王昊鵬 郝長利 李 輝 王澤宇

（1-天津大學內燃機研究所 天津 300072 2-天津特瑞捷動力科技有限公司）

引言

降低油耗的根本途徑是讓進入發(fā)動機氣缸內的燃料盡可能充分燃燒，即提高燃料的燃燒效率，而提高燃料燃燒效率首先需要燃料與氧氣按照合理的比例充分接觸，均勻混合，這樣形成的可燃混合氣對燃料能量的充分釋放十分有利，在這種高質量可燃混合氣的形成過程中，發(fā)動機進氣道起著非常重要的作用，因此進氣道開發(fā)越來越受到發(fā)動機行業(yè)的重視。在目前廣泛使用的增壓汽油機領域，由于有了增壓器對進氣量的加持，因此人們對氣道本身充氣效率的要求有所降低，而對氣缸內氣流運動的組織更加關注。缸內的湍流強度、混合氣的均勻性、殘余廢氣的分布都對燃燒效率有著重要影響，而加強缸內的氣流運動組織，可有效改善上述問題。因此，提升氣道的性能對提高汽油機燃燒效率，降低油耗具有關鍵意義[1]。采用發(fā)動機性能試驗結果評價氣道性能的方法周期長，成本高，且試驗過程中的影響因素多，不利于聚焦氣道性能的評價。而采用CFD模擬與氣道芯盒試驗相結合的方法，一方面能便捷快速地比對不同方案的缸內氣體流動特性，另一方面也能準確地獲得氣道在實際應用中的性能表現。此外，二者相互驗證，可起到對設計的有力支撐，且成本低，能有效提高開發(fā)效率，節(jié)省開發(fā)費用，縮短開發(fā)周期。

1 進氣道性能評價方法

進氣道與發(fā)動機可燃混合氣的形成直接相關，一方面氣道要能夠將足夠多的新鮮空氣送入氣缸；另一方面氣道要與燃燒室配合引導進入氣缸的氣流充分運動，使新鮮充量與燃油能夠均勻混合。通常用流量系數評價氣道輸送新鮮空氣的能力，用滾流比評價氣道引導新鮮空氣在發(fā)動機氣缸內進行滾流運動能力的強弱[2]。壓縮行程中，當活塞運行至近上止點時，可燃混合氣的滾流運動受活塞和燃燒室的共同擠壓，破碎為細小的滾流運動，使混合氣的湍動能顯著提升。湍流運動能增加燃燒過程中火焰前鋒面的物質和能量交換，提高火焰?zhèn)鞑ニ俾?，抑制爆震，提高燃燒效率。但由于氣道本身結構的原因，流量系數與滾流比二者很難同時優(yōu)化，調整過程中往往會出現此消彼長的情況[3]。進氣道滾流比和流量系數的計算方法如式（1）和式（2）所示[4]：

式中：c(α)為實際活塞速度；cm為活塞平均速度；Tm為平均滾流比；ωFK為相對于氣缸軸向速度旋轉的角速度；ωMot為發(fā)動機角速度；α為曲軸轉角。

式中：C(α)為實際活塞速度；Cm為活塞平均速度；μσ為流量系數；α為曲軸轉角；（μσ）m為平均流量系數。

2 氣道設計方案

在Pro/E中繪制了3個氣道方案的曲面模型，如圖1所示。其中氣道方案1為原始氣道設計，以方案1作為基礎方案，設計了方案2和方案3。

這兩個改進方案的設計宗旨為在不犧牲較多流量系數的前提下，盡量提高滾流比。方案2在方案1基礎上調整氣道入口位置，將進氣道入口位置“下壓”，減小氣道沖角，使氣道與燃燒室配合，引導氣流在缸筒半徑方向獲得更大的沖量，近氣門處氣道走向不變，中間段采用平滑過渡。方案3在方案2基礎上改進近氣門處的氣道局部走向，一是氣道出口設計為近“扁平”，形成噴嘴狀，這能有效提高進氣流速度，二是兩氣道支管外壁內收，引導兩路氣流向缸壁方向運動，避免兩股氣流進入氣缸后相互干擾，從而有利于滾流的形成。

圖1 3個氣道方案曲面模型

3 進氣道模擬計算

3.1 計算模型與邊界設置

本文使用AVL公司開發(fā)的FIRE軟件進行計算，首先在Pro/E中提取分析相關的各部分三維，包括：進氣道、燃燒室、氣門、座圈、導管、缸筒，合并實體化。其中缸筒直徑尺寸與發(fā)動機缸徑相同。發(fā)動機參數如表1所示。

