進氣道對增壓汽油機流動特性及性能的影響

藍志寶， 秦際宏， 楊曉, 葉年業, 穆建華, 梁源飛

(上汽通用五菱汽車股份有限公司, 廣西 柳州 545007)

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進氣道對增壓汽油機流動特性及性能的影響

藍志寶， 秦際宏， 楊曉, 葉年業, 穆建華, 梁源飛

(上汽通用五菱汽車股份有限公司, 廣西 柳州 545007)

基于某款增壓發動機，通過CFD軟件對不同進氣道的進氣組織及燃燒過程進行模擬計算，并分析了氣道對發動機著火特性和燃燒參數的影響。研究結果表明：減小氣道拐角半徑R或進氣門直徑，均可提高發動機滾流比和湍流強度；火花塞處較低的湍動能強度不利于火焰中心的形成；湍動能較強區域位于燃燒室中間區域更有利于點火之后火焰向四周迅速傳播，優化了發動機的燃燒過程。

汽油機； 進氣道； 燃燒過程； 流動分布

設計合理的進氣道可組織良好的缸內氣流運動，可改善發動機的燃燒過程，進而改善發動機的動力性、經濟性和排放性。充氣效率和氣流組織對氣道的結構設計比較敏感，對于汽油而言，一般通過組織滾流運動來改善缸內的油氣混合及燃燒速率，因受幾何結構的限制，充氣效率與滾流強度二者呈現此消彼長的關系；而汽油機使用增壓技術后，充氣效率得到了較大的提高，因此通過合理設計進氣道來增強進氣過程中形成的宏觀滾流運動，并在壓縮沖程中轉化為微觀湍流運動，成為優化發動機燃燒過程的一條途徑[1]。

國內外學者開展了大量關于進氣道對發動機缸內流場、燃燒及性能的影響研究[2-5]。Z.Mahmood等人[6]討論了進氣角度、氣缸停缸、氣道節流和廢氣再循環對缸內流場的影響規律。Y.L.Qi等人[7]利用CFD軟件模擬研究了進氣道結構對氣道滾流比及缸內流場的影響，并分析了滾流對進氣道噴射汽油機燃油霧化的影響。Isshiki等人[8]通過改變進氣口的幾何形狀，對發動機進氣組織進行研究，發現氣道形狀對容積效率、旋流運動的發展有很大的影響。焦運景等人[9]基于CFD軟件開展氣道形狀對天然氣發動機缸內氣體流動與燃燒過程影響的研究，結果表明：點火穩定性受湍流動能和氣體流速影響，適當增大湍流動能可以提高火焰傳播速度，但過大的湍流動能會使火花塞點火能量耗散量過大，對火核發展不利。

綜上所述，進氣道的形狀直接影響到發動機缸內混合氣的流動、燃燒及性能。本研究以某三缸增壓進氣道噴射汽油機為研究對象，利用AVL FIRE軟件對比分析不同進氣道對增壓發動機缸內氣體流動、燃燒過程的影響，為增壓汽油機進氣道的設計提供了理論和實踐依據。

1 氣道設計方案

常見的氣道改進方法是對氣道的3個參數——A，R，H(見圖1)進行小改動以改變發動機的充量系數和滾流比[10]。

圖1 氣道設計變量

增壓發動機需要較高的滾流比，本研究針對性地提出了3種進氣道方案：氣道1減小了氣道拐角半徑R，R由10.5 mm減少為3.8 mm，使更多氣流由靠近氣缸中心側氣門進入缸內，提高氣道的滾流比。氣道2進氣門內徑由23.5 mm縮小為21.6 mm，提高氣體進入氣缸的速度，以提高氣道的滾流比；此外該氣道還擴大了噴油避讓槽，稍微調整了氣道角度A(2°)，將氣道設計成漸縮的噴嘴形狀。氣道3的進氣門內徑由23.5 mm縮小為21.6 mm，減小氣道拐角半徑R為5 mm，同時將整個氣道縮小，氣道入口由1 026 mm2縮小為650 mm2。原機氣道及3種優化進氣道形狀見圖2。

