基于三維仿真分析的氣門升程優化

關 昊，伊士旺，趙 錚，孫 科

（1.長城汽車股份有限公司技術中心，河北 保定 071000；2.河北省汽車工程技術研究中心，河北 保定 071000）

汽油發動機缸內氣流運動主要以滾流的形式存在，較高的滾流比對應較高的對流傳熱速率及較高的湍動能強度。對于GDI發動機，點火時刻燃油噴霧通過大尺度的流場運輸到火花塞附近，對初期燃油空氣混合作用顯著。研究表明，隨著滾流比的增加滯燃期明顯減小，燃燒速率提高［1－3］。

氣門升程影響發動機部分負荷下缸內充量運動，影響燃油空氣的混合及燃燒，進而影響排放及燃油消耗。在發動機詳細設計階段，凸輪型線的設計通過一維性能仿真和多體動力學仿真進行聯合優化分析，最終確定方案；在設計過程中包角大小、氣門升程、豐滿度的變化都會對性能產生影響［4］，如何權衡各參數之間的重要性是需要重點考慮的。本研究通過采用一種滾流閥裝置實現了可變滾流技術。在發動機功率較低、轉速為1000～5000r／min的工況下，滾流閥開啟，提高缸內滾流比，此外，滾流閥的開啟還可以改善冷機怠速情況，提高發動機運行性能；在超速時切斷滾流閥可以防止發動機抖動；在其他轉速范圍內進氣滾流閥關閉，減小進氣阻力，從而提高發動機功率。

本研究主要通過三維仿真工具進行瞬態進氣、壓縮沖程的分析，研究發動機部分負荷下進氣升程與缸內進氣流動之間的關系，確定最佳方案。

1 模型及邊界條件

1.1 一維模型標定

研究對象為渦輪增壓6缸直噴發動機，最大扭矩480N·m，標定功率達到245kW。根據發動機結構布置建立的一維熱力學模型見圖1。

關于摩擦功的設定，由于計算指示平均有效壓力（IMEP）時考慮到了壁面傳熱和泵氣損失因素，摩擦平均有效壓力（FMEP）僅包括以下因素：

1）軸承摩擦損失；

2）活塞、活塞環與缸套之間的摩擦損失；

3）閥系摩擦損失；

4）驅動必要附件的損失，包括水泵、油泵以及交流電機等。

本研究模型中輸入的摩擦功數據是參考其他機型進行假設而來（見圖2）。

進排氣道流量系數是發動機循環仿真的主要輸入數據之一，它會影響發動機的充氣效率和泵氣損失。流量系數定義為實際流量與理論流量之比：

本研究模型中的流量系數是在穩態氣道試驗臺得到的測試結果（見圖3）。

氣門正時影響充氣效率，也影響高壓循環的指示效率以及泵氣損失，因此，它是提高發動機性能的一個重要參數。此模型的進氣系統和排氣系統裝配了VVT相位控制裝置，進排氣的相位調節范圍是52°曲軸轉角。

對于熱力學循環仿真來說，放熱率是一個必要的輸入條件，可以通過分析相似機型缸壓得到，也可以使用VIBE功能根據經驗或數據庫進行估計。放熱率反映燃燒過程，它會影響缸內壓力和溫度，因此也會影響到循環熱效率、最高燃燒壓力和排氣溫度。

充入氣缸內的實際空氣質量與進入氣缸內的燃料質量之比為空燃比α。實際上，即使在同一臺發動機的同一個工作循環中，α值也會隨時間和氣缸空間位置的不同而變化，因此其一般用一個工作循環中的算術平均值來表示。此模型中α是參考同類機型的臺架試驗數據得到的（見圖4）。

通過校核增壓壓力、VVT角、廢氣旁通閥及進排氣溫度壓力邊界控制（管路壓損、排氣背壓、中冷后溫度、渦前溫度等），使功率達到245kW，扭矩達到480N·m。功率及扭矩曲線圖見圖5。

