陳泓++林思聰++張宗瀾++李鈺懷++張雙

摘 要：針對一款缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的原始進(jìn)氣道，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)軟件Converge建立了三維穩(wěn)態(tài)流動計(jì)算模型，在對模型進(jìn)行試驗(yàn)標(biāo)定后，對結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的新進(jìn)氣道進(jìn)行了仿真計(jì)算。研究結(jié)果表明，所建立的三維穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型能夠較為準(zhǔn)確的模擬計(jì)算進(jìn)氣道的滾流比和流量系數(shù)；新優(yōu)化設(shè)計(jì)的進(jìn)氣道能夠在不明顯改變流量系數(shù)的前提下，較大幅度提升滾流比。最終獲得了提升氣道滾流比的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。

關(guān)鍵詞：缸內(nèi)直噴汽油機(jī) 進(jìn)氣道 優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號：TK411 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）12（c）-0098-03

Research on the Optimization of Intake Port for Gasoline Direct Injection

Chen Hong Lin Sicong Zhang Zonglan Li Yuhuai Zhang Shuang

（GAC Automotive Engineering Institute， Guangzhou Guangdong， 511434， China）

Abstract： By means of CFD （computed fluid dynamics） software converge， three dimensional steady state fow calculation model of an intake port has been established for the gasoline direct injection engine. On the basis of calibration of the established model， performance of intake port was recalculated for the optimized intake port. The results indicate that the established three dimensional steady state model can simulate the tumble ratio and flow coefficient accurately. Without changing the flow coefficient remarkably， the optimized intake port can strengthen the tumble ratio sinificantly. Finally， the good result of increasing the tumble ratio is achieved.

Key Words： Gasoline Direct Injection Engine； Intake port； Optimizing design

隨著油耗法規(guī)的日益嚴(yán)格和環(huán)境保護(hù)壓力的日益嚴(yán)峻，探索和開發(fā)更加節(jié)能減排的發(fā)動機(jī)一直是發(fā)動機(jī)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的熱點(diǎn)課題。缸內(nèi)燃油直接高壓噴射汽油機(jī)因具有良好的動力性、經(jīng)濟(jì)性以及瞬態(tài)響應(yīng)特性，正逐漸成為現(xiàn)代汽油機(jī)發(fā)展的主流技術(shù)[1，2]。

進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)對缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的性能有重要影響，直接決定著燃燒改善的潛力。滾流比和流量系數(shù)是評價(jià)進(jìn)氣道的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。在不明顯影響進(jìn)氣道流量系數(shù)的前提下，提升進(jìn)氣道的滾流比對改善缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)燃燒具有重要意義[3，4]。因此，該文采用氣道試驗(yàn)和CAE技術(shù)相結(jié)合的方法，對一款缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，以獲取氣道結(jié)構(gòu)對滾流比和流量系數(shù)影響的變化關(guān)系，為進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

1 進(jìn)氣道滾流比和流量系數(shù)計(jì)算方法

進(jìn)氣道滾流比和流量系數(shù)是評價(jià)氣道性能的兩個(gè)基本參數(shù)，二者之間存在矛盾的折中關(guān)系。缸內(nèi)直噴汽油機(jī)進(jìn)氣道設(shè)計(jì)需要保持一定流量系數(shù)的同時(shí)，盡可能提高滾流比。進(jìn)氣道滾流比和流量系數(shù)的計(jì)算方法如式（1）和式（2）所示。

（1）

式中，（α）為實(shí)際活塞速度；為活塞平均速度；為平均滾流比；ωFK為相對于氣缸軸向速度旋轉(zhuǎn)的角速度；ωMot為發(fā)動機(jī)角速度；為曲軸轉(zhuǎn)角。

（2）

式中，（α）為實(shí)際活塞速度；為活塞平均速度；為流量系數(shù)；為曲軸轉(zhuǎn)角；為平均流量系數(shù)。

2 進(jìn)氣道三維計(jì)算結(jié)果

2.1 三維計(jì)算模型建立

應(yīng)用Converge軟件建立了直噴汽油機(jī)進(jìn)氣道計(jì)算模型。邊界輸入條件：進(jìn)口壓力100 000 kPa；出口壓力97 500 kPa；初始壓力98 000 kPa；溫度293.15 ℃；湍流長度0.001 m；初始湍動能1 m2/s2。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

