高熱效率混合動力自然吸氣汽油機提高進氣道流通能力方法研究

李偉 高洪宇 錢丁超 宮艷峰

（中國第一汽車股份有限公司 研發總院，汽車振動噪聲與安全控制綜合技術國家重點實驗室，長春130013）

主題詞：自然吸氣汽油機 進氣道 缸蓋 燃燒室 CFD

0 簡介

對于采用混合動力技術的車輛來說，提高燃油經濟性是汽油機開發的中心環節，而實現這一目的的有效方法是通過提高壓縮比實現更高的熱效率。壓縮比的提高必然帶來爆震增加的風險，為了降低爆震，采用廢氣再循環（EGR）是必須的關鍵技術。但是缸內廢氣量的增加會造成燃燒速度變慢，燃燒重心推遲，燃燒持續期變長。點火角提前是一種辦法，提高缸內充量的湍流強度是另一種辦法。通常，通過增強缸內渦流、擠氣流和滾流可以顯著提高缸內湍流強度。但對于自然吸氣汽油機來說，更高的進氣滾流必然造成進氣量的減少，而進氣量又決定了汽油機的動力性。因此，在保持高進氣流量系數的同時，有效地提高滾流的技術是必不可少的[1-2]。

一汽集團全新開發了一款用于混合動力的2.0L直列4缸自然吸氣（NA）汽油機，采用高壓縮比、高EGR結合高速燃燒技術實現更高的動力性和熱效率。為了實現快速燃燒必須盡可能提高缸內湍流強度，同時保證足夠高的流量系數。為此，借助CFD模擬仿真技術，針對進氣道流通截面面積變化、氣道關鍵結構尺寸控制、缸蓋燃燒室結構影響流通能力的因素進行規律性研究和優化設計。

1 進氣道流通特性

通常情況下，流過某一段截面時的氣體流動狀態采用無量綱流量系數（Cf）來評價。流量系數定義為：在一定壓力降的條件下，實際流過的氣體流量與不考慮氣體壓縮和流動損失下的理論流量之比。

其中，mreal為實際流量，在試驗臺架或CFD計算中都可以得到。mth為理論流量，計算公式如下：

Δp為缸筒內與外界的壓差，ρ為空氣密度，Advin為進氣道等效流通面積。

模擬計算中無量綱滾流比（Rt）的計算公式如下：

式中，M為動量矩，S為沖程，Qreal為體積流量。

從大量的穩態試驗及計算結果看,都顯示流量系數和滾流比之間呈現的是“此消彼長”（Trade-off）的關系（見圖1），單純提高滾流比必然造成流量系數的降低。另外，通常落在帕雷托前沿上的數據點均為較優結果，如果對與進氣流動相關的所有結構進行優化創新設計,可將帕雷托前沿向圖1的右上方即綜合流通性能最優方向移動。

圖1 滾流比與流量系數之間的關系

2 模擬計算邊界條件

本文所有結果均來自穩態模擬計算，計算軟件為Star_CCM+。采用統一的計算標準：中心為四面體網格，壁面附近拉伸出棱柱邊界層。最大單元尺寸為5 mm，并針對氣門、氣門座圈及氣道處的網格進行局部細化。湍流的模擬在主流區域采用k-ε雙方程湍流模型，近壁區域采用標準壁面方程進行處理[3]。計算模型為全尺寸完全對稱氣道模型，進氣門直徑33 mm，最大氣門升程9.5 mm，氣門升程8 mm（升程/氣門直徑=0.25），停滯入口，計算總壓力5 kPa，出口壓力0 kPa。固定壁面采用絕熱無滑移邊界條件。

為了將計算結果與試驗結果對應，計算模型采用“T”型筒結構，將缸蓋滾流運動轉換成旋轉的剛性渦。“T”型筒直徑與缸徑（B）相等，短筒長度為1×B，長筒單邊長度為1.75×B。為增加計算時的進氣穩定性，進氣道入口添加一個直徑為2×B，長度為1×B的圓柱形穩壓腔（圖2）。

圖2 計算域網格及尺寸定義

3 進氣道結構對流動影響

對于4氣門汽油機來說，進氣道結構主要采用單入口雙出口對稱布置。將進氣道各主要結構參數化設計（圖3），通過單獨改變各參數的數值研究各參數變化對進氣流動的影響。研究發現進氣道主軸線與進氣門中心線之間夾角（port_angle）對滾流比和流量系數影響很大，進氣道入口面積與進氣座圈喉口面積的比值（port_extend）變化對缸內流動也有顯著影響。在進氣道設計過程中合理控制這兩個變量可實現較佳的綜合流通能力。

圖3 進氣道主要結構尺寸參數化

3.1 進氣道傾角

在固定氣門傾角（valve_angle）狀況下，進氣道傾角（port_angle）從41°逐漸增大到52°。從計算結果可以看到（圖4），隨著進氣道傾角（port_angle）的增大流量系數逐漸降低，最大降幅7.7%。滾流比逐漸增高，最大增幅24.3%。進氣道傾角（port_angle）對滾流比的影響更為顯著。不過，超過46°后流量系數已無法滿足發動機性能要求。因此，從綜合流通性能看進氣道傾角（port_angle）的合理范圍在44°～46°之間。

圖4 進氣道傾角對流量系數和滾流比的影響

3.2 進氣道入口面積

在保持進氣座圈結構尺寸和氣道傾角（port_angle=46°）不變的前提下，通過控制進氣道入口面積與進氣座圈喉口總面積（單個座圈喉口面積×氣門數）的比值（port_extend）來改變進氣道入口大小，port_extend從0.6變化到1.6（圖5）。從圖6所示的流量系數和滾流比隨port_extend變化情況可以看出，隨著port_extend值逐漸增大，流量系數呈增大趨勢，在port_extend=1.4時流量系數達到最大值，繼續增大比值流量系數開始減小。滾流比在port_extend小比值時較高，當port_extend=0.7時達到峰值。比值從0.7到1.0滾流比逐漸降低，比值大于1.0后滾流比又開始增大，但增幅緩慢。

