基 于 STAR-CCM+ 的 活 塞 冷 却 喷 嘴 射 流 分 析 朱 肃 敬, 王 翀, 杨 勇, 欧 阳 梅, 杨 昆, 陈 小 东, 卿 辉 斌 ( 长 安 汽 车 动 力 研 究 院, 重 庆 401120) (Tel:023-67921675, Email:zhusujig@sia.com) 摘 要 : 通 过 活 塞 冷 却 喷 嘴 的 射 流 分 析, 可 为 喷 嘴 的 优 化 设 计 提 供 理 论 及 数 据 支 持, 而 现 有 的 相 关 研 究 主 要 关 注 柴 油 机, 且 未 考 虑 曲 柄 连 杆 机 构 整 体 运 动 因 此, 本 文 基 于 STAR-CCM+ 软 件, 针 对 长 安 Blue Core 某 增 压 直 喷 汽 油 机 建 立 完 整 气 缸 和 曲 轴 箱 模 型, 获 得 曲 柄 连 杆 机 构 运 动 情 况 下 机 油 在 气 缸 内 的 空 间 分 布 及 喷 射 规 律 通 过 分 析 得 到 以 下 结 论 :(1) 曲 柄 连 杆 机 构 的 运 动 对 活 塞 冷 却 喷 嘴 射 流 有 较 大 影 响, 分 析 中 必 须 予 以 考 虑 (2) 该 发 动 机 750 rpm 时 机 油 在 气 流 作 用 下 飞 向 气 缸 壁, 喷 嘴 结 构 需 进 行 优 化 (3)STAR-CCM+ 的 Overset 功 能 可 以 很 好 的 模 拟 曲 柄 连 杆 机 构 运 动, 为 获 得 更 准 确 的 活 塞 冷 却 喷 嘴 射 流 规 律 提 供 帮 助 关 键 词 : 活 塞 冷 却 喷 嘴, 射 流, 曲 柄 连 杆 机 构,VOF,Overset 0 前 言 近 年 来, 在 应 用 缸 内 直 喷 和 涡 轮 增 压 技 术 来 改 善 发 动 机 动 力 性 经 济 性 的 同 时 [1-3], 活 塞 热 负 荷 也 在 不 断 的 加 重, 活 塞 热 负 荷 问 题 的 解 决 是 提 高 整 机 技 术 水 平 的 关 键, 直 接 影 响 内 燃 机 的 耐 久 性 及 可 靠 性 目 前, 降 低 活 塞 温 度 最 有 效 的 办 法 就 是 在 缸 体 上 安 装 活 塞 冷 却 喷 嘴, 对 活 塞 进 行 喷 油 冷 却 [4] 然 而, 不 合 理 的 喷 嘴 设 计, 不 仅 不 能 起 到 有 效 冷 却 活 塞 的 作 用, 甚 至 可 能 将 机 油 喷 射 到 气 缸 壁 上, 将 大 大 增 加 气 缸 壁 机 油 结 焦 的 风 险, 严 重 者 甚 至 导 致 机 油 窜 入 燃 烧 室, 出 现 烧 机 油 的 现 象 [5] 因 此, 对 活 塞 冷 却 喷 嘴 进 行 射 流 分 析 显 得 非 常 必 要 活 塞 冷 却 喷 嘴 安 装 于 发 动 机 缸 体 内, 喷 射 出 的 机 油 也 分 布 在 气 缸 内 部, 如 采 用 实 验 方 法 对 其 流 场 分 布 及 喷 射 规 律 进 行 研 究, 不 但 成 本 高 昂, 且 难 以 实 现 ; 所 以, 近 年 来 研 究 者 多 使 [6-8] 用 CFD 方 法 进 行 研 究 郭 金 宝 等 人 对 带 内 冷 油 腔 的 柴 油 机 活 塞 进 行 了 机 油 填 充 分 析, 获 [9] 得 了 机 油 填 充 率 和 壁 面 换 热 系 数 ; 仲 杰 等 人 通 过 稳 态 分 析, 得 到 了 活 塞 处 于 不 同 位 置 时, [5,10] 内 冷 油 腔 内 机 油 的 流 动 与 分 布 规 律 ; 王 任 信 等 人 使 用 动 网 格 技 术, 研 究 了 柴 油 机 活 塞 内 冷 油 腔 运 动 情 况 下 的 振 荡 流 动 特 性 与 传 热 特 性 现 有 