表1 發(fā)動機參數表

氣道入口處設置1個600 mm×600 mm立方體，以獲得穩(wěn)態(tài)邊界，氣道入口位于立方體一面居中的位置，虛擬缸筒下部依據氣道試驗測試臺結構設置相同的輸出邊界，如圖2所示。設定立方體內穩(wěn)態(tài)氣壓為100 kPa，虛擬缸筒內穩(wěn)態(tài)氣壓為93 kPa。

圖2 氣道模擬分析模型

考慮此次分析為對比方案，以上述邊界分別對方案1～3進行CFD模擬分析。為節(jié)約計算時間，分別選取3 mm、5 mm、7 mm 3個典型氣門升程進行模擬分析。

3.2 計算結果——流場分析

由于小氣門升程點處進入缸內的新鮮充量絕對值較小，且在模擬分析中，小氣門生成點計算精度相對較低，故本文選取7 mm氣門升程點處的流場計算結果作為具體分析對象。

流場計算結果表明方案1滾流發(fā)展不充分，除滾流旋轉中心外還存在一個低壓區(qū)。導致該區(qū)域氣流流速低，不利于滾流發(fā)展和湍動能的積累。

方案2為方案1基礎上的改進方案，如圖3、圖4所示，氣道沖角下調后，滾流中心較方案1更為居中，方案1中低速區(qū)明顯改善，整個滾流分布更為均勻，有利于滾流的生成和持續(xù)發(fā)展。方案3如圖5所示，在流場分布上繼承了方案2的優(yōu)點，流線整體分布均勻，由于方案3強化了氣道出口的噴嘴效應，使氣流經過出口后顯著提升了流速。并且經過數值對比發(fā)現，流量系數并未發(fā)生大幅度的下降。所以從缸內流動情況看，方案3是符合設計預期的。

圖3 方案1流場計算結果

圖4 方案2流場計算結果

圖5 方案3流場計算結果

3.3 計算結果——流量系數及滾流比

經CFD分析各方案計算結果如表2所示。對比3個方案的缸內流場模擬分析數值，方案3在3 mm、5 mm、7 mm3個升程點滾流比相對方案1和方案2均提升了15%以上，而3個氣門升程下的流量系數相對方案1和方案2下降5%左右，其中7 mm氣門升程點降幅小于5%。綜合缸內流動分析結果和定點計算數據，可以認為方案3是較好的改進方案。在工程實踐中，可直接將方案3制作氣道芯盒進行試驗驗證。本文為驗證該分析方法，分別制作了3個方案的快速成型樣件，并分別進行試驗。

表2 各方案CFD分析結果匯總表

4 試驗驗證

4.1 氣道試驗

在動量進氣道試驗臺上分別對3個方案的芯盒進行氣道試驗，試驗的氣門升程依次為2 mm至9 mm，每次間隔1 mm。3個方案氣道滾流實驗值對比如圖6所示。3個方案氣道流量系數實驗值對比如圖7所示。

圖6 3個方案進氣道滾流實驗值對比

圖7 3個方案進氣道流量系數實驗值對比

試驗結果表明方案3在3～9 mm氣門升程點處滾流均為3個方案中最高，其中與初始方案1相比各點均有較大幅度的提升，這與仿真分析結果所表征的趨勢是一致的。同時方案3流量系數下降幅度可以接受。

4.2 發(fā)動機外特性試驗對比

將方案3氣道制成缸蓋樣件，建立試驗樣機并進行性能試驗。改進方案與原方案發(fā)動機轉矩試驗數據對比如圖8所示。改進方案與原方案發(fā)動機比油耗試驗數據對比如圖9所示。

方案1原機數據在中高速段油耗較高，且在2 000 r/min附近出現了絕對值較大的油耗率峰值。方案3在原機轉矩水平上略有提升，同時，中高速段油耗率顯著降低。

圖9 改進方案與原方案發(fā)動機比油耗試驗數據對比

5 結論

1）減小氣道傾角，將氣道形狀設計為漸縮的噴嘴形狀，并優(yōu)化氣道出口支管走向可顯著提高氣道滾流比，同時流量系數的下降在可接受范圍內。

2）發(fā)動機性能試驗結果表明，優(yōu)化后的進氣道對發(fā)動機性能有明顯改善。

3）基于特征氣門升程點的CFD對比分析結果與試驗結果有較好的一致性，在實際工程中，可有效指導設計工作進行，縮短設計周期，降低設計成本。