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摘要：利用多维模拟程序KIVA-3V对YTR2105柴油机气缸建立了三维计算模型，模拟了该发动机封闭的缸内工作过程，得到大量的缸内信息。结合均质压缩燃烧的特点，分析了该发动机缸内气体流速、温度、湍流强度等流场的分布规律以及燃烧室结构对各流场的影响。认为该发动机适合进行均质压燃着火方式的改造。
关键词：KIVA-3V；均质压燃；缸内流场；数值计算
0 引言
均质压燃（HCCI）是在进气过程中形成均质混合气，通过压缩点燃混合气的着火方式，具有同时降低油耗和排放的优势，被认为是未来发动机满足日益严格的排放法规和人们对高燃油利用率的一项必备措施。缸内模拟是发动机研究的一个重要手段[1]。对发动机缸内流场研究，掌握详尽的缸内实时信息是改造HCCI发动机的基础。HCCI燃烧过程主要受详细化学动力学的影响[2]，而我们要控制其燃烧过程就要控制混合气的化学反应条件，在实际过程中我们所能控制的参数主要为温度、压力和气体组分，并且温度对其燃烧过程的影响最为显著[3]，故缸内的温度分布会对均质压燃有着重要的影响。湍流本身对HCCI燃烧过程并没有明显的影响，但应用分层燃烧实现均质压燃或实行催化燃烧时就必须考虑缸内的流场情况[4]。有研究称均质压燃发动机的排放与燃烧室的缝隙区有很大的关系，是HC排放的主要来源[5]，所以对挤气间隙内的流场研究也很重要。对柴油机缸内过程的详细了解是将其改造成均质压燃发动机必不可少的一个步骤。本文利用了CFD技术，使用KIVA-3V软件对YTR2105柴油机进行了缸内气体流场的数值模拟。
1、计算参数
计算参数主要取自YTR2105柴油机，缸径及冲程为105€?20mm、挤气间隙1.1mm、进气门迟闭角38oATDC、排气门早开角-55o ATDC、€%r型燃烧室（燃烧室直径56mm、燃烧室深度21.75mm、燃烧室转角半径11mm、燃烧室口部直径28mm、燃烧室深度28mm、无凸台）、燃烧室偏置量（X方向4.83mm、Y方向1.29mm）、计算转速1500rpm。
2、计算结果与分析
仿真计算始于上止点前142o，终于上止点后125o。设定初始涡流比大小为3.0。在发动机工作时的涡流、湍流、活塞运动、燃烧室特殊形状和位置等因素的综合作用，使得缸内任意点的速度具有瞬变的特征，不易表征缸内的气流状况，所以本文分析中采用缸内某方向上的最大速度值表示缸内宏观气流的强弱。Um、Vm、Wm分别表示X，Y的最大切向速度及轴向最大速度。由于涡流表示的是缸内气体绕竖直方向轴旋转的空气流，那么就可以用切向最大速度（Um，Vm）来表示缸内涡流强度的大小；而轴向速度与挤流、逆挤流、滚流有很大关系，所以用轴向最大速度Wm大致表示挤流、逆挤流和滚流的强弱。
2.1燃烧室偏置的影响。从挤气间隙区剖面的速度场变化来看，曲轴转角上止点前110oCA到上止点前16oCA切向速度几乎增加了一倍，并且活塞越接近上止点增大的速度也越大。并且在上止点前40oCA左右的时候涡流强度开始明显增强，同时涡流中心也在绕着燃烧室壁面旋转，与涡流的旋转方向相反为逆时针旋转。这是由于当活塞上行时将挤气间隙中的气体挤出。当活塞接近上止点时挤气间隙中气体的出口逐渐减小，所以挤出气体的速度会变大。又由于燃烧室的偏置而导致挤气流动的不平衡从而增强了缸内涡流运动的强度。中间局部强涡流的存在给燃油的雾化和蒸发创造了良好的条件。并且其涡流范围小，不会将二次喷油形成的浓混合气迅速冲淡，为分层充量式HCCI燃烧创造了极好的气体流场条件。
2.2燃烧室湍动能的影响。从燃烧室的湍动能分布可以知道，湍动能大多发生在燃烧室结构发生突变的部位，如：挤气间隙深处、燃烧室口部以及€%r型燃烧的凸台等，也就是说缸内不规则或不平滑过渡的结构有有助于湍流的产生。同时还可以发现，由于贴近燃烧室壁的气体受制于壁面的限制，脉动完全消失仍是层流运动，所以的湍动能比较小。这就势必影响贴近燃烧室壁面部分空气的油气混合及后期喷油器喷到燃烧室壁面上燃油的蒸发甚至开始阶段缸壁对新鲜空气的热传递，从而影响燃烧和排放质量。在观察€%r型燃烧室时还可以发现€%r型燃烧室的湍动能大的区域在右侧分布稍大。湍动能的大小虽然不会直接影响缸内气体的化学反应速率，但HCCI燃烧存在壁面催化反应的时，它将会影响混合气与催化壁面接触的几率，从而影响HCCI燃烧过程。从上述结论看，催化剂应该置于湍动能较大的区域，如结构发生突然变化的区域。