的 研 究 主 要 针 对 柴 油 机 活 塞, 仅 关 注 内 冷 油 腔 在 运 动 情 况 下 的 机 油 填 充 及 换 热 规 律, 而 关 于 考 虑 曲 柄 连 杆 机 构 整 体 运 动 情 况 下, 活 塞 冷 却 喷 嘴 射 流 的 研 究 尚 未 有 公 开 发 表 因 此, 本 文 基 于 商 业 CFD 软 件 STAR-CCM+, 针 对 长 安 Blue Core 某 增 压 直 喷 汽 油 机 的 活 塞 冷 却 喷 嘴, 建 立 完 整 气 缸 和 曲 轴 箱 模 型, 模 拟 曲 柄 连 杆 机 构 运 动 情 况 下 的 机 油 喷 射 流 动, 获 得 怠 速 工 况 和 额 定 工 况 下, 机 油 在 气 缸 内 的 空 间 分 布 及 喷 射 规 律, 为 活 塞 冷 却 喷 嘴 的 优 化 设 计 提 供 理 论 及 数 据 支 撑 1 模 型 与 方 法 1.1 几 何 模 型 本 文 以 某 直 列 四 缸 增 压 直 喷 汽 油 机 为 研 究 对 象, 图 1 为 其 缸 体 部 分 的 几 何 模 型, 包 括 发 动 机 缸 体 缸 套 曲 轴 连 杆 活 塞 及 活 塞 冷 却 喷 嘴 因 为 各 缸 的 几 何 结 构 相 似, 所 以 只 开 展 单 缸 的 射 流 分 析, 首 先 提 取 发 动 机 任 意 一 缸 的 缸 体 缸 套 和 活 塞 冷 却 喷 嘴 表 面, 并 为 运 动 部 件 建 立 Overset 边 界, 最 后 形 成 一 个 封 闭 的 流 体 计 算 域, 如 图 2 所 示 1.2 网 格 划 分 利 用 Hypermesh 进 行 几 何 清 理 及 表 面 网 格 划 分, 使 用 STAR-CCM+ 软 件 进 行 面 网 格 修 复 重 构 及 特 征 线 生 成, 并 完 成 Trimmer 体 网 格 的 创 建, 整 体 模 型 的 体 网 格 数 量 约 为 1500 万 为 了 获 得 更 加 准 确 的 分 析 结 果, 因 此 对 局 部 区 域 进 行 了 适 当 的 网 格 加 密, 整 体 模 型 的 网 格 划 分 如 图 3 长 安 汽 车 动 力 研 究 院, 动 力 总 成 CAE 工 程 所, 联 系 方 式 :zhusujig@sia.com
图 1 缸 体 几 何 模 型 图 2 单 缸 模 型 流 体 计 算 域 图 3 网 格 划 分 1.3 物 理 模 型 气 缸 内 为 气 液 两 相 非 定 常 湍 流 流 动, 其 中 气 体 相 为 空 气, 液 体 相 为 机 油 本 文 采 用 VOF 模 型 处 理 气 液 相 互 作 用 产 生 的 两 相 流 现 象, 并 且 假 设 两 种 流 体 均 不 可 压 缩, 其 控 制 方 程 如 下 : 连 续 性 方 程 动 量 守 恒 方 程 v t v l, 1 t,..., v p 式 中, 是 第 相 的 体 积 分 数, 1 1 分 别 为 相 间 的 质 量 和 动 量 传 递 曲 柄 连 杆 机 构 的 运 动 规 律 方 程 如 下 [11] : 活 塞 速 度 方 程 l1, l ( T ), t l1, l M l v l l1, l, 1,..., v 是 第 相 的 速 度,p 为 压 力, M 和 l l v pisto si( ) R cos 连 杆 摆 动 角 速 度 方 程 corod cos 1 2 si 2 式 中,R 为 曲 柄 半 径,ω 为 曲 轴 转 速,α 为 曲 轴 转 角,β 为 连 杆 摆 角,λ 为 连 杆 比