圖6 流量系數和滾流比隨port_extend變化情況

圖7是過單個氣門中心線截面的流速云圖。從圖中可以看出，小比值時氣流處于增速膨脹過程，并使氣門前端流速較高，因此滾流比較強。隨著比值的增大，氣門后端的流速逐漸增大，氣門前后端流速干涉造成滾流比逐漸降低。當比值超過1.0后，因為入口面積超過座圈喉口面積，氣道入口的氣流處于減速壓縮過程，進氣量逐漸增加，因此流量系數逐漸增大。隨著入口到喉口面積的收縮，流速逐漸增加，雖然氣門前后端氣流干涉較嚴重，但在流量和流速同時增加的作用下滾流比緩慢增大。

圖7 不同port_extend比值缸內流速云圖

4 缸蓋燃燒室結構對流動影響

在進行進氣道優化設計時發現進氣道形狀、走向無論怎樣趨近最優結構，但流量系數就是無法大幅提高。通過對CFD模擬出的缸內流場進行分析，發現缸蓋燃燒室的布置結構對流動有極大影響。燃燒系統采用高壓縮比方案必須減小壓縮容積，一方面優化活塞頂形狀，一方面增加缸蓋燃燒室擠氣面積。增加缸蓋燃燒室擠氣面積帶來的問題是氣門到燃燒室壁面距離減小，流通阻力增大，因此缸蓋燃燒室的形狀和結構需要合理設計與優化。本文主要研究缸蓋燃燒室邊緣倒圓角大小和氣門傾角對燃燒室容積及流通能力的影響。圖8顯示的是2種邊緣倒圓角大小和2種氣門傾角的組合方案。

圖8 缸蓋燃燒室不同結構方案

圖8中chamb-1是大圓角（R=15 mm），chamb-2是小圓角（R=8 mm），氣門傾角不變，擠氣面積相同。從圖中可以看到圓角R的大小決定了氣門與壁面之間遮擋面積的大小，近似masking作用，會提高低氣門升程時的滾流比，相應降低了流量系數。圖9顯示小圓角方案流量系數提高9.3%，滾流比降低23.1%，大圓角滾流比明顯高于小圓角方案。

缸蓋燃燒室刀具修正高度L和氣門密封面到燃燒室邊緣距離W（圖10）同樣對進氣流動有影響，為此通過直接提高缸蓋底平面的方法，計算驗證這兩個結構尺寸對流動的影響。缸蓋底平面分別提高1 mm、2 mm、3 mm和4 mm，從圖10可以看出W值逐漸從2.89 mm增大到5.78 mm，流量系數逐漸增大，滾流比顯著降低。與原設計相比流量系數最大提高12.2%，滾流比最大降幅44%（見圖11）。CFD計算結果顯示（圖10右側速度云圖），隨著W值的增加，L值逐漸減小，在二者共同作用下，氣門后端流通面積逐漸增大，氣門周圍總的流通面積都在增大，因此流通能力增強。另外，隨著氣門后端氣流流速的增加，氣門后端流入缸內的氣流與氣門前端的氣流干涉加重，是造成滾流比降低的主要原因。

圖9 缸蓋燃燒室邊沿圓角對流動的影響

圖10 降低缸蓋底平面高度對流隙的影響

圖11 降低缸蓋底平面高度對流動影響

在進行缸蓋燃燒室結構對缸內流動影響研究中氣門升程仍然采用8 mm，主要原因是為了避免masking的影響，另外小氣門升程計算受網格密度的影響，計算精度無法保證。

以上分析結果為缸蓋燃燒室設計提供了一種思路，在保證缸蓋燃燒室總高度不變的前提下，通過增大氣門傾角的方式減小刀具修正高度L可有效提高流量系數。以燃燒室棚頂O為原點，分別將進排氣斜面OA和OB向下傾斜到OA′和OB′,完全消除刀具修正高度L（圖12）構成圖8中的chamb-4的增大氣門傾角的方案。圖8顯示chamb-4的容積與chamb-1相比減少8.3%，這更有利于高壓縮比時活塞頂面形狀的優化設計。圖9顯示chamb-4與chamb-1相比，流量系數有大幅提高，增幅達13%，滾流比降低14.9%，由此可見在保持氣道結構不變的前提下，缸蓋燃燒室結構對提高流通能力有重要影響。

圖12 調整氣門傾角的方法

5 結論

本文主要研究了進氣道傾角、入口面積大小、缸蓋燃燒室結構及氣門遮擋長度對進氣流通能力的影響，同時提出一種缸蓋燃燒室設計的思路。

（1）進氣道傾角是進氣道設計的關鍵參數，氣道設計優化時需優先確定這一參數，從分析結果看，進氣道傾角在44°～46°之間最優，對于不同氣門傾角進氣道傾角會有調整，但不會偏離太多。

（2）進氣道入口面積與座圈喉口面積的比值不是越大越好，應根據流量系數和滾流比的需求綜合考慮，通常情況下應以最大流量系數為準則，滾流比的優化可以通過控制進氣道形狀和截面面積的方法實現。

（3）缸蓋燃燒室的設計對進排氣流動有重大影響，單純提高氣道流通能力還不能實現最優的進排氣流動。

提高氣門傾角可有效改善進氣流通能力，同時減小缸蓋燃燒室容積，但如果完全取消氣門遮擋不利于滾流比的提高。因此應該預留1～2 mm高度的氣門遮擋，這會降低氣道開發的壓力。