2.3温度场的影响。从燃烧室内温度的变化来看，燃烧室内的温度是随着活塞的上行而增加。从分布来看在距上止点较远的位置，气缸内靠近内壁气体的温度高于气缸中心气体的温度，而到达上止点前23o以后就呈现出了相反的现象。这是由于距上止点较远时进来的新鲜空气温度较低，而缸壁保持着一定的高温，这样缸壁给贴近的空气传热较多，并且气缸壁对气流的限制使一定量的动能转化成内能，共同作用而使贴近燃烧室壁的温度高于燃烧室中心气体温度。随着活塞上升缸内压力增大缸内气体温度增高，缸内气体的温度超过壁面温度，壁面反而成为吸热的部分，所以形成了温度分布为内高外低的分布形式。由于缸内高温部分气体的温度差异较小、不存在局部炙热点，这是HCCI燃烧方式（缸内所有混合气同时着火）的必备条件，所以本机适合HCCI的改造。
3、总结
论文利用KIVA-3V程序对YTR2105柴油机进行了缸内流体的数值计算，得到了大量的缸信息，分析了柴油机缸内流畅的特点和燃烧室结构对流场的影响及与HCCI燃烧的关系。得出的主要结论为该柴油机顺利改造成HCCI发动机打下了基础。
参考文献:
[1]吴成刚.基于KIVA-3V程序的四缸车用柴油机进气道流场数值模拟[D].昆明:昆明理工大学,2007:1-5.
[2]Mahdi Shahbakhti, Charles Robert Koch．Physics Based Control Oriented Model for HCCI Combustion timing[J]. Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, 2010.132(3):1-12.
[3]Zhi Wang, Jian-Xin Wang, Shi-Jin Shuai, ect. Experimental and Computational Studies on Gasoline HCCI Combustion Control Using Injection Strategies[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power,2007,129(7):870-876.
[4]曾文,艾延廷,徐葳,等.湍流对缸内存在催化燃烧的HCCI发动机燃烧与排放特性的影响[J].小型内燃机与摩托车.2010,39(2):1-5.
[5]曾文,解茂昭,艾延廷,等.采用多维数值模拟研究汽油HCCI发动机的排放物生成及演变规律[J].燃烧科学与技术,2009,15(4):327-331.
作者简介：吴晗（1985.12-），男，安徽萧县人，长安大学汽车学院在读硕士研究生，主要从事汽车代用燃料和发动机数值计算方面的研究。
关键词：KIVA-3V；均质压燃；缸内流场；数值计算
0 引言
均质压燃（HCCI）是在进气过程中形成均质混合气，通过压缩点燃混合气的着火方式，具有同时降低油耗和排放的优势，被认为是未来发动机满足日益严格的排放法规和人们对高燃油利用率的一项必备措施。缸内模拟是发动机研究的一个重要手段[1]。对发动机缸内流场研究，掌握详尽的缸内实时信息是改造HCCI发动机的基础。HCCI燃烧过程主要受详细化学动力学的影响[2]，而我们要控制其燃烧过程就要控制混合气的化学反应条件，在实际过程中我们所能控制的参数主要为温度、压力和气体组分，并且温度对其燃烧过程的影响最为显著[3]，故缸内的温度分布会对均质压燃有着重要的影响。湍流本身对HCCI燃烧过程并没有明显的影响，但应用分层燃烧实现均质压燃或实行催化燃烧时就必须考虑缸内的流场情况[4]。有研究称均质压燃发动机的排放与燃烧室的缝隙区有很大的关系，是HC排放的主要来源[5]，所以对挤气间隙内的流场研究也很重要。对柴油机缸内过程的详细了解是将其改造成均质压燃发动机必不可少的一个步骤。本文利用了CFD技术，使用KIVA-3V软件对YTR2105柴油机进行了缸内气体流场的数值模拟。
1、计算参数
计算参数主要取自YTR2105柴油机，缸径及冲程为105€?20mm、挤气间隙1.1mm、进气门迟闭角38oATDC、排气门早开角-55o ATDC、€%r型燃烧室（燃烧室直径56mm、燃烧室深度21.75mm、燃烧室转角半径11mm、燃烧室口部直径28mm、燃烧室深度28mm、无凸台）、燃烧室偏置量（X方向4.83mm、Y方向1.29mm）、计算转速1500rpm。
2、计算结果与分析
仿真计算始于上止点前142o，终于上止点后125o。设定初始涡流比大小为3.0。在发动机工作时的涡流、湍流、活塞运动、燃烧室特殊形状和位置等因素的综合作用，使得缸内任意点的速度具有瞬变的特征，不易表征缸内的气流状况，所以本文分析中采用缸内某方向上的最大速度值表示缸内宏观气流的强弱。Um、Vm、Wm分别表示X，Y的最大切向速度及轴向最大速度。由于涡流表示的是缸内气体绕竖直方向轴旋转的空气流，那么就可以用切向最大速度（Um，Vm）来表示缸内涡流强度的大小；而轴向速度与挤流、逆挤流、滚流有很大关系，所以用轴向最大速度Wm大致表示挤流、逆挤流和滚流的强弱。