1.4 边 界 条 件 活 塞 冷 却 喷 嘴 和 气 缸 顶 面 入 口 的 边 界 类 型 设 置 为 速 度 入 口, 曲 轴 箱 出 口 的 边 界 类 型 设 置 为 压 力 出 口, 其 余 所 有 壁 面 设 置 为 无 滑 移 壁 面 边 界 喷 嘴 入 口 速 度 根 据 Flowmaster 软 件 完 成 的 润 滑 系 统 分 析 而 得, 气 缸 顶 面 入 口 速 度 根 据 活 塞 漏 气 量 换 算 而 得, 曲 轴 箱 出 口 压 力 为 大 气 压 初 始 时 刻, 将 活 塞 置 于 上 止 点, 曲 轴 转 角 为 0 CA, 整 个 流 体 计 算 域 充 满 空 气 2 结 果 与 讨 论 本 文 总 共 进 行 了 三 个 工 况 的 分 析, 主 要 对 比 研 究 怠 速 和 额 定 转 速 下 的 喷 射 情 况 1. 静 态 750 rpm: 不 考 虑 曲 柄 连 杆 机 构 的 运 动, 怠 速 转 速 750 rpm 2. 动 态 750 rpm: 考 虑 曲 柄 连 杆 机 构 的 运 动, 怠 速 转 速 750 rpm 3. 动 态 5500 rpm: 考 虑 曲 柄 连 杆 机 构 的 运 动, 额 定 转 速 5500 rpm 2.1 分 析 工 况 一 : 静 态 750rpm 图 4 显 示 了 曲 轴 转 角 180 CA 到 1440 CA 的 机 油 喷 射 情 况, 计 算 结 果 表 明, 在 不 考 虑 曲 柄 连 杆 机 构 运 动 的 情 况 下, 机 油 被 喷 射 出 后 在 重 力 作 用 下 做 自 由 落 体 运 动, 最 终 在 气 缸 内 呈 一 抛 物 线 形 态 图 4 分 析 工 况 一 : 曲 轴 转 角 180 CA 到 1440 CA 的 机 油 喷 射 情 况 图 5 显 示 了 曲 轴 转 角 1440 CA 时 机 油 在 气 缸 内 的 空 间 分 布, 从 图 中 可 知, 该 分 析 工 况 下, 机 油 并 未 被 喷 射 到 气 缸 壁 上
(a) 前 端 视 图 (b) 排 气 侧 视 图 (c) 顶 视 图 图 5 曲 轴 转 角 1440 CA 时 的 机 油 空 间 分 布 2.2 分 析 工 况 二 : 动 态 750rpm 因 为 发 动 机 实 际 运 行 时, 曲 柄 连 杆 机 构 是 在 高 速 旋 转 的, 所 以 在 该 分 析 工 况 下 将 利 用 STAR-CCM+ 的 Overset 功 能, 模 拟 曲 柄 连 杆 机 构 运 动 下 的 机 油 喷 射 情 况 图 6 分 析 工 况 二 : 曲 轴 转 角 90 CA 到 720 CA 的 机 油 喷 射 情 况 图 6 显 示 了 发 动 机 转 速 750 rpm, 一 个 工 作 循 环 内 的 机 油 喷 射 情 况, 与 分 析 工 况 一 的 计 算 结 果 对 比 可 知, 机 油 喷 射 出 后 的 空 间 分 布 和 形 态 完 全 不 同 同 时, 在 曲 轴 转 角 675 CA 观 察 到 机 油 飞 向 气 缸 壁, 见 图 7; 从 速 度 云 图 和 矢 量 图 上 来 看, 由 于 曲 柄 连 杆 机 构 的 运 动, 导
致 在 缸 内 形 成 了 一 股 扫 向 缸 壁 的 气 流, 因 此 喷 出 的 机 油 在 气 流 作 用 下 飞 向 气 缸 壁 (a) 机 油 分 布 情 况 (b) 速 度 云 图 和 矢 量 图 图 7 分 析 工 况 二 : 曲 轴 转 角 675 CA 的 (a) 机 油 分 布 情 况 (b) 速 度 云 图 和 矢 量 图 2.3 分 析 工 况 三 : 动 态 5500rpm 图 8 显 示 了 发 动 机 转 速 5500 rpm, 一 个 工 作 循 环 内 的 机 油 喷 射 情 况, 计 算 结 果 表 明, 机 油 被 喷 射 出 后, 能 够 准 确 打 靶, 到 达 活 塞 热 负 荷 最 高 区 域, 并 且 整 个 过 程 中 未 观 察 到 机 油 被 喷 射 到 气 缸 壁 图 8 分 析 工 况 三 : 曲 轴 转 角 90 CA 到 720 CA 的 机 油 喷 射 情 况 3 结 论 (1) 从 分 析 工 况 一 和 分 析 工 况 二 的 计 算 结 果 对 比 来 看, 曲 柄 连 杆 机 构 的 运 动 会 在 气 缸
