖3）。

圖2 葉片風速儀測量法

圖2中柴油機氣道內的氣流進入氣缸內部，形成渦流。在氣缸蓋以下1.75倍缸徑處，安裝一個葉片。葉片在渦流作用下進行旋轉，氣缸中葉片轉動的切向速度與軸向速度的比值即為渦流比。 

圖3中柴油機缸蓋安裝在試驗臺面上。起動風機，提供試驗所需的壓力源。進氣道內的氣流進入氣缸內形成渦流。動量計測量渦流的強度。氣道壓差傳感器、氣門升程傳感器、轉矩傳感器和流量計分別測量進氣道壓力差、氣門升程、轉矩值和流量值。然后將這些數據反饋給數據采集儀，通過計算機控制整個系統的正常運轉。

本文中流量系數和渦流比的試驗值均是在渦流動量計法穩流氣道試驗臺獲得的。 

模擬與試驗結果 

1.流量系數和平均流量系數 

本次計算的流量系數統計采用了國內比較通用的AVL方法。從流量系數分布圖可以看出，流量系數模擬值曲線和試驗值曲線趨勢一致，均隨著氣門升程的增加而增大。在小氣門升程下流量系數值增長趨勢明顯，隨著氣門升程的增加流量系數增長趨勢變緩。在測試的最大氣門升程工況點，流量系數的試驗值達到0.67，該進氣道的流量系數適中。進氣道流量系數的試驗值低于模擬值，這是由于模擬分析是在理想狀況下進行計算的，而試驗中渦流動量計等部件會存在一定的阻力，導致試驗測得的流量系數偏低。 

進氣道平均流量系數模擬值和試驗值分別為0.307和0.289。其模擬值高于試驗值，這也與各個工況點下流量系數的模擬值與試驗值趨勢相一致。 

2.渦流比和平均渦流比 

渦流的穩態研究一般是在距缸頭1.75倍缸徑的面上以平行于氣缸軸線的線為中心軸的一個旋流，定義為渦流。渦流比主要是依據在這個平面上速度的切向分量（與氣缸軸平行的速度分量）計算出的。從渦流比分布圖可以看出，渦流比模擬值和試驗值隨著氣門升程的增加變化趨勢一致，均是隨著氣門升程的增加而減小。在小氣門升程時，渦流比值較高，這是由于小氣門升程時，氣流流通面積小，氣門前后壓力差大，導致氣體流速高，缸內氣流旋轉速度大。隨著氣門升程的增大，渦流比逐漸減小。大氣門升程時，渦流比相對較穩定。 

進氣道渦流比的試驗值高于模擬值。這是由于渦流比和流量系數成反比，流量系數越大，渦流比越小。 

前述流量系數模擬值高于試驗值，所以渦流比模擬值小于試驗值。 

計算得到的進氣道平均渦流比模擬值和試驗值分別為1.98和2.12。其模擬值低于試驗值，這也與各個工況點下渦流比的模擬值與試驗值趨勢相一致。 

3.缸內氣流 

圖4所示為典型的三種工況下缸內氣流流動跡線圖。紅色橢圓內代表經左側氣門進入缸內的流動狀況，紅色箭頭代表經右側氣門進入缸內的流動狀況。

圖4 典型的三種工況下缸內氣流流線

工況1為小氣門升程，此時氣門開度僅1mm，氣流主要繞氣門表面進入氣缸內部，此時前面所述的氣門座圈倒角對提高渦流比作用明顯。從圖中可以看出，氣流經左右兩個進氣門形成一個繞氣缸軸線的強烈漩渦。工況5為中氣門升程，最高達到5mm，此時氣門升程增加，氣流經左右兩側氣門進入氣缸內部形成的漩渦沒有小氣門升程時規則，氣門座圈倒角對氣流的導向作用減小，經右側氣門進入的氣流對經左側氣門進入的氣流形成的干涉加大，導致渦流比減小。工況5為大氣門升程，達到最大值9mm，此時氣門座圈倒角對氣流的導向作用基本消失，氣流經過兩側氣門與座圈之間的寬闊空間進入氣缸內部。經右側氣門進入缸內的氣流與經左側氣門進入缸內的氣流相互干擾嚴重，導致渦流比進一步減小，需要通過優化氣門座圈和氣門結構來避免。 

結語 

柴油機進氣過程中形成的渦流對柴油機的性能有很大影響。本文通過結合模擬分析，結合試驗對比兩種方法對進氣道性能的研究，得出以下結論： 

（1）隨著氣門升程增加，流量系數與渦流比的各自模擬值與試驗值的變化趨勢均保持一致； 

（2）流量系數模擬值稍大于試驗值，而渦流比模擬值稍小于試驗值； 

（3）本柴油機的氣門座圈倒角在小氣門升程時對提高渦流比有明顯作用，但在大氣門升程時沒有作用，需要優化氣門座圈和氣門結構。