從計算結果上可以看出，功率、扭矩達到設計要求，一維模型標定完成。

1.2 氣道模型標定

進氣道試驗評價的方法有近10種［5］，目前以Ricardo，AVL和FEV等內燃機研究機構的評價方法最為常用。本研究采用的是天津大學根據Ricardo氣道試驗原理制成的試驗臺。該氣道試驗臺在氣缸和缸蓋之間加裝了一個90°的旋轉彎頭，將汽油機進氣道的滾流轉化為渦流，再利用渦流動量計來測量進氣道的渦流比，渦流動量計的位置在3.5倍的缸徑處。

Ricardo氣道評價方法［6］是對進氣道在穩態狀況下的流量系數和滾流比進行評價，保持氣道進出口有一定壓差，通過調節氣門升程得到每個狀態下的流量系數和滾流比，然后計算得到平均流量系數和平均滾流比。

流量系數表征了進氣道的流通能力，Ricardo流量系數公式如下：

式中：Q為試驗測得的實際空氣流量；A為氣門座內截面面積，為氣門座內徑，n為進氣門數目；V0為理論進氣速度，Δp為進氣道壓力降，ρ為氣門座處氣體的密度。

滾流是在發動機進氣過程中形成的一種宏觀大尺度渦流，滾流的旋轉軸與氣缸軸線垂直，滾流比的定義見圖6。

Ricardo滾流比計算公式為

式中：M為渦流計測得的face面上的角動量；G為流量計測得的face面上的空氣流量；D為氣缸直徑；Δp為進氣道壓力降；ρ1為進氣道前空氣密度。

為了評價在整個進氣過程中氣道的平均阻力與氣缸內平均滾流強度，定義了平均流量系數和平均滾流比，這兩個參數反映了氣道在整個進氣過程中的宏觀流動特性。Ricardo進氣道評價方法中假設進氣過程在進氣門開啟到關閉的區間，則平均流量系數和平均滾流比為

式中：LD為發動機形狀因數，，n為每缸進氣門數目；α2，α1分別為相應于進氣門開、關的曲柄轉角。

為了能使計算值與試驗值進行對比，CFD計算模型采用了與氣道試驗臺架完全一致的尺寸，在氣道進口建立一個穩壓腔用來代替外部的大氣環境，缸筒長度為4.25倍的缸徑，并在3.5倍缸徑處生成了一個face面（見圖7），通過求解face面上的角動量進而得到進氣道的Ricardo滾流比。計算邊界與試驗相同。

在Fire中自動生成計算網格，網格總數100萬左右，針對滾流閥開、關兩種狀態，根據氣門升程分別建立10個網格模型，采用k－zeta－f湍流模型和Hybrid Wall Treatment壁面函數，進出口都為壓力邊界條件，動量方程的差分格式為MINMOD Relaxed，混合因子為0.5。

計算得到了不同氣門升程下氣道流量系數和滾流強度，并與試驗值進行了對比（見圖8與圖9）。

平均滾流比與平均流量系數對比見表1。滾流閥的開啟對滾流比的提升有非常明顯的作用，平均滾流比提高26%，但流量系數也明顯降低，平均流量系數降低47%。但是，當發動機運行在小負荷區域時滾流閥才會開啟，此時進氣流量是受到標定限制的，所以流量系數的降低不會對性能產生負面影響。相對于試驗值，閥開狀態下平均滾流比誤差為4.5%，平均流量系數誤差為6.9%，閥關狀態下平均滾流比誤差為19.3%，平均流量系數誤差為4.6%。由于滾流比的計算需要得到滾流測量面軸向速度分布，而氣缸內的流動是一種復雜的三維非穩態帶旋轉的不規則流動，目前工程上應用湍流模型進行穩態分析無法精確得到速度、壓力等物理量，而得到比較準確的滾流比需要通過瞬態計算得到，所以此氣道模型標定只考慮流量系數即可。