采用所建立的進(jìn)氣道三維穩(wěn)態(tài)仿真模型，計(jì)算了不同氣門升程下（hv=1.00～7.70 mm）的進(jìn)氣道性能。氣缸軸線速度與平均速度的比值分布以及各個(gè)氣門升程下的滾流比和流量系數(shù)如圖2所示。

圖3和圖4給出了進(jìn)氣道三維穩(wěn)態(tài)性能計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對比。從圖3可以看出，所計(jì)算的滾流比趨勢與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，氣門升程大于3 mm時(shí)，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合更好，這主要是由于氣門升程小于3 mm時(shí)，流動不穩(wěn)定性的增加導(dǎo)致計(jì)算模型出現(xiàn)偏差。而圖4的流量系數(shù)計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)吻合較好，基本沒有偏差。

同時(shí)，應(yīng)用式（1）和式（2）計(jì)算出了計(jì)算和試驗(yàn)的平均滾流比和平均流量系數(shù)，結(jié)果如表1所示。表1的結(jié)果表明，平均滾流比計(jì)算值與試驗(yàn)值誤差為3.3%，而流量系數(shù)則為2.5%，這說明所建立的三維穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型能夠較為精確地計(jì)算進(jìn)氣道的滾流比與流量系數(shù)。

3 進(jìn)氣道優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了提升進(jìn)氣道的滾流比，加速燃燒改善燃燒系統(tǒng)的效能，對進(jìn)氣道的喉口結(jié)果進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)（圖5）。圖5中白色線邊框?yàn)閮?yōu)化設(shè)計(jì)后的邊界，黑色線邊框線為原始設(shè)計(jì)的進(jìn)氣道輪廓。

采用Converge軟件建立的模型計(jì)算了優(yōu)化設(shè)計(jì)后的進(jìn)氣道滾流比和流量系數(shù)，氣缸軸線速度與平均速度的比值分布以及各個(gè)氣門升程下的滾流比和流量系數(shù)如圖6所示。

從圖7和圖8可以看出，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的進(jìn)氣道在基本保持流量系數(shù)不變的條件下，較大幅度地提升了滾流比。表2給出了原始進(jìn)氣道和優(yōu)化設(shè)計(jì)后進(jìn)氣道的平均滾流比和平均流量系數(shù)。表2的數(shù)據(jù)表明，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的進(jìn)氣道在平均流量系數(shù)基本不變的前提下，實(shí)現(xiàn)了滾流比12.7%的提升。

4 結(jié)論

（1）應(yīng)用Converge軟件建立的進(jìn)氣道三維穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型，在氣門升程較大（>3 mm）時(shí)，滾流比計(jì)算與試驗(yàn)值吻合較好；而在氣門升程較?。?lt;3 mm）時(shí)，由于流動不穩(wěn)定性增強(qiáng)導(dǎo)致計(jì)算偏差增大。

（2）在所有計(jì)算的氣門升程范圍內(nèi)，流量系數(shù)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)吻合較好，較為精確。

（3）針對進(jìn)氣道的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后，在保持平均流量系數(shù)不變的情況下，獲得了平均滾流比提升12.7%的效果。

參考文獻(xiàn)

[1] Domenic A. Santavicca，James V. Zello.Gasoline Direct Injection （GDI） Engines-Development Potentialities. SAEpaper[C]//2001SAE World Congress Detroit， Michigan：2001-01-1926.

[2] Xiangang Wang，Zhangsong Zhan，Xun Yu，et al.Experimental Study on Injector Spray Pattern Optimization for a Turbocharged GDI Engine Combustion System. SAE paper[C]//2014SAE World Congress Detroit， Michigan：2014-01-1439.

[3] 蔣德明.高等車用內(nèi)燃機(jī)原理[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2006.

[4] 楊嘉林.車用汽油機(jī)發(fā)動機(jī)燃燒系統(tǒng)的開發(fā)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[5] 劉志恩，蔣炎坤，陳國華，等.CFD輔助發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道設(shè)計(jì)方法研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2006，27（6）：6-10.

[6] 程莎莉，朱才朝.發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道流動特性的數(shù)值模擬[J].汽車工程，2009，29（12）：1070-1072.