考虑活塞环组动力学特性的发动机窜气过程CFD仿真分析

01. 研究背景

发动机窜气，指的是在发动机燃烧过程中，燃烧室内的气体经活塞环与气缸套之间的间隙泄漏至曲轴箱的现象。这一现象主要由燃烧室内的高压环境以及发动机运动部件在长期运行过程中的磨损所引发。

目前，针对发动机窜气的研究，重点聚焦于集成活塞环组动力学、气体流动以及机油消耗机制。通过耦合仿真技术，能够深入剖析活塞环组动力学（涵盖平移、扭转、颤振等多种运动形式）与气体压力之间的相互作用关系。部分研究模型还考虑了油膜及其传输过程的影响，因为油膜在活塞环与缸套之间构建了一道关键的密封屏障。

然而，现有的这些模型存在一定局限性。它们通常将流体域简化为二维甚至一维模型，这种简化处理忽略了非轴对称效应对发动机窜气的影响。同时，许多模型过度依赖经验参数的调整，需要借助试验数据对模型进行修正，这在一定程度上限制了模型的通用性和准确性。因此，当前迫切需要一种全新的建模方法，该方法能够完整、精确地捕捉所有与发动机窜气相关的物理现象，无需进行近似处理和参数调整。如此一来，该模型便可轻松应用于任何新的发动机几何结构，而无需额外的测试数据支持。

本文提出了一种创新的CFD（计算流体动力学）仿真模型，该模型对先前的假设进行了优化改进。此模型采用三维建模方式，充分考虑了非轴对称效应对发动机窜气的影响。该模型完整求解了所有控制传输方程，未忽略任何关键项，与以往采用一维或二维近似的模型相比，为发动机窜气研究提供了更为准确、详细的仿真方法。

02. 建模方法

窜气会导致发动机性能下降、组件加速磨损以及燃油消耗增加。图1(a)展示了典型活塞环的横截面，而图1(b)描绘了相应的流体域。流体域顶部受燃烧室条件影响，底部受曲轴箱条件影响。环与缸套之间的间隙为亚微米级，这是由于装配时环的预压缩造成的。此外，环在活塞槽内受多种力影响而自由移动，导致环槽间隙也为亚微米级。环不形成完整的环状；通常留有一个间隙，称为端隙，以容纳发动机运行期间因热膨胀而产生的尺寸变化。

图1 典型的活塞环截面及对应流体域

对发动机相关组件进行建模主要遵循三步流程。其一，依据活塞、活塞环以及气缸套的CAD文件，构建亚微米级别的精细网格，其中间隙最小处尺寸仅为0.5微米，以此确保对组件微观结构的精准模拟。其二，针对模型的上下边界，精心挑选适配的操作条件，保障边界条件与实际工况的高度契合。其三，运用配套的求解器对流体域内的压力、速度以及温度分布进行求解计算，从而获取准确的流体动力学特性数据。具体如下所示：

• 网格划分策略

将提供的STL文件通过自定义编写的Python代码处理成一组文本文件，如图2所示。

图2 活塞环STL文件处理

这些文本文件存储着与表面相关的数据信息，其用途在于构建与STL文件所包含的表面数据相适配的网格边界。具体操作流程如下：首先，借助Simerics MP+软件中的环形模板网格生成功能，创建一个初始网格，该初始网格由19个矩形横截面的环形网格组合而成，如图3(a)所示。随后，利用从STL文件创建的文本文件所提供的数据，通过线性转换，将上述初始网格转换为活塞环组网格，转换后的网格结构如图3(b)所示。

图3 Simerics MP+环组模板网格及变形后环组网格

将所生成的网格与STL文件进行细致比对后发现，除在网格中强制设定的最小0.5微米间隙外，网格边界与STL文件所定义的表面位置及形状之间不存在差异。通过实施这种强制设定最小间隙的操作，即便输入的STL文件中包含相交或接触的表面，也能在网格中确保存在最小间隙（以维持体积正性），从而保障CFD仿真能够顺利开展。

• 模型设置

将燃烧室压力和温度数据应用于流体域的顶部，将大气条件应用于流体域的底部（曲轴箱），如图4所示。流体域的壁面设置为绝热。

图4 边界条件

图5展示了本研究中一个案例（案例1）的标准化压力和温度。压力和温度分别相对于其最大值进行标准化。曲轴转角约定设置为上止点（TDC）点火时为360度。

图5 案例1燃烧室温度及压力变化

此外，活塞上配备的油喷嘴或油雾器通常安装在发动机块或曲轴箱内部，其喷射方向精准瞄准活塞底部。喷洒而出的油在活塞运行过程中发挥着重要作用，能够有效辅助活塞实现冷却与润滑。在活塞运动过程中，这部分喷洒的油会被油环（即第三个活塞环）刮除。然而，在研究发动机窜气现象时，必须充分考虑油对窜气产生的影响。与此同时，发动机内部的燃烧过程以及燃料雾化过程会向窜气中引入碳氢化合物。

为了在建模过程中全面考量这些复杂因素对发动机窜气的影响，流体采用多组分混合方法进行建模处理。在该模型中，将一部分流体假定为油。尽管目前尚无法精确确定油在流体中的具体百分比，但根据相关研究经验与估算，将其设定为流体质量的5%，并且在所有模拟案例中保持这一比例不变。而模型中的其余流体则被视为空气，并且遵循理想气体定律进行相关计算与分析。

