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随着燃油喷射技术在汽油机领域的广泛应用,对缸内气流运动的研究显得愈来愈重要,缸内气流运动对汽油机油气混合和燃烧过程有重要影响,并进而影响到发动机的性能和排放水平,而发动机气道的流动特性在很大程度上决定缸内的气流运动状况。进排气道及缸内气体流动是三维、非定常、伴随有传热和摩擦等现象的可压缩气体流动,随着非结构化CFD计算方法的成熟,可以分析从气道到缸内的流动,计算精度可达5%以内。
本文总结了国内外针对气道及缸内气体流动的研究现状和发展趋势,介绍了气道及缸内气体流动CFD分析的主要步骤,讨论了影响汽油机缸内流动的主要因素,论述了发动机空气动力学的计算理论,探讨发动机工作过程三维CFD分析的理论和方法。
根据计算理论,应用相关先进数值模拟软件,建立4G24汽油机气道及缸内气体流动的仿真模型,对其流动特性分别进行了稳态模拟与瞬态模拟计算,计算结果显示,4G24汽油机的气道及缸内流体流动状态基本正常,双进气门布置使缸内产生双涡流,其对称结构使得涡流比接近于0,存在的问题主要有,发现进排气道的原始方案在气门座附近都存在凸台,以至于气道入口处湍动能较大,能量损失严重,而且原排气道后部存在强烈的局部回流,以至于原气道的流量系数偏低,局部位置的湍流动能分布不合理。针对存在的问题,提出修改方案。由于受到燃烧室形状与气门布置的限制针对进气门座附近存在的凸台,去除凸台的方法仅限于改进气道设计,以使经过气门座的气流更加顺畅,随之带来滚流比的降低,这是由于气道的曲率半径减小的缘故。
为了更加切合实际地反映汽油机工作过程中气道及缸内流体的流动特性,本文相应进行了瞬态模拟,从瞬态模拟结果得知,新气道的结构设计合理,有利于获得较大的流通系数,提高充气效率,缸内流场存在明显滚流,高湍动能区位置合理,有利于增加火焰传播速度,提高燃烧稳定性。采用计算流体力学的方法对发动机气道及缸内流场进行稳态与瞬态模拟,这样可以在短时间内获得大量流场信息,是发动机新产品研发的有效手段。