王志國(guó)，曹權(quán)佐，曹亮，施玉春，于榮楓

（哈爾濱東安汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

高滾流比進(jìn)氣道在增壓汽油機(jī)上的應(yīng)用

王志國(guó)，曹權(quán)佐，曹亮，施玉春，于榮楓

（哈爾濱東安汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)是決定缸內(nèi)滾流強(qiáng)度的主要因素，在傳統(tǒng)進(jìn)氣道的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一款適合增壓機(jī)型的高滾流進(jìn)氣道。

高滾流；增壓；進(jìn)氣道

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.033

CLC NO.: U463.8 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-102-04

引言

滾流是一種其旋轉(zhuǎn)軸垂直于氣缸軸線的缸內(nèi)大尺度空氣運(yùn)動(dòng)形式，在壓縮行程后期轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鳌L流對(duì)缸內(nèi)的油氣混合及湍動(dòng)能有著積極的影響，滾流越強(qiáng)，點(diǎn)火時(shí)刻的缸內(nèi)湍動(dòng)能越強(qiáng)，燃燒速度就越快。進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)是決定缸內(nèi)滾流強(qiáng)度的主要因素，可以把能使缸內(nèi)形成滾流的進(jìn)氣道稱為滾流進(jìn)氣道。作為滾流進(jìn)氣道的性能指標(biāo)，滾流強(qiáng)度和流量系數(shù)總存在著矛盾，滾流進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)宗旨就是在保證適當(dāng)?shù)牧髁肯禂?shù)的前提下盡量提高滾流強(qiáng)度。

隨著油耗、排放法規(guī)的日益加嚴(yán)，以及人們對(duì)汽車動(dòng)力性的不斷追求，汽油機(jī)增壓技術(shù)越來(lái)越受到重視，增壓發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在兼顧性能的前提下提升發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣效率及熱效率，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗及排放。

相比于自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，增壓發(fā)動(dòng)機(jī)依靠增壓器壓縮空氣進(jìn)入氣缸，增壓器的表現(xiàn)直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)性能。又由于增壓器渦輪的特性，很難做到同時(shí)兼顧低速和高速性能，往往是在保證高速性能的前提下犧牲部分的低速性能。大量研究表明，高滾流進(jìn)氣道可提升缸內(nèi)的湍動(dòng)能強(qiáng)度，改善燃燒速率從而提高低速性能。

本文主要介紹了某氣道燃油噴射增壓汽油機(jī)進(jìn)氣道的改進(jìn)設(shè)計(jì)，通過(guò)改變進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)，提高滾流比，并借助穩(wěn)態(tài)CFD計(jì)算來(lái)獲得氣道流量系數(shù)及滾流比數(shù)據(jù)，完成進(jìn)氣道的選型，同時(shí)摸索進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)缸內(nèi)流動(dòng)參數(shù)的影響。

1、高滾流進(jìn)氣道設(shè)計(jì)

研究的氣道燃油噴射的增壓汽油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)

從發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)可以看到，低速扭矩偏弱，其最大扭矩出現(xiàn)在2500r/min，渦輪增壓器較晚介入，對(duì)整車的起步性能和油耗不利，需要提升。

缸內(nèi)滾流強(qiáng)度取決于進(jìn)氣充量的動(dòng)量矩。為獲取強(qiáng)滾流，要增大進(jìn)氣門與氣門座圈上部的進(jìn)氣流量及流速，同時(shí)減小進(jìn)氣門與缸壁間的進(jìn)氣，這樣可形成較為強(qiáng)烈的正向滾流。

圖1為原機(jī)進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)形式，在氣道出口處氣道與燃燒室垂直，這樣可以保證獲得較大的流量系數(shù)，但如箭頭所示，由于氣道出口處與閥座垂直，在出口處進(jìn)氣門上部和下部的氣流均較強(qiáng)，兩股氣流方向相反，相互抵消，削弱了滾流強(qiáng)度。

圖2為高滾流進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)形式，氣道出口處與燃燒室成一傾斜角度α，又如圖3所示，氣道出口上部相對(duì)燃燒室傾斜布置，引導(dǎo)氣流從上部通過(guò)并沿燃燒室屋脊流向排氣側(cè)。而出口下部向氣道中心抬高，形成縮口，阻止進(jìn)氣流向下部。這樣上下兩股氣流形成較大的能量差，為最終滾流的形成創(chuàng)造了條件。

2、進(jìn)氣道評(píng)價(jià)方法

在內(nèi)燃機(jī)中常采用穩(wěn)流試驗(yàn)方法評(píng)價(jià)氣道性能，假定氣道及缸內(nèi)氣體流動(dòng)是穩(wěn)定的氣體流動(dòng)。實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)排氣過(guò)程中，由于活塞和氣門均做變速運(yùn)動(dòng)，流經(jīng)氣道的氣流實(shí)際上是不穩(wěn)定流動(dòng)，兩者之間不存在相似性。為使不同形狀和尺寸氣道的流動(dòng)特性具有對(duì)比性，采用無(wú)量綱的流量系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)不同氣門升程下氣道的流通能力，用無(wú)量綱的滾流比評(píng)鑒不同氣門升程下氣道形成滾流的能力。本文采用AVL評(píng)價(jià)方法[2]。