圖2 氣道幾何模型

2 三維瞬態數值模擬計算

2.1 模型建立

本次瞬態模擬的研究對象為上述3種進氣道改進方案。瞬態模擬所選定轉速為3 000 r/min，點火時刻為700°曲軸轉角。由于研究的主要目的是探究進氣道形狀對缸內燃燒過程的影響，因此本次模擬從200°曲軸轉角開始至860°曲軸轉角結束，360°曲軸轉角為進氣上止點，260°曲軸轉角為噴霧起始時刻(為了使噴霧時刻的進氣道環境穩定，所以從200°曲軸轉角開始模擬)。

2.2 邊界條件的設定及數值模型的選擇

通過BOOST軟件進行計算，得到瞬態模擬計算所需要的邊界參數并導入到FIRE中，如進口質量流量、出口靜壓力及進氣道、排氣道以及缸內的初始條件，其他壁面條件見表1。湍流模型采用四方程模型k-ζ-f，壁面處理選擇混合壁面處理方程。在燃燒模塊中選用擬序火焰模型和單點火花點火模型。

表1 模型壁面溫度邊界條件

2.3 模型驗證

為了驗證所選模型的準確性，對發動機在3 000 r/min全負荷工況下進行試驗和模擬結果對比。圖3示出該汽油機驗證工況下缸壓的試驗值和模擬值對比結果。從圖中可見，模擬結果和試驗測試結果較為吻合，僅在點火時刻模擬計算的缸內壓力上升較快，壓力峰值比試驗結果高0.15 MPa。但誤差保持在5%以內，可認為模擬結果與試驗結果具有較好的一致性，所選模型和計算方法合理。

圖3 缸壓試驗值和模擬值對比

3 結果分析

3.1 進氣道的流場分析

圖4示出不同氣道流場分布對比。從圖4可見，大部分氣體進入氣缸后沿排氣側壁面向下運動，即區域3負的軸向運動；因為進氣門下方的壓力相對較小，所以氣體又沿進氣門側的缸壁向上運動，即區域4正的軸向運動，因此形成了繞氣缸軸線垂線的滾流運動，滾流運動的強度主要由區域3負的軸向運動和區域4正的軸向運動決定。經典的高滾流運動氣道的缸內氣體軸向流動分布見圖5。通過對比可見，3種氣道均為高滾流氣道。此外,對比區域1和區域2可見,3種優化方案的流動分離現象都比原機氣道明顯,區域1截流使更多氣體由區域2進入氣缸,進而加強滾流運動；然而3種優化方案為了增強滾流而進行的更改，如減小氣道拐角半徑、減小氣門內徑等都增加了氣道的壓力損失，流量系數將減小。

圖4 氣道流場分布

圖5 滾流氣道軸向速度分布

3.2 點火時刻缸內湍動能分布

發動機火焰中心的形成和火焰傳播均受到缸內湍流運動的方向及強度的影響。圖6示出轉速3 000 r/min下點火時刻不同進氣道的缸內湍動能強度和分布。由圖可見，氣道1和氣道2均比原機氣道的湍動能大，其中氣道2對應的湍動能較大，其最大湍動能位置在火花塞下方，處于燃燒室中心位置。而氣道1的湍動能強度僅次于氣道2，但其分布稍微偏向于進氣側。氣道3湍動能最小，最大值僅有35 m2/s2。可見，較大的R值和較小進氣門直徑均可有效提高發動機湍動能。而造成氣道3湍動能較小的主要原因是縮小進氣道截面積，導致較少空氣量進入發動機，進而影響缸內的湍動能強度。

圖6 燃燒室湍動能分布

3.3 進氣道對點火的影響

通過對比3個氣道在點火后5°的OH來分析進氣道對發動機著火的影響(見圖7)。原機氣道和氣道2對應的OH分布較為相似，此時OH量均比氣道1和氣道3多，可認為已經形成火焰中心，并開始向周邊傳播，但偏離火花塞中心位置較為明顯。氣道1和氣道3所對應缸內OH量較少，但出現位置不同，氣道1OH集中在火花塞上方，而氣道3OH分布在火花塞中心位置。由氣道對點火的影響分析結果可知，提高火花塞位置的氣體流動有助于提高發動機的著火特性，但過強的氣流會導致著火不穩定，甚至出現失火現象[11]。

