柴油机进气过程中，气缸内的气流运动是很复杂的。它不仅随曲轴转角和气门开度而不断变化，而且随沿气缸径向和轴向的位置而不同。这些不断改变的气流运动对柴油机气缸内的油气混合以及燃烧都有决定性的作用。

计算模型的建立

对柴油机进行完整的数值模拟，必须建立起包含进气道、排气道、进气门、排气门、气缸和燃烧室在内的几何模型，并对其进行动网格划分，再确定初始条件与边界条件。

1. 进气道几何建模

对于柴油机而言，不同的进气道与燃烧室结构，造成进入气缸内的气体流场分布也有所不同，进气道、燃烧室的结构参数很大程度上影响了其流动特性、流量系数以及涡流比的大小。

2. 动网格划分

缸内双喷柴油机的进排气道截面面积变化是非常复杂的，如果要进行三维流场仿真模拟，最重要的是划分合理的三维动网格，而网格质量直接影响到模型计算的精度和收敛性。利用AVL-FIRE 软件中内置的FAH（FAME Advanced Hybrid）进行体网格划分并检查网格的质量，网格总数为706 785 ；FEP（FAME Engine Plus）模块进行动网格划分，只需导入所需要的面网格，设定曲轴转角和运动规律，其将自动划分出瞬态分析所需要的动网格。

为了减少动网格数量，减少计算时间，在仿真模拟计算时可以将模型划分为四个部分：①排气门关闭到进气门关闭用无排气门网格；②进气门关闭到排气门开启用无气门的封闭网格；③排气门开启到进气门开启用无进气门的网格；④进气门开启到排气门关闭用气门重叠期的网格。

在划分动网格时，需要建立进气门与气缸活塞的运动规律。进气阀的运动规律就是进气阀门的升程曲线，如图1 所示。

3. 一维建模

一维建模在AVL-BOOST 中进行，其主要是为了得到在试验中很难采集的进气道进口截面的质量流量、气体温度以及排气道出口截面的平均压力。在设置AVL-BOOST 时，需要对全局参数、边界参数、管道参数、空气滤清器及气缸元件进行设置。参数中的一部分取推荐值，如扩散常数、湍流常数及燃烧常数等，另一部分只能通过估算，如每循环供油量及平均机械损失压力等。F-T 柴油燃料的理论空燃比则采用线性插值法近似计算。

通过一维AVL-BOOST 软件计算得到进气道进口截面的质量流量图、进气道进口截面的气体温度图及排气道出口截面的平均压力图。

4. 计算模型的选取

本文的湍流模型为k-ζ-f 四方程模型；蒸发模型为Multi-component 模型；破碎模型为WAVE 模型；碰撞模型为Walljet1 模型；ECFM-3Z 燃烧模型；NOx 模型为Extended Zeldovich 模型；SOOT模型为Kinetic 模型。

5. 初始及边界条件的确定

在瞬态数值模拟计算中，需要给出边界条件和初始条件，合理的初始、边界条件能够保证计算的准确性并提高计算的收敛速度。

（1）初始条件的设置

通过BOOST 计算得到的初始条件如表1 所示。初始湍动能TKE=17 m2/s2， 湍流长度尺度TLS=0.005 m， 湍流离散率TDR=2 253 m2/s3。

（2）边界条件的设置

气缸盖是固定边界， 温度为450 K ；缸壁同样是固定边界，温度为475.15 K ；活塞顶面和燃烧室温度分别为550 K 和450 K ；进、排气道是固定壁面，温度分别为330 K 和550 K ；进、排气阀为移动壁面，速度由气门升程曲线决定，温度分别为330 K 和550 K。

6. 模型验证

如图2 所示， 柴油机在1 800 r/min、中负荷时，仿真与试验数据对比，误差在5% 之内，模型合理。进气道与缸内流场的三维瞬态分析

图2 模型验证缸压曲线图

1. 进气过程

（1）进气门开启到进气阀最大升程处

在进气门开启初期，进气气阀升程较小，进气门处出现了回流现象。随着进气门开度的增加，进入气缸的空气增加。空气以射流的形式进入气缸，最大速度出现在进气阀喉口处。原因是进气阀不在气缸中心，进气气流是不均匀的；高速气流产生了卷吸作用，使缸体内的气体不断向该处涌集。

随着气门升程的增加，进气气流受到气缸壁面的导流作用，流向了燃烧室，并形成明显的逆时针滚流。当进气阀在最大升程处时，进气门处的流速以及流量最大；气流运动到气缸底部靠近燃烧室后，形成两个方向相反的较大涡流。在气阀最大升程处时，从气缸内不同位置的涡流变化情况可以看出，气缸的近壁处存在许多杂乱无章的小涡流。随着气流的进一步下移，缸内的小涡流在快到达燃烧室时，逐渐发展成一个主涡流。

（2）进气门最大气门升程时刻到活塞下止点

在进气门最大气门升程时刻到活塞下止点这个过程中，气阀升程正逐渐减小，在480 °CA 时，与气门升程最大时刻相比，气流在缸内的运动空间增大，受到缸体壁面的导向作用，在靠近壁面处形成一个逆时针滚流。当活塞到了下止点，气阀升程进一步减小，进气门下方产生一个较大的滚流。

3）活塞下止点时刻到进气终了

随着气门升程的减小，缸内的流速分布逐渐趋于均匀，缸内的滚流也逐渐成为一个大滚流。

2. 压缩过程

当达到620 °CA 时，涡流继续发展，并且在气缸上部形成一个纵向的压缩涡流；从680 °CA开始，大量的气体以螺旋方式压入燃烧室，出现压缩涡流和挤压涡流组成的复合涡流；活塞到达上止点时，空气被挤入活塞头部的燃烧室，形成了充满两个凹坑的挤流。

小结

本文完成了发动机全模型的搭建，通过数值模拟的方法分析了柴油机进气和压缩过程缸内气体流动状况，主要特点如下:

（1）气门升程将对进入气缸内的气体流动有着很大的影响。进气初期，缸内气体流动紊乱。随进气行程的进行，平均湍动能上升，气缸内的小涡流逐渐发展成为几个大尺度涡流，且涡流的中心逐渐向气缸中心靠近。

（2）在压缩行程时，缸内气流运动非常复杂，且直接影响了燃油的雾化和油气的混合。到压缩行程后期（680 ～ 720 °CA 曲轴转角）逐渐出现压缩涡流和挤压涡流组成的复合涡流。活塞到达上止点时，气流在燃烧室内形成了充满两个凹坑的挤流。