進氣道滾流比對發(fā)動機壓升率及噪聲的影響

摘要：以某雙噴射6缸發(fā)動機為研究對象，設(shè)計高滾流比和低滾流比2種進氣道，通過三維計算流體動力學(xué)軟件AVL Fire對缸內(nèi)流場進行仿真，分析發(fā)動機燃燒特性，并進行臺架燃燒測試和噪聲測試。仿真結(jié)果表明：在轉(zhuǎn)速為2 800 r/min、平均有效壓力為1.3 MPa工況下，相比高滾流進氣道方案，低滾流氣道方案的缸內(nèi)第一、二個峰值滾流比分別降低了43.3%、34.9%，最大缸內(nèi)平均壓力降低544 kPa，最大壓力升高率降低16.84%。臺架試驗結(jié)果表明：2種進氣道的燃燒持續(xù)期相差不大，相比高滾流進氣道方案，低滾流方案以曲軸轉(zhuǎn)角表示的燃燒重心推遲了2.02°，燃油消耗率增大0.67%，壓力升高率（壓升率）降低了19.87%，發(fā)動機在頻率為700～1300 Hz時的噪聲約降低6.0 dB，噪聲改善效果明顯。

關(guān)鍵詞：進氣道；滾流比；仿真分析；壓升率；噪聲

中圖分類號：TK411.6;TK413.44文獻標志碼：A文章編號：1673-6397（2024）03-0051-06

引用格式：趙磊，紀雷，趙錚，等.進氣道滾流比對發(fā)動機壓升率及噪聲的影響［J］.內(nèi)燃機與動力裝置，2024，41（3）：51-56.

ZHAO Lei， JI Lei， ZHAO Zheng， et al. Effect of intake port tumble ratio on engine pressure rise rate and noise［J］.Internal Combustion Engine amp; Powerplant， 2024，41（3）：51-56.

收稿日期：2024-01-18

第一作者簡介：趙磊（1988—），男，河南駐馬店人，工學(xué)碩士，工程師，主要研究方向為發(fā)動機燃燒系統(tǒng)開發(fā)及流體仿真分析，E-mail：zziazhaolei@163.com。

*通信作者簡介：紀雷（1987—），男，山東萊蕪人，高級工程師，主要研究方向為發(fā)動機設(shè)計開發(fā)，E-mail：jljilei@126.com。

DOI：10.19471/j.cnki.1673-6397.2024.03.008

0" 引言

隨著全球能源危機、環(huán)保問題的日益嚴峻，排放標準的更加嚴格，以及人們對燃油經(jīng)濟性和動力性需求的提高，改善燃油經(jīng)濟性、提高熱效率和降低排放是內(nèi)燃機行業(yè)的主要研究方向。發(fā)動機缸內(nèi)流場對發(fā)動機燃燒過程及排放特性影響較大，提高氣道性能是增強缸內(nèi)流場的重要途徑之一［1-3］。過高的氣道滾流雖然能提高缸內(nèi)流場強度、改善燃燒速度，但也可能造成缸內(nèi)燃燒壓力升高率（壓升率）過高，在燃燒爆發(fā)壓力的激勵下，運動機構(gòu)因敲擊、振動沖擊而產(chǎn)生噪聲，降低用戶滿意度［3-4］。

本文中以某雙噴射6缸汽油機樣機為研究對象，采用計算流體動力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）方法建立進氣道的三維模型，研究不同滾流進氣道對發(fā)動機燃燒特性及噪聲的影響，并進行臺架試驗驗證。

1" 進氣道設(shè)計

進氣道結(jié)構(gòu)是決定缸內(nèi)滾流強度的主要因素，本文中將能使缸內(nèi)形成滾流的進氣道稱為滾流進氣道。設(shè)計2款進氣道，對比分析不同滾流比進氣道對發(fā)動機燃燒性能及噪聲的影響，2款進氣道結(jié)構(gòu)如圖1所示。方案一為高滾流比氣道，為提高滾流比，進氣道上輪廓近似直線設(shè)計，進氣道下輪廓為魚腹形，保證進氣道底部氣流更多流向上部，增強正向滾流，如圖1a）所示；方案二為低滾流比氣道，如圖1b所示。2個方案的差異主要體現(xiàn)在氣道下喉口處，相比于方案一，方案二通過削減下喉口處魚腹輪廓延伸長度來增大氣道喉口有效流通截面積，增大下喉口處氣流流量，提高氣道流量因數(shù)，降低滾流比，有利于降低燃燒速度。

2" 進氣道穩(wěn)態(tài)仿真

2.1" 仿真模型

幾何模型包含進氣道、進氣門、氣門座圈、缸蓋燃燒室、缸筒等，網(wǎng)格類型為Trimmed Mesher （切割體網(wǎng)格），基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸為2.50 mm，局部采用尺寸為0.25 mm的網(wǎng)格加密，總網(wǎng)格數(shù)為100萬左右。邊界條件采用進出口壓差（來源于氣道試驗），湍流模型采用k-ε模型［5-6］。