2.1燃烧室偏置的影响。从挤气间隙区剖面的速度场变化来看，曲轴转角上止点前110oCA到上止点前16oCA切向速度几乎增加了一倍，并且活塞越接近上止点增大的速度也越大。并且在上止点前40oCA左右的时候涡流强度开始明显增强，同时涡流中心也在绕着燃烧室壁面旋转，与涡流的旋转方向相反为逆时针旋转。这是由于当活塞上行时将挤气间隙中的气体挤出。当活塞接近上止点时挤气间隙中气体的出口逐渐减小，所以挤出气体的速度会变大。又由于燃烧室的偏置而导致挤气流动的不平衡从而增强了缸内涡流运动的强度。中间局部强涡流的存在给燃油的雾化和蒸发创造了良好的条件。并且其涡流范围小，不会将二次喷油形成的浓混合气迅速冲淡，为分层充量式HCCI燃烧创造了极好的气体流场条件。
2.2燃烧室湍动能的影响。从燃烧室的湍动能分布可以知道，湍动能大多发生在燃烧室结构发生突变的部位，如：挤气间隙深处、燃烧室口部以及€%r型燃烧的凸台等，也就是说缸内不规则或不平滑过渡的结构有有助于湍流的产生。同时还可以发现，由于贴近燃烧室壁的气体受制于壁面的限制，脉动完全消失仍是层流运动，所以的湍动能比较小。这就势必影响贴近燃烧室壁面部分空气的油气混合及后期喷油器喷到燃烧室壁面上燃油的蒸发甚至开始阶段缸壁对新鲜空气的热传递，从而影响燃烧和排放质量。在观察€%r型燃烧室时还可以发现€%r型燃烧室的湍动能大的区域在右侧分布稍大。湍动能的大小虽然不会直接影响缸内气体的化学反应速率，但HCCI燃烧存在壁面催化反应的时，它将会影响混合气与催化壁面接触的几率，从而影响HCCI燃烧过程。从上述结论看，催化剂应该置于湍动能较大的区域，如结构发生突然变化的区域。
2.3温度场的影响。从燃烧室内温度的变化来看，燃烧室内的温度是随着活塞的上行而增加。从分布来看在距上止点较远的位置，气缸内靠近内壁气体的温度高于气缸中心气体的温度，而到达上止点前23o以后就呈现出了相反的现象。这是由于距上止点较远时进来的新鲜空气温度较低，而缸壁保持着一定的高温，这样缸壁给贴近的空气传热较多，并且气缸壁对气流的限制使一定量的动能转化成内能，共同作用而使贴近燃烧室壁的温度高于燃烧室中心气体温度。随着活塞上升缸内压力增大缸内气体温度增高，缸内气体的温度超过壁面温度，壁面反而成为吸热的部分，所以形成了温度分布为内高外低的分布形式。由于缸内高温部分气体的温度差异较小、不存在局部炙热点，这是HCCI燃烧方式（缸内所有混合气同时着火）的必备条件，所以本机适合HCCI的改造。
3、总结
论文利用KIVA-3V程序对YTR2105柴油机进行了缸内流体的数值计算，得到了大量的缸信息，分析了柴油机缸内流畅的特点和燃烧室结构对流场的影响及与HCCI燃烧的关系。得出的主要结论为该柴油机顺利改造成HCCI发动机打下了基础。
参考文献:
[1]吴成刚.基于KIVA-3V程序的四缸车用柴油机进气道流场数值模拟[D].昆明:昆明理工大学,2007:1-5.
[2]Mahdi Shahbakhti, Charles Robert Koch．Physics Based Control Oriented Model for HCCI Combustion timing[J]. Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, 2010.132(3):1-12.
[3]Zhi Wang, Jian-Xin Wang, Shi-Jin Shuai, ect. Experimental and Computational Studies on Gasoline HCCI Combustion Control Using Injection Strategies[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power,2007,129(7):870-876.
[4]曾文,艾延廷,徐葳,等.湍流对缸内存在催化燃烧的HCCI发动机燃烧与排放特性的影响[J].小型内燃机与摩托车.2010,39(2):1-5.
[5]曾文,解茂昭,艾延廷,等.采用多维数值模拟研究汽油HCCI发动机的排放物生成及演变规律[J].燃烧科学与技术,2009,15(4):327-331.
作者简介：吴晗（1985.12-），男，安徽萧县人，长安大学汽车学院在读硕士研究生，主要从事汽车代用燃料和发动机数值计算方面的研究。