流量系數(shù)Cf計(jì)算公式：

式中：m為測(cè)得空氣質(zhì)量流量；

mth為理論空氣質(zhì)量流量；

式中，Z為進(jìn)氣門數(shù)目；

dv為進(jìn)氣門座與氣門作用直徑；

ρ為進(jìn)氣門座處氣體密度；

△p為進(jìn)氣壓降。

滾流比Rt計(jì)算公式：

式中：nD為測(cè)得0.5倍缸徑截面上繞旋轉(zhuǎn)軸的角速度；

n 為假想的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

式中Vh為發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸排量。

3、計(jì)算模型及邊界條件

利用AVL-Fire軟件分別對(duì)上述氣道噴射及高滾流直噴氣道進(jìn)行穩(wěn)態(tài)CFD計(jì)算，所需幾何模型一般包括進(jìn)氣道、進(jìn)氣門、進(jìn)氣門座、燃燒室頂部、排氣門頭部、2.5倍缸徑的模擬缸套、進(jìn)氣穩(wěn)壓腔。

首先對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，入口用穩(wěn)壓腔代替大氣環(huán)境，對(duì)氣道及氣門特征處進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化已提高計(jì)算精度。研究對(duì)象的進(jìn)氣門座與進(jìn)氣門配合處直徑29.5mm，氣門升程從1mm開始，以1mm為步長(zhǎng)直至最大升程9mm，建立9個(gè)網(wǎng)格模型，氣道噴射進(jìn)氣道網(wǎng)格模型如圖3所示，高滾流進(jìn)氣道網(wǎng)格模型如圖4所示。

模擬計(jì)算中，進(jìn)出口邊界條件采用2.5KPa定壓差，壁溫為300K，氣體可壓縮，采用K-zeta-f湍流模型和Hybrid WallTreatment壁面函數(shù)。 流量系數(shù)計(jì)算以座圈-氣門作用直徑為參考直徑，滾流比在0.5倍缸徑處進(jìn)行計(jì)算。

4、改進(jìn)方案

作為衡量進(jìn)氣道的性能指標(biāo)，滾流比與流量系數(shù)總是相互矛盾的，為保證不同的滾流比與流量系數(shù)組合獲得最佳的效果，共設(shè)計(jì)了三種進(jìn)氣道方案，具體如下：

方案1：氣道出口上部?jī)A角較小，下部收口適中

方案2：氣道上部出口傾角較大，氣道下部收口較大

方案3：氣道出口傾角略有減小，氣道下部收口適中

5、計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算得到了不同氣門升程下的氣道-缸內(nèi)流場(chǎng)、流量系數(shù)和滾流比。

圖8為原機(jī)進(jìn)氣道各升程下的缸內(nèi)速度場(chǎng)，左側(cè)為氣門剖面速度場(chǎng)，右側(cè)為滾流比測(cè)量平面（氣缸頂面向下0.5倍氣缸直徑）速度場(chǎng)。

可以看到，原機(jī)進(jìn)氣道在進(jìn)氣門的上下兩側(cè)均保持了較高的流速，并且在滾流比測(cè)定平面處兩股氣流也表現(xiàn)出了較高的速度，這樣可以獲得較高的流量系數(shù)，但兩股方向相反的高速氣流在缸內(nèi)相互抵消，無(wú)法形成較為強(qiáng)烈的滾流。

改進(jìn)氣道在進(jìn)氣門下部的流速被減弱，相對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣門上部得到了很大加強(qiáng)，由于單側(cè)進(jìn)氣，會(huì)使得流量系數(shù)有所降低，但在缸內(nèi)卻形成了單一的正向滾流，這從滾流測(cè)量平面的速度場(chǎng)也可以看到。

如下為流量系數(shù)及滾流比的計(jì)算結(jié)果對(duì)比。

6、方案選型

從對(duì)比結(jié)果看，原機(jī)的流量系數(shù)是最大的，而滾流比是最小的，這說(shuō)明原機(jī)氣道是一款注重高流通性的氣道，而對(duì)滾流則基本沒(méi)有考慮。

Application of High Tumble Ratio Intake Port in Turbocharged Gasoline Engine

Wang Zhiguo, Cao Quanzuo, Cao Liang, Shi Yuchun, Yu Rongfeng
（Center of Technology, Harbin DongAn Automotive Engine Manufacturing Co., Ltd, Heilongjiang Harbin 150060）

Intake port structure is the main factor of the in-cylinder tumble strength, based on the normal intake port models, a high tumble ratio intake port is designed for a turbocharged gasoline engine.

High Tumble; Turbocharged; Intake port

U463.8

A

1671-7988(2016)10-102-04

王志國(guó)，（1974-），男，高級(jí)工程師，學(xué)歷本科、研究方向發(fā)動(dòng)機(jī)零部件設(shè)計(jì)。就職于哈爾濱東安汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司技術(shù)中心。