2.2" 仿真結(jié)果

進氣道穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果如圖2所示。由圖2a）可知：升程為1～5 mm時，方案一和方案二的流量因數(shù)差異很小，在大升程區(qū)域，即升程為6～10 mm時，兩方案的流量因數(shù)差別較大，相比方案一，方案二的流量因數(shù)平均增大21.5%。由圖2b）可知：在升程大于5 mm時，相比方案一，方案二的滾流比平均降低44.7%。

3" 缸內(nèi)瞬態(tài)CFD仿真

本文中重點研究滾流比對部分負荷的影響，缸內(nèi)瞬態(tài)仿真計算工況為：轉(zhuǎn)速為2 800 r/min、平均有效壓力為1.3 MPa。

3.1" 仿真模型建立

基于AVL Fire軟件對缸內(nèi)流場進行瞬態(tài)仿真，燃燒模型主要包含進排氣道、進氣門、排氣門、進氣門座圈、排氣門座圈、缸蓋燃燒室、氣缸套、活塞、火花塞等密閉區(qū)域。使用AVL Fire軟件的FAME Engine Plus劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格類型以六面體網(wǎng)格為主，最大網(wǎng)格尺寸為1 mm，最小網(wǎng)格尺寸為0.125 mm。邊界條件采用一維熱力學(xué)模型提供的入口進氣流量、溫度，出口壓力溫度為瞬態(tài)邊界。采用的模型有：k-ε標準壁面處理模型、標準傳熱模型、擬序火焰模型（extended coherent flame model，ECFM）［7-8］。燃燒系統(tǒng)模型如圖3所示。

3.2" 缸內(nèi)流場計算結(jié)果

3.2.1" 缸內(nèi)瞬態(tài)滾流比

滾流比第一個波峰出現(xiàn)在進氣過程氣門升程最大處，為進氣和活塞共同影響所致。隨著活塞下行，缸內(nèi)體積變大，滾流比逐漸下降，壓縮過程隨著活塞上行缸內(nèi)體積減小形成第二個波峰［7-8］。

缸內(nèi)滾流比仿真結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：由于方案二進氣道提高了進氣充量能力，缸內(nèi)氣流不易形成滾流，導(dǎo)致進氣過程的第一個峰值滾流比較方案一降低了44.3%，壓縮行程所形成的峰值滾流比降低了34.9%。

缸內(nèi)瞬態(tài)滾流比同穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果趨勢相同，氣道穩(wěn)態(tài)計算能夠真實有效地反映缸內(nèi)瞬態(tài)流場變化趨勢。

3.2.2" 缸內(nèi)瞬態(tài)湍動能

湍動能的第一個波峰大約出現(xiàn)在氣門最大升程時刻，主要由進氣氣流形成。在壓縮行程中，隨著活塞對缸內(nèi)大尺度滾流不斷壓縮，規(guī)則的滾流運動由于燃燒室內(nèi)腔形狀的干擾而逐漸破碎，導(dǎo)致滾流比逐步下降，湍動能逐漸上升并形成第二個小波峰，隨后湍動能逐漸耗散［9-10］。

方案一、二缸內(nèi)湍動能仿真對比如圖5所示。由圖5可知，在點火時刻方案二缸內(nèi)湍動能相比方案一降低33.1%。 方案一、二在點火時刻的湍動能三維分布如圖6所示。由圖6可知：方案二的流場強度明顯弱于方案一，二者的湍動能分布差異不大，對燃燒火焰擴散形態(tài)的影響較小。

3.3" 缸內(nèi)燃燒計算結(jié)果

3.3.1" 模型校核

通常采用缸內(nèi)壓力對ECFM燃燒模型進行校核。本文中對方案一進行缸壓校核并將校好的燃燒模型應(yīng)用于方案二的燃燒預(yù)測。方案一缸壓校核結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：方案一缸壓的仿真結(jié)果與試驗測試結(jié)果差異很小，缸壓峰值相對誤差在2%以內(nèi)，以曲軸轉(zhuǎn)角表示的峰值相位誤差在1°以內(nèi)，表明建立的燃燒模型精度較高，可以用于后期燃燒計算預(yù)測。

3.3.2" 缸內(nèi)燃燒計算

低滾流比進氣道導(dǎo)致缸內(nèi)流場減弱，使得燃燒速度減慢，相同情況下燃燒相位滯后。為更好地預(yù)測試驗中低滾流進氣道對缸內(nèi)壓升率的影響，假設(shè)高、低滾流2種狀態(tài)的燃燒系統(tǒng)基礎(chǔ)抗爆性差異不大，低滾流氣道同樣能達到高滾流的燃燒重心，即保證相同的AI50（指從火花塞點火到50%缸內(nèi)燃料完全燃燒經(jīng)過的曲軸轉(zhuǎn)角），因此在燃燒計算時對低滾流進氣道進行了點火角提前處理。

2個進氣道方案的缸內(nèi)壓力、放熱率、壓升率對比如圖8所示。由圖8可知：相比方案一，方案二的最大缸內(nèi)平均壓力降低544 kPa；在燃燒中前期，方案二放熱率小于方案一；曲軸轉(zhuǎn)角為700°～750°時，方案一、二的最大壓升率分別為576、479 kPa/（°），方案二較方案一低16.84%。