• 数值求解方法

使用Simerics MP+软件对该案例进行求解，包括其质量、动量及能量守恒方程。

质量守恒：

其中，ρ为密度，V为流速，n为单位外法向量，Sm为外部源项

动量守恒：

其中，σ为应力张量， Bf为体积力向量，F为模型相关源项。

能量守恒：

其中，T为温度，H为总焓，hJ和JJ分别为各组分的静态焓和扩散通量，keff为有效热导率。

对于多组分流动，需为混合速度、压力和温度求解传输方程。存在多种组分时，还需求解额外方程以确定各组分在流体混合物中的传输方式。对于n组分混合物流动，任意组分“i”的传输由以下质量分数方程控制

其中，Yi为质量分数，Si为用户定义源项，Ji为质量扩散项。

假设环在槽内的运动仅为平移，通过牛顿第二定律求解。为评估环上的净力，考虑以下分量：

·流体产生的压力和剪切力

·表面粗糙度引起的摩擦力

·活塞加速度引起的惯性力

计算所得的活塞环运动参数，被进一步应用于以完全耦合的方式对流体域进行动态调整。在本研究中，充分考量活塞环端隙随曲轴转角的变化情况（仅考虑平移）。利用Ansys结构求解器开展计算，计算过程涵盖活塞环与缸套之间的接触作用、缸套变形以及活塞环组动力学特性等多方面因素。随后，将计算得到的端隙变化数据应用于流体域，从而能够依据给定的输入条件，对端隙厚度进行合理缩放，以确保模拟结果的准确性与可靠性。

03. 结果与验证

在本案例研究中，为确保所获取的结果能够呈现出准稳态特性，对发动机开展了两个完整循环的模拟运行。在时间步长的设定上，选取每个时间步转动 0.125 度作为计算间隔。该仿真模型构建了约 100 万个单元，当使用 64 个核心并行运行时，完成整个仿真过程需要 20 小时。

• 结果分析

案例1的模拟结果呈现如下特征。图6清晰地展示了在一个发动机循环周期内，不同活塞环之间的流体压力分布情况。经评估，第二个活塞环内的最大压力为峰值燃烧压力的0.07倍，而第三个活塞环内的最大压力则为峰值燃烧压力的0.03倍。进一步观察可发现，第二环内的峰值压力达到时间显著晚于顶环岸的峰值压力出现时间，第三环的情况与之类似。这一现象的产生，是由于相较于燃烧室内的压力变化速率，流体域内流体压力的传输过程相对缓慢。

图6 不同环内压力监测

图7显示了三个环在其凹槽内的标准化环位置。归一化环位置1表示环在凹槽顶部，0表示环在凹槽底部。可以注意到，在压缩冲程和做功冲程期间，第一环停留在凹槽的底部，这是因为与第二环相比，顶部环中的压力更高。由于图6所示的压力反转，第一个环在大约540度处移动到顶部

图7 一个发动机循环中三个环在其凹槽内的模拟标准化环位置

图8呈现了流体区域（涵盖燃烧室与曲轴箱）入口和出口边界处的瞬时质量流量情况。在此特定工况下，通过入口边界的平均质量流量为1.3e-4 kg/s，而通过出口边界的平均质量流量则为1.36e-4 kg/s。由于入口与出口的平均质量流量存在差异，进而导致了4.6%的质量不平衡现象。

图8 进出口流量监测

• 案例验证

下图基于当前所采用的建模方法，对实验测得的窜气流量与模拟计算得出的窜气流量进行了对比分析。从对比结果来看，模拟所得的窜气流量数值与实验值处于相近水平。然而，在模拟过程中能够观察到，模拟结果对实际漏气情况存在一定程度的低估。经深入分析，这可能是由于在建模过程中忽略了流体 - 结构的相互作用，以及未充分考虑活塞环的其他运动模式和扭曲变形模式所导致的。

图9 实验和模拟所得窜气量比较

◆ 研究总结

本文创新性地提出了一种全新的三维计算流体动力学（CFD）瞬态模拟方法，旨在精准评估共轨直喷式柴油机的发动机窜气情况。该方法的核心步骤如下：首先，创建流体域的结构化网格，设定最小间隙为 0.5 微米，以确保网格能够精确捕捉流体域内的细微特征。随后，利用所构建的模拟域进一步求解质量、动量和能量守恒方程，从而全面评估流体域内的压力、速度和温度分布。在模拟过程中，将活塞环视为在凹槽内可自由平移的物体，其运动受到多个力的共同作用。同时，流体域基于计算得出的环位置，以完全耦合的方式进行动态变形，以更真实地反映实际工况。

针对两种不同型号的发动机，在不同的操作条件下开展模拟研究。结果显示，模拟得到的漏气流量与实验数据高度吻合，充分验证了该模拟方法的准确性和可靠性。此外，该模拟模型不仅能够精确预测漏气流量，还为深入理解漏气现象提供了有力支持，例如可清晰呈现压力反转、环运动等关键物理过程。值得一提的是，该模拟模型完整求解了传输方程组，未引入任何假设或简化，因此成为精确预测发动机窜气的首个同类模型，具有显著的创新性和应用价值。

文章来源： 

Manne V H B, Bedekar S, Srinivasan C, et al. 3D CFD Analysis of Predicting Engine Blowby Considering Ring Dynamics[R]. SAE Technical Paper, 2025.

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