高滾流比進氣道在增壓汽油機上的應用

王志國，曹權佐，曹亮，施玉春，于榮楓

（哈爾濱東安汽車發動機制造有限公司技術中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

高滾流比進氣道在增壓汽油機上的應用

王志國，曹權佐，曹亮，施玉春，于榮楓

（哈爾濱東安汽車發動機制造有限公司技術中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

進氣道結構是決定缸內滾流強度的主要因素，在傳統進氣道的基礎上，設計了一款適合增壓機型的高滾流進氣道。

高滾流；增壓；進氣道

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

滾流是一種其旋轉軸垂直于氣缸軸線的缸內大尺度空氣運動形式，在壓縮行程后期轉變為湍流。滾流對缸內的油氣混合及湍動能有著積極的影響，滾流越強，點火時刻的缸內湍動能越強，燃燒速度就越快。進氣道結構是決定缸內滾流強度的主要因素，可以把能使缸內形成滾流的進氣道稱為滾流進氣道。作為滾流進氣道的性能指標，滾流強度和流量系數總存在著矛盾，滾流進氣道的設計宗旨就是在保證適當的流量系數的前提下盡量提高滾流強度。

隨著油耗、排放法規的日益加嚴，以及人們對汽車動力性的不斷追求，汽油機增壓技術越來越受到重視，增壓發動機能夠在兼顧性能的前提下提升發動機的進氣效率及熱效率，改善發動機的油耗及排放。

相比于自然吸氣發動機，增壓發動機依靠增壓器壓縮空氣進入氣缸，增壓器的表現直接影響著發動機性能。又由于增壓器渦輪的特性，很難做到同時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，高滾流進氣道可提升缸內的湍動能強度，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進氣道的改進設計，通過改變進氣道結構，提高滾流比，并借助穩態CFD計算來獲得氣道流量系數及滾流比數據，完成進氣道的選型，同時摸索進氣道結構參數對缸內流動參數的影響。

1、高滾流進氣道設計

研究的氣道燃油噴射的增壓汽油機結構參數見表1。

表1 發動機結構參數

從發動機性能參數可以看到，低速扭矩偏弱，其最大扭矩出現在2500r/min，渦輪增壓器較晚介入，對整車的起步性能和油耗不利，需要提升。

缸內滾流強度取決于進氣充量的動量矩。為獲取強滾流，要增大進氣門與氣門座圈上部的進氣流量及流速，同時減小進氣門與缸壁間的進氣，這樣可形成較為強烈的正向滾流。

圖1為原機進氣道結構形式，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，但如箭頭所示，由于氣道出口處與閥座垂直，在出口處進氣門上部和下部的氣流均較強，兩股氣流方向相反，相互抵消，削弱了滾流強度。

圖2為高滾流進氣道結構形式，氣道出口處與燃燒室成一傾斜角度α，又如圖3所示，氣道出口上部相對燃燒室傾斜布置，引導氣流從上部通過并沿燃燒室屋脊流向排氣側。而出口下部向氣道中心抬高，形成縮口，阻止進氣流向下部。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造了條件。

2、進氣道評價方法

在內燃機中常采用穩流試驗方法評價氣道性能，假定氣道及缸內氣體流動是穩定的氣體流動。實際發動機的進排氣過程中，由于活塞和氣門均做變速運動，流經氣道的氣流實際上是不穩定流動，兩者之間不存在相似性。為使不同形狀和尺寸氣道的流動特性具有對比性，采用無量綱的流量系數來評價不同氣門升程下氣道的流通能力，用無量綱的滾流比評鑒不同氣門升程下氣道形成滾流的能力。本文采用AVL評價方法[2]。

流量系數Cf計算公式：

式中：m為測得空氣質量流量；

mth為理論空氣質量流量；

式中，Z為進氣門數目；

dv為進氣門座與氣門作用直徑；

ρ為進氣門座處氣體密度；

△p為進氣壓降。

滾流比Rt計算公式：

式中：nD為測得0.5倍缸徑截面上繞旋轉軸的角速度；

n 為假想的發動機轉速。

式中Vh為發動機氣缸排量。

3、計算模型及邊界條件

利用AVL-Fire軟件分別對上述氣道噴射及高滾流直噴氣道進行穩態CFD計算，所需幾何模型一般包括進氣道、進氣門、進氣門座、燃燒室頂部、排氣門頭部、2.5倍缸徑的模擬缸套、進氣穩壓腔。

首先對計算域進行網格劃分，入口用穩壓腔代替大氣環境，對氣道及氣門特征處進行網格細化已提高計算精度。研究對象的進氣門座與進氣門配合處直徑29.5mm，氣門升程從1mm開始，以1mm為步長直至最大升程9mm，建立9個網格模型，氣道噴射進氣道網格模型如圖3所示，高滾流進氣道網格模型如圖4所示。

模擬計算中，進出口邊界條件采用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。 流量系數計算以座圈-氣門作用直徑為參考直徑，滾流比在0.5倍缸徑處進行計算。

4、改進方案

作為衡量進氣道的性能指標，滾流比與流量系數總是相互矛盾的，為保證不同的滾流比與流量系數組合獲得最佳的效果，共設計了三種進氣道方案，具體如下：

方案1：氣道出口上部傾角較小，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、計算結果分析

計算得到了不同氣門升程下的氣道-缸內流場、流量系數和滾流比。

圖8為原機進氣道各升程下的缸內速度場，左側為氣門剖面速度場，右側為滾流比測量平面（氣缸頂面向下0.5倍氣缸直徑）速度場。

可以看到，原機進氣道在進氣門的上下兩側均保持了較高的流速，并且在滾流比測定平面處兩股氣流也表現出了較高的速度，這樣可以獲得較高的流量系數，但兩股方向相反的高速氣流在缸內相互抵消，無法形成較為強烈的滾流。

改進氣道在進氣門下部的流速被減弱，相對應的進氣門上部得到了很大加強，由于單側進氣，會使得流量系數有所降低，但在缸內卻形成了單一的正向滾流，這從滾流測量平面的速度場也可以看到。

如下為流量系數及滾流比的計算結果對比。

6、方案選型

從對比結果看，原機的流量系數是最大的，而滾流比是最小的，這說明原機氣道是一款注重高流通性的氣道，而對滾流則基本沒有考慮。

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，（1974-），男，高級工程師，學歷本科、研究方向發動機零部件設計。就職于哈爾濱東安汽車發動機制造有限公司技術中心。