4" 臺架試驗結(jié)果對比

4.1" 試驗臺架

試驗臺架示意圖如圖9所示。試驗系統(tǒng)主要采用AVL燃燒分析儀對雙噴發(fā)動機各缸缸壓進行采集分析，樣本發(fā)動機燃料選用國92#汽油，試驗工況為全工況。試驗用雙噴發(fā)動機型式為V型、6缸、四沖程，排量為3.0 L，點火順序為1—2—3—4—5—6，壓縮比為11.1。

4.2" 試驗結(jié)果對比

4.2.1" 燃燒特性

與方案一相比，方案二的進氣效率提高了1.98%，燃燒重心后移2.02°，燃燒持續(xù)期延長0.15°，缸內(nèi)壓升率降低19.87%，油耗增加0.67%。

4.2.2" 發(fā)動機噪聲

在燃燒爆壓的激勵下，活塞敲擊缸壁和曲軸彎扭振動沖擊而產(chǎn)生噪聲［11-15］。對發(fā)動機樣機進行整機輻射噪聲試驗，噪聲測試點布置分別位于距離整機的上部、進氣面、排氣面及正時面1 m位置處。測試工況為：轉(zhuǎn)速為1 000～4 000 r/min，間隔100 r/min，每個轉(zhuǎn)速下分別進行25%、50%、100%負荷噪聲采集，采集周期10 s，每組采集3次。

不同進氣道方案的噪聲頻譜如圖10所示。由圖10可知：相比方案一，方案二在頻率為700～1 300 Hz時噪聲降低了6.5 dB，低滾流氣道方案噪聲改善效果較明顯。

5" 結(jié)論

設(shè)計高滾流比和低滾流比2種進氣道方案，采用三維CFD仿真軟件對不同滾流氣道進行穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)分析，并對缸內(nèi)燃燒和噪聲進行臺架試驗。

1）相比高滾流比進氣道方案，穩(wěn)態(tài)分析時低滾流比方案的流量因數(shù)在升程為6～10 mm時平均提高21.5%，滾流比平均降低44.7%。

2）通過校核的仿真模型很好地預(yù)測了氣道結(jié)構(gòu)對缸內(nèi)燃燒壓升率的影響，仿真與試驗差異較小。

3）在轉(zhuǎn)速為2 800 r/min、平均有效壓力為1.3 MPa工況下，相比于高滾流進氣道方案，瞬態(tài)分析時低滾流比方案缸內(nèi)壓縮階段峰值滾流比降低34.9%，燃燒持續(xù)期變化不大，壓升率降低16.84%。

4）缸內(nèi)穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)滾流計算結(jié)果趨勢相同，氣道穩(wěn)態(tài)仿真能夠較好地反映缸內(nèi)瞬態(tài)流場變化趨勢，采用穩(wěn)態(tài)仿真對氣道結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化、篩選，可節(jié)約時間。

5）臺架試驗結(jié)果表明：方案二缸內(nèi)燃燒壓升率降低19.87%，以曲軸轉(zhuǎn)角表示的燃燒重心推后2.02°，燃油消耗率升高0.67%；發(fā)動機在頻率為700～1 300 Hz時的噪聲平均降低6.5 dB，發(fā)動機噪聲顯著降低。

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Effect of intake port tumble ratio on engine pressure rise rate and noise

ZHAO Lei1，2， JI Lei1，2*， ZHAO Zheng1，2， GUAN Hao1，2， YANG Minmin1，2， LI Donghui1，2

1. Great Wall Motor Co.， Ltd.， Baoding 071000， China;

2.Hebei Automotive Engine Technology Innovation Center，Baoding 071000， China

Abstract：Taking a certain dual injection 6-cylinder engine as the research object， two types of intake ducts with higher and lower tumble ratio are designed. The cylinder flow field is simulated using the three-dimensional computational fluid dynamics software AVL Fire， the combustion characteristics of the engine is analyzed， and bench combustion tests and noise tests are conducted. The simulation results show that under the condition of a speed of 2 800 r/min and an average effective pressure of 1.3 MPa， compared with the higher tumble ratio scheme， the first and second peak tumble ratios in the cylinder of the lower tumble flow scheme are reduced by 44.3% and 34.9%， the maximum average cylinder pressure is reduced by 544 kPa， and the maximum pressure rise rate is reduced by 16.84%. The bench test results show that the combustion duration of the two intake ducts is not significantly different. Compared with the higher tumble ratio scheme， the tumble ratio scheme has a combustion center of gravity delayed by 2.02° in terms of crankshaft angle， an increase in fuel consumption rate of 0.67%， a decrease in pressure rise rate of 19.87%， and a reduction of about 6.0 dB in engine noise at frequencies of 700-1 300 Hz. The noise improvement effect is significant.

Keywords：intake port; tumble ratio; simulation analysis; pressure rise rate; noise

（責(zé)任編輯：臧發(fā)業(yè)）