和 曲 轴 箱 内 形 成 较 强 的 气 流, 并 对 机 油 的 射 流 造 成 影 响, 因 此 在 活 塞 冷 却 喷 嘴 的 射 流 分 析 中, 必 须 考 虑 曲 柄 连 杆 机 构 的 运 动 (2) 该 款 发 动 机 在 750 rpm 时, 喷 嘴 喷 射 出 的 机 油 在 气 流 作 用 下 飞 向 气 缸 壁, 因 此 其 喷 嘴 结 构 需 进 行 优 化 ; 在 5500 rpm 时, 可 准 确 打 靶, 无 机 油 喷 射 到 气 缸 壁 的 风 险 (3) 基 于 STAR-CCM+ 软 件 的 Overset 功 能 可 以 很 好 的 模 拟 内 燃 机 曲 柄 连 杆 机 构 的 复 杂 运 动, 为 获 得 更 准 确 的 活 塞 冷 却 喷 嘴 射 流 规 律 提 供 帮 助 参 考 文 献 [1] Zhao F., Lai M. C., Harrigto D. L., Automotive Spar-Igited Direct-Ijectio Gasolie. Egies, Progress i Eergy ad Combustio Sciece,1999,25:437-562 [2] Yu C., Par K., Ha S., Developmet of Theta II 2.4L GDI Egie for High Power & Low Emissio, 2009, SAE2009-01-1486 [3] Yi J., Wooldridge S., Coulso G., Hilditch J., Developmet ad Optimizatio of the Ford 3.5L EcoBoost Combustio System, 2009, SAE2009-01-1494 [4] 王 任 信, 陆 健, 李 国 祥. 活 塞 喷 油 冷 却 流 场 数 值 模 拟. 设 计 与 研 究,2010,5:1-3 [5] 罗 卫. 关 于 YC6112 柴 油 机 冷 磨 合 窜 机 油 问 题 的 试 验 研 究. 内 燃 机 工 程,2001,22:64-65 [6] 郭 金 宝, 李 兵, 吴 国 栋 等. CFD 方 法 在 预 测 柴 油 机 内 冷 通 道 活 塞 温 度 分 布 方 面 的 应 用. 内 燃 机 与 动 力 装 置,2009,5:37-40 [7] 张 卫 正, 曹 福 元, 原 彦 鹏 等. 基 于 CFD 的 活 塞 振 荡 冷 却 的 流 动 与 传 热 仿 真 研 究. 内 燃 机 学 报,2010,28:74-78 [8] 余 皎. 重 型 柴 油 机 活 塞 冷 却 腔 内 机 油 流 动 计 算 分 析. 内 燃 机 学 会 年 会 论 文,2009:158-161 [9] 仲 杰, 傅 松, 闫 伟 等. 活 塞 喷 油 冷 却 的 稳 态 数 值 模 拟. 内 燃 机 与 动 力 装 置,2011,5:32-35 [10] 曹 福 元, 张 卫 正, 杨 振 宇 等. 活 塞 开 式 内 冷 油 腔 振 荡 流 动 传 热 特 性 研 究. 汽 车 工 程,2014,5:546-551 [11] 张 保 成, 苏 铁 熊, 张 林 仙. 内 燃 机 动 力 学. 北 京 : 国 防 工 业 出 版 社,2009:10-15