表1 平均滾流比與平均流量系數對比

1.3 邊界條件

采用可變滾流技術主要是為了提高低速性能，所以本次計算工況點選擇為2000r／min，0.2MPa，進口給定溫度，流量出口給定壓力，邊界條件從標定好的一維模型中讀?。ㄒ妶D10，圖中v0表示滾流閥關，v1表示滾流閥開）。

網格模型基于AVL－Fire Fame engine＋，進行1個工作循環720°動網格模型劃分（見圖11）?；诨A凸輪型線，在包角正時不變的情況下，通過一維EXCITE－TD優化出4套不同氣門升程的型線（主要考慮進氣升程），進氣升程分別為10mm，9.5mm，9mm，8.5mm（見圖12）。

2 計算結果與分析

2.1 滾流比

圖13示出滾流比的計算結果。由于重疊期較大，產生明顯回流，導致滾流比有一個較明顯的提升，但隨著排氣門關閉，滾流比迅速下降；在進氣過程中可變滾流氣道滾流比上升明顯，到440°活塞下止點時滾流比最大，比滾流閥關閉提高了29%，而氣道試驗臺上該數據為35%，二者趨勢吻合。此氣道與其他氣道相比滾流比處于高水平。從圖13可以看出，進氣升程的改變對缸內進氣過程中滾流比有一定的影響，但是相對于滾流閥的影響還是小得多；然而隨著進氣終了，滾流比的下降也非常明顯，在壓縮過程中，隨著活塞的上行，滾流比有小幅的回升，在點火時刻附近達到較大值。

從圖14可以看出由于燃燒室的結構沒有改變，缸內滾流形狀沒有較大變化，進氣升程的變化只是對滾流的強弱產生較明顯的影響。

2.2 湍動能

從圖15與圖16上可以看出，由于進氣過程中滾流的強弱對紊流的形成產生積極的影響，滾流閥對湍動能的影響也非常明顯。隨著活塞上行，湍動能逐漸增強，在700°左右達到最高，滾流閥開啟使得此時刻的湍動能提高明顯；在滾流閥開啟狀態下，湍動能最高點出現在692°，隨后開始減弱，在點火時刻附近下降了10%，但相比滾流閥關閉狀態還是提升了16%左右，如果能保持住湍流強度，那將更有利于燃燒。

進氣升程的改變與滾流閥之間沒有相互影響，無論是滾流閥開啟還是關閉，進氣升程9.5mm都明顯要好于其他升程。

確定進氣升程后反帶回Boost模型，驗證性能，最終確定方案。

3 結論

a）可變滾流技術與氣門升程都會對湍動能產生明顯的影響，但兩者之間沒有相互的影響，在氣門升程優化時不用考慮滾流閥的影響；

b）針對此機型，大的升程效果較好，在確定氣門升程的情況下后期針對氣門正時、豐滿度等進行進一步的優化，同時需要EXCITE－TD計算防止彈簧并圈，最終確定最佳方案；

c）在同一平臺下運用多軟件進行協同仿真分析可以大大提高仿真精度，通過協同仿真，保證了相互之間數據傳遞的準確性，可以更容易地模擬發動機在瞬態工況下的特性變化；

d）基于仿真軟件的現在汽車發動機設計可以大大縮短發動機開發周期，滿足發動機各個設計階段的要求，并在后期可逐漸作為一種快捷的“試驗”驗證手段，提高效率。

［1］蔣德明.高等車用內燃機原理［M］.西安：西安交通大學出版社，2006.

［2］周龍保.內燃機學［M］.北京：機械工業出版社，2005.

［3］楊嘉林.車用汽油機燃燒系統的開發［M］.北京：機械工業出版社，2009.

［4］Christoph Heinrich.Investigation of a 2－step Valve T－rain and its Influence on Combustion by Meansof Coupled CFD Simulation［C］.SAE Paper 2005－01－0690.

［5］段家修，堯命發，許振忠.柴油機進氣道性能試驗與評價方法［J］.汽車技術，2001（7）：23－25.

［6］趙春明，吳志新，馬 寧，等.氣道穩流模擬試驗系統開發及評價方法數值處理分析［J］.內燃機工程，2004，25（5）：1－4.