3.4 進氣道對燃燒溫度的影響

缸內的氣體流動不僅對著火特性有影響，而且也會改變發動機燃燒過程。在3 000 r/min轉速下，分析3組進氣道對缸內燃燒過程的影響，如圖8所示。活塞運動到壓縮上止點后10°時，從原機的缸內溫度分布可推斷缸內已形成火焰中心，并以火花塞為中心，火焰向四周開始傳播。氣道2對應的燃燒室已燃燒溫度較原機高，從溫度分布來看，火焰已遍布整個燃燒室，燃燒速率高于原機。從氣道1對應的燃燒室溫度分布可見，排氣道側存在未燃燒區域。氣道3火焰發展較慢，在上止點后10°，缸內的最高燃燒溫度僅為2 120 K，高溫區主要集中在火花塞附近。從模擬計算可以看出，在氣道組織進氣過程中，提高缸內湍流強度有利于提高發動機的燃燒速率，而湍流強度的分布也影響到火焰傳播。

圖8 燃燒室燃燒溫度分布

3.5 進氣道對燃燒壓力的影響

圖9示出3 000 r/min下各氣道的缸內燃燒壓力和放熱率曲線對比。如圖所示，氣道1和氣道2的燃燒壓力曲線和放熱率曲線相似，均比原機燃燒壓力高，同時缸內壓力峰值對應的曲軸轉角比原機的小，有利于提高發動機熱效率。對比優化氣道方案可見，氣道2對應的最高燃燒壓力較氣道1高，并且最高燃燒壓力對應的曲軸轉角較氣道1小。氣道3的最高燃燒壓力較低，僅為4.7 MPa，最大放熱率僅是氣道2的50%。燃燒壓力較低的主要原因包括兩個方面：第一，缸內燃燒速率較低，導致缸內的燃燒壓力降低；第二，大部分燃料在活塞下行過程中進行燃燒，燃燒容積變大，缸內的溫度和燃燒壓力均降低。

圖9 不同氣道的燃燒壓力和放熱率

4 結論

a) 進氣道幾何結構對缸內氣流運動影響較大，減小氣道拐角半徑R和氣門內徑，將氣道設計成漸縮的噴嘴形狀，可以實現高滾流比的進氣組織；

b) 進氣門直徑由23.5 mm縮小為21.6 mm，缸內湍動能提高較為明顯，有利于點火之后火焰的迅速傳播，從而改善燃燒過程；

c) 對比分析各氣道的湍動能強度和分布可知，火花塞處較低的湍動能不利于火焰中心的形成，湍動能較強區域位于燃燒室中間區域更有利于點火之后火焰向四周迅速傳播。

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[編輯： 潘麗麗]

Influence of Intake Port on Air Flow Characteristics and Performance of Turbocharged Gasoline Engine

LAN Zhibao, QIN Jihong, YANG Xiao, YE Nianye, MU Jianhua, LIANG Yuanfei

(SAIC-GM-Wuling Automobile Company Limited, Liuzhou 545007, China)

The intake structures and combustion processes of different intake ports were simulated with CFD software and the influences of intake ports on ignition characteristics and combustion parameters were analyzed based on a turbocharged engine. The results show that reducing port corner radius R and intake valve diameter can improve the engine tumble ratio and turbulence intensity. The lower turbulence intensity in the position of spark plug is not good for the formation of flame center. The strong turbulent kinetic energy in the centre of combustion chamber facilitates flame propagation after ignition, which optimizes the engine combustion process.

gasoline engine； intake port； combustion process； flow distribution

2015-05-25；

2015-11-04

藍志寶(1971—)，男，首席工程師，主要研究方向發動機產品開發；yuanfei.liang@sgmw.com.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.01.016

TK418.9

B

1001-2222(2016)01-0083-05